Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Внаслідок взаємодії з високотемпературним потоком частинки матеріалу, який призначений для утворення покриття, нагріваються та прискорюються. Зустрічаючись із основою множина нагрітих (розплавлених) частинок деформується, розтікається і твердне, утворюючи покриття.
Першим етапом взаємодії частинок матеріалу з основою і вже твердими попередніми частинками, які закріпилися на основі, є удар. Фізичний контакт, який супроводжує удар, створюється до хімічної взаємодії і практично визначає фактичну площу контакту, на якій формуються міцні зв’язки.
У загальному випадку для газотермічного напилення характерні співудари кількох видів. Передусім, удари частинок матеріалу, який напилюється, об поверхню твердого тіла відрізняються за станом частинок. Можна виділити повністю рідкі (), частково розплавлені і тверді () частинки матеріалу. Для всіх цих частинок, незалежно від їх стану, при ударі об тверду поверхню можна розглядати два етапи.
Під час першого з них (активного) контактна сила зростає, іде деформація, утворення і розширення площі контакту частинки з основою. Центри інерції тіл наближаються. Під час другого етапу (пасивного) проходить розвантаження тіл, тобто зняття пружних деформацій, і відстань між центрами інерції тіл, які співударяються, збільшується.
Крім того, удари можуть відрізнятися за характером розтікання матеріалу. Це удари із стабільним розтіканням розплаву в радіальному від точки удару напрямку, а також співудари, коли після удару проходить коронарне розбризкування матеріалу або втрата стабільності границі розплаву при радіальному розтіканні.
На рис.3.20 наведена модель співудару рідкої частинки і гладкої поверхні. Згідно з цією моделлю, в початковий момент співудару частинка деформується дуже слабо, потім утворюється плоска ділянка контакту, яка надалі постійно розширюється. В результаті стабільного розтікання на поверхні основи утворюється плоска частинка – диск циліндричної форми. До завершення розтікання верхня частина “не відчуває” деформацію її нижньої частини на основі, зберігаючи над нею сфероподібну частину поверхні. Процес удару і деформації частинок проходить з їх твердненням. В результаті повного тверднення частинка зберігає форму, яка утворилась після розтікання.
Існують й інші моделі стабільного розтікання. Згідно з однією із них при ударі, у випадку низької швидкості, рідка крапля після удару об гладку поверхню розтікається у плоский диск, який потім може знову стягуватися, утворюючи в центрі сфероподібну поверхню, та знову розтікатися, переходячи в результаті таких коливань до деякої кінцевої рівноважної форми. Для крапель рідини кінцева рівноважна форма буде визначатися тільки силами поверхневого натягу, тоді як для розплаву процес може бути обмежений твердненням матеріалу.
Рис. 3.20. Співудар розплавленої частинки з основою: а – схема пружної деформації і утворення хвиль; б – часова залежність тиску в зоні удару частинки об основу; в – схема розтікання частинки і переміщення фронту кристалізації при деформації і застиганні частинок на основі (точки І, ІІ, ІІІ на осі Х відповідають положенню фронту кристалізації в момент часу ); г – розподіл температури в різні моменти часу в системі “тверда основа з температурою – рідка частинка”, яка швидко деформується і одночасно застигає, з початковою температурою, яка дорівнює температурі плавлення
При розгляді удару зі стабільним радіальним розтіканням матеріалу можуть бути виділені три характерні стадії (рис. 3.21).
Рис. 3.21. Співудар сферичної частинки з основою
На першій стадії утворюється область ударного стискування, яка приєднана до твердої поверхні. На цій стадії матеріал, спочатку локалізований в об’ємі ОВВ, стискується і переноситься в середину об’єму ВСВ. Формується плоска контактна поверхня ВВ і ударна хвиля із точки О переміщується в середину частинки, стискуючи матеріал. Область ударного стискування приєднана до твердої поверхні, вільна границя не деформована.
На другій стадії починається розвантаження області стискування за рахунок деформації вільної поверхні. Початково стиснутий матеріал позаду фронту ударної хвилі переміщується в радіальному напрямку із області стискування – розвивається радіальна течія, швидкість якої може перевищувати . Можлива поява кавітаційних порожнин внаслідок відбивання ударних хвиль від вільної поверхні. Тиск знижується до величини напорного, або динамічного тиску .
На третій стадії реалізується напорне стаціонарне розтікання з тиском порядку і нижче.
Взагалі, згідно з першою моделлю, в зоні співудару виникає тиск p, який може бути поданий у вигляді двох складових – напорного, або динамічного тиску , і ударного, або імпульсного тиску .
