11.1. Стадійність фізико-хімічних процесів при формуванні газотермічних покриттів

Газотермічне напилення (ГТН) – одержання покриттів з нагрітих і високошвидкісних макрочастинок напилюємого матеріалу із застосуванням високотемпературного газового струменя, при зіткненні яких з основою, або вже напиленим матеріалом відбувається їхнє зчеплення за рахунок зварювання, адгезії й механічного зчеплення.

По енергетичній ознаці ГТН підрозділяється на :

1) плазмово-дугове (плазмове) напилення,

2) високочастотне плазмове напилення,

3) газополуменеве напилення,

4) дугове напилення,

5) детонаційне напилення

Взаємодія частинок при газотермічному (плазмовому) напиленні з поверхнею твердого тіла (основою) здійснюється у відповідності із топохімічною реакцією, відповідно до наступних етапів

: 1- ий етап – удар, як наслідок пластичної деформації мікровиступів поверхні підложки після ударної взаємодії з напилюємими частинками, утворення фізичного контакту;

2 - ий етап – встановлення міцних хімічних зв'язків в результаті активації контактних поверхонь;

3 - ій етап – об'ємна взаємодія, що супроводжується гетеродифузією, утворенням нових фаз.

Процеси зварювання та суміжних технологій (наплавлення, пайка, напилення) супроводжуються протіканням топохімічної реакції.

Топохімічні реакції – хімічні реакції за участю твердих тіл, при цьому відбувається локалізація реакції на поверхнях розділу між реагентами та продуктами реакції.

11.2. Утворення фізичного контакту при плазмовому напиленні (гтн). Перший етап взаємодії при напиленні

Перший етап взаємодії частинок при ГТН із основою – удар.

Частинки рідкого (або високопластичного) металу при зіткненні з підложкою розтікаються та деформуються на ній до утворення тонкого плоского шару.

Аналіз динамічної взаємодії окремих частинок з поверхнею твердого тіла заснований на дослідженні динаміки й кінетики ударних явищ.

Під час зіткнення з основним металом частинка сильно деформується, її кінетична енергія переходить у тепло й роботу деформації. На гладкій поверхні має місце значне радіальне ковзання, якому протидіють сили поверхневого натягу. На шорсткій поверхні частинка сплющується не тільки паралельно середньому рівню, але й уздовж нерівностей - на мікро виступах.

При плазмовому напиленні, швидкість частинок досягає 100–200 м/с, тому в зоні удару частинок виникає високий тиск. Разом з високою температурою в контакті тиск є рушійною силою фізико-хімічної взаємодії, що сприяє міцній сполуці частинок і утворенню шару покриття.

При ударі за рахунок своєї кінетичної енергії частинки інтенсивно деформуються (рис.11.1) і в зоні зіткнення створюється тиск р. У гідродинаміці прийнято розглядати дві складові такого тиску: р_н-напірний тиск, або динамічна складова р, і р_і-ударний тиск, що виникає внаслідок прояву ефекту гідравлічного удару. Через короткочасність дії ударну складову р_і часто називають імпульсивним тиском.

В перший момент зіткнення в місці контакту з мішенню рідина пружно деформується. Тривалість процесу удару залежить від швидкості руху частинок і при плазмовому напиленні становить 10^–10…10^–7 с. На протязі цього часу у місці удару утвориться тонкий плоский шар рідини частинки, що розтікається. Далі частинка деформується рівномірно. Виникнення плоского шару пов'язане із пружним стиском частинки в місці удару й тиском, що змушує рідина інтенсивно розтікатися по поверхні мішені.

Ударний тиск є результатом руху пружних хвиль стиску, які поширюються в частці, починаючи з моменту її зіткнення з підложкою.

Ударний або імпульсний тиск Р_і , що виникає внаслідок прояву ефекту гідравлічного удару рідкої частинки об підложку, залежить від швидкості руху частинки v і описується відомим рівнянням гідравлічного удару Жуковського

Р_і = 1/2 _рСv (11.1)

де , – коефіцієнт твердості і густина матеріалу частинки; С – швидкість звуку в рідині., що становить (3…6)10 ^{3 м}/с.

Рис. 11.1. Схема залежності тиску в зоні контакту від часу удар частинок о поверхню

Крім імпульсного тиску є ще напірний тиск _н, що виникає при зіткненні рідкої частинки із твердою підложкою.

Напірний тиск для потоку рідини, що рухається рівномірно, розраховується по рівнянню Бернуллі. Виходячи з кінетики деформації рідкої частинки тиск р_п можна вважати прикладеним на ділянці поверхні підложки, близькій за розмірами до діаметра частинки до удару.

Вважаючи підложку абсолютно твердим тілом, а частинку – ідеальною рідиною, одержуємо найпростіший випадок удару, при якому тиск розраховується як

Р_н = _рv² (11.2)

Тривалість дії цього явища

(11.3)

де d – діаметр сфери; h – висота шару покриття після розтікання й деформації рідкої частинки на підложці.

По мірі віддалення від осі тривалість t(r) трохи зменшується у зв'язку зі сферичною формою частинки. Однак, як показують експерименти, для радіуса r, не перевищуючого d/2, зміна t(r) істотно не відбивається на процесах фізико-хімічної взаємодії.

Більша величина імпульсивного тиску р_і сприяє очищенню поверхні підложки в місці удару й приводить матеріал частинки й підложки у фізичний контакт приблизно за 10^-9с. Міцне з`єднання частинки з підложкою відбувається під впливом напірного тиску, що діє протягом усього часу деформації й затвердіння частинки, і по тривалості на 2–3 порядки перевершує тривалість імпульсного тиску (рис.11.1). В реальних умовах напилення при швидкості частинок 100–150м/с напірний тиск може становити 50–100МПа при тривалості дії 10^-5–10^-7.

Для вивчення фізико-хімічних процесів, що протікають у контактній зоні при напиленні, необхідно розглянути першу стадію формування контакту - фізичного контакту, що є наслідком пластичної деформації мікрорельєфу поверхні в момент удару об неї частинок.

У процесі ударної взаємодії в зоні контакту забезпечується протікання фізичної адсорбції напилюємих частинок з поверхнею твердого тіла.

Фізичний контакт реалізується перед хімічній взаємодії, яка в свою чергу визначає фактичну площу контакту і забезпечує формуються міцних зв'язків.

Таким чином, перший етап взаємодії частинок з основою – удар. Після ударної взаємодії утвориться утворюється фізичний контакт і сформується площа фізичного контакту - F_ф

В процесі удару при газо термічному (плазмовому ) напиленні йде формування фізичного контакту, що є наслідком пластичної деформації мікрорельєфу поверхні (мікро виступів) при взаємодії з високошвидкісними й високотемпературними частинками. Фізичний контакт утворюєтся з високою інтенсивністю за рахунок високої рухливості рідкої фази й не лімітує процес утворення з`єднання.

Напилюємі високотемпературні частинки перебувають у высокопластичному стані, і при ударі об мікровиступи розтікаються по мікронерівностях.