1. Механічний канал.

Розрив міжатомних зв'язків у системі (Me'–О) може бути реалізований механічним або іншим впливом, здатним частково або повністю зруйнувати шари оксиду або хімічно адсорбованого кисню. Класичним прикладом спрацьовування механічного каналу активації є зварювання вибухом, при якій кумулятивний струмінь очищає від оксидів і інших забруднень поверхні, що з`єднуються, які вступають у фізичний контакт. Варто мати на увазі, що тривалість життя атомів в активованому стані, тобто поверхневих атомів металу з ненасиченими зв'язками, дуже мала. Такі атоми можуть утворити зв'язок (Me'–Me") або знову утворити комплекс ( Me'–'О).

2. Термічний канал.

При дії цього каналу існує ймовірність того, що в індивідуальному комплексі (Me'–О) відбудеться розрив міжатомних зв'язків (тут Е – енергія розриву зв'язків (Me'–О), чисельно рівна q₀ або q_a для шару оксиду або комплексу хімічно адсорбованого кисню на поверхні твердого металу відповідно; Т – температура).

3. Хімічна активація.

Цей канал активації припускає взаємодію шару оксида або хімічно адсорбованого кисню з якою-небудь речовиною по механізму відновної реакції, у результаті якої оксид металу (Me'–О) відновлюється до чистого металу (рівн.11.41). Такий канал активації використовується в технологічних процесах, що припускають обмеження температури, щоб компенсувати низьку ефективність термічного каналу активації.

Розглянемо процес утворення хімічних зв'язків між поверхневими атомами металу підложки й поверхневими атомами рідкого металу напиленої частинки згідно з рівнянням (11.41).

Правомірність такого запису рівняння реакції обумовлена наступним. Відомо, що поверхня твердого металу завжди покрита шаром оксиду або хімічно адсорбованим киснем. Тому в цьому рівнянні (М'–О) – це шар оксиду або комплекс хімічної адсорбції. Поверхневі атоми частинки рідкого металу не мають «строго фіксованих» атомів кисню, і із-за цього перебувають в активованому стані. Тому для поверхневих атомів частинки рідкого металу в рівняння реакції можна включити не оксид (Me"–О), а чистий метал (Me").

Отже, для утворення міжатомних зв'язків (Me'–Me") необхідно, щоб відбулися розриви (дисоціація) міжатомних зв'язків у системі (Me'–О).

4.Канал активації, пов'язаний з вивільненням енергії при виході на поверхню в результаті пластичної деформації структурних дефектів типу дислокацій, вакансій, міжвузлових атомів.

Відповідно до навчання про активні центри, що містять збуджені атоми, хімічна взаємодія відбувається на активних центрах, у ролі яких можуть виступати примісні атоми, сходи дислокацій, вакансії й усякого роду перекручування. Присутність таких активних центрів викликає поле пружних напружень, які сприяють активації певної кількості атомів. Умови плазмового напилення в процесі удару забезпечують реалізацію першого етапу взаємодії по всій сформованій площі фізичного контакту в результаті пластичного деформування мікрорельєфу й змочування його рідким металом покриття.

Енергія, що може вивільнятися при виході кожного із цих дефектів, різна. Так, для вакансії або міжвузлового атома вона становить (0,8–1,0) еВ, а для дислокації ця енергія на одну міжплощинну відстань виражається у вигляді Gb³ (G – модуль зсуву металу, b – модуль вектора Бюргерса) і для різних металів звичайно становить від 1 до 10 еВ у діапазоні температур від предплавильної до кімнатної, оскільки G зменшується з ростом температури. Загальна енергія, що виноситься тим або іншим типом дефектів, залежить від частоти їхнього виходу на поверхню, а швидкість релаксації цієї енергії визначається в основному, температурою. При спрацьовуванні цього каналу активації досить важливою обставиною є те, що активується (розривається зв'язок Me – О) не один поверхневий атом металу (як це має місце для випадку термічного каналу активації), а група атомів. Це пояснюється тим, що збурювання на поверхні з одинарною енергією від 1 до 10 еВ, є досить потужними.

Формування міцних хімічних зв'язків

Використовуючи апарат хімічної кінетики й теорію абсолютних швидкостей реакцій, можна провести енергетичну оцінку процесу взаємодії напилюємих частинок з основою. Константа швидкості росту міцності одиночної частинки з підложкою записується у вигляді

(11.42)

де – число атомів із загального числа , прореагувавших за час t. Тривалість реакції, протягом якої прореагує атомів, визначається по формулі

(11.43)

Розвиток реакції на границі взаємодіючих фаз, тобто в плямі контакту діаметром D_x , можна оцінити по відносній міцності зчеплення:

(11.44)

де – міцність, досягнута за час t, – максимальна міцність, що досягається при завершенні процесу; Е_а – енергія одиничного зв'язку, залежна від механізмів і умов активації поверхні (наприклад, утворення й рух дислокацій ); – частота коливань атомів або переміщення дислокацій; F_Ф і F_Х – фізична й хімічна (номінальна) площі контакту.