Спочатку крапля рідини пружно деформується і лише через проміжок часу с у місці удару утворюється тонкий плоский шар. Його виникнення пояснюється пружним стискуванням частинки в місці удару. Потім під дією імпульсного тиску стиснута рідина інтенсивно розтікається по поверхні.Ударний тиск є результатом руху пружних хвиль стискування, які розповсюджуються в частинці, починаючи з моменту її зіткнення з поверхнею основи. Максимальний тиск можна оцінити з виразу:
, (3.36)
де – коефіцієнт жорсткості частинки, який враховує релаксаційну здатність рідини залежно від швидкості і форми краплі; – густина рідкої частинки і швидкість звуку в ній відповідно. Для розплавів металів . Коефіцієнт наближається до 0 при малих і при м/с.
Напорний тиск розраховується за рівнянням Бернуллі. Можна вважати, що розмір ділянки поверхні контакту, до якої прикладений тиск, близький до діаметра частинки до удару. Якщо основу вважати абсолютно жорстким твердим тілом, а розплав матеріалу – ідеальною рідиною, отримаємо найпростіший випадок удару, при якому динамічний тиск розраховується за формулою:
. (3.37)
Якщо вважати, що висота частинки на її осі під час удару рівномірно зменшується від до зі швидкістю руху частинки до удару , тоді тривалість дії динамічного тиску на всі частинки складе: , тобто буде визначатися часом, необхідним для змикання фронту кристалізації із вільною поверхнею частинки.
Тривалість дії динамічного тиску буде зменшуватися у міру віддалення від осі внаслідок того, що спочатку форма краплі була близькою до сферичної.
Стійкість радіального розтікання матеріалу краплі при ударі може порушуватися. Першою причиною цього можуть бути низькі швидкості , коли частинки матеріалу деформуються слабо і майже не розтікаються при попаданні на поверхню твердого тіла. В результаті контактні процеси взаємодії матеріалів частинки і основи порушуються. Деформації розплавленої частинки, яка рухається з малою швидкістю, перешкоджає сила поверхневого натягу, під дією якої частинка набуває і зберігає сферичної форми, а також набуває визначеної жорсткості. Чим менший діаметр частинок, тим більше зусилля необхідно прикласти для їх деформації. Якщо допустити, що вся кінетична енергія руху частинки витрачається на збільшення її поверхні при зміні форми із сферичної у плоский диск, вираз для мінімальної швидкості , за якої ще можлива деформація частинки при ударі об плоску поверхню, буде мати вигляд:
, (3.38)
де – поверхневий натяг матеріалу розплавленої частинки; – густина матеріалу частинки; – діаметр частинки до удару; – висота застиглої частинки, або висота умовного циліндра, на який перетворилась частинка після розтікання і кристалізації.
Виходячи із експериментальних даних про деформацію частинок при напиленні, можна оцінити мінімальну швидкість частинок . Так, у випадку створення покриття металевими частинками діаметром м при і : м/с, а для оксидів із м і при : м/с.
В реальних умовах частинки з малою швидкістю можуть утворюватися в несучому потоці, коли потрапляють на його периферію, де вони менш інтенсивно прискорюються на початку руху і сильніше гальмуються у міру віддалення від зрізу сопла розпилювача.
Інша ситуація виникає при збільшенні швидкості повністю розплавлених частинок. При перевищенні при даних і порушується умова стійкого переміщення границі частинки, яка розтікається, і проходить диспергування матеріалу.
Критерієм, який визначає умови диспергування, є критерій Вебера:
. (3.39)
Для плазмового напилення, наприклад, приблизно дорівнює для металевих частинок і – для керамічних. Якщо взяти до уваги, що умовою диспергування матеріалу краплі є , можна казати про високу ймовірність диспергування повністю розплавлених частинок у високотемпературному потоці. Це підтверджується на практиці. Крупні частинки мають більшу схильність до розбризкування при деформуванні, ніж дрібні.
При ударі кінетична енергія, яку набуває частинка матеріалу в несучому потоці газу, тільки частково витрачається на деформацію. Рівняння балансу енергії має вигляд:
, (3.40)
де – кількість теплоти, яка може виділятися як в об’ємі частинки, так і в поверхневому шарі матеріалу основи; – зміна поверхневої енергії частинки, яка складає ; – енергія пружних коливань, яку можна взяти рівною нулю.
Тоді:
. (3.41)
При значному ступені деформації частинок . Використовуючи вираз для Q, можна оцінити величину додаткового підігрівання частинок:
. (3.42)
Наприклад, для Дж / (кгК) і м / с, може складати (5...250) К відповідно.
Одним із факторів, який визначає міцність з’єднання частинки з основою, є контактна температура в області дотику частинки і основи.
Розглянемо задачу з умовами:
1. Основа є напівбезмежним тілом з постійною початковою температурою і має відмінну від нуля теплопровідність тільки в напрямку, який перпендикулярний площині основи. У цьому напрямку теплопровідність дорівнює теплопровідності матеріалу основи.
