Определение возможности модернизации системы на основе дугового плазмотрона для газотермического напыления керамических материалов с использованием топливного вихревого интенсификатора. Часть II: Теплотехническая оценка и экспериментальное тестирование

К основным тенденциям в технологиях газотермического напыления керамических покрытий, наряду с оптимизацией их свойств, относится и снижение энергоемкости процесса. При этом одно из направлений в данных процессах с плазмой – это разработка новых их вариантов с использованием введения в теплоноситель недорогих смесей углеводородов с окислителем. Для решения этой задачи рассмотрена возможность модернизации промышленной системы для напыления порошковых материалов на основе дугового плазмотрона на 25–40 кВт путем применения пробного варианта топливного газо-вихревого интенсификатора. При этом сделана упрощенная теплотехническая оценка возможных параметров генерируемой высокотемпературной струи плазмотрона с данным интенсификатором для сравнения с термодинамическими данными по применимости данных систем с целью формирования оксидных и карбидных покрытий (на примере Al₂O₃, Cr₃C₂ и других порошков), а также газодинамический и тепловой расчет режимов плазменно-топливного интенсификатора в такой системе. Изученные новые режимы – имитаторы напыления Al₂O₃, имеют преимущество над азотно-плазменными режимами с точки зрения кинетического параметра нагрева порошков – фактора нагревательной способности (ability of heating factor, AHF) газовой среды. С учетом полученных данных выполнена разработка экспериментальной системы на базе стандартной установки напыления УПУ-3Д с интенсификатором выбранной конструкции и проведено тестирование ее работы при мощности 30 ±2 кВт и сочетании газов: азота и смеси сжиженного газа (пропан-бутана) с воздухом. Система показала стабильную работу в определенном интервале параметров и, согласно результатам предварительных калориметрических измерений и фоторегистрации струй, обеспечивает внешнее энерговыделение от выходящей из плазмотрона с топливной насадкой струи больше на 30–35 % по сравнению с вариантом работы данного нагревателя с азотной плазмой при той же мощности на дуге. Использование системы открывает возможность для напыления как карбидных, так и оксидных порошков при повышенной производительности получения покрытий в сравнении с традиционными режимами промышленных установок на азотной или аргоновой плазме.

1. Pawlowski L. The Science and Engineering of Thermal Spray Coatings. Hoboken, John Wiley & Sons Publ., 2008. 647 p. https://doi.org/10.1002/9780470754085

2. Pershin L., Mitrasinovic A., Mostaghimi J. Treatment of refractory powders by a novel, high enthalpy DC plasma. Journal of Physics D: Applied Physics, 2013, vol. 46, no. 22, art. 224019. https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/22/224019

3. Mostaghimi J., Pershin L., Salimijazi H., Nejad M., Ringuette M. Thermal spray copper alloy coatings as potent biocidal and virucidal surfaces. Journal of Thermal Spray Technology, 2021, vol. 30, no. 4, pp. 1–15. https://doi.org/10.1007/s11666-021-01161-7

4. Kuzmin V., Gulyaev I., Sergachev D., Vaschenko S., Kornienko E., Tokarev A. Equipment and technologies of air-plasma spraying of functional coatings. MATEC Web of Conferences, 2017, vol. 129, art. 01052 (5 p.). https://doi.org/10.1051/matecconf/201712901052

5. Kuzmin V., Gulyaev I., Sergachev D., Vashchenko S., Kovalev O., Kornienko E., Tuezov A., Palagushkin B. Supersonic DC plasma torch for deposition of high-density wear-resistant coatings. Materials Today: Proceedings, 2019, vol. 19, no. 6, pp. 2152–2156. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.07.230.

6. Salimijazi H., Hosseini M., Mostaghimi J., Pershin L., Coyle T. W., Samadi H., Shafyei A. Plasma sprayed coating using mullite and mixed alumina/silica powders. Journal of Thermal Spray Technology, 2012, vol. 21, no. 5, pp. 825–830. https://doi.org/10.1007/s11666-012-9766-x

7. Tekmen C., Iwata K., Tsunekawa Y., Okumiya M. Influence of methane and carbon dioxide on in-flight particle behavior of cast iron powder by atmospheric plasma spraying. Materials Letters, 2009, vol. 63, no. 28, pp. 2439–2441. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2009.08.026

8. Carnicer V., Orts M. J., Moreno R., Sánchez E. Engineering zirconia coating microstructures by using saccharides in aqueous suspension plasma spraying feedstocks. Ceramics International, 2020, vol. 46, no. 15, pp. 23749–23759. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.06.149

9. Borrell A., Carpio P., Salvador M. D., Mataix D. B., Carnicer V., Orts Tarí M.J. Modification of the properties of Al2O3/TZ-3YS thermal barrier coating by the addition of silicon carbide particles and fructose. Coatings, 2021, vol. 11, no. 4, p. 387. https://doi.org/10.3390/coatings11040387

10. Yugeswaran S., Amarnath P., Ananthapadmanabhan P.V., Pershin L., Mostaghimi J., Chandra S., Coyle T.W. Thermal conductivity and oxidation behavior of porous Inconel 625 coating interface prepared by dual-injection plasma spraying. Surface and Coating Technology, 2021, vol. 411, art. 126990. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.126990

11. Pateyron B., Calve N., Pawłowski L. Influence of water and ethanol on transport properties of the jets used in suspension plasma spraying. Surface and Coatings Technology, 2013, vol. 220, pp. 257–260. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.10.010.

12. Devoino O.G., Gorbunov A.V., Gorbunova V.A., Volod’ko A.S., Koval V.A., Yatskevich O.K., Halinouski A.A. Characterization of opportunity for upgrading of the system based on arc plasma torch for thermal spaying of ceramic materials, by means of use of fuel vortex intensifier. Part I: Thermodynamic modeling of the system efficiency parameters. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 2021, vol. 66, no. 4, pp. 399–410. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2021-66-4-399-410

13. Carpio P., Pawłowski L., Pateyron B. Numerical investigation of influence of precursors on transport properties of the jets used in solution precursor plasma spraying. Surface and Coatings Technology, 2019, vol. 371, pp. 131–113. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.09.073

14. Gorokhovski M., Karpenko E.I., Lockwood F. C., Messerle V. E., Trusov B. G., Ustimenko A. B. Plasma technologies for solid fuels: experiment and theory. Journal of the Energy Institute, 2005, vol. 78, no. 4, pp. 157–171. https://doi.org/10.1179/174602205x68261

15. Barbin N.M., Terentiev D. I., Alexeev S.G., Barbina T.M. Thermodynamic analysis of radionuclides behaviour in products of vapour phase hydrothermal oxidation of radioactive graphite. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 2015, vol. 307, no. 2, pp. 1459–1470. https://doi.org/10.1007/s10967-015-4587-2

16. Bielyi A. V., Kalinitchenko A. S., Kukareko V.A., Devoino O.G. Surface Engineering of Structural Materials with Using of Plasma and Beam Technologies. Minsk, Belorusskaya nauka Publ., 2017. 457 p. (in Russian).

17. Yatskevitch O. K. Technique for Formation of Wear-Resistant Ceramic Coatings by Plasma Spray of Alumina Powders Doped with Molybdenum and Boron. Minsk, BNTU, 2019. 176 p. (in Russian).

18. Petrov S.V., Saakov A. G. Plasma of Combustion Products in Surface Engineering. Kyiv, TOPAS Publ., 2000. 218 p. (in Russian).

19. Mohammed A.A., Khodair Z. T., Khadom A.A. Preparation, characterization and application of Al2O3 nanoparticles for the protection of boiler steel tubes from high temperature corrosion. Ceramics International, 2020, vol. 46, no. 17, pp. 26945–26955. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.07.172

20. Halinouski A.A., Gorbunov A. V., Mosse A.L. Thermophysical and Power Parameters of DC Electric Arc Plasma Torches with 200 kW Power for Reactors of Pyrolysis and Oxidation Pyrolysis of Hydrocarbons. Minsk, A.V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Sciences of Belarus, 2007. 42 p. (in Russian).

21. Dolatabadi A., Mostaghimi J., Pershin V. Effect of a cylindrical shroud on particle conditions in high velocity oxy-fuel spray process. Science and Technology of Advanced Materials, 2002, vol. 137, no. 3, pp. 245–255. https://doi.org/10.1016/S1468-6996(02)00023-2

22. Sharakhovsky L.I., Kostin N. A. The vortex flows in electric arc heaters. Heat Transfer. Soviet Researchs, 1984, vol. 16, no. 5, pp. 126–140 (in Russian).

23. Dolgolenko G. V., Gorbunov A.V., Bublievsky A. F., Sharakhovsky L. I., Kaskova S.I. Characteristics of arc plasma twin torch of 300 kW power for the furnace of treatment of contaminated waste of power-engineering boilers. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 2009, no. 3, pp. 91–98 (in Russian).

24. Saburov V.P., Cherepanov A.N., Zhukov M. F., Galevsky G.V. Plasmachemical Synthesis of Ultrafine Powders and Their Application for Metals and Alloys Modification. Novosibirsk, Nauka Publ., 1995. 344 p. (in Russian).

25. Zyrichev N.A. Scientific and Engineering Fundamentals and Development of New Directions for Use of Plasma Chemistry in Processes of Combined Treatment of Mineral Feedstock and Industrial Wastes. Moscow, Baikov Institute of Metallurgy and Material Science of the Russian Academy of Sciences, 1998. 382 p. (in Russian).

26. Mikheev M.A., Mikheeva I.M. Heat Transfer Fundamentals. Moscow, BASTET Publ., 2010. 343 p. (in Russian).

27. Yaghtin A. H., Salahinejad E., Khosravifard A., Araghi A., Akhbarizadeh A. Corrosive wear behavior of chromium carbide coatings deposited by air plasma spraying. Ceramics International, 2015, vol. 41, no. 6, pp. 7916–7920. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.02.131

28. Mahade S., Narayan K., Govindarajan S., Björklund S., Curry N., Joshi S. Exploiting suspension plasma spraying to deposit wear-resistant carbide coatings. Materials, 2019, vol. 12, no. 15, art. 2344 (1–9 p.). https://doi.org/10.3390/ma12152344