CFD-analysis of the interaction of particles with a surface in the conditions of suspension plasma spraying

Cover Page

Abstract


Gas-thermal coating using suspensions and solutions of precursors allows to obtain promising functional coatings based on oxide ceramics with a controlled microstructure. CFD modeling of air plasma flows generated by the PNK-50 plasmatron in subsonic and supersonic operating modes (diameter of the nozzle 6, 8, 10 mm, gas flow rate of a plasma-forming gas 1 - 7 g / s, flow rate 500 - 2100 m / s). The interaction of single particles of the sprayed material with a size of 0.1 - 5 μm with the boundary layer of gas on the surface of the substrate (base) in the process of coating formation was studied, the values ​​of the speed of collision of particles with the base in various spraying modes were obtained. It is shown that the minimum particle size involved in coating formation is 0.5 - 1 μm.


Full Text

Введение

Суспензионное напыление занимает промежуточное положение между газотермическим напылением (ГТН) порошковых материалов и методами, основанными на осаждении покрытий из газовой фазы (электронно-лучевое, магнетронное, химическое и т. д.). Рассматриваемый метод нанесения покрытий основан на применении исходных материалов в виде жидкой фазы – суспензии частиц размером 10-1000 нм или растворов химических реагентов-прекурсоров (например, соли металлов). Материал инжектируется в высокотемпературный и высокоскоростной газовый поток, где происходит дробление жидкости на капли размером 10-20 мкм, испарение и снижение размера капель, формирование «сухих» частиц материала размером порядка 1 мкм. Использование в ГТН порошковых материалов субмикронного размера невозможно по двум причинам: во-первых, порошок агломерируется (комкуется) и становится практически несыпучим, во-вторых, ввести такие мелкие частицы в высокоскоростную струю не позволяет их малая инерция.

Снижение размера напыляемых частиц с 25-100 мкм, характерного для традиционных порошковых методов ГТН, до 1 мкм позволяет радикально изменить микроструктуру и функциональные характеристики формируемых покрытий. В связи с тем, что процесс жидкофазного напыления осуществляется в воздушной атмосфере, данная технология применяется только для оксидных материалов. Важно подчеркнуть, что производительность напыления (скорость роста покрытий) с использованием жидких материалов в 2–5 раз ниже, чем в традиционном порошковом напылении, однако на 1–2 порядка выше, чем в методах осаждения материалов из газовой фазы.

Резкий рост интереса к данной технологии возник в начале 2000-х годов. Основными причинами интенсивных исследований стали очевидные перспективы метода в двух важных задачах: теплозащитные покрытия лопаток авиационных двигателей [1] и ТОТЭ(SOFC)-элементы [2]. Обзоры, посвященные плазменному напылению суспензий и растворов (Suspension Plasma Spraying, Solution Precursor Plasma Spraying) [3; 4], обобщают опыт экспериментальных работ и позволяют определить практические ориентиры для реализации процесса: вязкость жидкости 10-50 мПа·с, объемный расход жидкости 20-120 мл/мин, дистанция напыления 40-100 мм, скорость роста покрытия 2-15 мкм за проход. Для получения качественных покрытий требуется применение плазмотронов мощностью 70-100 кВт и выше, таких как Axial III (Northwest Mettech), Triplex (Oerlikon Metco), 100HE (Progressive Technologies). Это связано, во-первых, со значительными тепловыми затратами на испарение жидкости (около 50% полезной мощности) [5], а во-вторых, с необходимостью повышения скорости субмикронных частиц до 500-1000 м/с, чтобы они могли преодолеть пограничный слой газа у поверхности подложки [6; 7]. Рельеф поверхности получаемого покрытия, размер периодических структур сильно зависят от шероховатости и способа механической обработки подложки [8]. В работе [9] приведены общие рекомендации по выбору режимных параметров процесса напыления (мощность плазмотрона, расход плазмообразующего газа, скорость подачи жидкости и перемещения образца и т. д.) для получения необходимой структуры покрытия (плотная/пористая/столбчатая), однако степень их применимости к напылительным системам различных конструкций остаётся неясна.

