Взаимодействия частиц с поверхностью изделия

Термические и гидродинамические параметры

При газотермическом напылении покрытий имеет место воздействие двухфазной газотермической струи на поверхность изделия.

Движущей силой образования покрытия является тепловая и кинетическая энергия напыляемых частиц. На процесс образования покрытия влияет также газотермическая струя подогревающая, а иногда и очищающая поверхность изделия, на которую наносят покрытие.

Благодаря химической активности газотермическая струяможет взаимодействовать с напыляемыми частицами, образуя покрытие из нового материала, синтезированного в процессе напыления, Рассмотрим эти процессы.

Рассмотрим тепловые процессы на поверхности напыляемой детали (основы). Тепловая мощность двухфазной струи q (на примере плазменногонапыления) – это количество теплоты, введенное в единицу времени в изделие плазменной струей и частицами. Отношение тепловой мощности струи к электрической мощности дуги будет характеризовать КПД процесса нагрева изделия дугой при плазменном нанесении покрытий:

, (5.1)

где I и U – сила тока и напряжение дуги. Площадь поверхности изделия, через которую теплота двухфазной струи, состоящей из напыляемых частиц и плазменной струи, вводится в изделие, называют пятном нагрева (рис. 5.1).

В общем случае диаметр d _н пятна нагрева не равен диаметру пятна напыления, который численно равен ширине В слоя покрытия, нанесенного за один проход. Соотношение между этими величинами может изменяться в зависимости от угла распыления потока частиц и сосредоточенности плазменной струи. Количество теплоты, вводимой через элементарные площадки поверхности пятна нагрева в единицу времени, называют удельным тепловым потоком q ₂ двухфазной струи (индекс «2» указывает на двумерный характер распределения потока). Удельный тепловой поток распределен по пятну нагрева неравномерно. Наибольшую величину он имеет в центре пятна, где концентрация частиц покрытия больше, а тепловой поток плазменной струи интенсивнее.

Рис. 5.1. Схема ввода теплоты напыляемыми частицами

и плазменной струей в изделие и распределение
удельного теплового потока q ₂ по пятну нагрева диаметром d _н:

1 – плазменная струя; 2 – поток частиц покрытия; 3 – покрытие;
r –расстояние от оси струи

При нанесении покрытий на плоскую поверхность пятно нагрева и пятно напыления имеют форму круга с центром на оси струи. С увеличением расстояния между плазмотроном и изделием диаметр нагрева увеличивается и плотность мощности падает. При напылении на изделия сложной формы, имеющие выпуклые, вогнутые и другие поверхности, то пятно нагрева деформируется, принимая форму обрабатываемой поверхности.

Для уменьшения нагрева изделий при нанесении покрытий воздействие газотермической струи может быть сведено к минимуму или совсем исключено разделением в пространстве этих двух потоков путем отклонения газотермической струи. Отклонение осуществляется сдувом газотермической струи в сторону поперечным потоком газа или применением распылится специальной конструкции, в котором потоки частиц и газотермической струи разделяются уже в сопле путем направления их в разные стороны.

В практике напыления часто встречается и другой случай, когда контролируемый подогрев поверхности изделия газотермической струей используют для улучшения свойств покрытий, поскольку это позволяет регулировать физико-химическое взаимодействие материалов основы и покрытия в процессе его формирования. Если напыление проводят в камере или с искусственной местной защитой, то подогрев может быть доведен до оплавления, и процесс напыления переходит в процесс наплавки покрытия.

Тепловые процессы при газотермическом напылении могут быть описаны на основе теории концентрированных источников энергии, разработанной акадедиком Н.Н. Рыкалиным и широко применяемой в сварке и резке металлов [15].

Необходимо отметить существенное различие в нагреве поверхности изделия частицами напыляемого материала и газотермической струей. Газотермическая струя вызывает последовательное равномерное повышение температуры поверхности в результате теплообменных процессов. Нагрев напыляемым материалом возникает вследствие сложения большого числа термических циклов частиц ударяющихся, растекающихся, затвердевающих и охлаждающихся на поверхности основы. Для каждой частицы эти процессы занимают промежуток времени
10^–3-10^–4спри высокой контактной температуре, намного превышающей температуру поверхности детали в пятне напыления. При определении средней температуры поверхности в пятне напыления вследствие кратковременности действия теплового потока отдельных частиц нагрев напыляемым материалом может в целом трактоваться как интегральный. Однако всегда следует иметь в виду, что контактная температура между частицами и поверхностью основы будет гораздо выше этой средней температуры, а именно контактная температура определяет физико-химические процессы, ведущие к прочному сцеплению частиц при напылении и к образованию качественного покрытия. Увеличение температуры поверхности основы одновременно повышает температуру контакта.

