دانلود مقاله مدلسازی فرایند پاشش حرارتی برای تشکیل پوشش سطحی با استفاده از روشهای آماری

word قابل ویرایش
14 صفحه
5700 تومان

مقدمه

فرایند لایـهنـشانی حرارتـی یکـی از روشهـای ایجـاد پوشش سطحی بـا اسـتفاده از پـودر فلـزات، آلیاژهـا و

سرامیکها میباشد. در این فرایند، مواداولیه نخست به

شکل پودر و بهوسیلهی روشهای حرارتی یا انفجـاری

به ذرات مذاب یا نیمه مذاب تبدیل میشود (شـکل .(۱

سپس این ذرات پس از پاشش بر روی سطح مورد نظـر به آن چسبیده و بهاین ترتیب، پوشش سطحی بهصورت

لایههایی بر روی هم تشکیل میشود (شکل .(۲ از ایـن

روش پوششدهی برای تقویت و افزایش مقاومت سطح

در برابر خـوردگی و سـایش، و ایجـاد عـایق حرارتـی استفاده میشود .[۱]

شبیهسازی فرآیند پاشش حرارتی جهت تشکیل پوشش…

حرارتی پوشش را تغییر مـیدهنـد. عوامـل مختلفـی در

تشکیل تخلخل دخالت دارند که عامل برگشتگی لبههـا

بهدلیل وجود تنشهای حرارتی از مهمترین آنهـا اسـت

.[۱] این پدیده در تحقیق حاضر بهعنوان تنها دلیل ایجاد

تخلخل در نظـر گرفتـه مـیشـود. سـازوکارهای دیگـر عبارتند از محبوس شدن گاز در زیـر قطـرههـا، از هـم

پاشیدگی ذرات هنگام برخورد با سطح و پر شدن ناقص

سوراخهای موجود در لایهی زیرین .[۲]

حفره ها سطح پوشش داده شده

شکل۱ نمایی از روش پاشش حرارتی برای تشکیل پوشش

سطحی

خواص مهـم یـک پوشـش عبارتنـد از ضـخامت، زبری و میزان تخلخل. این ویژگیها وابستگی زیادی به شرایط فرایند پوششدهی دارند. ذره هنگام برخـورد بـا

سطح میتواند مـذاب، نیمـه مـذاب و یـا جامـد باشـد،

بنابراینکیفیت 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 قطـرههـای پخـش شـده

تخلخل وجود دارد (شکل.(۲ تخلخلهـایی کـه هنگـام انجماد قطرهها بر روی سطح و یا لایههای زیرین ایجـاد میشوند، بـهمیـزان قابـل تـوجهی خـواص مکـانیکی و

شکل ۲ نمایی از تشکیل لایه های پوشش سطحی

تحقیقات آزمایشگاهی زیادی در زمینهی برخـورد

تک قطرهها به سطح انجام شده است. با در نظر گـرفتن

تأثیر عوامل مختلف مانند سرعت برخورد، دمای سـطح و اندازهی قطره بر میزان پخش شدگی آن، رابطـههـایی برای تعیین بیشترین میزان پخش شدن قطره بـهدسـت

آمده است .[۳-۹] در این رابطهها، ضریب پخـش قطـره

(ξ = dmax/D) ارائه شده است که در آن، dmax بیشترین قطر پخش شدگی ذره و D قطر اولیهی آن است.
بهدلیل پیچیدگی سازوکار برگـشت لبـهی قطـرهی پخش شده، تحقیقات کمتری در مـورد آن انجـام شـده است. فوکانوما، [۱۰]، مدلی برای شـکلگیـری تخلخـل

ناشی از برگشت لبه ارائه کرده و نـشان داده اسـت کـه تخلخل بیشتر در پیرامـون قطـرههـا شـکل مـیگیـرد، بهگونهای که محل آن از حدود ۰/۶ شعاع قطـره شـروع میشود. سوبولف و گیلمنی، [۱۱]، یـک دسـته رابطـهی تحلیلی برای تشریح توزیع فشار در زیر قطرهی پخـش

نشریه مهندسی متالورژی و مواد

شـده بـهدسـت آوردهانـد کـه مـیتـوان از آنهـا بـرای محاسبهی نقطهی آغاز برگشت لبهها استفاده کـرد. زو و همکـارانش، [۱۲]، بـا مطالعـهی چنـدین مقطـع بـرش خورده از قطرهی پخش شده در آزمایشهـای مختلـف، میزان برگشت لبهی قطره را بر حسب عوامـل برخـورد قطره و خواص مواد بهدست آوردهاند. مبنـای مطالعـات آنها محاسبهی توزیع تنش در قطرهی پخش شده بـوده

است.

