view in publisher's site

Heat, mass and momentum transfer in coating formation by plasma spraying

The plasma jets produced by d.c. spray torches exhibit unusual properties: high flow velocities (up to 2 500 m · s −1 ), high temperatures (up to 14 000 K), steep temperature and velocity radial gradients (up to 10 7 K · m −1 and 5.10 5 s −1 ) and low gas density ( 1/30 to 1/50 that of the cold gas). They are laminar in their core and turbulent in their fringes. When they exit the torch nozzle, the resulting vortices coalesce inducing an engulfment process of the ambient gas with large scale eddies entraining bubbles of cold gas. The latter do not mix instantaneously with the plasma due to the high density difference. Mixing occurs after the heating of the cold inclusions. In addition, the plasma jets are continuously fluctuating in length and position because of the continuous movement of the arc root on the anode wall at frequencies ranging between 3 and 20 kHz. This results in a sort of piston flow. In plasma spraying, the solid particles are injected in the plasma jet through an injector set downstream or upstream of the nozzle exit. In this injector, particles collide between themselves and the injector wall. Therefore, they have trajectory and velocity distributions at the injector exit. It results in a dispersion of their trajectories within the jet. The flow rate of the powder carrier gas has to be adjusted to give the particles about the same momentum as that of the plasma jet at the injection point. The large difference between particle and flow velocity can induce convective movements within the molten droplets resulting in a continuous renewing of the liquid material at the particle surface. For metal or alloy particles sprayed in air this internal movement brings about a high oxidation rate enhanced by the presence of atomic oxygen in the jet. Particles impact on the part to be covered at velocities between 150 and 300 m · s −1 . The liquid material spreads out from the point of impact and forms a lamella called “splat”. The flattening time is below a few μ s and splat solidification generally starts before the flattening process is completed. The next particle that impacts a few tens of μ s later, flattens on already solidified particles. The piling up of a few splats forms a pass in less than one millisecond, then, the next pass is deposited a few seconds later. The thickness of a pass varies between 3 and 60 μ m. The flow and heat phenomena during the impact and solidification processes control the microstructure and thermo-mechanical properties of coatings. The build-up of a coating in plasma spraying is a multiscale problem with time scales ranging between microseconds and seconds and length scales ranging between a few micrometers and a few hundred micrometers or more. Therefore, models and experiments deal with either the formation of splats or the piling of layers. This paper will review what is our present knowledge of the modeling and measurement of the transient phenomena involved in the various subsystems of the plasma spray process: jet formation, particle injection, particle heating and acceleration and coating formation.