Когда ось струи перпендикулярна напыляемой поверхности, удельный тепловой поток q ₂(r) расположен симметрично относительно оси струи. В этом случае обычно распределение удельного теплового потока двухфазной струи по площади пятна нагрева d _н при распылении может быть описано законом нормального распределения (кривой вероятности Гаусса) (рис. 5.2) [11]

, (5.2)

где q _{2 m} – наибольший удельный тепловой поток на оси струи;

r –расстояние до рассматриваемой точки от оси струи;

k – коэффициент сосредоточенности удельного теплового потока струи, характеризующий форму кривой нормального распределения потока. Источник с таким распределением теплового потока называют нормально-круговым. Чем выше коэффициент сосредоточенности k, тем быстрее убывает удельный, тепловой поток в пятне нагрева с удалением от центра и тем меньше диаметр пятна.

Рис. 5.2. Экспериментальное (1) и расчетное (2) распределение
удельного теплового потока двухфазной струи по пятну нагрева d _н(а)
при распылении плазмой проволоки (мощность дуги 13 кВт;
дистанция напыления 100 мм; q _{2 m} = 480 Вт/см²; k = 0,98 cм^-2), а также зависимость удельного теплового потока от мощности дуги (б)

Если условно принять за радиус пятна нагрева r _н расстояние от центра, на котором удельный тепловой поток q ₂(r _н) равен 0,05 от наибольшего удельного теплового потока q _{2 m} в центре пятна, то

; ; . (5.3)

Отсюда можно найти условный диаметр пятна нагрева

, (5.4)

который обратно пропорционален корню квадратному из коэффициента сосредоточенности k.

Для расчета нагрева изделий при нанесении покрытий необходимо знать тепловую мощность струи и коэффициент ее сосредоточенности, а также их зависимости от режима напыления. Эти данные, полученные калориметрированием для распыления по схеме проволока-анод, приведены на рис. 5.3 и рис. 5.4.

При увеличении мощности дуги тепловая мощность струи возрастает линейно, поэтому КПД нагрева изделия h практически не зависит от мощности дуги. По мере увеличения дистанции напыления L КПД нагрева изделия h снижается (рис. 5.3) и коэффициент сосредоточенности источника k падает (рис. 5.4) [].

Рис. 5.3. Зависимость КПД процесса нагрева h изделия дугой
от дистанции напыления L (а) и мощности дуги N, L, мм (б)[11]

Рис. 5.4. Коэффициент сосредоточенности k удельного теплового потока двухфазной струи при распылении проволоки плазмой и его зависимость
от дистанций напыления [11]

При L > 100 мм условный диаметр пятна нагрева практически совпадает с шириной покрытия В, а при L < 100 мм d _н больше В. Увеличение мощности дуги вызывает рост тепловой мощности струи, что в свою очередь повышает удельный тепловой поток на оси струи (см. рис. 5.3, б)

. (5.5)

Вследствие двухфазности струи, состоящей из частиц покрытия и нагретого газа, КПД нагрева изделия струей можно представить как , где h_м – КПД нагрева частицами напыляемого материала и h_п – КПД нагрева струей газа (плазмы) [2].

С увеличением расстояния от плазмотрона до изделия доля теплоты, вносимой в изделие нагретым газом, резко падает (рис. 5.5) [2].

Например, на расстоянии L = 50 мм КПД нагрева струей плазмы составляет h_п = 14 %, а на расстоянии 200 мм КПД снижается до
h_п = 2 %. При том же изменении расстояния КПД нагрева изделия металлом частиц h_м уменьшается только в 1,7 раза. Поэтому, изменяя дистанцию напыления, можно в широких пределах регулировать подогрев поверхности изделия двухфазной газотермической струей.

Рис. 5.5. Изменение КПД нагрева изделия металлом (h_м),
плазменной струей (h_п) и КПД нагрева изделия при совместном
действии струи и металла (h) в зависимости от дистанции напыления L [2]

При газотермическом напылении наиболее сильно разогреваются тонкостенные изделия. Поскольку при достаточно высокой тепловой мощности скорости перемещения распылителей во время напыления велики (5-10 см/с и более), расчеты нагрева и охлаждения изделий небольшой толщины d< 2 мм можно выполнять по схеме быстродвижущегося нормально-полосового источника в пластине с теплоотдачей. В схеме быстродвижущегося нормально-полосового источника предполагается, что тепловой поток источника распределен по толщине пластины равномерно, а в направлении, перпендикулярном направлению движения, т.е. по оси ОY – по нормальному закону с тем же коэффициентом сосредоточенности k, что и у нормально-кругового источника (см. рис. 5.4).

Уравнение предельного, квазистационарного процесса распространения теплоты имеет следующий вид [11]

, (5.6)

где T (y, t) – температура любой точки А пластины, положение которой определяется в системе подвижных координат ХОY координатами х и у или радиусом-вектором ; t – время, отсчитываемое от момента прохождения центра С нормально-кругового источника через сечение пластины, в котором находится рассматриваемая точка А (х, у), время считают отрицательным до момента прохождения центром С рассматриваемой точки; – постоянная времени или промежуток времени между моментами прохождения сечения пластины с точкой А (х, у) фиктивным сосредоточенным линейным источником и центром нормально-кругового источника; – коэффициент температуропроводности материала изделия; c ₂g₂ –объемная теплоемкость материала изделия; l₂ – коэффициент теплопроводности; – коэффициент температуроотдачи; α₂ – коэффициент поверхностной теплоотдачи; – безразмерный критерий расстояния r точки А (х, у) от начала О подвижных координат ХОY, т.е. от фиктивного линейного источника; – безразмерный критерий постоянной времени ; – коэффициент теплонасыщения для плоского процесса распространения теплоты; v – скорость перемещения плазмотрона над напыляемой поверхностью изделия.

Знание температуры подогрева основы Т ₂(t) при напылении позволяет, например, рассчитать остаточные напряжения в покрытиях. Однако для анализа процессов, ведущих к прочному сцеплению частиц и образованию покрытия, этой температуры недостаточно. Поэтому в теории напыления неоднократно делались попытки рассчитать температуру контакта между расплавленной, деформирующейся при ударе частицей и твердой основой. Постоянный интерес к этой задаче объясняется тем, что только ее решение позволяет рассматривать элементарные процессы физико-химического взаимодействия материалов частицы и основы, а также частиц между собой при образовании покрытий. А именно эти процессы ведут к возникновению адгезии и когезии покрытия.

При напылении и образовании покрытия расплавленные частицы ударяются о холодную поверхность изделия, поэтому растекание и деформация частиц сопровождается затвердеванием. Очень важным является то, что эти процессы начинаются и идут одновременно (рис. 5.6, а). Под действием сил инерции сферическая частица, движущаяся со скоростью v, при ударе растекается по поверхности изделия [10].

Поскольку температура изделия ниже температуры плавления материала частицы, одновременно с растеканием в частице от места контакта движется фронт затвердевания. Направление движения фронта затвердевания перпендикулярно поверхности теплоотвода, т.е. поверхности изделия. Таким образом, в растекающейся частице фронт кристаллизации движется навстречу с ее свободной поверхностью. По отношению к оси частицы оба эти процесса занимают время, необходимое для непрерывного перемещения верхней точки расплавленной частицы через ряд промежуточных состояний С ₃, С ₂, С ₁ к ее конечному положению на поверхности в виде затвердевшей частицы. Соответственно промежуточные состояния занимают край расплавленной частицы на поверхности основы (см. рис. 5.6).

Рис. 5.6. Схема деформирования и одновременного затвердевания
(заштрихована твердая фаза) расплавленной частицы при ударе
о плоскую поверхность (а) и конечная форма закристаллизовавшейся
частицы (б) на плоской поверхности

По мере растекания уже затвердевший материал частицы подвергается давлению со стороны еще не закристаллизовавшегося расплава частицы. Расплавленная часть частицы под действием сил инерции прижимает закристаллизованный участок к поверхности изделия вплоть до момента полного затвердевания частицы, поскольку кристаллизация и деформация частицы заканчивается одновременно исчерпанием жидкой фазы. Вследствие затвердевания растекающаяся частица сохраняет свою форму и в покрытии. При напылении под прямым углом на плоскую гладкую поверхности основы частицы обычно затвердевают в виде плоского тонкого диска (рис. 5.6, б) при , где h – толщина диска; d – диаметр частицы до удара. В реальном покрытии форма закристаллизовавшихся частиц гораздо более сложная, поскольку они попадают в покрытие под самыми различными углами и ложатся на шероховатую поверхность.

Наиболее полное решение задачи затвердевания и охлаждения частицы с учетом фазового перехода из жидкого в твердое состояние было получено В.В. Кудиновым и В.Е. Белащенко методом контактной теплопроводности [15]. Имеется два решения этой задачи. Первое, более простое, не учитывает возможный при напылении перегрев частиц выше температуры плавления Т _пл. Решение задачи с учетом перегрева частиц более сложное.

Модель и решение более простой задачи обычно достаточно хорошо описывает реальный процесс напыления и позволяет проводить не только качественную, но и количественную оценку термических циклов в контакте Т _к(t) для частиц не сильно перегретых выше Т _пл.

Рассмотрим ряд последовательных положений I-III деформирующейся и одновременно затвердевающей частицы (рис. 5.7, а).

Движение фронта затвердевания в расплавленной частице начинается в первый же момент ее касания с поверхностью основы (t_I); через некоторое время t_II>t_I толщина h (t_II; 0) закристаллизовавшейся прослойки увеличивается, поскольку фронт кристаллизации быстро продвигается навстречу деформирующейся частице. Одновременно закристаллизовавшаяся часть частицы расширяется, так как частица растекается по поверхности основы. Для времени t_III>t_II процесс повторяется, толщина h (t_III; 0) и диаметр закристаллизованной частицы увеличивается. При этом частица занимает положение III. Затвердевание и растекание частицы продолжается до полной ее кристаллизации, которая наступает в момент встречи точки С с двигающимся ей навстречу фронтом затвердевания. Диаметр частицы становится равным D.

В момент соприкосновения частицы с поверхностью основы в точке контакта возникает температура контакта Т _к. Характер распределения температуры около этой точки в глубь основы и в твердой фазе закристаллизовавшейся частицы для различного времени показан на рис. 5.7, а (справа).

Рис. 5.7. Распределение температуры в различные моменты времени в системе
твердая подложка с температурой Т ₀ и расплавленная при температуре
плавления Т _пл быстродеформирующаяся и одновременно затвердевающая
частица (а) и схема термического цикла в контакте (б):

h (r, t) – высота подвижного фронта кристаллизации на расстоянии r от оси частицы
в различное время t; Н(r, t) – высота свободной поверхности жидкости

Подвижный фронт кристаллизации имеет температуру плавления Т _пл. По мере удаления в глубь частицы и основы температура резко понижается. Чем больше время t, тем больше высота h (t; 0) уже закристаллизованной области частицы и тем до более высокой температуры нагреты основа и закристаллизованная частица вблизи контакта (сопоставьте ход кривых I, II и III на рис. 5.7, а). После затвердевания температура контакта и температура частицы быстро снижаются вследствие интенсивного отвода тепла частицы в основу до полного выравнивания с температурой основы Т ₀. Такой термический цикл, очевидно, будет характерен для любой точки контакта вне зависимости от ее координаты r.

Термический цикл Т _к(t) сферической частицы, деформирующейся вследствие кинетической энергии удара и затвердевающей на поверхности изделия (рис. 5.7, б), можно представить состоящим из двух этапов: 1) затвердевание частицы, продолжающееся время t₀, в течение которого контактная температура Т _костается постоянной, а над подвижным фронтом кристаллизации h (t; r) находится жидкость; 2) охлаждение затвердевшей частицы до температуры основы. Очевидно, что температура контакта Т _кбудет ниже температуры частицы Т ₁, но выше температуры основы Т ₂, т.е. Т ₁> Т _к> Т ₂. Поэтому при расчетах положение Т _кнаходят в интервале между Т ₁и Т ₂. Для определения этого положения отсчет температуры ведут от температуры основы Т ₂, тогда расчетная температура плавления частицы будет
Т ₁= Т _пл– Т ₂. Уровень Т ₂, от которого ведут отсчет температуры в расчетах, соответствует температуре подогрева поверхности основы в различных точках пятна напыления. Подогревая изделие, т.е., увеличивая Т ₂, можно сделать температуру в контакте Т _к выше и интенсифицировать приваривание частиц к поверхности изделия.

На стадии затвердевания частицы в контакте поддерживается постоянная температура

, (5.7)

где ; ; К_e– критерий тепловой активности материала частицы по отношению к материалу основы; l₁ и l₂ – коэффициенты теплопроводности материала частицы и основы (будем относить индекс «1» к частице, а индекс «2» к основе); а ₁ и а ₂ – коэффициенты температуропроводности материала частицы и основы; К _L – критерий, оценивающий теплоту плавления L материала частицы; с ₁ – теплоемкость материала частицы; Ф(α) – функция интеграла вероятности; α = f (К_e, К _L) – корень уравнения

. (5.8)

Для удобства определения α существует номограмма (рис. 5.8). Значение α является абсциссой точки пересечения кривых

; . (5.9)

Значения φ при постоянном К_e даны горизонтальными кривыми на номограмме, а значения y при постоянном К _L представлены наклонными кривыми.

Время t₀, в течение которого частица затвердевает, и в контакте существует постоянная температура Т _к

, (5.10)

где h – высота застывшей частицы над рассматриваемой точкой контакта.

Расчеты показывают, что контактная температура Т _к при напылении для большинства сочетаний материалов соответствует твердому состоянию частицы и основы.

Рис. 5.8. Номограмма для определения α

Длительность кристаллизации составляет микросекунды. Частицы полностью остывают до температуры основы за время примерно равное 100 t₀(см. рис. 5.7, б).

Под частицей изделие интенсивно нагревается и градиенты температуры достигают 10⁵ К/см. Повышение температуры изделия на различной глубине по оси частицы для стадии затвердевания () можно оценивать из выражения

, (5.11)

где х – координата рассматриваемой точки по оси, перпендикулярной плоскости контакта, направленная в сторону расплавленной частицы (см. рис. 5.7, а).

Температуру частицы (т.е. х > 0) при можно определить из выражения

. (5.12)

Расчеты термических циклов для различных сочетаний материалов частицы и основы показывают (рис. 5.9, 5.10), что после затвердевания частицы температура в контакте резко падает.

Рис. 5.9. Термический цикл в контакте Т _к(t) при напылении

различных металлов (для серебра Т _пл = 960 ºС):

а – серебро на серебро; б – алюминий на алюминий

Глубина зоны термического влияния под частицей в конце стадии затвердевания (t = t₀) не превышает нескольких десятков микрометров (рис. 5.10, б). В реальных процессах напыления на температуру контакта влияет перегрев напыляемых частиц выше температуры их плавления, а также состояние поверхности основы. Особенно существенно перегреваются частицы при нанесении покрытий распылением токоведущей проволоки дуговой плазмой (процесс проволока – анод), при напылении дуговыми металлизаторами, а также в процессах, взрывающихся при прохождении тока в проволочках, фольгах и других проводниках.

Известно, что на воздухе даже при температуре 20-100ºС поверхность металла окисляется весьма быстро. Оксидная пленка приводит к появлению теплового сопротивления между частицей и металлической основой. Однако расчеты показали, что оксидные пленки толщиной до 30-50 нм не оказывают существенного влияния на контактную температуру, которая повышается при наличии пленок оксида в контакте всего на 15-25 К. В реальных процессах напыления покрытия стремятся наносить cpaзу же вслед за очисткой поверхности изделия, пока толщина оксидных пленок незначительна, т.е. пленки не достигли максимальной устойчивой величины. Такие пленки будут оказывать еще меньшее влияние на температуру контакта.

Рис. 5.10. Термический цикл в контакте при напылении оксида алюминия
на стекло (а) и изменение температуры основы под частицей на различной глубине в конце затвердевания частицы (б):

1 – нанесение серебра на серебро; 2 – нанесение оксида алюминия на кварцевое стекло

Необходимо отметить, что в выражениях для расчета температуры контакта основы (5.11) и температуры частицы (5.12) отсчет температуры ведется от уровня температуры поверхности основы Т ₂в месте контакта с частицей (см. рис. 5.7, 5.9, 5.10).

Действительная температура контакта будет складываться из температуры контакта, рассчитанной по выражению (5.7), плюс температура поверхности основы Т ₂в месте контакта с частицей

, (5.13)

. (5.14)

Соответственно температура частицы и основы около контакта при составит

при x > 0 ,

при x < 0 .

При напылении частицами, температура которых Т _ч выше температуры их плавления Т _пл соответственно увеличивается и температура в контакте Т _к. Однако форма кривой термического цикла при этом не изменяется и остается такой же, как и при напылении расплавленными и неперегретыми частицами.

Расчеты контактной температуры перегретых частиц более трудоемки, поскольку уравнение для определения корня αв этом случае имеет более сложный вид по сравнению с выражением (5.8)

, (5.15)

где Т _о– температура основы; индексы обозначают: «о» – основа, «1» – закристаллизовавшаяся часть частицы, «2» – расплавленная часть частицы.

Построение номограммы для нахождения α из выражения (5.15) невозможно вследствие большого количества переменных и такие расчеты выполняют численными способами. При температуре частиц Т _ч, равной Т _пл, уравнение (5.15) превращается в (5.8).

Рассмотрим гидродинамические явления, сопровождающие удар, деформацию и растекание частиц при напылении. Как было отмечено, скорость частиц может составлять несколько сотен метров в секунду и поэтому в зоне удара частиц возникает высокое давление. Как и высокая температура в контакте, давление является движущей силой физико-химического взаимодействия, создающей прочное соединение частиц с изделием и приводящей к образованию споя покрытия на нем.

Представление о процессах в зоне удара напыляемой частицы дают результаты исследований по гидродинамике удара жидких сферических частиц о твердую мишень.

При ударе под действием кинетической энергии частицы интенсивно деформируются (рис. 5.11), а в зоне соударения возникает давление Р. В гидродинамике принято рассматривать две составляющие такого давление: Р _н – напорное давление, или динамическая составляющая Р и ударное давление Р _у, возникающее вследствие эффекта гидравлического удара. Из-за кратковременности действия ударное давление P _у часто называют импульсивным давлением. Высокоскоростной удар жидких частиц о твердую поверхность показывает, что в первый момент соударения в месте контакта с мишенью жидкость упруго деформируется. Только через промежуток времени-t_у = 10^–10÷10^–9 с вместе удара образуется тонкий плоский слой жидкости растекающейся частицы. Далее частица деформируется равномерно.

Рис. 5.11. Соударение частицы с основой:

а – схема упругой деформации и образования ударных волн (v _р – скорость растекания
края частицы); б – изменение давления в зоне удара частицы серебра

Возникновение плоского слоя объясняется упругим сжатием расплавленной частицы в месте удара. Затем под действием импульса давления Р _у сжатая жидкость интенсивно растекается по поверхности. Ударное давление является результатом движения упругих волн сжатия, которые распространяются в частице, начиная с момента ее столкновения с поверхностью основы. Максимальное давление можно оценить из выражения

, (5.16)

где m – коэффициент жесткости частицы, который учитывает релаксационную способность жидкости частицы в зависимости от скорости удара и формы частицы; с – скорость звука в жидкости; g₁ – плотность жидкости. Для расплавленных металлов
с = 2·10³÷5·10³ м/с.

Коэффициент m/2 при малых скоростях соударения стремится к нулю, а при скорости удара частиц выше 100 м/с приближается к 1. Выражение (15) представляет собой известное уравнение гидравлического удара Жуковского, умноженное на фактор m/2. Если для условий напыления принять жесткость частиц соответствующей m = 0,5, то для материала плотностью g₁ = 10 г/см³ и скорости частиц v = 100 м/с имеем Р _у = (0,5/2)·10⁴·4·10³·10² » 1000 МПа.

