بخشی از مقاله
مقدمه
فرایند لایـهنـشانی حرارتـی یکـی از روشهـاي ایجـاد پوشش سطحی بـا اسـتفاده از پـودر فلـزات، آلیاژهـا و
سرامیکها میباشد. در این فرایند، مواداولیه نخست به
شکل پودر و بهوسیلهي روشهاي حرارتی یا انفجـاري
به ذرات مذاب یا نیمه مذاب تبدیل میشود (شـکل .(1
سپس این ذرات پس از پاشش بر روي سطح مورد نظـر به آن چسبیده و بهاین ترتیب، پوشش سطحی بهصورت
لایههایی بر روي هم تشکیل میشود (شکل .(2 از ایـن
روش پوششدهی براي تقویت و افزایش مقاومت سطح
در برابر خـوردگی و سـایش، و ایجـاد عـایق حرارتـی استفاده میشود .[1]
شبیهسازي فرآیند پاشش حرارتی جهت تشکیل پوشش...
حرارتی پوشش را تغییر مـیدهنـد. عوامـل مختلفـی در
تشکیل تخلخل دخالت دارند که عامل برگشتگی لبههـا
بهدلیل وجود تنشهاي حرارتی از مهمترین آنهـا اسـت
.[1] این پدیده در تحقیق حاضر بهعنوان تنها دلیل ایجاد
تخلخل در نظـر گرفتـه مـیشـود. سـازوکارهاي دیگـر عبارتند از محبوس شدن گاز در زیـر قطـرههـا، از هـم
پاشیدگی ذرات هنگام برخورد با سطح و پر شدن ناقص
سوراخهاي موجود در لایهي زیرین .[2]
حفره ها سطح پوشش داده شده
شکل1 نمایی از روش پاشش حرارتی براي تشکیل پوشش
سطحی
خواص مهـم یـک پوشـش عبارتنـد از ضـخامت، زبري و میزان تخلخل. این ویژگیها وابستگی زیادي به شرایط فرایند پوششدهی دارند. ذره هنگام برخـورد بـا
سطح میتواند مـذاب، نیمـه مـذاب و یـا جامـد باشـد،
بنابراینکیفیت پوشش حاصل به دینامیک برخورد ایـن
ذره با سطح و میزان پخش شدن آن بستگی دارد.
نتایج تجربی نشان میدهند که پوشش تشکیل شده کاملاً یکپارچه نبـوده و بـین قطـرههـاي پخـش شـده
تخلخل وجود دارد (شکل.(2 تخلخلهـایی کـه هنگـام انجماد قطرهها بر روي سطح و یا لایههاي زیرین ایجـاد میشوند، بـهمیـزان قابـل تـوجهی خـواص مکـانیکی و
شکل 2 نمایی از تشکیل لایه هاي پوشش سطحی
تحقیقات آزمایشگاهی زیادي در زمینهي برخـورد
تک قطرهها به سطح انجام شده است. با در نظر گـرفتن
تأثیر عوامل مختلف مانند سرعت برخورد، دماي سـطح و اندازهي قطره بر میزان پخش شدگی آن، رابطـههـایی براي تعیین بیشترین میزان پخش شدن قطره بـهدسـت
آمده است .[3-9] در این رابطهها، ضریب پخـش قطـره
(ξ = dmax/D) ارائه شده است که در آن، dmax بیشترین قطر پخش شدگی ذره و D قطر اولیهي آن است.