За последние 10-15 лет накоплен сравнительно большой объем экспериментальных данных, касающихся технологической стороны вопроса. В то же время физика явлений, происходящих в цепочке «формирование капель – формирование частиц материала – ускорение и нагрев частиц – соударение с основой» остается слабо исследованной. Причиной этому являются традиционные сложности изучения межфазного тепломассообмена в системе «дисперсные частицы – высокотемпературный поток», характерные для условий ГТН: малый размер и высокая скорость объектов. В условиях жидкофазного напыления указанные проблемы усугубляются в еще большей степени: скорости частиц еще выше, их размеры еще меньше, необходимо учитывать эффекты Кнудсена и Стокса. Короткие дистанции напыления (обычно 50-80 мм) приводят к тому, что практически все рассматриваемые процессы происходят в ядре плазменной струи, интенсивное излучение которой чрезвычайно затрудняет их оптическую диагностику. Кроме того, добавляются процессы поверхностного испарения несущей жидкости, формирования твердого осадка, пиролиза. Динамика этих явлений в настоящий момент остается практически неизученной.

Цель работы – численный анализ взаимодействия одиночных частиц напыляемого материала с пограничным слоем газа на поверхности основы современными методами вычислительной гидродинамики (CFD – от англ. computational fluid dynamics).

Методика численного эксперимента

Численное моделирование процессов суспензионного газотермического напыления в основном производится с использованием коммерческих CFD-пакетов, чаще всего Ansys Fluent [7; 10]. Использование встроенных моделей двухфазных течений позволяет достаточно точно предсказывать скорость и траектории напыляемых частиц, однако динамика межфазного теплообмена рассматривается в рамках однородного (безградиентного) нагрева частиц, который зачастую неуместен даже при анализе порошкового напыления.

Анализируя современное состояние исследований в области нанесения ТЗП и ТОТЭ, невозможно обойти вопрос применяемых материалов. Традиционно для этих целей используется диоксид циркония ZrO2, стабилизированный в тетрагональной фазе с помощью 5-8 % добавки оксида иттрия Y2O3. Главные его преимущества: высокая температура плавления – 3000 К, низкая теплопроводность ~2.6 Вт/(м·К) и высокий КТР на уровне 11·10-6 К-1, сравнимый с металлической основой лопатки. Однако рабочая температура таких покрытий ограничена пределом 1200-1250 оС, при котором начинается заметная деградация тетрагональной структуры материала. Эти значения не удовлетворяют требованиям авиадвигателей нового поколения, в которых требуется повышение рабочей температуры до 1350-1450 оС. Главные кандидаты на материал для оксидного слоя ТЗП будущего: перовскиты SrZrO3, Ba(Mg1/3Ta2/3)O3; гексаалюминиды лантана LaLiAl11O18.5, LaTi2Al9O19; а также цирконаты лантаноидов Ln2Zr2O7 (Ln=La, Nd, Sm, Gd) с кристаллической структурой пирохлоров [1; 11]. При этом, по современным данным, именно последняя группа материалов выглядит наиболее перспективной. Примечательно, что примерно те же классы материалов являются кандидатами на роль электролитов будущего в ТОТЭ [12]. При этом именно методы плазменного напыления суспензий и растворов прекурсоров демонстрируют возможности получения покрытий требуемой толщины, микроструктуры и пористости в рассматриваемых задачах [13; 14].

Постановка задачи CFD-анализа

Теоретический анализ посвящен определению условий напыления, при которых частицы микронного и субмикронного размера способны достигнуть поверхности подложки (основы для нанесения покрытия) и сформировать покрытие.

