30.3 Метод газодинамічного напилення

Метод газодинамічного напилення є новим. Він розроблений на основі відкритого в 80-х рр. ефекту закріплення частинок, що рухаються з надзвуковою швидкістю, на поверхні при зіткненні з нею (рис 30.1).

Суть методу складається в нанесенні на поверхню оброблюваних металів, порошків або їхніх сумішей з керамічними порошками за допомогою надзвукових потоків повітря. Порошковий матеріал, що являє собою дрібнодисперсні частинки металів (або суміші металів і кераміки), прискорюється в надзвуковому соплі потоками стислого повітря і прямує на поверхню, що покривається. При цьому шляхом зміни режимів роботи обладнання можна або здійснювати ерозійну обробку поверхні виробу, або наносити однорідні покриття, або створювати композиційні покриття з механічної суміші порошків. Можна також змінювати твердість, пористість і товщину напилюваного покриття.

Рис. 30.1 Схема газодинамічного методу напилювання

Запитання

для самоперевірки до розділу »Двофазні потоки, що утворюються при газо термічних методах напилення»

1. Що таке фаза? Які фази присутні в газо термічних потоках?

2. Що таке теорія подібності? Яку роль вона відіграє при вивченні двофазних потоків?

3. Що таке число Нуссельта? Які параметри воно визначає?

4. Що таке число Рейнольдса? Що воно визначає

5. Які параметри визначає число Біо?

6. Що характеризує число Кнудсена?

7. Які струмені називають надзвуковими? Що означає число Маха?

8. Порівняйте різні типи струменів: ламінарні, турбулентні і надзвукові. Що у них спільне і в чому їхні розбіжності?

9. Процеси, що відбуваються з матеріалом в нагрітому газовому потоці. Взаємодія твердих частинок з компонентами газового середовища.

4. Процеси, що протікають при утворенні покриттів, та їхня структура

Лекція 31

Вплив зовнішніх факторів на міцність

Зчеплення покриття з основою

31.1. Вплив температури частинок і основи на міцність зчеплення

Позначимо температуру частинки , а температуру основи . Приварення частинки настає тільки при підігріванні основи до певної температури, яку позначимо як і назвемо температурою хімічної взаємодії. Ця температура відповідає заповненню контактної поверхні під частинкою осередком схоплювання на 40 — 70 %. При такому заповненні хімічна взаємодія частинок з основою відбувається на великій площі контакту і для їхнього видалення необхідно прикласти значне зусилля.

При температурі підкладки нижче за частинки легко відділяються від основи, оскільки хімічна взаємодія не отримує необхідного розвитку.

Температура , при якій утворюється міцне зчеплення, існує практично для всіх сполучень матеріалів частинок і основи: елементів, сплавів, простих або складних речовин. Тому напиленням можна наносити покриття з багатьох неорганічних матеріалів, які можуть бути розплавлені, тобто не розкладаються або випаровуються в твердому стані. Залежно від конкретної пари матеріалів покриття — основна температура підігрівання її може лежати як в області негативних температур, так і досягати 1000 °С і більше. Особливо зручні для напилення тугоплавкі метали, створюючі міцне покриття навіть при кімнатній температурі основи. Тому покриття з тугоплавких металів часто наносять на виріб як проміжний шар під основне покриття. Вони підвищують міцність зчеплення між покриттям та основою.

У практиці напилення часто доводиться наносити металеві покриття на метали. При напиленні на повітрі підігрівання металевих виробів обмежено стійкістю даного металу проти окислення, оскільки на повітрі навіть при низьких температурах (до 20 °С) «свіжа» поверхня металів починає швидко окислюватися. Швидкість окислення поступово сповільнюється і через декілька годин на поверхні металу утворюється тонкий стійкий шар оксиду товщиною 2 — 5 мм. Цей процес прийнято описувати логарифмічною залежністю від часу. При нагріванні металу вище деякої критичної температури (звичайно 100 – 300 °С) оксид зростає значно швидше. Товсті оксидні плівки перешкоджають утворенню міцного зчеплення металевих частинок з основою, розділяючи взаємодіючі метали. Наприклад, при напиленні ванадію на полірований зразок з нікелю міцне зчеплення виникає вже при 20 °С. Однак, якщо зразок заздалегідь витримати протягом 1 — 3 хв на повітрі при 400 – 500°С, а потім охолодити до 20 °С, то при подальшому напиленні приваренню частинок заважає товста плівка NiO. При напиленні на мідь товста оксидна плівка з'являється при нагріванні вище за 100 –150 °С.

Природно виникає питання, чому металеві частинки не приварюються до товстої оксидної плівки на основі. Адже метали міцно сполучаються, при напиленні на окремо взяті пластинки, оксидів, наприклад кварцеве скло. Відсутність сполук пояснюється двома причинами: 1) енергія активації оксидів вище за енергію активації більшості металів і для здійснення взаємодії необхідна більш висока температура в контакті; 2) температура в контакті частинка — оксидна плівка на металі істотно нижче за температуру контакту між напилюваною частинкою і компактним оксидом того ж складу, оскільки в першому випадку сильно впливає близькість металу, що має високу теплопровідність.

З більшення міцності приварення частинок до основи у міру підвищення її температури пояснюється двома процесами: розширенням діаметра плями хімічної взаємодії , на якій частинка приварювалася до основи, і підвищенням міцності в самій плямі . Граничним випадком для першого процесу є приварення частинки по всій площі ( ) розплющеної частинки діаметром D (рис.31.1) i для другого — отримання міцності зчеплення, відповідного деякій максимальній величині, близькій до міцності металів, що сполучаються.