اِمار و همکارانش، [۱۳]، نقش عوامل مختلف مـؤثر بـر تخلخــل موجــود در پوشــش تولیــد شــده بــهروش

زیرکونیای پایدار شده بـایتـریم را بـا اسـتفاده از روش آماریطرّاحی آزمایشها بررسی کردهاند. بخشی از این نتـایج در مقالـهی حاضـر بـرای تعیـین ـحصـت نتـایج

مدلسازی استفاده شده است.

شناســایی عوامــل مــؤثر بــر خــواص پوشــش و

چگونگی کنترل این عوامل برای بهدست آوردن پوشش مطلوب، بهکمک مدلسازی تشکیل پوشش با یک روش آماری امکانپذیر است. بلاشچنکو و چرنیاک، [۱۴]، و سیرولینی و همکاران، [۱۵]، از روش آمـاری دو بعـدی بدون در نظر گرفتن برگشت لبهی قطرات پخش شده به سمت بالا بـرای بهینـهسـازی فراینـد پاشـش حرارتـی استفاده کردندام،ا نتایج آنها بـهدلیـل دو بعـدی بـودن مدل و استفاده از نظریهی قدیمی پخـش شـدن قطـره و برگشت لبه ازدقّت بالایی برخوردار نبودند. غفوری آذر و همکاران، [۱۶]، روش آمـاری مونـت کـارلو را بـرای مدلسازی تشکیل پوشش بر روی سطح بهکار بردنـد و در توزیع آماری مورد نظر برای قطرهها، برخورد مستقیم قطرهها به سطح را فرض کرده و زاویهی برخورد قطـره را در نظر نگرفته بودند. افزون بر ایـن، آنهـا از توزیـع نرمال برای زاویهی برگشت لبه استفاده کرده بودنـد. زو و همکارانش، [۱۲,۱۷]، در ادامهی کـار غفـوری آذر، از رابطهی مناسبتری که در این تحقیق نیز از آن اسـتفاده

شده است، بـرای محاسـبهی زاویـهی برگـشت لبـههـا

استفاده کردهاند. در رابطهی مذکور، خواص ترموفیزیکی

۲۳

ماده و تأثیر اندازهی قطره هنگام برخورد در نظر گرفتـه

شدهاند،ام ا در مدلسازی از برخورد مایل قطره به سطح

صرف نظر کرده و تنها برخورد عمودی قطره بـه سـطح در نظر شده است. ینابراین، قطرهها بهصـورت دایـرهای

پخش شده و به شکل بیضی در نمیآیند.

در این تحقیـق، از یـک مـدل آمـاری سـه بعـدی

استفاده شده است که میتواند تغییرات میـزان تخلخـل، ضخامت متوسط و زبری سطح را تخمین بزند. در ایـن

مدل، برای هریک از متغیرهای فرایند پاشـش از توزیـع مناسب آماری استفاده شده اسـت، و بـرای رفـع نقـص

موجـود در کارهـای قبلـی افـزون بـر در نظـر گـرفتن برخورد مایـل قطـره بـه سـطح، روش زو و همکـاران،