Численное моделирование взаимодействия одиночных частиц напыляемого материала с плазменным потоком выполнялось на основе решения полных уравнений Навье – Стокса в пакете Ansys Fluent 17.2. Рассматривалась стационарная осесимметричная задача с абсолютной формулировкой скорости, с учётом переноса энергии. В расчётах использована геометрия канала плазмотрона «ПНК-50» с соплами диаметром 6, 8, 10 мм, соответствующими условиям нанесения покрытий в экспериментах. На расстоянии 80 мм от среза сопла плазмотрона была установлена подложка диаметром 25 мм. Расчетная сетка (рис. 1) состояла примерно из 35 тысяч узлов.

 

Рисунок 1 – Сетка в расчетной области плазменного потока. Слева – канал плазмотрона, справа – подложка

 

Вычисления проводились с использованием моделей газа и параметров решателя, выбранных по результатам верификации расчетов, проведенных в работе [15].

 

Таблица 1 – Параметры численных моделей

Решатель

Вязкость

Параметры

Уравнение состояния газа

Density based

Realizable k-epsilon

Cε2 = 1.9,

TKE Pr = 1,

TDR Pr = 1.2,

Energy Pr = 0.85,

Wall Pr = 0.85

Плотность – Soave-Redlich-Kwong.

Теплоемкость, теплопроводность, вязкость – кусочно-полиномиальная зависимость по табличным данным [16]

 

Параметры турбулентности задавались через интенсивность турбулентности, равную 5 %, и коэффициент турбулентной вязкости, равный 10. Использовался решатель Density based с неявной схемой и моделированием течения по типу Roe-FDS (Roe flux-difference splitting). Пространственная дискретизация градиентов осуществлялась с помощью метода наименьших квадратов. Давление, плотность, импульс и энергия вычислялись со вторым порядком точности, турбулентная кинетическая энергия – с первым.

Граничные условия варьировались путем задания массового расхода и температуры плазмообразующего газа на границе inlet1, а также расхода транспортирующего и фокусирующего газов на границе inlet2 (температура 300 К), соответствующих различным режимам работы плазмотрона при токе дуги 200 А (таблица 2).

 

Таблица 2 – Граничные условия исследованных режимов работы плазмотрона

Расход плазмообразующего и защитного газа, г/с

 

(inlet 1)

Расход транспортирующего и фокусирующего газа, г/с

(inlet 2)

Ток дуги, А

Температура плазмообразующего газа, К

 

(inlet 1)

Сопло 6 мм

1.0 + 0.15

0.3 + 0.3

200 А

6800

3.0 + 0.45

0.9 + 0.9

200 А

5000

5.0 + 0.75

1.5 + 1.5

200 А

4200

7.0 + 1.0

2.1 + 2.1

200 А

3800

Сопло 8 мм

1.0 + 0.15

0.3 + 0.3

200 А

6800

3.0 + 0.45

0.9 + 0.9

200 А

5000

5.0 + 0.75

1.5 + 1.5

200 А

4200

7.0 + 1.0

2.1 + 2.1

200 А

3800

Сопло 10 мм

1.0 + 0.15

0.3 + 0.3

200 А

6800

3.0 + 0.45

0.9 + 0.9

200 А

5000

5.0 + 0.75

1.5 + 1.5

200 А

4200

7.0 + 1.0

2.1 + 2.1

200 А

3800

 

На стенке канала плазмотрона wall задавалось условие неприлипания газа и отсутствия теплового потока. На поверхности outlet задавалось значение атмосферного давления 100 кПа и температуры окружающего воздуха 300 K. Температура плазмообразующего газа задавалась на основе измерения мощностных характеристик плазмотрона в реальных условиях работы (мощность электрической дуги, мощность тепловых потерь в канале).

В качестве дисперсной фазы рассматривались частицы диоксида циркония ZrO2 размером 0.1, 0.3, 0.5, 1, 3, 5 мкм. При анализе межфазного переноса тепла и импульса «плазменный поток – частица», для того чтобы учесть эффект переменных свойств среды (резкое изменение теплофизических свойств газа в температурном пограничном слое у поверхности частицы), использовался аппарат UDF (User Defined Functions) пакета Fluent. Эффект разреженности газа и испарения материала в расчетах не учитывался.