بهدلیل پیچیدگی سازوکار برگـشت لبـهي قطـرهي پخش شده، تحقیقات کمتري در مـورد آن انجـام شـده است. فوکانوما، [10]، مدلی براي شـکلگیـري تخلخـل
ناشی از برگشت لبه ارائه کرده و نـشان داده اسـت کـه تخلخل بیشتر در پیرامـون قطـرههـا شـکل مـیگیـرد، بهگونهاي که محل آن از حدود 0/6 شعاع قطـره شـروع میشود. سوبولف و گیلمنی، [11]، یـک دسـته رابطـهي تحلیلی براي تشریح توزیع فشار در زیر قطرهي پخـش
نشریه مهندسی متالورژي و مواد
شـده بـهدسـت آوردهانـد کـه مـیتـوان از آنهـا بـراي محاسبهي نقطهي آغاز برگشت لبهها استفاده کـرد. زو و همکـارانش، [12]، بـا مطالعـهي چنـدین مقطـع بـرش خورده از قطرهي پخش شده در آزمایشهـاي مختلـف، میزان برگشت لبهي قطره را بر حسب عوامـل برخـورد قطره و خواص مواد بهدست آوردهاند. مبنـاي مطالعـات آنها محاسبهي توزیع تنش در قطرهي پخش شده بـوده
است.
اِمار و همکارانش، [13]، نقش عوامل مختلف مـؤثر بـر تخلخــل موجــود در پوشــش تولیــد شــده بــهروش
زیرکونیاي پایدار شده بـایتـریم را بـا اسـتفاده از روش آماريطرّاحی آزمایشها بررسی کردهاند. بخشی از این نتـایج در مقالـهي حاضـر بـراي تعیـین ـحصـت نتـایج
مدلسازي استفاده شده است.
شناســایی عوامــل مــؤثر بــر خــواص پوشــش و
چگونگی کنترل این عوامل براي بهدست آوردن پوشش مطلوب، بهکمک مدلسازي تشکیل پوشش با یک روش آماري امکانپذیر است. بلاشچنکو و چرنیاك، [14]، و سیرولینی و همکاران، [15]، از روش آمـاري دو بعـدي بدون در نظر گرفتن برگشت لبهي قطرات پخش شده به سمت بالا بـراي بهینـهسـازي فراینـد پاشـش حرارتـی استفاده کردندام،ا نتایج آنها بـهدلیـل دو بعـدي بـودن مدل و استفاده از نظریهي قدیمی پخـش شـدن قطـره و برگشت لبه ازدقّت بالایی برخوردار نبودند. غفوري آذر و همکاران، [16]، روش آمـاري مونـت کـارلو را بـراي مدلسازي تشکیل پوشش بر روي سطح بهکار بردنـد و در توزیع آماري مورد نظر براي قطرهها، برخورد مستقیم قطرهها به سطح را فرض کرده و زاویهي برخورد قطـره را در نظر نگرفته بودند. افزون بر ایـن، آنهـا از توزیـع نرمال براي زاویهي برگشت لبه استفاده کرده بودنـد. زو و همکارانش، [12,17]، در ادامهي کـار غفـوري آذر، از رابطهي مناسبتري که در این تحقیق نیز از آن اسـتفاده
شده است، بـراي محاسـبهي زاویـهي برگـشت لبـههـا
استفاده کردهاند. در رابطهي مذکور، خواص ترموفیزیکی
23
ماده و تأثیر اندازهي قطره هنگام برخورد در نظر گرفتـه
شدهاند،ام ا در مدلسازي از برخورد مایل قطره به سطح
صرف نظر کرده و تنها برخورد عمودي قطره بـه سـطح در نظر شده است. ینابراین، قطرهها بهصـورت دایـرهاي
پخش شده و به شکل بیضی در نمیآیند.
در این تحقیـق، از یـک مـدل آمـاري سـه بعـدي
استفاده شده است که میتواند تغییرات میـزان تخلخـل، ضخامت متوسط و زبري سطح را تخمین بزند. در ایـن
مدل، براي هریک از متغیرهاي فرایند پاشـش از توزیـع مناسب آماري استفاده شده اسـت، و بـراي رفـع نقـص
موجـود در کارهـاي قبلـی افـزون بـر در نظـر گـرفتن برخورد مایـل قطـره بـه سـطح، روش زو و همکـاران،
[12]، براي محاسبهي برگشت لبه بهکار رفتـه اسـت. در
پایان، نتایج بهدست آمده بـا نتـایج مـااِر، [13]، مقایـسه
شـده اسـت. بـر اسـاس نتـایج ارائـه شـده مربـوط بـه
حالتهایی که دماي قطرهها در پاشش کـمتـر از دمـاي
ذوب است، میزان تخلخل محاسبه شده بـهدلیـل وجـود
ذرات ذوب نشده کمتر از میزان بهدسـت آمـده توسـط اِمار است،اما در سایر موارد تطـابق خـوبی بـین نتـایج مدلسازي و نتایج اِمار، [13]، وجود دارد. پس از تعیین صحت نتایج مدلسازي، تأثیر عوامل مهم فرایند پاشـش بر مشخصات فیزیکی پوشـش در حالـتهـاي مختلـف بررسی شد. در هر یک از این حالتها، یکی از عوامـل از قبیل فاصلهي مشعل تا سطح، سرعت مـشعل، میـزان مواد پاشیده شده و یا زاویهي برگشت لبه بهعنوان متغیر فرض شده و سایر عوامل ثابت در نظر گرفته میشوند.