2. Частинка розплавлена і її початкова температура дорівнює температурі плавлення , а теплопровідність не дорівнює нулю тільки в напрямку, який перпендикулярний площині контакту. У цьому напрямку теплопровідність дорівнює теплопровідності твердого матеріалу частинки. Тверда фаза нерухома відносно площини контакту і під нею протягом усього часу твердіння існує прошарок рідини.
3. Контакт частинки з основою ідеальний, а їх вільні поверхні теплоізольовані.
Термічний цикл сферичної частинки, яка деформується внаслідок удару і твердіє на основі можна подати як суму двох етапів:
- тверднення частинки, в процесі якого контактна температура залишається постійною, а над рухомим фронтом кристалізації знаходиться рідина;
- охолодження частинки, яка стала вже твердою, до температури основи.
Рівень , від якого ведуть відлік температури в розрахунках, відповідає температурі підігрівання поверхні основи в різних точках плями напилення. Якщо основу підігрівати, тобто збільшувати , можна збільшити температуру частинок в контакті і інтенсифікувати їх приварювання до основи.
На стадії тверднення частинки в контакті підтримується постійна температура:
, (3.43)
де ; ; – критерій теплової активності частинки відносно основи; і – коефіцієнти теплопровідності; і – коефіцієнти температуропровідності частинки і основи відповідно; – критерій, який оцінює приховану теплоту плавлення матеріалу частинки; , – теплоємність і температура плавлення матеріалу частинки відповідно; – функція інтеграла ймовірності; – корінь рівняння .
Час , протягом якого частинка твердне і в контакті підтримується температура , при :
, (3.44)
де – висота затверділої частинки.
Частинки повністю холонуть до температури основи приблизно за час приблизно . В основі під частинкою проходить інтенсивне нагрівання, і градієнти температури досягають К / м.
Підвищення температури основи на різній глибині по осі частинки для стадії тверднення () можна оцінити за виразом:
. (3.45)
Розрахунки показують, що глибина зони термічного впливу під частинкою в кінці стадії тверднення () не перевищує кількох десятків мікрон. Тому процеси фізико-хімічної взаємодії при напиленні не стосуються основного об’єму матеріалу основи, а ідуть у приповерхневому шарі. Контактна температура при напиленні для більшості випадків відповідає твердому стану частинки і основи.
В результаті деформації, розтікання і тверднення матеріалу при ударі частинки об тверду поверхню на ній утворюється та елементарна дискретна частинка, із множини яких при їх послідовному закріпленні в шарі і формується покриття. Можливі кілька варіантів структурних елементів, які є результатом взаємодії частинки і основи.
Першим варіантом є безпосередньо плоский диск, края якого можуть мати різну форму залежно від змочування та інших умов формування покриття.
Другим варіантом структурного елемента є дископодібна частинка елемента, яка має в центрі виступ сферичної форми (так званого типу “сомбреро”). Такі частинки формуються у випадку, коли вихідна частинка твердіє раніше, ніж розтікання досягне такої стадії, коли сферична поверхня повністю зникає.
І, нарешті, якщо при розтіканні в диск порушуються умови стійкості, можуть утворюватися диски із розвиненими краями, частково або повністю дисперговані частинки, які закріпилися на основі – результат фрагментації вихідних крапель.
На рис. 3.22 зображено схему, яка ілюструє результати ряду можливих варіантів елементарного акту взаємодії частинок дисперсної фази, що мають різні швидкості і знаходяться в різних агрегатних станах. Умовно зображені форма і агрегатний стан частинок дисперсної фази Ι – VΙII (перерізи А–А; Б–Б; В–В; Г–Г; Д–Д), які знаходяться у потоці, а також результат їх деформації і тверднення при закріпленні на гладкій основі.
На рис. 3.23 схематично зображені перерізи найбільш характерних видів частинок, які показані на рис. 3.22.
Рис. 3.22. Можливі результати актів індивідуальної взаємодії частинок дисперсної фази з основою частинки: І – повністю розплавлена: 1 – 6; ІІ – повністю розплавлена з порожниною, яка заповнена газом, переріз А– А: 7– 11; ІІІ – перегріта, яка випаровується: 12 – 14; ІV – оплавлена на виступах поверхні, переріз Б– Б: 15; V – із розплавленою оболонкою і твердим ядром, переріз Г– Г: 20, 21, 30; VІІ – із вторинно затверділою оболонкою, прошарком розплаву і твердим ядром, переріз Д – Д: 22 – 30; VІІІ – тверда, сильно прискорена частинка: 22, 29
Рис. 3.23. Переріз і структури частинок різних типів (у дужках номери відповідних позицій на рис. 2.23): а, б, в, г – диски (1, 2, 3); д, е – “зіркоподібні” частинки (3, 4, 5, 6, 12, 13, 14); ж, з – “сомбреро” (7, 8, 10); и – кільця (9, 19); к, л, м, н – “сомбреро” із твердим ядром (15, 16); о, п – грудкоподібні частинки (20, 21, 22, 23, 24, 25); р – балони, сфери (30)
Весь процес взаємодії матеріалів при газотермічному напиленні на кожній елементарній ділянці поверхні умовно поділяєтться на три стадії: зближення речовин, які з’єднуються – утворення фізичного контакту; активація контактних поверхонь і хімічна взаємодія матеріалів на межі розподілу фаз; об‘ємна взаємодія.