Ранее в экспериментах было установлено, что процесс дробления капель суспензии ZrO2, сушки и полного плавления материала происходит на дистанции 6-12 мм вниз по потоку от точки инжекции материала. Поэтому для упрощения расчетов ввод частиц в струю осуществлялся на срезе сопла плазмотрона (20 мм от узла инжектора в канале). Для изучения траекторного эффекта частиц инжекция осуществлялась в трех точках с радиальными координатами rinj= 0.1, 1, 2 мм.

 

Рисунок 2 – Результаты расчета полей скорости (а) и температуры (б), а также траекторий частиц ZrO2 (в) при использовании сопла диаметром 10 мм и расхода плазмообразующего газа 3 г/с

 

На рис. 2 в качестве примера представлены результаты расчета течения плазменной струи при использовании сопла диаметром 10 мм и расхода плазмообразующего газа 3 г/с. На фрагменте рис. 2 (в) видно, что в указанном режиме частицы размером 0.1-1 мкм не соударяются с подложкой, а уносятся газовым потоком на периферию. Частицы размером 3 и 5 мкм достигают подложки.

Обсуждение результатов эксперимента

На рис. 3 показаны графики изменения скорости (а) и температуры (б) плазменного потока на оси струи в указанном режиме работы плазмотрона. На фрагменте рис. 3 (а) пунктирной линией обозначена внешняя граница динамического пограничного слоя, положение которой определялось по точке перегиба графика скорости (изменение знака второй производной d2Vx/dx2).

На рис. 3 (в, г) показаны изменения осевой скорости Vx частиц ZrO2 размером 0.1-0.5 мкм и 1-5 мкм. Для каждого размера частиц показаны три графика, соответствующие начальной координате инжекции rinj= 0.1, 1, 2 мм. В данном случае частицы размером 5 мкм перед входом в пограничный слой имеют скорость 700-750 м/с, а при соударении с подложкой – 590-560 м/с, а частицы размером 3 мкм перед входом в пограничный слой имеют скорость 550-600 м/с, а при соударении с подложкой – 400-460 м/с. Скорость частиц размером 1 мкм при приближении к подложке составляет 340-360 м/с, однако такого значения оказывается недостаточно для преодоления торможения в пограничном слое, вследствие чего частицы не достигают подложки, а отклоняются газовым потоком в радиальном направлении.

Для мелких частиц (менее 1 мкм) скорость и траектория движения практически перестают зависеть от их размера (рис. 3в), так как частицы отслеживают линии тока газа. Движение таких частиц полностью определяется условиями их инжекции в поток.

 

Рисунок 3 – Изменение скорости (а) и температуры (б) плазменного потока на оси струи, а также изменение скорости частиц ZrO2 размером 0.1-0.3 мкм (в) и размером 1-3 мкм (г) при использовании сопла диаметром 10 мм и расхода плазмообразующего газа 3 г/с

 

Аналогичные численные исследования были проведены для всех режимов работы плазмотрона. В таблице 3 представлены результаты измерения среднемассовых значений скорости и температуры плазмы на выходе из сопла плазмотрона, толщины динамического пограничного слоя у поверхности подложки, скорости частиц перед пограничным слоем и скорости соударения частиц с подложкой. В случаях, когда частицы не достигали поверхности подложки, скорость соударения не указывалась.

Для обобщения результатов численного анализа условий соударения частиц с подложкой производили оценку числа Стокса по формуле

St=ρpdp2V018μgh,

в которой ρp, dp, V0 – плотность, диаметр и скорость частицы при входе в пограничный слой, μg – вязкость газа, h – толщина пограничного слоя. Вязкость газа μg брали по табличным данным для средней температуры в пограничном слое (рис. 3 (б). Число Стокса характеризует инерционность частиц в окрестности критической точки натекающего потока: при St1 частицы отслеживают линии тока газа и обтекают подложку, а при St>1 соударяются с ней (рис. 4).

 

Рисунок 4 – Схематическое изображение влияния числа Стокса на движение частиц при натекании струи на подложку

 

В таблице 3 представлены результаты расчета параметров газового потока на выходе из сопла плазмотрона (среднемассовые значения температуры и скорости), а также параметров пограничного слоя при натекании на подложку, установленную на расстоянии 80 мм от сопла плазмотрона (толщина пограничного слоя, средняя температура и вязкость газа). Температура газа при натекании на преграду во всех случаях примерно вдвое ниже, чем при выходе из сопла плазмотрона. Увеличение скорости потока (расхода плазмообразующего газа) приводит к снижению толщины пограничного слоя.

 

Таблица 3 – Параметры динамического пограничного слоя у поверхности подложки

Расход плазмообразующего и защитного газа, г/с

Среднемасс. температура плазмообразующего газа, К

Среднемасс. скорость плазмообразующего газа, м/с

Толщина погран. слоя у подложки, мм

Температура газа в погран. слое, K

Вязкость газа в погран. слое, Па∙с

Сопло 6 мм

1.0 + 0.15

6.8E+03

1.3E+03

13

2.7E+03

8.70E-05

3.0 + 0.45

5.0E+03

1.7E+03

11

2.3E+03

7.60E-05

5.0 + 0.75

4.2E+03

1.9E+03

8

2.1E+03

7.10E-05

7.0 + 1.0

3.8E+03

2.1E+03

8

2.0E+03

6.90E-05

Сопло 8 мм

1.0 + 0.15

6.8E+03

8.5E+02

14

3.3E+03

1.05E-04

3.0 + 0.45

5.0E+03

1.2E+03

12

2.3E+03

7.60E-05

5.0 + 0.75

4.2E+03

1.6E+03

9

2.2E+03

7.40E-05

7.0 + 1.0

3.8E+03

1.9E+03

8

2.1E+03

7.10E-05

Сопло 10 мм

1.0 + 0.15

6.8E+03

5.5E+02

15

3.3E+03

1.05E-04

3.0 + 0.45

5.0E+03

8.5E+02

13

2.7E+03

8.70E-05

5.0 + 0.75

4.2E+03

1.1E+03

11

2.6E+03

8.40E-05

7.0 + 1.0

3.8E+03

1.4E+03

9

2.6E+03

8.40E-05

 

Результаты измерения скорости частиц ZrO2 размером 0.1, 0.3, 0.5, 1, 3, 5 мкм во всех изученных режимах работы плазмотрона в графическом виде представлены на рис. 5. Значения для каждого типа сопла обозначены индивидуальными маркерами, скорость частиц каждого размера растет с увеличением расхода плазмообразующего газа. На рис. 5(а) видно, что для всех типов сопел значения скорости частиц размером 0.1-1 мкм перед входом в пограничный слой составляют 200-1000 м/с (в зависимости от расхода плазмообразующего газа 1…7 г/с). Скорость этих частиц практически не зависит от размера и определяется исключительно характеристиками газового потока. Это связано с тем, что частицы имеют малую массу и полностью следуют линиям тока газа. Скорость частиц размером 3, 5 мкм при входе в пограничный слой составляет 200-1500 м/с и, как правило, превышает скорость более мелких частиц. Это связано с тем, что на дистанциях 50-70 мм от среза сопла плазмотрона скорость газового потока начинает снижаться независимо от эффекта пограничного слоя подложки, и субмикронные частицы замедляются активнее, чем крупные частицы.