[۱۲]، برای محاسبهی برگشت لبه بهکار رفتـه اسـت. در

پایان، نتایج بهدست آمده بـا نتـایج مـااِر، [۱۳]، مقایـسه

شـده اسـت. بـر اسـاس نتـایج ارائـه شـده مربـوط بـه

حالتهایی که دمای قطرهها در پاشش کـمتـر از دمـای

ذوب است، میزان تخلخل محاسبه شده بـهدلیـل وجـود

ذرات ذوب نشده کمتر از میزان بهدسـت آمـده توسـط اِمار است،اما در سایر موارد تطـابق خـوبی بـین نتـایج مدلسازی و نتایج اِمار، [۱۳]، وجود دارد. پس از تعیین صحت نتایج مدلسازی، تأثیر عوامل مهم فرایند پاشـش بر مشخصات فیزیکی پوشـش در حالـتهـای مختلـف بررسی شد. در هر یک از این حالتها، یکی از عوامـل از قبیل فاصلهی مشعل تا سطح، سرعت مـشعل، میـزان مواد پاشیده شده و یا زاویهی برگشت لبه بهعنوان متغیر فرض شده و سایر عوامل ثابت در نظر گرفته میشوند.

روش حل عددی فرایند پاشش حرارتی

مدل پخش شدن قطره. در این تحقیق، همانند مدل زو،

[۱۷]، و غفوری آذر، [۱۶]، از هم پاشیدگی قطره هنگـام برخورد با سطح بهدلیل رسـیدن دمـا بـه نزدیـک دمـای
ذوب، در نظر گرفته نشده اسـت. در ایـن مـدل فـرض

شده است که هر ذره قبل از برخورد با سـطح بـهشـکل کرهای به قطر D باشد، و بعد از برخورد به یـک لایـهی

۴۲ شبیهسازی فرآیند پاشش حرارتی جهت تشکیل پوشش…

استوانهای به قطر dmax تبدیل شود، بهگونهای که لبههای

آن بهدلیل وجود تنشهای حرارتی به سمت بالا برگشته

است (شکل .(۳

از آنجا که برخورد بعضی از قطـرههـا بـه سـطح

مایل است و پس از برخورد بهشکل بیضی در میآینـد، برای محاسبهی بیشترین ضـریب پخـش، ξ max، از دو

رابطه استفاده شده است. برای محاسبهی قطر کوچکتر از رابطهای استفاده شده است که توسط پـسندیده فـرد و

همکاران، [۱۸]، با حل عـددی برخـورد یـک قطـره بـه سطح و انجام آزمایشهای مرتبط بهدسـت آمـده اسـت

(رابطهی-۱ الف). برای محاسبهی قطر بزرگ بیضی نیـز از رابطهی دیگری استفاده شده است که توسط اسدی و

همکاران، [۲۰]، ارائه و برای مدلسازی برخـورد مایـل قطره بهکار رفته است (رابطهی -۱ ب). این رابطهها بـا

برقراری حالـت تـوازن بـین انـرژی کـل قطـره قبـل از

برخورد و پس از پخش شدن آن بهدست آمدهاند. پـس

از برخورد با سطح، انـرژی جنبـشی و انـرژی سـطحی

(ناشی از تنش سطحیاولی)هی قطره برای غلبه بر اثرات

لزجـت هنگـام پخـش شـدن آن بـهمـصرف مـیرسـد.

برقراری حالت توازن بین انرژی جنبشی، کشش سطحی و انرژی تلف شده، نـرخ پخـش شـدن قطـره را تعیـین میکند. این رابطه بهوسیلهیحققّمان زیادی استفاده شده است. در این زمینه میتوان بـه کارهـای غفـوری آذر و

قطرهی پخش شده

dmax

همکاران، [۱۶]، مستقیمی و همکاران، [۲۱]، و عابـدینی

و همکاران، [۲۲]، اشاره کرد. این رابطهها بهشـکل زیـر

هستند:

-۱)الف) برخورد عمودی قطره

We ۱۲ dmax max ξ
۳ Ste D
3(1 −cos θ)  ۴(We / Re )  We

۴ Pe

-۱) ب) برخورد مایل قطره

We ۱۲ dmax max ξ
۳(۱ −cos θ) ۸(We / Re )Sinη D

در این رابطهها، اعداد بدون بعـد رینولـدز (Re)،

وبر (We)، پرانتل (Pr)، استفان (Ste) و پکلت (Pe) بـه وسیلهی رابطههای زیر تعریف میشوند:

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
wordقابل ویرایش - قیمت 5700 تومان در 14 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد