отверстие в приспособлении подключены нагреватель 5 и термопара 6 ХА. Штуцер приспособления служит для подачи защитного газа, при стабилизации плазменной струи плазмотроном 1 образцы закрываются экраном 10. Напыление осуществляется через отверстия маски 2 в указанном режиме. На рис. 116 представлены в общем виде поверхности основы перед напылением и микроучастка покрытия высотой 20–50 мкм, диаметром 100–400 мкм.
Рис. 115. Схема напыления частиц никеля в условиях предварительного подогрева порошковой железной основы на воздухе (а)
и в защитной среде аргона (б)
аб
Рис. 116. Общий вид поверхности основы перед напылением (а) и микроучасток покрытия (б). П = 11,1 %. ×75
321
Для исследования прочности сцепления частиц с основой образец крепился в держателе установки (рис. 117), с помощью микроножа производился срез микроучастка покрытия. Систематическая ошибка определения усилия отрыва
а б в
Рис. 117. Схема установки для срезания микроучастков покрытия: а–в – схема движения микроножа; 1 – противовес, 2 – стопорный винт, 3 – держатель, 4 – микровинтовой стол, 5 – основание прибора, 6 – микроскоп, 7, 8 – оси, 9 – рычаг, 10 – чашка с грузом, 11 – основа, 12 – покрытие, 13 – микронож
322
не превышала 0,02 Н, прочность сцепления определяли по формуле:
где P – масса бронзового порошка в чаше 10; коэффициент 1,94 – поправка на рычаг; Sx – суммарная площадь участков
физико-химического взаимодействия (схватывания) частиц с основой.
Общий вид поверхности напыления и зоны схватывания частицы с подложкой представлен на рис. 118, б. Следует отметить, что с ростом величины средней пористости увеличивается поверхностная пористость, причем преимущественно приобретенного типа. Зависимости прочности сцепления от пористости носят специфический экспериментальный характер (рис. 119). Необходимо указать на стремление величины σx к нулю при П → 0 в условиях минимального по-
догрева. Этот результат соответствует данным [21] и объясняется недостаточной активацией поверхности компактной основы в условиях эксперимента. С увеличением пористости повышаются значения σx , что объясняется уменьшением теплопроводности материала основы с ростом его пористости
аб
Рис. 118. Взаимодействие частицы с подложкой: а – распределение очагов схватывания в окрестности межчастичной поры (×375, ×3); б – вырыв материала подложки в очаге схватывания (×13 000, угольная реплика)
323
в
Рис. 119. Зависимость прочности сцепления частиц никеля от пористости материала на железной основе (напыление на воздухе).
Температура подогрева основы, К; а – 348, б –377, в – 450
и, следовательно, увеличением температуры контакта. При дальнейшем росте пористости прочность сцепления ослабевает, что вызвано превалирующим отрицательным влиянием микрогеометрического фактора на тепловые процессы, т.е. снижением времени кристаллизации частицы на развитой поверхности порошковой основы. Максимум прочности сцепления с повышением температуры предварительного нагрева основы уменьшается и сдвигается в сторону меньшей пористости (рис. 120, а). Это обусловлено интенсификацией процессов пассивации (окисления), так как известно, что при одинаковой температуре склонность порошкового железа к окислению выше, чем литого. Для подтверждения установленной закономерности исследованы аналогичные зависимости при напылении в защитной атмосфере аргона. Установ-
324
ELIB.PSTU.RU
лено, что в этом случае прочность сцепления стабилизируется на уровне 180 МПа вплоть до температуры подогрева основы 465 К, что в 6 раз превосходит прочность сцепления при напылении на воздухе (рис. 120, б).
аб
Рис. 120. Зависимость прочности сцепления частиц никеля от температуры подогрева основы. П = 10…11 %. Напыление:
а – на воздухе, б – в атмосфере аргона
Таким образом, можно констатировать, что развитые теоретические представления имеют качественное совпадение с экспериментом при напылении в защитной атмосфере
сподогревом или в атмосфере воздуха без подогрева. Необходимо подчеркнуть, что положение максимума на кривой прочности сцепления (см. рис. 119, а) хорошо согласуется
спредсказанным теорией. В то же время развитые теоретические представления не учитывают механизма пассивации поверхности, что требует дальнейшей разработки теоретических моделей. В связи с этим ниже рассмотрены вопросы совместного влияния пористости, предварительного подогрева и окисления основы при напылении на кинетику протекания адгезионного взаимодействия материалов [48].
При напылении покрытия происходит спонтанный подогрев поверхности основы плазменной струей. Для моделирования на ЭВМ данного процесса использовали одномерное
325
уравнение теплопроводности с граничными условиями третьего рода. При этом учитывали кристаллизацию частиц на подложке, влияние температуры и пористости на теплофизические свойства материалов.
Процесс роста оксидной пленки описывается уравне-
нием [49]:
h = 6,03 10−4 t exp(−Ea / RT ), |
(213) |
где h – толщина оксидной пленки; t – время окисления при температуре T; R – газовая постоянная; Ea – энергия активации процесса окисления железа, Ea = 1,7·105 Дж/моль.
Учитывая, что температура подложки со временем меняется, а скорость роста оксидной пленки зависит от уже достигнутой толщины, для каждого временного шага определяли время τ достижения ранее вычисленной толщины при
температуре T в этом временном слое: |
|
|
|
|
|
|
|
τ = h 6,03 10 |
4 |
exp(−Ea |
RT ) . |
(214) |
|
Таким образом, толщина оксидной пленки для этого шага по времени ∆t определялась по формуле:
|
|
−4 |
|
|
|
h = 6,03 10 |
(τ+ ∆t )exp(−Ea / RT ) . |
(215) |
|
|
Процесс приваривания капли прекращался при достижении толщиной оксидной пленки порогового значения hm ,
которое определялось из эксперимента.
При напылении последующие частицы покрытия неполностью перекрывают предыдущие, при этом i-я частица при-
варивается по Si – площади |
непосредственного |
контакта |
с подложкой: |
|
|
Si = (1−Sk |
S0 )i Sk , |
(216) |
326 |
|
где Si – площадь взаимодействия i-й упавшей капли, имеющей площадь S0 – площади пятна напыления. Формула (216)
получена для участка пятна напыления, на котором наблюдается равномерное распределение по площади падающих частиц.
Кинетика твердофазного взаимодействия позволяет оценить относительную прочность приваривания в виде σ
σm ≈ ≈ N
N0 , откуда с учетом формулы (216) следует выражение для расчета результирующей прочности сцепления:
|
|
|
1 |
N |
|
|
σ |
= |
∑ NSi . |
(217) |
|
|
|
|
|
N0S0 i=1 |
|
На рис. 121 представлены данные расчета и эксперимента по зависимости прочности сцепления частиц никеля с железной основой при напылении в защитной атмосфере аргона (рис. 121, а) и среде воздуха (б). При этом подогрев подложки в расчетном диапазоне времени и температуры соответствовал плотности мощности теплового потока q = 107 Вт/м2,
что эквивалентно передаваемой в подложку теплоте при напылении плазмотроном РП-6 мощностью 20 кВт с дистанции
100 мм.
Интенсивный подогрев подложки при напылении приводит к тому, что она успевает прогреться от 300 до 650 К, прежде чем толщина оксидной пленки достигает значения hm. Таким образом, покрытие формируют частицы с проч-
ностью сцепления σ
σm от 0,18 (300 К) до 0,95 (650 К), что
влияет на величину средней прочности сцепления (217). Понижение последней с возрастанием температуры предварительного подогрева подложки (рис. 121, б) объясняется тем, что все меньшее число частиц успевает привариться, прежде чем подложка окислится.
327
Рис. 121. Зависимость относительной прочности сцепления частиц никеля с порошковой железной подложкой от температуры предварительного подогрева основы. П = 10 %. Напыление: а – в атмосфере аргона, б – на воздухе; 1, 2 – теоретический расчет;
hp , м: 1 – 10–5, 2 – 1,5 · 10–5, точки – экспериментальные данные,
σВ = 220 МПа, hp = 10…15 мкм
Увеличение пористости приводит к снижению теплопроводности материала основы [27]. При этом подогрев подложки интенсивнее и прочность сцепления больше. Повышение пористости вызывает уменьшение времени кристаллизации частицы; в соответствии с (203) меньше прочность сцепления. Учет этих факторов для выбранных пар материалов позволяет немного снизить прочность сцепления с увеличением пористости (рис. 122).
Влияние подогрева подложки плазменной струей на прочность сцепления покрытия дополнительно изучено
врамках предлагаемой модели при пористости подложки
П= 0 в процессе напыления никеля на железо. С увеличени-
ем плотности теплового потока подложка успевает прогреться до более высоких температур прежде, чем на ней появится оксидный слой толщиной hm (рис. 123). В то же время для каждого теплового потока существует оптимальная частота
328
ELIB.PSTU.RU
Рис. 122. Зависимость относительной прочности сцепления частиц никеля с порошковой железной подложкой от пористости основы:
T02 = 450 К; эксперимент – напыление на воздухе при температуре подогрева основы 442….457 К
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 123. Зависимость темпера- |
Рис. 124. Зависимость относи- |
туры поверхности подложки |
тельной прочности сцепления |
в конце процесса напыления пер- |
покрытия от частоты v падения |
вого слоя покрытия от плотно- |
частиц при подогреве подложки |
|
сти q теплового потока |
тепловым потоком, q = 107 Вт/м2 |
падения капель покрытия, а именно, при малой частоте успевает упасть мало капель до того, как окислится поверхность, при большой частоте капли первый слой покрытия образуется раньше, чем подогревается подложка (рис. 124). Это явление приводит к экстремальной зависимости прочности сцепления покрытия от частоты падения капель. На рис. 125 (кривая 1) представлена зависимость оптимальной частоты
329
ELIB.PSTU.RU
|
|
падения капель от плотности |
|
|
теплового потока, при кото- |
|
|
|
|
рой достигается экстремаль- |
|
|
|
|
ная прочность сцепления по- |
|
|
|
|
крытий (рис. 125, кривая 2). |
|
|
Таким образом, разрабо- |
|
|
|
|
танная модель физико-хими- |
|
|
|
|
ческого |
взаимодействия на- |
|
|
Рис. 125. Зависимость опти- |
пыляемых материалов с по- |
мальной частоты v падения |
рошковой основой позволяет |
частиц покрытия (2) и дости- |
прогнозировать влияние по- |
гаемой прочности сцепления (1) |
догрева |
плазменной струей, |
от плотности теплового потока |
расхода |
порошка, окисления |
|
|
поверхности основы и ее по- |
|
|
ристости на прочность сцепления покрытия. Пористость, предварительный подогрев подложки и производительность процесса, связанная с частотой падения капель, альтернативно влияют на прочность сцепления.
Необходимо отметить, что, хотя эта модель совершеннее, чем предложенная в [50], она недостаточно адекватна экспериментальным данным и требует дальнейшего совершенствования.
8.2. Трансформация структуры переходной зоны
Анализ проблемы контактного взаимодействия напыляемых частиц с порошковой основой свидетельствует о большом влиянии повышенной термодинамической неравновесности основы (обусловленной прежде всего избыточной поверхностной энергией) на протекание адгезионных процессов. Роль диффузионных процессов в формировании прочной связи в контакте менее значима. Однако, ввиду особенностей структуры порошковых материалов, существуют предпосылки для протекания превращений, контролируемых
330