Відношення приблизно знаходиться по відносній міцності утвореної при Т_К звареного з’єднання на ділянці діаметром D_x.

Випробуваннями на зсув частинок, що приварюються до підложки при Т_к, установлено, що для більшості випадків напилення металів на метали відношення = 0,6–0,8. такі результати відповідають експериментальним даним для поодиноких частинок.

Внесок в процес встановлення міцних зв’язків дислокацій, що виходять на поверхню при ударній взаємодії.

Встановлення міцних хімічних зв’язків досягається внаслідок дії конкретних механізмів активації. Безпосередньо при напиленні діють два основних механізми - термічна активація, пов'язана з величиною температури в міжфазної зоні Т_К, і механізм, пов'язаний із пластичною деформацією й виходом на поверхню дефектів, зокрема дислокацій. Напруги, що виникають у точці удару частинок, сприяють виходу дислокацій на контактну поверхню і її активації розривом насичених зв'язків, що повинно приводити до утворення додаткових активних центрів. При ударі частинок об підложку взаємна деформація викликає генерацію й вихід "свіжих" дислокацій на поверхню контакту. З`єднання утвориться саме в місцях виходу свіжих дислокацій через здатність пересуватися зі швидкістю виходу деякого граничного значення, необхідного для досить швидкої деформації, коли на поверхні утвориться шлейф розірваних зв'язків.

Проведемо аналіз процесів, обумовлених виходом дислокацій на поверхню, і визначимо частку поверхні , що приймаюсь участь у формуванні хімічних зв'язків по механізму пластичної деформації. Відомо, що площа цієї поверхні дорівнює , де – щільність дислокацій; – площа одиночного активного центру, що для орієнтовних розрахунків може бути прийнята рівною =7,8 10^-9см². Щільність дислокацій визначається відповідними фізичними експериментальними методами, наприклад, методом внутрішнього тертя, які дозволяють визначити параметри дислокаційної структури. Залежно від величини дислокаційної сітки, товщини приповерхнього шару, що приймають участь у поглинанні енергії пружних коливань, термообробки й попередньої деформації поверхневого шару зразків із заліза, значення щільності дислокацій складає =(2–5) 10⁷см².

За таки умови частка площі фізичного контакту за рахунок дії дислокацій становить в залежності від режимів обробки матеріалу = (0,25–0,4) .

Знайдені значення фізичного контакту є частиною загального контакту й визначають міцність зчеплення, обумовлену тільки пластичною деформацією; результати розрахунків представлені в таблиці 11.1.

Дислокаційний фактор є одним з основних, у першу чергу визначальний рівень адгезійної міцності. Хімічна взаємодія можлива тільки при необхідній активності атомів, насамперед енергією, що виноситься дислокаціями, а також за рахунок температури в зоні контакту. Міцність зчеплення системи за рахунок дислокацій на основі даних про відносну площу хімічної взаємодії , відповідно до таблиці 11.1 і з урахуванням межі міцності заліза = 400 МПа знаходиться в межах від 37 до 94 МПа.

Таким чином, площа хімічної взаємодії за рахунок активних центрів, а, отже, міцність зчеплення становить 10–20 %, віднесеної до номінальної площі, або 20–40 % від площі, сформованої в процесі ударної взаємодії – фізичного контакту. Разом з тим високі температури є додатковим, а, у багатьох випадках, і основним фактором, що активує фізико-хімічні процеси.

Підводячи підсумки короткому розгляду процесів формування плазмових покриттів, можна відзначити, що залежно від умов напилення у відносно широких межах міняються енергетичні умови в контактній зоні, що приводять до активації в ній фізико-хімічних процесів, що обумовлює взаємодію покриття з основою. Визначальної в умовах тертя, холодного зварювання, спікання, плазмового напилення є пластична деформація, після протікання, якої можливе усунення границі розділу контактуючих пар шляхом підстроювання атомів і формування металевих зв'язків.

При різноманітних способах ГТН швидкість руху частинок змінюється в широких межах і може становити від 10¹м/с при газополуменевому напиленні до 10³м/с при детонаційному напиленні.

Важливо визначити канали активації, що приводять до розриву міжатомних зв'язків у системі (Me'–О) при різних способах ГТН, що відрізняються швидкістю руху частинок при дуговому, плазмовому і детонаційному напиленні. Це дозволить виявити основні фізичні процеси взаємодії частинок з підложкою, і тим самим встановити межі технологічних можливостей кожного конкретного способу напилення.