Методика определения теплопроводности газотермических покрытий

УДК 536.2

Бучаков С.В., Евдокименко Ю.И., Исаев К.Б., Кисель В.М., Ремесло В.В., Фролов Г.А.

Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича HAH Украины

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Представлена методика определения коэффициента теплопроводности газотермических покрытий в условиях одностороннего конвективного нагрева. Она основана на граничном условии четвертого рода между подложкой и покрытием, решениях коэффициентной и граничной обратных задач теплопроводности. Представлены результаты экспериментального определения температурных полей в стальной подложке и температуры поверхности медного покрытия для двух условий нагрева. Приведены результаты определения теплопроводности медного покрытия, нанесенного на стальную подложку. Получено существенное отличие, как в поведении теплопроводностей медного покрытия и чистой меди с ростом температуры, так и в значениях их теплопроводностей. Предложено объяснение отличия теплопроводности медного покрытия от этой характеристики чистой меди.

Ключевым слова: покрытие, конвективный нагрев, коэффициент теплопроводности, термопара, пирометр, температурное поле, обратная задача теплопроводности (ОЗТ).

Введение

Нанесение защитных покрытий на поверхности деталей машин и механизмов, работающих в экстремальных условиях, во многих случаях является единственной возможностью обеспечения их надежного функционирования. Проектирование систем защитных покрытий для работы при повышенных температурах требует знания их теп-лофизических свойств и в первую очередь это коэффициент теплопроводности. Покрытия толщиной 0,1...1,0 мм, как правило, наносят газотермическими методами.

В настоящее время разработано большое количество методов определения теплопроводности покрытий. В первую очередь они разделяются по толщине покрытия, для которого нужно определить эту характеристику. Вторым основным отличительным признаком этих методов является режим нагрева — стационарный или нестационарный. Наиболее широкое применение получили нестационарные методы, которые позволяют определять несколько теплофизических характеристик покрытия — температуропроводность, удельную объемную теплоемкость и теплопроводность. В основной своей массе все эти методы требуют создания специальных установок, которые позволяют реализовать соответствующий режим нагрева.

К настоящему времени в целом завершено создание методов решения обратных задач теплопроводности. Применение этих методов к исследованию теплофизических характеристик (ТФХ) покрытий открывает большие перспективы в этих

исследованиях. Нет необходимости в создании специальных установок для определения ТФХ покрытий, эти характеристики могут определяться в условиях, максимально приближенным к эксплуатационным и т.д. Использование в качестве источника тепла различных высокотемпературных газовых потоков позволяет существенно увеличить диапазон, как температур, так и скоростей нагрева при исследовании ТФХ покрытий.

1. Методика определения теплопроводности покрытий

В работе предложена методика определения коэффициента теплопроводности покрытий, основанная на решении обратных задач теплопроводности [1, 2]. Рассматривается двухслойная одномерная тепловая модель — покрытие-подложка (рис. 1). Покрытие и подложка представляют собой неограниченные пластины.

Рис. 1. Тепловая схема системы покрытие-подложка

© Бучаков С.В., Евдокименко Ю.И., Исаев К.Б., Кисель В.М., Ремесло В.В., Фролов Г.А. , 2011 ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011

Экспериментально определяются: изменение температуры со временем в 3-4-х сечениях подложки с помощью термопар, а температура нагреваемой поверхности покрытия определяется с помощью пирометра.

Решается коэффициентная обратная задача теплопроводности с использованием показаний термопар в подложке. В результате решения этой ОЗТ получают температурную зависимость коэффициента теплопроводности материала подложки и расчетное температурное поле в пластине, в которой известны изменения температур на ее обеих поверхностях — показания первой от поверхности контакта подложка-покрытие и последней термопар.

Далее решается граничная ОЗТ, которая заключается в следующем. Для любого момента времени строится зависимость температуры от координаты в подложке. Аппроксимируя эти расчетные данные с помощью полинома 2+ 4-ой степени и делая экстраполяцию до поверхности контакта (1-2) получаем с помощью программы 0rigin4.10 значение температуры контакта в любой момент времени и производную ЛуУх|х=5. Т.о., имеем температуру второй («холодной») поверхности покрытия.

Предполагаем, что температуры подложки и покрытия в месте контакта равны, а также на контакте выполняется равенство тепловых потоков (т.е. граничное условие IV рода):

18

Далее с помощью соотношения

1С = 1s

определяется коэффициент теплопроводности покрытия.