Напорное давление для равномерно движущегося потока жидкости рассчитывают по уравнению Бернулли. Исходя из кинетики деформации жидкой частицы, можно полагать давление P _н приложенным на участке поверхности контакта, близком по размеру к диаметру частицы до удара. Считая основу абсолютно жестким твердым телом, а частицу идеальной жидкостью, получим простейший случай удара, при котором давление рассчитывают как

. (5.17)

Если полагать, что высота частицы на ее оси за время удара равномерно уменьшается от Н (0; 0) = d до Н (t₀; 0) = h (см. рис. 39, а) со скоростью v движения частицы до удара, то продолжительность действия давления на оси частицы

, (5.18)

т.е. будет определяться временем, необходимым для смыкания фронта кристаллизации со свободной поверхностью частицы. (что такое g₁)

Это предположение оказывается наиболее правомерным, когда свойства распыленной частицы приближаются к свойствам идеальной жидкости. В реальных условиях напыления, особенно перегретыми металлическими частицами, расчет по выражению (5.18) обычно достаточно обоснован, поскольку расплавленные и перегретые металлы имеют вязкость, не сильно отличающуюся от вязкости воды.

По мере удаления от оси длительность давления несколько уменьшается t(r ₁) из-за сферической формы напыляемой частицы (радиусом r ₁). Однако, как показывают эксперименты, для радиуса r не превышающего d /2, изменение t(r) существенно не влияет на процессы физико-химического взаимодействия.

Большое импульсивное давление Р _у приводит материал частицы и основы в физический контакт за время 10^–9 с. Прочное соединение частицы с основой происходит под действием напорного давления, которое в отличие от импульсивного давления действует на протяжении всего времени деформации и затвердевания частицы, и по длительности на 2-3 порядка превосходит продолжительность импульсивного давления (см. рис. 5.11, б).В реальных условиях напыления при скорости частиц 100-150 м/с напорное давление может составлять 50-100 МПа при длительности действия 10^–5-10^–7 с.

Необходимо отметить, что существует нижний предел скорости частиц. «Медленные» частицы мало деформируются и почти не растекаются при ударе, в результате чего контактные процессы взаимодействия материалов частицы и основы нарушаются. Такой процесс наблюдали в модельных экспериментах по напылению серебра. Установлено, что при скорости частиц 5 м/с процессы прочного соединения частиц с основой существенно замедляются.

Деформации расплавленной частицы препятствует сила поверхностного натяжения, под действием которой частица принимает сферическую форму и получает определенную жесткость. Чем меньше диаметр частицы, тем выше давление внутри нее и выше ее жесткость, а поэтому необходимо приложить большее усилие для ее сплющивания. При малых скоростях соударения частицы с основой она может не получить деформацию, необходимую для прочного соединения.

Исходя из экспериментальных данных о деформации частиц (h / d) при напылении можно оценить минимальную скорость v _min.

. (5.19)

В случае нанесения металлических покрытий частицами диаметром d = 10^–4 м при поверхностном натяжении s» 1 Дж/м² и g₁ = 10⁴ кг/м³ имеем

. (5.20)

При напылении покрытий из оксидов с частицами, имеющими размер 0,5·10^–4 м, с поверхностным натяжением 0,7 Дж/м² и
g = 4·10³ кг/м³ получим

. (5.21)

Таким образом, эксперименты и расчеты показывают, что для нормальных условий формирования покрытия минимальная скорость напыляемых частиц должна составлять несколько десятков метров в секунду. В реальных условиях такие «медленные» частицы расположены на периферии струи, где их скорость может быть в несколько раз ниже скорости частиц на оси струи.

Проведенный анализ и полученные решения тепловой и динамической задачи соударения, деформации и затвердевания частиц, позволяют оценивать основные параметры процесса образования покрытия из от дельных частиц, а именно: 1) температуру контакта , т.е. ту истинную температуру границы раздела фаз, при которой взаимодействуют материалы частицы и основы; 2) длительность взаимодействия t₀; 3) давление Р, приложенное к взаимодействующим фазам.

Важным обстоятельством, следующим из решения этих задач, является то, что на площади контакта с диаметром близким к диаметру химического взаимодействия D_x и к диаметру частицы d, температура контакта и напорное давление Р _н остаются постоянными в течение длительности удара или равной ее длительности кристаллизации t₀. Поэтому, можно считать, что процессы физико-химического взаимодействия материалов в контакте протекают в условиях, близких к изобарно-изотермическим.

Дата добавления: 2017-02-01