 

Рисунок 5 – Зависимость скорости частиц при входе в пограничный слой (а) и при соударении с поверхностью подложки (б) от их размера. Точка инжекции rinj= 0.1 мм

 

С практической точки зрения наибольший интерес представляет анализ скорости частиц в момент соударения с подложкой. На рис. 5 (б) можно видеть, что во всех режимах напыления частицы размером 0.1-0.5 мкм снижают осевую скорость до нуля и огибают подложку по линиям тока газа, не соударяясь с ней. Очевидно, что такие частицы не будут участвовать в формировании покрытия. Важно подчеркнуть, что субмикронные частицы, имея скорость 200-1000 м/с, полностью теряют ее в пограничном слое.

Частицы размером 3-5 мкм практически во всех режимах (за исключением наиболее низкоскоростного Gпл=1 г/с) при соударении с поверхностью имеют высокую скорость 400-1200 м/с, потеря скорости в пограничном слое составляет 100-400 м/с. Такие высокие значения скорости на практике обеспечивают формирование покрытий с высокой плотностью. При низкой скорости потока частицы размером 3-5 мкм имеют низкую скорость соударения до 200 м/с, которая приводит к формированию пористых покрытий.

Диаметр частиц 1 мкм является критическим: в низкоскоростных режимах (Gпл=1-3 г/с), а также при инжекции вдали от оси струи, частицы отклоняются от подложки по линиям тока газа и не формируют покрытие; при высокоскоростных режимах напыления (Gпл=5-7 г/с) скорость соударения частиц составляет 10-150 м/с, что приводит к формированию пористых покрытий. Принимая во внимание, что малая осевая (нормальная к подложке) скорость таких частиц совмещена с высокой радиальной (касательной к подложке) скоростью 100-250 м/с, можно предполагать, что именно такие режимы напыления обеспечивают условия «затенения» поверхности подложки и формирования столбчатых структур, характерных для суспензионного напыления [17].

На рис. 6 показано обобщение результатов расчетов в терминах влияния критерия Стокса на скорость соударения с поверхностью частиц различных размеров. Для частиц размером 0.1-0.5 мкм число Стокса принимает значения St=10-4…10-1, поэтому такие капли следуют линиям тока газового потока и не соударяются с поверхностью подложки. Для частиц размером 1 мкм число Стокса составляет St=0.5·10-1…5·10-1, а для 3-5 мкм – St=1-20. Таким образом, результаты численных расчетов показали полное согласие с теоретическим критерием преодоления пограничного слоя частицами дисперсной фазы [18].

 

Рисунок 6 – Влияние числа Стокса на скорость соударения частиц ZrO2 с поверхностью во всех изученных режимах напыления

 

Положение точки ввода частиц в поток (радиальной координаты) имеет одинаковое влияние на движение частиц во всех режимах: чем ближе к оси осуществляется инжекция, тем большую скорость набирает частица. Такой траекторный эффект связан с тем, что в осевой области скорость (и температура) плазменного потока имеет максимальные значения [19; 21].

Выводы

Было проведено численное моделирование взаимодействия одиночных частиц напыляемого оксида циркония размером 0.1-5 мкм с плазменным потоком с использованием пакета Ansys Fluent 17.2. В расчётах использована геометрия канала плазмотрона «ПНК-50» с соплами диаметром 6, 8, 10 мм, соответствующими условиям нанесения покрытий в экспериментах. Исследован диапазон расходов плазмообразующего газа Gпл=1-7 г/с. Подложка диаметром 25 мм (основа для нанесения покрытия) размещалась на расстоянии 80 мм от среза сопла плазмотрона.

Полученные результаты численных расчетов позволяют сформулировать следующие выводы:

  1. Частицы размером менее 1 мкм практически не участвуют в формировании покрытия вследствие их малой инерции.
  2. Диапазон минимальных размеров частиц, на который следует ориентироваться в практических работах по жидкофазному плазменному напылению покрытий, составляет 1-3 мкм.
  3. Условия газодинамического потока, благоприятные для формирования покрытия (соударение частиц с подложкой), могут быть обеспечены не только с помощью сопла с критическим диаметром 6 мм, но и 8 мм, и 10 мм.