Здесь: l — коэффициент теплопроводности; T — температура; x — координата; AT — перепад температур по толщине покрытия; 8 — толщина покрытия. Индексы: s — подложка (substrate); с — покрытие (coating). При этом также предполагается, что температура в покрытии является линейной функцией координаты. Температурой отнесения коэффициента теплопроводности покрытия является температура горячего торца подложки (Ti-2) в соответствующий момент времени.

2. Эксперимент

Ниже на примере стальной подложки (12Х18Н10Т) и медного покрытия показаны возможности вышеописанной методики. Покрытие наносилось на стальную подложку по технологии высокоскоростного воздушно-топливного напыления [3]. Суть этого метода заключается в нагреве и разгоне частиц напыляемого порошка высо-

котемпературным потоком продуктов сгорания, истекающих через протяженный сопловой канал из камеры сгорания, где при повышенном давлении происходит сжигание топливовоздушной смеси. Сверхзвуковая двухфазная струя направляется на подложку, образуя на ней покрытие. Частицы порошка, формирующие покрытие при столкновении с основой имеют высокие скорости и находятся в полностью, частично расплавленном состоянии, в состоянии термического размягчения или в твердом, но высокопластичном состоянии. Высокая скорость соударения определяет высокие значения ударного давления на контактных площадках, что позволяет получать высококачественные покрытия, обладающие незначительной пористостью и высокой адгезионной и когезионной прочностью.

Напыление производилось на универсальном термоструйном стенде ИПМ НАНУ горелкой ГВО-2М, работающей на керосине при давлении в камере сгорания 1,2 МПа. Напыляли порошок меди М1, просеянный через сито 40 мкм. В соответствии с расчетом, сферические частицы размером 40 мкм к моменту соударения расплавлены наполовину и имеют скорость 450 м/с, размером 30 мкм и менее — пребывают в полностью расплавленном состоянии при скоростях выше 500 м/с. Это позволяет сделать вывод, что поверхности всех напыляемых частиц находятся в жидком состоянии, что определяет относительно высокую степень их окисленности. Покрытие имеет ярко выраженную ламельную структуру с редкими включениями деформированных ядер нерасплавленных крупных частиц. Его пористость не превышает 4%.

Конструкция образца для определения теплопроводности покрытий представляет собой ступенчатый цилиндр, высота цилиндра большего диаметра (15 мм) составляет ~ 1-2 мм. На его поверхность нанесено исследуемое покрытие. В цилиндр меньшего диаметра (12 мм) (высота 15 мм) заделаны 4 термопары (ВР 5/20 диаметр провода 0.1 мм) на различной глубине от поверхности контакта. Термопарные провода покрыты тонким слоем двуокиси иттрия (несколько мкм). После заделки термопар боковая поверхность цилиндра теплоизолируется с помощью кремнеземной нити и втулки из теплозащитного материала ТЗМКТ-10, после чего образец помещается в водоохлаждаемую державку.

Испытания образцов проводились в сверхзвуковой струе продуктов сгорания керосина в воздухе на том же стенде, что и напыление покрытия. Расчетная температура торможения потока на поверхности образца, установленного на расстоянии 100 мм от среза сопла горелки, составляла около 1800 °С. Результаты экспериментального определения температурных полей в образце стали с мед-

ным покрытием, испытанного 2 раза в одинаковых условиях нагрева, приведены на рис. 2 и 3.

В результате испытаний определяется экспериментальное температурное поле в подложке — показания термопар в 3-4 сечениях цилиндрического образца. Регистрация показаний термопар осуществлялась с помощью системы автоматизации теп-лофизического эксперимента [2], в которой вместо поканального подключения термопар к АЦП через коммутатор установили два четырехканаль-ных модуля WAD-AIK-USB аналогового ввода с поканальной гальванической развязкой входных каналов и интерфейсом КБ-485 и преобразователь интерфейсов WAD-RS-232/USB/485-BUS.

1000

750

О

°°_Т 500

250

0

35 40 45 50 55

С

Рис. 2. Экспериментальное температурное поле в образце

стали №4 с медным покрытием. Первый нагрев. да, 1-4 — показания пирометра и 4-х термопар соответственно; 1-2 — восстановленная температура контакта подложка-покрытие

Обработка экспериментальной информации осуществлялась с помощью программы «Администратор». Эта программа позволяет настроить каналы на соответствующий тип термопар, преобразовать аналоговый сигнал термопары в цифровой и т.д. Экспериментальная информация в этой программе представляется как в графическом, так и цифровом виде в реальном масштабе времени. Вышеотмеченные устройства и программное обеспечение разработаны компанией АКОН.

1000

750

о

° - 500

250

0

20 25 30 35 40 45

С

Рис. 3. Экспериментальное температурное поле в образце стали №4 с медным покрытием. Второй нагрев. Обозначения аналогичны рис. 2

Температура поверхности покрытия определялась с помощью пирометра INFRATHERM ЮЛ 100 с компьютерной регистрацией и обработкой данных, имеющего точность измерения 0,3% при температурах до 1800 °С. Монохроматическую (при длине волны 1.625 мкм) степень черноты поверхности покрытия оценивали с помощью закона Вина по результатам измерения температуры исследуемого образца с помощью термопары и пирометра при нагреве образца в стационарных условиях (печь МП-2УМ). Степень черноты медного окисленного покрытия составила 0.75. Это значение хорошо согласуется с литературными данными [4, 5].

В таблице 1 приведены расстояния термопар от поверхности контакта покрытие-подложка для исследованного образца. Эти данные использовались при решении ОЗТ.

Таблица 1

Расстояния термопар от поверхности контакта

ТП1, мм ТП2, мм ТП3, мм ТП4, мм

1.7 3.4 5.2 8.7

Толщина медного покрытия после напыления и токарной обработки составила й = 2.0 мм.

3. Результаты определения теплопроводности покрытия

Полученная экспериментальная информация была обработана по вышеописанной методике, с использованием температурной зависимости удельной объемной теплоемкости стали. Результаты решения коэффициентной ОЗТ для стальной подложки приведены на рис. 4.

40

ь?

5.30

^

Е ¿2°

т .< 10

0

0 200 400 600 800 1000

Т, °0

Рис. 4. Теплофизические характеристики стали 12Х18Н10Т. Точки - значения теплопроводности,

полученные решением коэффициентной ОЗТ. Круг — первый, а квадрат — второй нагрев образца № 4 с медным покрытием

w

/1''' •' /2'' , ''' ,, '.......

/ //'3'' '/'V 4 /

--Т-г^""""""

/>

4,-'" '''''

''У

о о а   № 4_2 № 4

^^о о

я

ЮЗЫ1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011

- 33 -

Для решения коэффициентной обратной задачи теплопроводности по методике [1] использовали только стадию нагрева образца. По этой причине в работе не приведены режимы остывания образца. Максимальное отличие полученных данных составляет примерно 20%.

Расчетное температурное поле определялось отдельно для каждого нагрева в процессе решения коэффициентной ОЗТ.

Далее в соответствии с вышеописанной методикой для различных моментов времени эти данные аппроксимировались полиномом 2-4 степени. Экстраполяция выбранного полинома в сечение х = 8 позволяет получить температуру контакта Т1_2. Результаты этого определения приведены на рис. 2 и 3. Степень полинома выбиралась из условия минимума ошибки определения Т^ и первой производной по координате. С приближением температуры поверхности покрытия к стационарному значению степень полинома уменьшается.

Подставляя в соотношение (2) полученные данные получаем значения коэффициента теплопроводности медного покрытия (рис. 5). Как видно из этого рисунка значения теплопроводности покрытия лежат значительно ниже значений этой характеристики чистой меди. Это, по-видимому, связано с формированием межламельных границ окисленными поверхностными слоями жидких частиц меди, что приводит к образованию в покрытии слоистого композиционного материала медь-оксид меди. Наличие оксидных слоев существенно увеличивает термическое сопротивление покрытия. Косвенным подтверждением этого вывода является значительное увеличение электрического сопротивления такого покрытия по сравнению с чистой медью [7].

S? s „

2 о 3

-Опв-

T,2. 0C

Рис. 5. Теплопроводность меди и медного покрытия. 1 — чистая медь [1]; 2, 3 — покрытие, второй и первый нагревы соответственно

Рост теплопроводности покрытия с увеличением температуры, возможно, вызван улучшением теплового контакта между элементами покрытия в процессе термического расширения. Отличие значений теплопроводности покрытия, полученных при первом и втором нагреве, может быть связано со спеканием частиц меди после первого нагрева. При 800 °С это отличие составляет ~ 70%.

Заключение

Разработана методика определения температурной зависимости коэффициента теплопроводности газотермических покрытий в условиях одностороннего конвективного нагрева. Работоспособность методики продемонстрирована на примере медного покрытия, которое нанесено на подложку из нержавеющей стали.