Рис.31.1. Зміна відносної величини плями хімічної взаємодії /D залежно від швидкості часток і температури підігрівання основи при нанесенні частинок (діаметром 100—200 мкм) срібла на срібло (чистотою 99,99 % Ag): 1 — частинки нагріті вище ; 2 — частинки, нагріті до ; 3 — частинки нагріті до .

Обидва ці процеси важливі для технології отримання якісних покриттів. За допомогою другого процесу можна описати хімічну взаємодію і, отже, високу міцність покриття. Простежимо за розвитком контактних процесів при ударі і затвердженні частинок покриття на основі, температура якої послідовно підвищується. Швидкість частинок була невеликою і становила 20 — 40 м/с. Ці експерименти були виконані на модельному металі — сріблі. Срібло мало окислюється під час дослідів і, крім того, внаслідок високої пластичності срібла ділянки схоплювання мають чітко виражений рельєф після відділення частинок від основи вздовж границі контакту. Спостерігати явища в контакті після відділення частинок зручно на електронному растровому мікроскопі.

На фотографії поверхні основи під тією частинкою, що приварилася, а потім механічно видаленої, добре видний рельєф поверхні. На початку взаємодії частинки з основою в їхньому контакті утворяться ділянки схоплювання. Після відриву частинки від основи на поверхні останньої в місцях схоплювання залишаються сліди металу, вирваного з частинки (світлі виступи на фото, які утворюють осередки схоплювання). На металах розміри ділянок схоплювання, які спостерігали за допомогою сканувального електронного мікроскопа, складають у перетині 200 — 700 нм. У міру розвитку реакції число цих ділянок збільшується і при міцності зчеплення, близькій до максимальної, вони практично зливаються, заповнюючи всю центральну область деформованої частинки. Діаметр плями хімічної взаємодії Dx звичайно трохи більше діаметра напилюваної частинки > D. Близькість діаметрів пояснюється тим, що саме на площі діаметром D інтенсивно діє тиск при ударі і деформації частинки. Ближче до краю частинки тиск знижується і краї приварюються гірше. Однак при сильному нагріванні основи або перегріві частинок температура, мабуть, компенсує нестачу тиску і частинки приварюються повністю по всьому діаметру D (рис 31.1, криві 1 і 2).

Рис.31.2. Фрактографія поверхні срібної основи під привареною срібною частинкою після її відриву: а — у центрі площі всього контакту частинки з підкладкою діаметром D видна область, де частинка приварилася до основи (x 300); б — область , заповнена ділянками схоплювання, на яких виникли вириви металу частинки при її відділенні, х 800; в — ділянки схоплювання майже повністю заповнили , внаслідок чого міцність приварення частинки стала близька до максимальної, х 1000; г — збільшені вириви металу частинки на ділянках схоплювання, х 3000; д — те ж, х 6000; е — також, х 40000; ж — утворення шару покриття — велика частинка накрила дрібну і відірвала її від основи, х 600; з — вигляд контактної поверхні частинки, відділеної від основи, Х 800

31.2. Утворення структури напиленого шару під впливом швидкості і температури

Накладаючись одна на одну, частинки утворюють шар покриття. Якщо когезія частинок вища, ніж їхня адгезія, то при відриві покриття руйнування відбувається на границі між основою і частинками. На рис.31.2, ж видний слід відриву невеликої частинки (зліва нижня частина фото), яку відділила і забрала з собою її більш велика частинка, що накрила.

Перегрів напилюваних частинок вище за температуру плавлення підвищує міцність їхнього з'єднання з основою (порівняйте криві 1 і 2 на рис.31.1), збільшує площу плями хімічної взаємодії (рис 31.1, крива 1). Зростання міцності пояснюється тим, що при перегріві частинок підвищується контактна температура, і процес хімічної взаємодії різко прискорюється. Тому покриття потрібно наносити розплавленими частинками і, по можливості, нагрітими до високої температури.

Іншим важливим прийомом підвищення якості покриттів є збільшення швидкості напилюваних частинок, що сприяє прискоренню і інтенсифікації фізико-хімічних процесів в контакті, а отже, підвищенню міцності, щільності і поліпшенню ряду інших характеристик покриття.

Існує нижня межа швидкості частинок. При напиленні з швидкістю частинок нижче за цю межу міцність їхнього зчеплення різко знижується. «Повільні» частинки мало деформуються і майже не розтікаються при ударі, внаслідок чого контактні процеси взаємодії матеріалів частинок з основою порушуються. Встановлено, що при швидкості частинок 5 м/с зростання їхньої міцності зчеплення з основою сповільнюється (крива 3 на рис.31.1). Одночасно дуже слабо збільшується відносний діаметр плями хімічної взаємодії і за абсолютною величиною не перевищує Dx/D= 0,5 навіть при дуже сильному підігріванні основи (крива 3 на рис. 31.1). Таким чином, міцне газотермічне покриття утворюється, якщо при його нанесенні забезпечуються умови приварення напилюваних частинок.

Рис 31.3 Вплив перегріву срібних частинок і швидкості співударів на міцність їхнього зчеплення з срібною основою: 1 — частинки, нагріті вище за температуру плавлення ; 2 — частинки напилені при температурі, близькій до температури плавлення ; 3 — розплавлені частинки співударяються з основою при низькій швидкості ; Р — зусилля відриву; — межа міцності срібла при розтягненні