انتقال گرما، جرم و ممنتوم در تشکیل پوشش به وسیله پاشش پلاسما

جت‌های پلاسما تولید شده توسط d. c. مشعل‌های اسپری خواص غیر معمول از خود نشان می‌دهند: سرعت‌های جریان بالا (تا ۲ ۵۰۰ m. s -۱)، دماهای بالا (تا ۱۴ هزار K)، شیب شعاعی دما و سرعت (تا ۱۰ ۷ K. m -۱ و ۵ / ۵ s -۱)و چگالی گاز پایین (۱ / ۳۰ تا ۱ / ۵۰ از گاز سرد). آن‌ها در هسته خود آرام و در حاشیه خود آشفته هستند. هنگامی که آن‌ها از نازل مشعل خارج می‌شوند، گردابه های حاصل باعث ایجاد یک فرآیند شمعی شدن گاز محیط با گرداب‌های بزرگ در حال به دام انداختن حباب‌های گاز سرد می‌شوند. دومی به دلیل اختلاف چگالی بالا بلافاصله با پلاسما ترکیب نمی‌شود. مخلوط شدن پس از حرارت دادن مواد خارجی سرد رخ می‌دهد. به علاوه، جت‌های پلاسما به طور مداوم در طول و موقعیت به دلیل حرکت مداوم ریشه قوس بر روی دیواره آند در فرکانس‌های بین ۳ و ۲۰ کیلو هرتز در نوسان هستند. این امر منجر به نوعی جریان پیستون می‌شود. در پاشش پلاسما، ذرات جامد در جت پلاسما از طریق یک تزریق کننده که در پایین‌دست یا بالای خروجی نازل قرار دارد، تزریق می‌شوند. در این انژکتور، ذرات بین خود و دیواره انژکتور برخورد می‌کنند. بنابراین، آن‌ها خط سیر و توزیع سرعت در خروجی تزریق کننده دارند. این امر منجر به پراکندگی مسیرهای آن‌ها در جت می‌شود. نرخ جریان گاز حامل پودر باید تنظیم شود تا ذرات در حدود همان اندازه حرکت جت پلاسما در نقطه تزریق داشته باشند. تفاوت بزرگ بین ذره و سرعت جریان می‌تواند حرکات همرفتی درون قطرات مذاب را القا کند که منجر به تجدید پیوسته مواد مایع در سطح ذره می‌شود. برای ذرات فلزی یا آلیاژی که در هوا اسپری می‌شوند، این حرکت داخلی، نرخ اکسیداسیون بالایی را ایجاد می‌کند که با حضور اکسیژن اتمی در جت افزایش می‌یابد. ذرات بر روی قسمتی که باید در سرعت‌های بین ۱۵۰ و ۳۰۰ متر بر ثانیه پوشش داده شود، تاثیر می‌گذارند. ماده مایع از نقطه برخورد گسترش می‌یابد و یک لامل به نام "اسپلات" را تشکیل می‌دهد. زمان مسطح سازی زیر چند میکرومتر است و انجماد به طور کلی قبل از کامل شدن فرآیند مسطح سازی شروع می‌شود. ذره بعدی که بعدا بر چند ده میکرومتر تاثیر می‌گذارد، بر روی ذرات منجمد شده قبلی، مسطح می‌شود. توده کردن چند شکاف یک گذرگاه را در کم‌تر از یک میلی‌ثانیه شکل می‌دهد، سپس، گذرگاه بعدی چند ثانیه بعد ته‌نشین می‌شود. ضخامت یک پاس بین ۳ تا ۶۰ میکرومتر تغییر می‌کند. پدیده جریان و حرارت در طول فرآیند ضربه و انجماد، ریزساختار و خواص ترمومکانیکی پوشش‌ها را کنترل می‌کند. ایجاد پوشش در پاشش پلاسما یک مشکل چند مقیاسی با مقیاس‌های زمانی بین میکروثانیه و ثانیه و مقیاس‌های طولی بین چند میکرو متر و چند صد میکرو متر یا بیشتر است. بنابراین، مدل‌ها و آزمایش‌ها یا به شکل‌گیری اسپلتن‌ها و یا به انباشته شدن لایه‌ها می‌پردازند. این مقاله آنچه را که دانش کنونی ما از مدل‌سازی و اندازه‌گیری پدیده‌های گذرا درگیر در زیرسیستم های مختلف فرآیند اسپری پلاسما است، مرور خواهد کرد: تشکیل جت، تزریق ذرات، گرمایش ذرات و شتاب و تشکیل پوشش.
ترجمه شده با


پر ارجاع‌ترین مقالات مرتبط:

  • مقاله General Engineering
  • ترجمه مقاله General Engineering
  • مقاله مهندسی عمومی
  • ترجمه مقاله مهندسی عمومی
  • مقاله Condensed Matter Physics
  • ترجمه مقاله Condensed Matter Physics
  • مقاله فیزیک ماده چگال
  • ترجمه مقاله فیزیک ماده چگال
سفارش ترجمه مقاله و کتاب - شروع کنید

با استفاده از افزونه دانلود فایرفاکس چکیده مقالات به صورت خودکار تشخیص داده شده و دکمه دانلود فری‌پیپر در صفحه چکیده نمایش داده می شود.