Для реализации предложенной методики нет необходимости в знании теплофизических характеристик материала подложки. Достаточно иметь значение удельной объемной теплоемкости материала подложки при комнатной температуре, а ее теплопроводность определяется решением коэффициентной ОЗТ в процессе реализации методики.

Значения теплопроводности покрытия существенно отличаются от значений этой характеристики чистой меди, что объясняется образованием окисной пленки на поверхности медных частичек, которая в свою очередь приводит к росту термического сопротивления всего покрытия.

Перечень ссылок

1. Круковский П.Г. Обратные задачи тепло-массопереноса (общий инженерный подход). — Киев: ИТТФ НАНУ, 1998. - 224с.

2. Исаев К.Б. Теплофизические характеристики материалов в широких диапазонах температур и скоростей нагрева. -Киев: Куприянова, 2008. -240 с.

3. Кисель В.М. Высокоскоростное воздушно-топливное напыление - современный метод нанесения жаро- и износостойких металлических и композиционных покрытий / Кисель В.М., Ев-докименко Ю.И., Кадыров В.Х., Фролов Г. А. // Ав1ацшно-космчна технжа i технолопя : зб. наук. пр. / М-во освпи i науки Украши, Нац. аерокосм. ун-т iм. М. 6. Жуковського «ХА1». - Х., 2007. -№8 (44). - С. 31-35.

4. Михеев М.А, Михеева Н.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия. 1973. - 320 с.

5. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник // под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М.: Энергоиздат, 1982. -512 с.

400

Cu

300

100

№ 4 2

№ 4

0

0

250

6. Теплопроводность твердых тел / Охотин АС., [и др.]. Справочник // под ред. А.С. Охотин. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 320 с.

7. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник. / Ю.С. Борисов [и др.];

/ под ред. В.И. Трефилова. К.: Наук. думка, 1987. - 544 с.

Поступила в редакцию 1.06.2011

C.B. Бучаков, Ю.И. Евдокименко, К.Б. Исаев, В.М. Кисшь. В.В. Ремесло, Г.А. Фролов. Методика визначення теплопровщносп газотермчних покритпв

Представлено методику визначення коефщента menëonpoeidmcmi газотерм^чних по-Kpummie в умовах oднoбiчнoгo конвективного нагpiвання. Бона заснована на граничнш yMûei четвертого роду мж тдкладкою i покриттям, ршеннях коефщентно! та гранично1 обернених задач menлonpoвiднocmi. Представлено резулътати експерименталъного визначення температурних noлiв у сталевш тдкладщ i температури поверхш мiднoгo покрит-тя для двох умов нагpiвання. Приведено резулътати визначення menлonpoвiднocmi мiднoгo покриття, нанесеного на сталеву тдкладку. Отримано стотну вiдмiннicmъ, як у повод-женш menлonpoвiднocmeй мiднoгo покриття i чисто1 мiдi з ростом температури, так i в значеннях ¿х menлonpoвiднocmeй. Запропоновано пояснення вiдмiннocmi menлonpoвiднocmi мiднoгo покриття вiд ще1 характеристики чисто1 мiдi.

Ключов1 слова: покриття, конвективне нагpiвання, коеф^ент menлonpoвiднocmi, термопара, трометр, температурне поле, обернена задача menлonpoвiднocmi (ОЗТ).

V.V. Buchakov, U.I. Evdokimenko, K.B. Isayev, V.M. Kusil, V.V. Remeslo, G.A. Frolov. The method for determination of thermal conductivity for gas-thermal coatings

The method for determination of thermal conductivity of coatings in conditions of one-sided convective heating is submitted. It is based on a boundary condition of the fourth sort between a substrate and coating, on solvings of coefficient and boundary inverse heat conduction problems. The results of experimental determination of temperature fields in a steel substrate and surface temperature of a copper coating for two conditions of heating are submitted. The results of determination of thermal conductivity for a copper coating put on a steel substrate are given. The significant difference in behaviour of thermal conductivity of a copper coating and clear copper with growth of temperature and in meanings of them thermal conductivities is received. The explanation of difference thermal conductivity of a copper covering from this characteristic clear copper is offered.

Key words: coating convective heating thermal conductivity, thermocouple, pyrometer, temperature field, inverse heat conduction problem (IHCP).

ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011

- 35 -