Явища, які відбуваються на стадії утворення фізичного контакту речовин – при ударі частинок об тверду поверхню, розглянуті вище. Внаслідок деформації і розтікання частинок утворення фізичного контакту пр газотермічному напиленні забезпечується для більшості розплавлених частинок, які рухаються в потоці (). На цій стадії важливу роль відіграють процеси електростатичної взаємодії поверхневих атомів.
У разі відсутності ерозії матеріалу основи, його перемішування із матеріалом, що напилюється, і підплавлення, фізичний контакт утворюється внаслідок пластичної деформації поверхні в момент удару частинки.
Фізичний контакт передує хімічній взаємодії, при якій на фактичній площі контакту формуються міцні зв΄язки.
У процесі ударної взаємодії на площі контакту забезпечується проходження фізичної адсорбції напилюваного матеріалу на поверхню твердого тіла. Водночас, формування фактичної площі контакту, яка складає деяку частину площі фізичного контакту, пов΄язане з хемосорбцією.
Для утворення міцних адгезійних зв΄язків, які забезпечуються хемсорбцією, частинки напилюваного матріалу при співударі з поверхнею основи повинні здійснити роботу, величина якої залежить від енергії кристалічної гратки, структури і поверхневої енергії речовини, яка наноситься. У випадку з’єднання чистих металів або твердих речовин процеси електронної взаємодії обмежуються колективізацією валентних електронів позитивними іонами, внаслідок чого між системою атомів, які утворюють кристалічну гратку, виникає міцний металевий зв’язок. Особливістю цього зв’язку є відсутність насичення, яке визначається валентністю відповідних атомів. Для здійснення хемосорбції на реальній поверхні потрібна енергія для активації цієї поверхні, тобто, на набуття молекулою або атомом енергії активації. Фізично цей акт можна інтерпретувати як процес розривання насичених зв’язків на поверхні адсорбуючого тіла, в результаті якого з’являються неспарені електрони (радикали), які здатні брати участь у хімічній взаємодії.
Таким чином, для проходження в контакті процесів електронної взаємодії різних типів потрібна визначена енергія для активації стану поверхонь.
Для моделі взаємодії поодинокої сферичної частинки, яка твердне у диск циліндричної форми, з умовою еквівалентного збудження всіх атомів частинки з боку основи, швидкість реакції визначається тільки умовами активації атомів поверхні основи і може бути описана диференційним рівнянням:
, (3.46)
де – енергія активації; – частота власних коливань атомів; – абсолютна температура контакту; – кількість атомів на поверхні основи або частинки, які знаходяться у взаємному фізичному контакті; N(t) – кількість атомів із кількості , які прореагували за час ; – коливальна і конфігураційна ентропія активації в зоні хімічної взаємодії; – постійна Больцмана.
Якщо вважати, що внаслідок малої величини, рівняння перетворюється до вигляду:
(3.47)
Інтегрування цього рівняння при і при , при , дає формулу для визначення часу, протягом якого прореагує атомів:
, або . (3.48)
Розвиток реакції на границі взаємодії фаз (тобто в плямі хімічної взаємодії діаметром D, яка займає в загальному випадку частину поверхні під деформованою частинкою) визначається за відносною міцністю зчеплення частинки з основою:
, (3.49)
де – кількість атомів, яка прореагувала за час ; – загальна кількість атомів, які знаходяться в контакті на поверхні розділу “частинка – поверхня”; – міцність зчеплення, яка досягається за час ; – максимальна міцність зчеплення, якої можна досягти; – енергія активації твердофазної взаємодії; – імпульсний тиск; – показник перенапруження в основі; – температура в контакті частинки, яка напилюється, і поверхні основи; – постійна Больцмана. Значення для плазмового напилення, наприклад, може досягти (0,6...0,8.
Одним із головних параметрів, необхідних для оцінки проходження хімічної реакції між матеріалом, що напилюється, і основою, є температура, яка встановлюється в контакті “рідка частинка – тверда основа”. Згідно із результатами досліджень, лежить між значеннями температур основи і частинки. Для багатьох випадків відповідає твердому стану обох матеріалів (частинки і основи). Винятком є напилення тугоплавких матеріалів, які підплавляють поверхні менш тугоплавких основ у місці контакту.
Температура контакту визначається температурою основи і частинок, які напилюються.