مقالات نانو : بخش دهم : مدل سازی

• مدیریت
• 0
• اطلاعات کاربردی

۳-۴- مدل سازی

کیفیت پوشش های تولید شده با کمک روش پاشش حرارتی به بهینه کردن پارامترهای پاشش مانند : دما , سرعت , و میزان انجماد , نوع گاز , سرعت جریان گاز و فشار آن , جنس ماده زیر لایه و دمای آن بسگی دارد. به پیچیدگی فاکتورهای گوناگون استفاده شده , پارامترهای پاشش معمولا از روش سعی و خطا بهینه می شوند. این کار بسیار پر زحمت و پر هزینه است و سالها طول می کشد تا اطلاعات مناسبی از خواص پوشش های جمع آوری و تنظیم گردد. بنابراین , مدل سازی یک روش بسیار خوب برای حداقل نمودن آزمایش ها و رسیدن به پارامترهای بهینه است.

برای پیش بینی نحوه رشد و تکامل ساختار نانو کریستالی ,سابقه حرارتی , تغییر فازی , و واکنش های حرارتی و شیمیایی آگلومره های نانو کریستالی در حین فرآیند پاشش HVOF به عنوان اطلاعات ورودی ضروری است. همان گونه که ذکر شد , رفتار حرارتی و دینامیکی گازها در فرآیند HVOF , موضوع بسیاری از تحقیقات انجام شده در  چند سال گذشته بوده است. در نتیجه آنالیزهای مطرح شده در این قسمت بیشتر روی رفتار ذرات متمرکز شده اند. هر چند بسیاری از آگلومره ها دارای شکل غیر منظم هستند , اما از مدل سازی اشکال کروی متقارن می توان نتایج اولیه مناسبی حاصل کرد و سپس این نتایج را با کمک فاکتورهایی مثل قطر معادل و یا ضریب های تبدیل کننده مناسب (مثل ضریب انتقال یا جذب حرارت) برای ذرات با اشکال غیر منظم نیز تعمیم داد.

۳-۴-۱- رفتار اکسیداسیون ذرات

فازهای اکسیدی که در پاشش حرارتی در پوشش بوجود می آیند , خواص پوشش را تحت تاثیر قرار می دهند.  علت اکسیداسیون موجود در هوا یا اکسیژن اضافی موجود در محصولات احتراق در طی پاشش HVOF می باشد. تشکیل اکسید در آلیاژها , همراه با شکل گیری سه لایه نیمه هادی است که سرعت رشد بستگی به میزان عیوب و نیز حل شدن یون های فلزی محلول در لایه اکسیدی عنصر حلال دارد. در سیستم های آلیاژی گوناگون سرعت اکسید شدن را می توان با فرموله کردن مکانیزم های متفاوت تشریح کرد و از قوانین سرعت رشد خطی , سهمی شکل , با توان دو , یا لگاریتمی استفاده نمود. هر چند بررسی سرعت اکسداسیون کار پیچیده ای است و معمولا بیش از یک عامل در آن نقش دارد. اخیرا مطالعات مربوط به اکسیداسیون ذرات به سمت بررسی پودر فولاد زنگ نزن ۳۱۶ آسیاب تبریدی شده (در ازت مایع) با اندازه ذرات مختلف و پاشش حرارتی شده , معطوف گردیده است. بر اساس نتایج به دست آمده از مدل سازی ریاضی , ذرات آسیاب شده در محیط نیتروژن مایع با اندازه کوچکتر از ۵۰ میکرون ذوب شده و قبل از برخورد با زیر لایه شروع به منجمد شدن می کنند. در نتیجه تشکیل شدن اکسیدها در حین حرکت کردن مخطوط گاز جامد ناچیز است. مدت زمان لازم برای رسیدن ذرات به دمای ذوب در حدود ۲٫۵*۱۰-۵ ثانیه است که شش برابر کوتاه تر از زمان لازم برای رسیدن ذره مایع به سطح زیر لایه است. به دلیل دمای بالای شعله گاز , سرعت انتقال جرم شدیدا به ثابت سرعت شیمیای اکسیژن در سطح و نیز غلظت اکسیژن مورد نیاز برای ایجاد تعادل ترمودینامیکی در دمای سطح قطره وابسته است. لایه اکسیدی تشکیل شده در حول قطره در حدود ۱٫۸ nm تخمین زده می شود. رفتار اکسیداسیون بعد از اصابت ذره از معادله Wagner برای اکسیداسیون ,قابل حدس است. در استفاده از پودرهای آسیاب تبریدی شده با اندازه ذارت ۲۸-۵۰ میکرون ,ضخامت لایه اکسیدی ۵۰-۱۱۰ نانو متر تغییر می کند. از این رو , مکانیزم اکسیداسیون بعد از اصابت ذره به زیر لایه , کاملا غالب است. پودر آسیاب تبریدی شده در ازت مایع با اندازه ذرات بزرگتر از ۵۰ میکرون در حین پاشش حرارتی ذوب نشده و در نتیجه مکانیزم اکسیداسیون توسط نفوذ (دیفوزیون) کنترل می شود.

۳-۵- نییجه گیری

این قسمت به عنوان مروری بر شناخت پوشش های پاشش حرارتی (ترمال اسپری) که با کمک مواد نانو کریستال به عنوان پودر تغذیه شونده , تولید می شوند آورده شده است. مواد نانو کریستال را با روش های متفاوتی می توان سنتز کرد. نتایج اولیه ای که ذکر شد حکایت از آن دارد که سنتز پودر در بهینه سازی پارامترهای فرآیند بسیار مهم است تا حصول پودرهایی با همگنی شیمیایی بالا و ساختار دانه ای نانو کریستالی با پایداری حرارتی خوب را امکان پذیر نماید. گسترش یک شیوه با بازده بالا و مقرون به صرفه برای تولید پودرهای تغذیه شونده نانو کریستالی مناسب برای پاشش حرارتی جهت تجاری کردن این تکنولوژی در آینده بسیار مهم و ضروری است.

پوشش های نانو ساختار در مقایسه با پوشش های مرسوم با ترکیب شیمیایی یکسان , از خود خواص فیزیکی و مکانیکی متفاوتی نشان می دهند. توسعه فرموله کردن تئوری که مورفولوژی پودرهای نانو کریستالی را در نظر بگیرد , قادر به پیش بینی تکامل ساختاری در طی اسپری حرارتی است. فرموله کردن و کاربرد مدل های قوی برای بهینه سازی پارامترهای تجربی برای پاشش حرارتی در سیستم های نانو کریستالی , الزامی می باشد. کاربرد ابزارهای تشخیصی موجود , تکراری پذیری نتایج را تضمین خواهد کرد.