Формирование слоя покрытия и его свойства

Изложенные выше представления позволяют полностью объяснить и описать кинетику и механизм возникновения прочного сцепления между напыляемыми частицами при образовании слоя покрытия. Рассмотрим условия взаимодействия, которые приводят к прочному сцеплению частиц в покрытии. Опыт нанесения покрытий напылением показывает, что даже в случае тугоплавких металлов и соединений, имеющих наиболее высокую энергию связи в решетке, частицы легко образуют покрытие, прочно соединяясь между собой. Прочность сцепления частиц в напыленных покрытиях или когезия покрытий колеблется от 10 до 200 МПа в зависимости от типа напыляемого материала и условий напыления. Если для хорошей адгезии покрытия к основе приходится прибегать к специальным технологическим приемам, то когезия между частицами в самом покрытии возникает уже при комнатной температуре вне зависимости от состава и свойств напыляемого материала без какого-либо дополнительного подогрева изделий.

Образование покрытия при напылении наиболее просто объяснить с учетом высокой температуры контакта между частицами и покрытием , которая возникает вследствие пониженной теплопроводности покрытия по сравнению с теплопроводностью компактного материала. Эта температура значительно выше, чем температура в контакте при напылении на компактный материал. Рассмотрим механизм теплопроводности покрытий и сопоставим теплопроводность материалов в компактном состоянии с теплопроводностью покрытий из этих же материалов.

Перенос тепла в покрытиях определяется их слоистым строением, большим количеством пор, трещин, а также границ раздела между частицами и осуществляется следующими механизмами: 1) электронами по телу самих металлических частиц, составляющих покрытие, а также на участках приваривания, поскольку здесь образовались прочные металлические связи между частицами (l _е); 2) за счет решеточной или фононовой теплопроводности в частицах и по участкам приваривания между частицами (l_ф) для неметаллических покрытий; 3) теплопроводностью газа, заключенного в порах покрытия (l_г); 4) лучистым теплообменом в порах в случае нагрева покрытия до высокой температуры (l _L).

Поскольку границы раздела между частицами не полностью заполнены участками или очагами схватывания, а передача тепла по механизмам 3 и 4 происходит медленно, суммарный коэффициент теплопроводности покрытия составит: l = l _е + l_ф + l _L и он намного ниже, чем у компактных материалов. По мере увеличения температуры изменяется вклад от этих механизмов в теплопроводность покрытия и поэтому ее зависимость от температуры имеет сложный характер и отличается от аналогичной зависимости для компактного материала. Из сопоставления видно, что теплопроводность покрытий во много раз ниже теплопроводности тех же материалов при комнатной температуре. Кроме того, необычна зависимость теплопроводности от температуры: в покрытиях с ростом температуры их теплопроводность несколько возрастает или остается приблизительно постоянной, а у компактных материалов теплопроводность по мере возрастания температуры уменьшается, Такая зависимость показывает, что в покрытиях теплопроводность по механизмам 3 и 4 может вносить существенный вклад в общую теплопроводность при повышенной температуре [19].

Расчеты[19]показывают, что вследствие пониженной теплопроводности температура контакта между частицами в покрытии значительно выше, чем температура контакта при напылении на компактный материал.

Поскольку температура выше, чем в покрытии обеспечиваются термические условия для прочного сцепления частиц и формирования качественного слоя.

Наиболее опасной зоной в покрытии являются слои, расположенные вблизи основы. Прочность сцепления частиц в этих споях пониженная, поскольку на взаимодействие частиц влияет подложка с ее высокой теплопроводностью.

Прочность материала напыленных металлических покрытий обычно не превышает 10-100 МПа, что на порядок ниже прочности металлов в компактном состоянии. Процесс формирования покрытия приводит к появлению в нем больших остаточных напряжений, которые увеличиваются по мере роста толщины покрытия и понижают прочность покрытия. Поэтому покрытия толщиной более 1 мм обычно склонны к самопроизвольному отслаиванию. Низкая прочность покрытий является следствием ряда причин. Рассмотрим их.

1. Суммарная площадь всех участков между частицами, на которых образовал ось прочное соединение, составляет только часть всей площади их контакта.

2. Прочность в самом пятне приваривания диаметром D_x ниже прочности компактного материала, что объясняется макро- и микроскопической дефектностью образовавшегося соединения; слишком резкая граница между покрытием и основой с небольшим взаимным проникновением материала основы и покрытия вследствие малого объемного взаимодействия и сопряжением решеток с различным типом химической связи, например, защитное покрытие из оксида с ионным типом связи нанесено на основу с металлической связью.

3. Пониженная плотность покрытий (80-95 %) по сравнению с плотностью компактного материала.

4. Остаточные напряжения, возникающие в напыленном материале в процессе его образования.

Поскольку первые три причины уже были рассмотрены ранее, рассмотрим остаточные напряжения и технологические способы их регулирования.

Остаточные напряжения являются следствием термических условий напыления, различия в теплофизических свойствах материалов основы и покрытия, фазовых превращений и ряде других причин. Они появляются в процессе кристаллизации и остывания как отдельных частиц, так и всего покрытия в целом. Очень короткое время взаимодействия и остывания частиц не позволяет релаксировать напряжениям как в самих частицах, так и по границе между ними в период образования покрытия. Поэтому высокий уровень остаточных напряжений в покрытиях сохраняется после напыления и охлаждения покрытий.

