11.6. Об'ємна взаємодія і формування міжфазної зони при газотермічному напилюванні. (Третій етап)
Процес взаємодії покриття з основою протікає у два етапи – фізична та хімічна взаємодії, що і становить суть топохімічної реакції. Умови плазмового напилення в процесі удару забезпечують реалізацію першого етапу по всій сформованій площі фізичного контакту в результаті пластичної деформації. Висока температура в контакті між напилюємими частинками й основою дозволяє активувати атоми поверхонь, утворити хімічні зв'язки й у такий спосіб створити фактичну площу контакту. Відповідно до вчення про активні центри, що містять збуджені атоми, хімічна взаємодія відбувається на активних центрах, у ролі яких можуть виступати примісі атоми, сходи дислокацій, вакансії й усякого роду перекручування, присутність яких викликає поле пружних напружень, що сприяють активації певної кількості атомів.
Напруги, що виникають у точці удару частинок, сприяють виходу дислокацій на контактну поверхню і її активації розривом насичених зв'язків, що повинне приводити до утворення додаткових активних центрів. При ударі частинки 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 вище деякого граничного значення, необхідного для досить швидкої деформації, коли на поверхні утвориться шлейф розірваних зв'язків. Можливо, що завдяки більшим напругам і температурі в контакті на всій площі радіусом в, обчисленої по рівняннях, повністю протікає топохімічна реакція й установлюються міцні хімічні зв'язки. Однак на цій стадії формування контакту не закінчується. Дифузійні процеси, що протікають у перехідній зоні при нанесенні покриття, сприяють розширенню фізичної площі контакту.
Після встановлення міцних хімічних зв'язків, завдяки високим температурам в між фазній зоні можливе протікання дифузійних процесів. Дифузія здійснюється, як по поверхні, так і в об’єм основного матеріалу. В результаті цього можливе розширення площі міцного контакту, а також формування дифузійного шару певної ширини, як по всій поверхні, так і в локальних ділянках контакту. Така контактна зона має певні властивості, що змінюються залежно від властивостей взаємодіючих матеріалів.
Хімічна взаємодія, завдяки енергетичним умовам, реалізується на всій площі фізичного контакту або в області активних центрів. Однак на цій стадії формування контакту не закінчується. Дифузійні процеси, що протікають у перехідній зоні при нанесенні покриття, сприяють розширенню фізичної площі контакту. У створення нової зони можуть вносити вклад різні дифузійні механізми. Відомо, що джерела дислокацій у приповерхніх шарах основи генерують більше число дислокацій і працюють при менших напругах, чим об'ємні. Це приводить до кращої деформації приповерхніх шарів у порівнянні з об'ємом. Крім того, вважається, що енергетичний потенційний бар'єр на поверхні нижче, ніж в об'ємі, і параметри решітки в поверхні збільшені. У приповерхніх шарах основи підвищені швидкості дислокацій і їхня щільність приводять до прояву аномальної пластичності; в цьому зв'язку дифузія також полегшується. Завдяки підвищеній рухливості адсорбованих атомів і атомів, що перебувають у приповерхніх шарах, за рахунок такої поверхневої дифузії буде розширюватися площа контакту.
Формування перехідної міжфазної (контактної) зони
Формування перехідної контактної зони в процесі плазмового напилення полягає не тільки в збільшенні площі контакту і відповідно підвищенню сил зчеплення, але й у тому, що існуючі енергетичні умови в ряді випадків сприяють наступній об'ємній взаємодії покриття з основою. Це приводить до формування перехідних шарів нового складу і структури.
Звичайні класичні методи розрахунку, однак, показують слабкий розвиток дифузійних процесів, а простими методами аналізу важко виявити наявність перехідної зони при плазмовому напиленні. Проте, між покриттям і основою можуть протікати процеси самодифузії в результаті нагрівання й рекристалізації. Існує зв'язок між коефіцієнтом дифузії й концентрацією вакансій. На підставі осцилографічних кривих температурної зміни можна зробити спрощений розрахунок кількості матеріалу, що переноситься в результаті дифузії. У процесі дифузії під час взаємодії можуть утворюватися інтерметаліди. Висновок про можливість утворення перехідних шарів витікає з аналізу багатьох робіт, у яких показано, що при напиленні ряду матеріалів на границях розділу в місці контакту утворюються шари нової структури. Адгезія напиленого матеріалу із залізом обумовлена утворенням інтерметалідних сполук. Дослідженнями виявлені "острівці" - місця поганої травимості глибиною в декілька мікрон, що мають дифузійну природу. Утворення проміжних фаз має місце при напиленні ніобію, танталу, цирконію, молібдену, нікелю, вольфраму й ін.
Отже, утворення нових фаз доводиться багатьма дослідниками, хоча отримані результати складу й структури цих фаз суперечливі. Необхідно також відзначити, що розвитку дифузійних процесів при плазмовому напиленні сприяють сильне перекручування й дефектність кристалічної структури решітки матеріалів покриття й приповерхніх шарів основного металу.
На рис.11.10 схематично представлено зміну по товщині системи (метал – покриття) можливих властивостей у перехідній (міжфазній) зоні між покриттям і металом. Такими властивостями можуть бути мікротвердість, електроопір, теплопровідність, між фазна міцність і ін.
Рис.11.10. Схема зміни властивостей по товщині (h) в перехідній зоні (ПЗ) між покриттям (П) і металом (М)