Плазменное напыление: как моделирование помогло создавать сверхстойкие материалы для струнного транспорта

❋ 4.5

Полимерные покрытия многие годы служат основой защиты различных металлоконструкций. Они применяются как в бытовой технике, так и на сложных инженерных объектах, в том числе и в транспортных системах. Однако в транспортной отрасли, особенно там, где создаются крупногабаритные и аэродинамически сложные машины, традиционные технологии порошкового окрашивания оказываются недостаточно эффективными. Подвижной состав для комплексов uST имеет уникальный дизайн с большой площадью остекления и требует идеального качества покрытия. Из-за этого белорусские инженеры столкнулись с задачей, которую оказалось невозможно решить стандартными методами.

Unitsky String Technologies Inc.

# материалы

# моделирование

# прогнозирование

# струнный транспорт

# технологии

Юнимобили на испытаниях в ЭкоТехноПарке в Марьиной Горке / © UST Inc.

Ответом на такой вызов стала разработка специалистов компании UST Inc. — полноценная физико-математическая модель процесса плазменного напыления порошковых полимерных материалов. Она предлагает комплексный подход, позволяющий прогнозировать свойства покрытия еще до начала экспериментов, что может оптимизировать технологию, не тратя месяцы на пробные напыления и исследования.

Что такое плазменное напыление

Плазменная струя — поток газа, разогретого до нескольких тысяч градусов. В таких условиях частицы полимерного порошка должны последовательно:

попасть в струю под точным углом;
нагреться до расплава;
ускориться до высокой скорости;
удариться о поверхность основы;
растечься, формируя монолитный слой.

Каждый шаг этого процесса зависит от предыдущего, тогда как параметры плазмы определяются конструкцией плазмотрона, составом газа, его расходом и энергопотреблением установки. Экспериментально подобрать оптимальные режимы оборудования практически невозможно: малейшее отклонение температуры, расстояния или угла приводит к образованию пор в полимере, потере адгезии или растрескиванию покрытия.

Схема плазменного процесса нанесения полимерных покрытий: 1 – водяное охлаждение; 2 − ввод плазмообразующего газа; 3 − электроизоляционный блок; 4 − катод плазмотрона; 5 − анод плазмотрона; 6 − плазменная струя; 7 − ввод напыляемого порошка; 8 − плазменная струя с нагретым порошком; 9 − покрытие; 10 − напыляемое изделие (основание); K – дистанция ввода полимера в плазменную струю; L – дистанция напыления; α – угол ввода полимерных частиц в плазменную струю / © UST Inc.

По этой причине инженеры UST Inc. при разработке нового вида транспорта создали математическую модель полного технологического цикла плазменного напыления.

Три стадии, сотни переменных

Белорусские инженеры разделили процесс исследования на последовательные этапы со сквозным обменом данными. Первым этапом стала генерация плазменной струи. Температурные поля плазмы определялись аппроксимацией (замена одних объектов другими, более простыми) реальных экспериментальных данных. Эта модель учитывает:

тип оборудования (для установки УПУ-3Д RТ= z/3,38, для СВЧ «Фиалка» RТ = z/3,53);
ток дуги;
расход плазмообразующего газа;4
конструкцию плазмотрона.

Так как температура по оси струи может достигать нескольких тысяч градусов Цельсия, уменьшаясь по экспоненте при удалении от сопла, её радиальное распределение рассчитывается по многопараметрическим уравнениям, подогнанным под реальные стендовые измерения.

Второй этап — это нагрев и ускорение частиц. Здесь происходит сложная газодинамика. Частицы порошкового наполнителя нагреваются за счет конвекции и излучения. К слову, их путь от точки ввода до столкновения с поверхностью описывается уравнениями Ньютона, а в расчет включены силы сопротивления, тяжести, термофореза и инерции вытесненного газа.

Кроме того, температурный режим внутри частицы рассчитывается через уравнение теплопроводности Фурье–Кирхгофа в сферических координатах. Это позволяет предсказать момент плавления и степень разжижения полимера.

Значение температурных коэффициентов a и b / © UST Inc.

При ударе капли расплава об обрабатываемую поверхность начинается новый этап — формирование слоя. При этом: капля растекается в тонкий диск, затем соседние диски сливаются, после чего формируется структура полимерного слоя.

Разработанная белорусскими инженерами модель учитывает диаметр капли, скорость удара, поверхностное натяжение, вязкость расплава, а также шероховатость основы и теплоперенос между покрытием и подложкой.

Компьютерная модель Plasma Spraying Process

Все перечисленные процессы объединены в программно-математический комплекс, разработанный в среде FoxPro. Она включает в себя базы данных свойств полимеров, газов и материалов основы, модели теплопроводности и газодинамики, геометрию напыления и механизмы образования пор.

Зависимость пористости эпоксидного покрытия от расхода плазмообразующего газа (1,■) и порошка (2, ): − результаты моделирования; ■, − эксперимент / © UST Inc.

Проверка модели проводилась на нанесении эпоксидных покрытий. Сравнение расчётов во время экспериментов показало высокую точность: характер образования пор от параметров напыления оказался одинаковым и в модельных, и в реальных данных.

Значение для транспорта uST

Юнимобили и элементы путевой структуры комплексов uST имеют большую площадь обрабатываемой поверхности и не простую геометрию. При этом они рассчитаны на десятки лет эксплуатации в агрессивной среде. Здесь приходит на помощь нанесение защитных покрытий на металл путем плазменного напыления. Оно позволяет повысить прочность защитных составов на крупногабаритных конструкциях, работать с полимерами, которые невозможно наносить обычными порошковыми методами, обеспечивать высокую адгезию и малую пористость покрытия, оптимизировать расход материалов.

Зависимость пористости эпоксидного покрытия от дистанции ввода полимера в плазменную струю (1, ■) и дистанции напыления(2, ): − результаты моделирования; ■, − эксперимент / © UST Inc.

Кроме того, математическая модель помогает найти режимы, гарантирующие стабильное качество покрытия для изделий сложной формы — а это ключевой фактор при серийном производстве транспорта.

Что в итоге?

Работа инженеров компании UST Inc. — это редкий пример того, как фундаментальная математическая модель становится практическим инструментом для высокотехнологичной отрасли. Созданный ими комплекс решений позволяет заранее анализировать температурные поля, динамику частиц и структуру покрытия, минимизируя количество экспериментов.

Для комплексов uST такая технология означает не только повышение долговечности корпусов и элементов инфраструктуры, но и возможность внедрять новые покрытия с заранее прогнозируемыми свойствами. Это делает инженерные решения более надежными, экологичными и технологичными.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Международная инжиниринговая компания, которая разрабатывает, проектирует, тестирует и эксплуатирует транспортно-инфраструктурные комплексы в эстакадном исполнении. Головной офис компании находится в Минске. UST Inc. располагает двумя демонстрационно-испытательными центрами – в Беларуси и Объединённых Арабских Эмиратах, производственным комплексом и конструкторскими бюро. Компания аккредитована в качестве научной организации в Национальной академии наук Беларуси и Государственном комитете по науке и технологиям, получила более 200 международных патентов на изобретения, промышленные образцы, товарные знаки.