About the authors

Alexander S. Tambovtsev

Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS

Author for correspondence.
Email: alsetams@gmail.com

Russian Federation, 4/1, Institutskaya street, Novosibirsk, 630090

Laboratory Assistant

Vitaliy V. Belyaev

Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics, SB RAS

Email: belyaev@itam.nsc.ru

Russian Federation, 4/1, Institutskaya street, Novosibirsk, 630090

Junior Researcher

Igor P. Gulyaev

Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics, SB RAS

Email: gulyaev@itam.nsc.ru

Russian Federation, 4/1, Institutskaya street, Novosibirsk, 630090

Senior Researcher

References

  1. Bakan, E. Ceramic Top Coats of Plasma-Sprayed Thermal Barrier Coatings: Materials, Process-es, and Properties / E. Bakan, R. Vaßen // Journal of Thermal Spray Technology. – 2017. – Vol. 26. – P. 992–1010.
  2. Thermal Plasma Spraying Applied on Solid Oxide Fuel Cells / D. Soysal, J. Arnold, P. Szabo [et al.] // Journal of Thermal Spray Technology. – 2013. – Vol. 22 (5). – P. 588–598.
  3. Demands, Potentials, and Economic Aspects of Thermal Spraying with Suspensions: A Critical Review / F.-L. Toma, A. Potthoff, L.-M. Berger, C. Leyens // Journal of Thermal Spray Tech-nology. – 2015. – Vol. 24 (7). – P. 1143–1152.
  4. Liquid Feedstock Plasma Spraying: An Emerging Process for Advanced Thermal Barrier Coat-ings / N. Markocsan, M. Gupta, S. Joshi [et al.] // Journal of Thermal Spray Technology. – 2017. – Vol. 26 (7). – P. 1104–1114.
  5. Jordan, E. The Solution Precursor Plasma Spray (SPPS) Process: A Review with Energy Con-siderations / E. Jordan, C. Jiang, M. Gell // Journal Thermal Spray Technology. – 2015. – Vol. 24 (7). – P. 1153–1165.
  6. What Do We Know, What are the Current Limitations of Suspension Plasma Spraying / P. Fau-chais, M. Vardelle, A. Vardelle, S. Goutier // Journal Thermal Spray Technology. – 2015. – Vol. 24 (7). – P. 1120–1129.
  7. Killinger, A. What Do We Know, What are the Current Limitations of Suspension HVOF Spraying / A. Killinger, P. Muller, R. Gadow // Journal Thermal Spray Technology. – 2015. – Vol. 24 (7). – P. 1130–1142.
  8. The key process parameters influencing formation of columnar microstructure in suspension plasma sprayed zirconia coatings / P. Sokołowski, S. Kozerski, L. Pawłowski, A. Ambroziak // Surface & Coatings Technology. – 2014. – Vol. 260. – P. 97–106.
  9. Characterization of Microstructure and Thermal Properties of YSZ Coatings Obtained by Axial Suspension Plasma Spraying (ASPS) / A. Ganvir, N. Curry, S. Björklund [et al.] // Journal Thermal Spray Technology. – 2015. – Vol. 24 (7). – P. 1195–1204.
  10. Three-Dimensional Analysis of the Suspension Plasma Spray Impinging on a Flat Substrate / M. Jadidi, M. Mousavi, S. Moghtadernejad, A. A. Dolatabadi // Journal Thermal Spray Technolo-gy. – 2015. – Vol. 24 (1-2). – P. 11–23.
  11. Thermal-barrier coatings for more efficient gas-turbine engines : special issue MRS Bulletin. – 2012. – Vol. 37 (10). – 273 p.
  12. Шляхтина, А. В. Синтез и свойства кислородпроводящих соединений семейства редко-земельных пирохлоров : автореферат на соискание ученой степени доктора химических наук / А. В. Шляхтига. – Москва, 2010. – 46 с. – Текст : непосредственный.
  13. Application of Suspension Plasma Spraying (SPS) for Manufacture of Ceramic Coatings / H. Kassner, R. Siegert, D. Hathiramani [et al.] // Journal Thermal Spray Technology. – 2008. – Vol. 17 (1). – P. 115–123.
  14. Functional Performance of Gd2Zr2O7/YSZ Multi-layered Thermal Barrier Coatings Deposited by Suspension Plasma Spray / S. Mahade, N. Curry, S. Bjorklund [et al.] // Surface and Coat-ings Technology. – Vol. 318. – P. 208–216.
  15. Беляев, В. В. Верификация численной модели газодинамики сверхзвукового воздушно-го плазменного потока / В. В. Беляев, И. П. Гуляев. – Текст : непосредственный // Высокопроизводительные вычислительные системы и технологии. – 2018. – № 2 (9). – С. 47–53.
  16. Варгафтик, Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н. Б. Варгафтик. – Москва : Наука, 1972. – 721 с.
  17. Control of dispersed-phase temperature in plasma flows by the spectral-brightness pyrometry method / A.V. Dolmatov, I. P. Gulyaev, P. Yu. Gulyaev, V. I. Iordan // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 110. – P. 012058.
  18. Гуляев, П. Ю. Моделирование технологических процессов плазменного напыления покрытий наноразмерной толщины / П. Ю. Гуляев, И. П. Гуляев. – Текст : непосредственный // Системы управления и информационные технологии. – 2009. – Т. 35, № 1-1. – С. 144–148.
  19. Бороненко, М. П. Определение фундаментальной диаграммы потока ламинарного плазмотрона с постоянной подачей порошка / М. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев, А. Л. Трифонов. – Текст : непосредственный // Вестник Югорского государственного университета. – 2012. – № 2 (25). – С. 16–20.
  20. Thermal analysis of reaction producing KXTiO2 / K. Borodina, S. Sorokina, N. Blinova [et al.] // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. – 2018. – Vol. 131. – – P. 561–566.
  21. Бороненко, М. П. Измерение скорости и температуры частиц в потоке низкотемпературной плазмы / М. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев, А. Е. Серегин. – Текст : непосредственный // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2014. – Т. 57, № 3-2. – С. 70–73.