روش حل عددي فرایند پاشش حرارتی
مدل پخش شدن قطره. در این تحقیق، همانند مدل زو،
[17]، و غفوري آذر، [16]، از هم پاشیدگی قطره هنگـام برخورد با سطح بهدلیل رسـیدن دمـا بـه نزدیـک دمـاي
ذوب، در نظر گرفته نشده اسـت. در ایـن مـدل فـرض
شده است که هر ذره قبل از برخورد با سـطح بـهشـکل کرهاي به قطر D باشد، و بعد از برخورد به یـک لایـهي
42 شبیهسازي فرآیند پاشش حرارتی جهت تشکیل پوشش...
استوانهاي به قطر dmax تبدیل شود، بهگونهاي که لبههاي
آن بهدلیل وجود تنشهاي حرارتی به سمت بالا برگشته
است (شکل .(3
از آنجا که برخورد بعضی از قطـرههـا بـه سـطح
مایل است و پس از برخورد بهشکل بیضی در میآینـد، براي محاسبهي بیشترین ضـریب پخـش، ξ max، از دو
رابطه استفاده شده است. براي محاسبهي قطر کوچکتر از رابطهاي استفاده شده است که توسط پـسندیده فـرد و
همکاران، [18]، با حل عـددي برخـورد یـک قطـره بـه سطح و انجام آزمایشهاي مرتبط بهدسـت آمـده اسـت
(رابطهي-1 الف). براي محاسبهي قطر بزرگ بیضی نیـز از رابطهي دیگري استفاده شده است که توسط اسدي و
همکاران، [20]، ارائه و براي مدلسازي برخـورد مایـل قطره بهکار رفته است (رابطهي -1 ب). این رابطهها بـا
برقراري حالـت تـوازن بـین انـرژي کـل قطـره قبـل از
برخورد و پس از پخش شدن آن بهدست آمدهاند. پـس
از برخورد با سطح، انـرژي جنبـشی و انـرژي سـطحی
(ناشی از تنش سطحیاولی)هي قطره براي غلبه بر اثرات
لزجـت هنگـام پخـش شـدن آن بـهمـصرف مـیرسـد.
برقراري حالت توازن بین انرژي جنبشی، کشش سطحی و انرژي تلف شده، نـرخ پخـش شـدن قطـره را تعیـین میکند. این رابطه بهوسیلهيحققّمان زیادي استفاده شده است. در این زمینه میتوان بـه کارهـاي غفـوري آذر و
قطرهي پخش شده
dmax
همکاران، [16]، مستقیمی و همکاران، [21]، و عابـدینی
و همکاران، [22]، اشاره کرد. این رابطهها بهشـکل زیـر
هستند:
-1)الف) برخورد عمودي قطره
We 12 dmax max ξ
3 Ste D
3(1 −cos θ) 4(We / Re ) We
4 Pe
-1) ب) برخورد مایل قطره
We 12 dmax max ξ
3(1 −cos θ) 8(We / Re )Sinη D
در این رابطهها، اعداد بدون بعـد رينولـدز (Re)،
وبر (We)، پرانتل (Pr)، استفان (Ste) و پکلت (Pe) بـه وسیلهي رابطههاي زیر تعریف میشوند:
