Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

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

Senderowski C., Panas A., Paszula J., Bojar Z.

Inżynieria Materiałowa

|

2013

|

Vol. 34, nr 6

849--853

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.

2

Intermetaliczne powłoki ochronne otrzymywane przez gazodetonacyjne natryskiwanie samorozpadowych proszków Fe-Al

Senderowski C., Bojar Z.

Inżynieria Materiałowa

|

2004

|

R. XXV, nr 6

880-884

PL

W pracy przedstawiono kompleksową analizę wyników badań intermetalicznych powłok ochronnych otrzymanych poprzez gazodetonacyjne natryskiwanie (GDNP) proszków samorozpadowych na bazie faz międzymetalicznych typu Fe-Al na podłoże z ulepszonej cieplnie stali 45. Wcześniej prezentowane wyniki badań mikrostruktury, składu chemicznego i fazowego, chropowatości powierzchni i porowatości oraz stabilności cieplnej w wysokiej temperaturze [7, 8], uzupełniono o charakterystykę powłok w zakresie właściwości mechanicznych (pomiary mikrotwardości, naprężeń własnych metodą Sachsa-Davidenkowa), przyczepności - przy zestawieniu trzech różnych metodyk odzwierciedlających odmienny stan obciążenia (zginanie, rozciąganie i ścinanie), a także właściwości tribologicznych (próby ścierania w ruchu posuwisto-zwrotnym). Stwierdzono zadowalającą wytrzymałość adhezyjną powłok dla wszystkich badanych stanów obciążeń (rys. 6, tab. 2), między innymi uwarunkowaną korzystnym rozkładem ściskających naprężeń własnych (rys. 5). Mikrotwardość faz międzymetalicznych Fe-Al w powłoce gazodetonacyjnej (GD) jest nieporównywalnie (średnio ponad dwukrotnie) większa od mikrotwardości tego typu faz w materiałach litych i osiąga poziom (700 ÷ 800) HV0,l (rys. 4), a uśrednioną mikrotwardość powłoki podwyższają cząstki tlenków o twardości dochodzącej do 1200 HV0,l (rys. 4b). Cząstki tlenków rozproszone w uwarstwionej strukturze powłok nie powodują nadmiernego zwiększenia ich kruchości (współczynnik K(IC) dla badanych powłok jest nie mniejszy niż 1,0 MNm^-3/2, czyli nie ustępuje wartościom dla powłok ceramicznych), natomiast nadają powłokom charakter kompozytowy i szczególnie dobre właściwości tribologiczne, wyrażające się wielokrotnie mniejszym zużyciem powłok (a także współpracujących z nimi przeciwpróbek) w porównaniu do litych materiałów intermetalicznych lub żeliwa stopowego, badanych w analogicznych warunkach. Wyjątkowo dobre właściwości tribologiczne wykazuje powłoka z domieszką krzemu, który występując w składzie wtórnego roztworu stałego FeAl zwiększa skłonność tej fazy do tworzenia drobnych mikropęknięć sprzyjających jednak magazynowaniu substancji smarnej i zmniejszeniu zużycia węzła powłoka/przeciwpróbka w warunkach tarcia.

EN

A complex analysis of investigations of intermetallic protective coatings obtained as a result of gas detonation spraying Fe-Al type self-disintegrated powders on quenched and tempered steel substrate is presented in the paper. Earlier shown results of microstructure testing, chemical and phase analysis, surface roughness analysis, porosity and thermal stability testing have been completed with characteristics of coatings in a range of mechanical properties (microhardness, residual stress distribution according to Sachs-Davidenkov method), their adhesion - comparing three different methods reflecting different status of loading (bending, tensile testing and shearing) as well tribological properties (abrasive testing at plain - backward motion). Satisfactory adhesive strength of coatings - resulting from profitable distribution of compressive residual stress (Fig. 5) - was proved for all of three type applied loading. Microhardness of Fe-Al type intermetallic phases is, for gas-detonation sprayed coating, uncomparably (on average over twice) higher than microhardness of the same type bulk intermetallic and achieves a level of (700 ÷ 800) HV0.1 (Fig. 4). Averaged microhardness of coatings is increased by particle of oxides with a hardness of 1200 HV0.1 (Fig. 4b). Particles of oxides dispersed in layered structure of coatings do not cause excessive increasing of their brittleness (K(IC)) coefficient values are not less than 1.0 MNm^-3/2 and they are better than appropriate values for ceramic coatings). However these particles make composite structure of coatings and give them peculiarly good tribological properties - abrasive wear of GD sprayed coatings (as well their counter parts) is repeatedly less than for bulk intermetallic material or alloyed coast iron investigated under the same conditions. Exceptionally good tribological behavior reveals coating with Si addition, which - according to our analysis - being dissolved at FeAl based secondary solid solution improves ability of this phase to form a grid of micro-cracks playing a role of pockets storing lubricant.

3

Badania struktury iwłaściwości gazodetonacyjnych powłok ochronnych na osnowie faz żelazowo-aluminiowych

Senderowski C., Bojar Z.

Zeszyty Naukowe Politechniki Świętokrzyskiej. Mechanika

|

2001

|

Z. 75

191-196

PL

W pracy przedstawiono ocenę możliwości zastosowania faz międzymetalicznych typu FeAl jako powłok ochronnych natryskiwanych gazodetonacyjnie na podłoże ze stali 45, przy optymalnie dobranych warunkach nanoszenia. Na podstawie badań mikrostruktury, składu chemicznego, składu fazowego i stopnia umocnienia materiału powłok, jak również w wyniku badań wytrzymałości adhezyjnej, rozkładu naprężeń własnych, odporności na zużycie ścierne i erozyjne, dokonano kompleksowej oceny jakości technologicznej i użytkowej otrzymanych powłok w aspekcie ich wykorzystania jako materiałów konstrukcyjnych o podwyższonych właściwościach mechanicznych.

EN

Powders of iron-aluminium intermetallic compounds were tested as practicable materials of protective coatings gas-detonation sprayed on 0.45% C structural steel substrate. The results of microstructure, chemical compositon and microhardness investigations for coating after spraying as well results of previous strength adhesion tests, abrasive wear resistance and erosion resistance tests were taking into consideration. It was found that intermetallic protective coatings have attractive properties in a view of thier structural application, especially under abstractive wear condition.