Технические науки/1. Металлургия

К.т.н. Денисенко А.И.

Национальная металлургическая академия Украины

К ОПТИМИЗАЦИИ ИНЖЕКЦИОННОГО МЕТОДА ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНОГО ЭЛЕКТРОДА

Известно, что одной из основных технологических проблем оптимизации динамических параметров при высокоэнергетическй обработке материалов является проблема экранирования обрабатываемой поверхности продуктами эрозии [1].

При взаимодействии двухфазной струи с частицами дисперсной фазы, налетающими на поверхность слоя металлокомпозита в процессе его формирования [2], в силу разных причин какая-то часть частиц либо отскакивает от формируемой поверхности, либо не закрепляется на ней. Эти частицы присутствуют в зоне воздействия до тех пор, пока не будут вынесены из неё транспортирующим новые порции инжектируемых частиц газом.

Присутствие, пусть даже кратковременное, «продуктов эрозии» в виде отскочивших или не закрепившихся в процессе удара о поверхность формируемого металлокомпозита частиц, может привести к их столкновениям с подлетающими в составе двухфазной струи инжектируемыми частицами. Каждое такого рода столкновение существенно влияет на импульс инжектируемой частицы как по величине, так и по направлению, что с большой вероятностью препятствует процессу инжекции.

Вследствие вышеизложенного представляется актуальной количественная оценка степени экранирования поверхности металлокомпозита (в дальнейшем мишени) отскочившими или не закрепившимися в процессе удара о поверхность частицами при инжекционном методе формирования.

В качестве модельного рассмотрим монодисперсный, моноскоростной поток равномерно распределенных в пространстве инжектируемых частиц дисперсной фазы, налетающих на поверхность мишени вдоль нормали к ней.

Известно [3], что эффективное поперечное сечение столкновения у (или просто сечение столкновения для одинаковых частиц диаметром d определяется соотношением у = р∙d². В качестве индикаторного для дальнейших оценок определимся придерживаться 50%-го уровня экоанирования "облаком" частиц поверхности мишени (рис. 1,2).

Рис. 1. Рис. 2.

Рис. 1. Доступная (1) для инжектируемых частиц (диаметром 5 мкм) и экранируемая (2) от них часть площади s/S мишени в зависимости от количества N частиц в "облаке" над единицей ее поверхности.

Рис. 2. Зависимость от диаметра частиц (из LiMn₂O₄) маccы формируемого ими “облака”, обеспечивающего 50%-ное экранирование 1 см² площади поверхности мишени.

Отметим, что "равновесное" количество N частиц в "облаке" над единицей поверхности мишени определяется балансом процессов пополнения отскочившими или не закрепившимися в процессе удара о поверхность частицами и выдувания приповерхностным газовым потоком, транспортирующим частицы за пределы мишени.

В расматриваемом приближении воздействие дисперсной фазы на поверхность мишени может быть охарактеризовано количественно частотой н ударов частиц по площадке мишени единичного сечения.

Частота н ударов частиц по площадке мишени единичного сечения определяется совокупностью таких параметров двухфазной струи, как ее площадь сечения S, скорость v и объемная концентрация n частиц дисперсной фазы в пределах двухфазной струи: н = S∙ v∙ n.

Отношением частоты н_о событий отскоков частиц к частоте н частиц, налетающих на поверхность, образуем параметр к_о= н_о/н, который назовем коэффициентом отскока. Для дальнейших оценок в рамках рассматриваемого приближения зададимся диапазоном изменения коэффициента отскока в пределах от 0,1 до 0,9.

Отметим, что в момент отскока (либо неприлипания) частица имеет преимущественно нулевой в направлении касательной к поверхности мишени импульс. Это определяет неизбежность существования интервала времени, в течение которого струей транспортирующего газа частице передается импульс, вследствие наличия которого и происходит ее вынос из “облака”. Несомненно также влияние на среднее время пребывания одиночной частицы в «облаке» ее размера, величины и конфигурации поверхности мишени, скорости налетающей двухфазной струи и т. д. В связи с вышеперечисленным в рассматриваемом приближении ограничимся утверждением существования ненулевой величины среднего времени ф_ср пребывания одиночной частицы в «облаке» и диапазоном значений этого параметра (от 10^-5 до 10^-4 с). Полагая, что каждая пополнившая “облако” частица покидает его через время ф_ср после момента пополнения, получим, что за время формирования стационарного в дальнейшем “облака” (начиная отсчет времени с касания поверхности первой из инжектируемых в нее частиц), сформируется число составляющих его частиц (над единицей площади поверхности мишени), определяемое соотношением N/S = н ∙ к_о∙ ф_ср.

Для численного значения параметра N/S (см. рис.1), соответствующего экранированию “облаком” 50% поверхности мишени (при диаметре частиц 5 мкм), на рис. 3 в координатах определяющих параметров н , к_о и ф_ср в пределах заданных диапазонов их изменения представлена поверхность стационарности сформированного отскоками частиц “облака” (в смысле постоянства в нем числа частиц). Для сочетаний значений координат, соответствующих точкам пространства графика на рис. 3, расположенным над представленной поверхностью, “облаком” будет экранироваться более 50% подлетающих к нему частиц, а расположенным ниже поверхности – менее 50%.

Рис. 3. Поверхность 50%-го экранирования мишени “облаком” отскакивающих частиц в координатах н , к_о и ф_ср (диаметр частиц 5 мкм).

Массовые соударения оксидных частиц, налетающих на экранирующее “облако”, формируемое над поверхностью мишени отскакивающими от нее оксидными частицами, с большой долей вероятности сопровождаются их дроблением.

Литература

1. Денисенко А.И. Плазменный факел при лазерной лучевой эрозии природных минеральных сред // Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції “Дні науки ‘2005”. – Т.38. Фізика. – Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2005. – С. 36-38.

2. Денисенко А.И. К механизму стабилизации слоя металлокомпозита при инжекционном методе формирования // Материалы I Международной научно-практической конференции "Ключевые аспекты научной деятельности – 2007" Технические науки. – Днепропетровск: Наука и образование, 2007.

3. Кингсеп А.С., Локшин Г.Р., Ольхов О.А Основы физики. Курс общей физики: Учебн. В 2 т. – Т. 1. / Под ред. А.С. Кингсена. – М: ФИЗМАТЛИТ, 2001. – 560 с.