Если рассматривать покрытие как сплошную среду (а данный подход в первом приближении оправдан низкой пористостью покрытий), то можно оценивать остаточные напряжения, первого рода. Именно эти напряжения являются причиной разрушения большинства покрытий. Для расчетов используют теорию физики сплошной среды (сопротивление материалов, теорию упругости и пластичности, теплофизическую теорию). Свойства напыленных покрытий характеризуют временным сопротивлением, модулем упругости, коэффициентом теплопроводности и т.д.

При охлаждении напыленной детали в ней возникает сложное поле остаточных напряжений.

На напряжения влияет неравномерное распределение напыляемого материала в струе и неравномерный нагрев детали в пятне напыления, а также форма и размеры напыляемой детали. Остаточные напряжения рассчитывают на основании распределения температурных полей в детали в момент времени, соответствующий нулевым напряжениям в покрытии, т.е. во время его образования. Поэтому для расчета напряжений необходимо знать термические условия напыления. Обычно их определяют из расчета или экспериментально с помощью термопар, установленных на напыляемой поверхности.

Для регулирования остаточных напряжений в напыленных покрытиях рационально рассмотреть последовательно ряд взаимосвязанных задач. Во-первых, исходя из конкретных условий работы детали с покрытием заранее необходимо определить знак и уровень остаточных напряжений. Во-вторых, используя различные технологические приемы постараться получить покрытие с заданными характеристиками по напряжениям.

Известны следующие технологические приемы, позволяющие регулировать остаточные напряжения в покрытиях, а, следовательно, их прочность:

1. Согласование свойств материала покрытия и основы и, в первую очередь, их температурных коэффициентов линейного расширения.

2. Регулирование термического воздействия газотермической струи и частиц на основу путем изменения распределения ее тепловой мощности по пятну нагрева, а также путем регулирования дистанции напыления или изменением скорости перемещения плазмотрона или другого источника.

3. Снижение модуля упругости покрытия, например, путем введения в него добавок пластичного материала, который способствует также релаксации напряжений в покрытии путем пластической деформации.

4. Использование переходных подслоев между основой и покрытием, обеспечивающих плавный переход свойств от материала изделия к материалу покрытия.

5. Изменение толщины покрытия, а также применение многослойных покрытий с чередованием слоев из различных материалов.

6. Армирование покрытия непрерывными или дискретными волокнами и проволоками.

7. Изменение формы напыляемой поверхности, например придание определенного радиуса кривизны всем острым углам изделия.

Необходимо отметить, что в большинстве случаев эксплуатации защищенных изделий следует стремиться к напряжениям сжатия в покрытиях, как наиболее безопасным. В растянутых покрытиях легко возникают трещины, нарушающие их защитные свойства. На практике часто бывает трудно согласовать свойства покрытия и основы по температурному коэффициенту линейного расширения.

Эксперименты показывают, что, несмотря на то, что коэффициент α ряда материалов покрытий (молибден, нихром) ниже коэффициента α основы (например, стали, сплава Д-16) (рис. 5.14), в покрытиях из них вместо напряжений сжатия возникают напряжения растяжения. В то же время для вольфрама, оксида алюминия, диоксида циркония можно получить хорошее соответствие между теоретическими и экспериментальными данными.

Снижение характеристик упругости покрытий при одних и тех же деформациях приводит к снижению действующих напряжений. Упругость покрытий можно регулировать технологией напыления: добавкой одного или более материалов в материал покрытия в процессе напыления; послойным осаждением одноименных покрытий, но из порошка различной грануляции; послойным напылением покрытий из разнородных материалов; оплавлением покрытий, а также режима напыления. Необходимо отметить, что характеристики упругости покрытий значительно ниже, чем у тех же монолитных материалов. Высказываются предположения о возможности регулирования остаточных напряжений напылением чередующихся слоев с различными знаками напряжений. Однако следует иметь в виду, что нанесение слоев с сжимающими остаточными напряжениями приводит к повышению растягивающих напряжений в слоях, напыленных ранее.

Рис. 5.14. Температурная зависимость коэффициента линейного расширения
α ряда металлов и оксидов (ZrO₂стабилизированCaO)

Известен также способ регулирования остаточных напряжений, часто используемый при получении деталей и изделий другими технологическими способами – это напыление на детали, которые находятся в предварительно напряженном состоянии. После напыления нагрузку снимают, что приводит к изменению напряжений как в самой детали, так и в покрытии.

Результаты изучения взаимодействия материалов, а также теория напыления позволяют наметить и классифицировать наиболее рациональные технологические приемы и методы регулирования прочностных свойств покрытий (рис. 5.15) [19].

Рис. 5.15. Методы регулирования прочностных свойств покрытий

Эти методы можно разделить на термические и физико-химические. Такое деление условно, поскольку все физические, химические, тепловые и другие процессы при нанесении покрытий тесно взаимосвязаны.

Дата добавления: 2017-02-01