Supplementary files

Supplementary Files Action
1.
Figure 1 - Grid in the computational domain of the plasma flow. Left - plasmatron channel, right - substrate

Download (46KB) Indexing metadata
2.
Figure 2 - The results of calculating the velocity fields (a) and temperature (b), as well as the trajectories of ZrO2 particles (c) when using a nozzle with a diameter of 10 mm and a plasma gas flow rate of 3 g / s

Download (135KB) Indexing metadata
3.
Figure 3 - Change in the velocity (a) and temperature (b) of the plasma flow on the jet axis, as well as the change in the speed of ZrO2 particles with a size of 0.1-0.3 μm (c) and a size of 1-3 μm (d) when using a nozzle with a diameter of 10 mm and a flow rate plasma gas 3 g / s

Download (113KB) Indexing metadata
4.
Figure 4 - Schematic representation of the influence of the Stokes number on the motion of particles when the jet flows onto the substrate

Download (25KB) Indexing metadata
5.
Figure 5 - Dependence of the particle velocity at the entrance to the boundary layer (a) and upon collision with the substrate surface (b) on their size. Injection point rinj = 0.1 mm

Download (110KB) Indexing metadata
6.
Figure 6 - Influence of the Stokes number on the rate of collision of ZrO2 particles with the surface in all studied spraying modes

Download (85KB) Indexing metadata

Statistics

Views

Abstract - 89

PDF (Russian) - 40

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX


Copyright (c) 2020 Tambovtsev A.S., Belyaev V.V., Gulyaev I.P.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies