Ocena stopnia ogrzania cząstek proszku FeAl w procesie natryskiwania gazodetonacyjnego (GDS)

• Autorzy: Senderowski C. , Panas A. , Paszula J. , Bojar Z.

Warianty tytułu

EN

The evaluation of FeAl particles thermal response in gas detonation thermal spraying process (GDS)

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań modelowych nagrzewania się cząstek proszku FeAl w warunkach wymuszenia cieplnego gazowym strumieniem detonacyjnym, wygenerowanym podczas jednostkowego cyklu pracy działa „Perun-S” użytego do natryskiwania intermetalicznych powłok ochronnych typu Fe-Al. Parametry fazy gazowej w płaszczyźnie Chapmana-Jougeta (C-J) wyznaczono za pomocą kodu termochemicznego TIGER z uwzględnieniem założenia miejscowej równowagi chemicznej dla warunków spalania detonacyjnego mieszaniny wybuchowej propanu z tlenem i powietrzem, jaką zastosowano w rzeczywistym procesie GDS natryskiwania powłok FeAl. Analizę jakościową przejmowania ciepła przez cząstki proszku FeAl oparto na wynikach obliczeń czasów charakterystycznych przyspieszania cząstek (τv), ich konwekcyjnego nagrzewania (τT) oraz dyfuzji ciepła (τa), w odniesieniu do orientacyjnego czasu przekraczania strefy spalania detonacyjnego oraz czasu przebywania w strefie oddziaływania produktów detonacji. Stwierdzono, że czas wyrównania temperatury (τa) jest o około dwa rzędy wielkości mniejszy od czasu (τv) i (τT) – zarówno dla cząstek w stanie stałym, jak i ciekłym. Oznacza to, że dyfuzja ciepła w cząstkach wsadu proszkowego, uwarunkowana głównie właściwościami termofizycznymi fazy FeAl, zachodzi na tyle szybko, iż temperatura w objętości cząstki nadąża za zmianami temperatury jej powierzchni, przez co cząstki proszku nagrzewają się w całej objętości prawie równomiernie niezależnie od ich rozmiaru. Stwierdzono, że ze względu na specyficzne sprzężenie zjawisk wymiany ciepła oraz wymiany pędu w przepływie dwufazowym, dla każdych warunków analizowanego przepływu istnieje graniczna wartość średnicy cząstki, która gwarantuje utrzymanie stanu stałego wsadu proszkowego. Mechanizmy zachodzących procesów wymiany ciepła i masy rozpoznano na podstawie wyników identyfikacji czasów charakterystycznych (τv, τT i τa) oraz wyników oszacowania energii przejmowanej przez cząstki FeAl od gazowych produktów detonacji. Wstępne analizy pozwalają stwierdzić, iż cząstki o średnicy powyżej ok. 5 μm nie będą w stanie przejąć wystarczającej ilości ciepła do przetopienia materiału FeAl w określonych warunkach wymuszenia cieplnego podczas przejścia FD w czasie rzędu ok. 10–6 s. Z drugiej jednak strony cząstki o średnicy mniejszej niż 5 μm mogą ulec przetopieniu, a nawet odparowaniu. Generalnie cząstki proszku FeAl z zakresu od 20 do 140 μm, pomimo oddziaływania FD i podążających za nią gazowych produktów detonacji, zachowają stan stały. Co więcej, przez odpowiedni dobór rozkładu granulometrycznego wsadu proszkowego można uzyskać warunki silnego zmiękczenia natryskiwanego materiału.

EN

The paper presents the results of modelling research of FeAl particles heating during a single work cycle of the „Perun-S” detonation gun used for deposition of intermetallic FeAl protective coatings. The forced heating conditions were taken to accommodate both the extreme conditions of the ChapmanaJouget (C-J) plane and the averaged conditions of the following exhaust gas flow. Thermal parameters of the gaseous phase were determined using TIGER thermochemical code with assumption of the local chemical equilibrium for the detonation combustion of propane-oxygen and air mixture used in the actual gas detonation spraying (GDS) of FeAl coating. The identification of the main heat and mass transfer phenomena and the ongoing qualitative analysis of heat accumulation by FeAl powder particles were based on the results of calculations of three characteristic times: particle acceleration, i.e. velocity response time (τv), convection heating, i.e. thermal response time (τT) and heat diffusion (τa). The investigated phenomena were referred to the estimated time of crossing the detonation combustion zone by FeAl particles and to the time of the particle exposition to gas detonation products. It was found that the temperature equilibration characteristic time (τa) is about two orders of magnitude smaller than the time (τv) and (τT) – both for the solid and liquid state particles. This means that the heat conduction allows for almost immediate accommodation of the bulk temperature to the surface temperature of the particle. Therefore, it could be concluded that powder particles are heated up evenly in their whole volume – irrespectively of the size. However, due to specific coupling of the momentum exchange and heat transfer phenomena there is a dimensional limit for particles that can be heated up to melting. Starting from a certain model particle diameter the convection can not supply enough energy to completely melt the particle material. The mechanisms for such a behaviour were revealed both by identification of characteristic times (τv, τT and τa) and by evaluation of the heat exchange between the gaseous and solid phases. Concluding, particles of diameter greater than approximately 5 μm will not be able to absorb heat sufficient for melting of the FeAl material under defined conditions of forced heating during the FD pass at the time of approximately 10–6 s. However, particles of diameter smaller than approximately 5 μm can be melted and even partially evaporated. Generally FeAl particles of diameter within the range from 20 to 140 μm can withstand exposition to FD conditions and the following gas detonation products thermal impact in a solid state. Moreover, applying certain powder feedstock size particle distribution conditions close to melting temperature can be achieved.

Słowa kluczowe

PL

intermetale Fe-Al; nagrzewanie; cząstki; natryskiwanie gazodetonacyjne

EN

intermetallic FeAl; heating; particles; gas detonation spraying

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 6
• Strony: 849--853
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Senderowski C.

• Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii, Wydział Nowych Technologii i Chemii, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa

autor

Panas A.

• Instytut Techniki Lotniczej, Wydział Mechatroniki i Lotnictwa, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa

autor

Paszula J.

• Instytut Chemii, Wydział Nowych Technologii i Chemii, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa

autor

Bojar Z.

• Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii, Wydział Nowych Technologii i Chemii, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa

Bibliografia

• [1] Senderowski C.: Wielofunkcyjne systemy metalowych powłok ochronnych uzyskiwane z naddźwiękowego strumienia metalizacyjnego. Rozprawa habilitacyjna – w przygotowaniu do druku.
• [2] Glassman I., Yetter R. A.: Combustion. Fourth edition. Elsevier Inc., Amsterdam (2008) 261÷309.
• [3] Gavrilenko P., Nikolaev Yu. A.: Calculation of detonation gas spraying, combustion. Comb. Explos. and Shock Waves 43 (6) (2007) 724÷731.
• [4] Ramadan K., Butler P.: Analysis of gas flow evolution and shock wave decay in detonation thermal spraying systems. JoTST 13 (2) (2004) 239÷247.
• [5] Ramadan K., Butler P.: Analysis of particle dynamics and heat transfer in detonation. Thermal Spraying Systems JoTST 13 (2004) 248÷264.
• [6] Senderowski C., Bojar Z.: Gas detonation spray forming of Fe-Al coatings in the presence of interlayer. S&CT 202 (2008) 3538÷3548.
• [7] Senderowski C., Bojar Z.: Influence of detonation gun spraying conditions on the quality of Fe-Al intermetalic protective coatings in the presence of NiAl and NiCr interlayers. JoTST 18 (3) (2009) 435÷445.
• [8] Reddy B. V., Deevi S. C.: Thermophysical properties of FeAl (Fe-40 at. % Al). Intermetallics 8 (2000) 1369÷1376.
• [9] Senderowski C., Bojar Z., Wołczyński W., Pawłowski A.: Microstructure characterization of D-gun sprayed Fe-Al intermetallic coatings. Intermetallics 18 (2010) 1405.
• [10] Crowe C. T.: Multiphase flow handbook. Boca Raton: Taylor & Francis(2006).
• [11] Schultz E., Shepherd J.: Validation of detailed reaction mechanisms for detonation simulation. California Institute of Technology, Explosion Dynamics Laboratory, Report FM99-5 (2000).