6.5. Прочность сцепления покрытия с основным материалом и между собой

Соединение напыляемого покрытия с основой осуществляется преимущественно за счёт механического сцепления напыляемых частиц с выступами и впадинами на поверхности основы, образованными предварительной обработкой. Этот механизм адгезии покрытия называют анкерным эффектом.

Кроме механического сцепления, прочность сцепления покрытия с основным материалом обеспечивается за счёт ряда других механизмов, включая диффузию компонентов покрытия в основной материал, сплавление и химическое взаимодействие. Поскольку частицы напыляемого материала имеют обычно оксидную плёнку, их сцепление с поверхностью основного материала на некоторых микроучастках происходит через оксидные плёнки.

Повышение прочности сцепления покрытия достигается также за счёт физических связей под действием вандерваальсовых сил. Эти силы как силы межатомного притяжения могут возникать только при сближении частиц с поверхностью металла на расстоянии, близком к параметрам кристаллической решётки.

Если на поверхности одного кристалла по какой-либо кристаллографической ориентации происходит рост другого кристалла, то это явление называют эпитаксией, часто наблюдаемой при соприкосновении металлов, сходных по кристаллическому строению и параметрам кристаллической решётки. Это явление наблюдают при осаждении металлов из растворов, электролитическом металлопокрытии или вакуумном осаждении.

Молибденовое покрытие отличается особенно хорошей адгезией к чёрным металлам. При движении частиц молибдена от сопла горелки до поверхности основы происходит их окисление, которое сопровождается интенсивным испарением оксидов. В результате расплавленные частицы молибдена в момент соударения с поверхностью основы имеют очень тонкую плёнку оксидов, которая при соударении разрывается, и чистый молибден, имеющий высокую температуру, вступает в контакт с поверхностью основы. Происходит сцепление частиц молибдена с металлом основы на некоторых участках и образование металлических связей.

Прочность сцепления покрытия с основным металлом в значительной мере зависит от образования промежуточного слоя в переходной зоне.

Окисление поверхности относится к числу факторов, определяющих прочность сцепления покрытия с основным металлом. При нагреве металла в воздухе на его поверхности образуются оксиды, свойства которых зависят от уровня температуры и продолжительности нагрева до этой температуры. Если на поверхности основного металла остаётся неразрушенная оксидная плёнка, то диффузионное соединение образоваться не может. Следовательно, наличие прочной оксидной плёнки на поверхности основного металла исключает получение хороших результатов при напылении. При температуре основного металла выше 700^оС на его поверхности образуется толстая оксидная плёнка (состоящая из FeO), высокая вязкость которой исключает её разрушение при ударных столкновениях с ней частиц. Это, в свою очередь, исключает диффузию материала покрытия в основной металл.

Разрушение оксидной плёнки при охлаждении сопровождается отслоением находящегося на ней покрытия, в частности, алюминиевого. Разрушение происходит преимущественно между оксидной плёнкой и основным металлом, что свидетельствует о более высоком уровне сцепления между покрытием и оксидной плёнкой. Таким образом, при напылении на основной металл, покрытый толстой оксидной плёнкой, получаемое покрытие имеет слабую прочность сцепления с основным металлом. Это значит, что задача получения покрытия с высокой прочностью сцепления с основой требует, чтобы перед напылением поверхность основного металла (температура которого при напылении не должна превышать оптимальной) была покрыта лишь тонкой оксидной плёнкой, например такой, какой она бывает после механической обработки для придания поверхности изделия должной шероховатости.

При сцеплении частиц между собой внутри покрытия действуют те же механизмы, что и при взаимодействии покрытия с поверхностью основного металла. В частности, взаимодействие (прилипание) частиц между собой достигается путём их простого механического сцепления (анкерный эффект), а также за счёт диффузии, эпитаксии и физической связи под действием вандерваальсовых сил.

При нагревании на поверхности нагретых (или расплавленных) металлических частиц образуются оксиды или нитриды, между которыми собственно происходит взаимодействие. Эффективность взаимодействия значительно зависит от различия коэффициентов линейного расширения напыляемого металла и оксидов (нитридов). При охлаждении усадка металлических частиц происходит в большей степени, чем усадка оксидов, и чем значительней это различие, тем хуже условия образования напыляемого покрытия.