Теоретические основы детонационного напыления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Сущность метода

Отличительная особенность детонационного напыления - циклический характер подачи порошка на поверхность обрабатываемой детали со скоростью, превышающей скорость звука. Циклический процесс напыления получают с помощью детонационных установок, принципиальная схема которых представлена на рис. 1.

В общем виде детонационные установки состоят из блока 4 подачи напыляющего порошка, включающего порошковый питатель и дозирующее устройство; блока 2, служащего для образования требуемых газовых смесей и заполнения ими ствола детонационной установки с заданной скоростью; блока под-жига 3 и воспламенителя 2, предназначенных для инициирования взрыва рабочей смеси; ствола 5, представляющего собой трубу диаметром 20 - 50 мм, длиной 1 - 2,5 м и предназначенного для направленного распространения взрывной волны в сторону открытого конца ствола.

Рис. 1 Схема детонационных устройств

детонационный химический напыление контакт

Принцип действия установки состоит в следующем. Из блока 1 газовая смесь подается в ствол 5. Одновременно из порошкового питателя через дозирующее устройство (блок 4) заданными порциями вдувают газом - азотом или воздухом - мелкодисперсный порошок в газовую смесь непосредственно перед ее зажиганием, затем воспламенителем 2 поджигают газовую смесь. В результате воспламенения и перемещения по каналу горючей смеси происходит ее взрыв с выделением значительного количества теплоты и образованием детонационной волны, которая ускоряет и переносит через ствол на поверхность детали 6 напыляемые частицы 7 со скоростью, определяемой геометрией ствола и составом газа.

Процесс формирования покрытий детонационным напылением сложный и недостаточно изучен. Во многом он сходен с процессом плазменного напыления. Сходство заключается в том, что сцепление частиц с подложкой и между собой может происходить в расплавленном, оплавленном и твердом состояниях. Прочность сцепления обеспечивается главным образом за счет напыления расплавленными и оплавленными частицами, которые растекаются и кристаллизуются на поверхности подложки за счет химического взаимодействия. В то же время детонационный процесс напыления в отличие от непрерывного плазменного является цикличным, сообщающим частицам порошка более высокие скорости, что определяет особенности механизма формирования покрытий.

При детонационном напылении скорость частиц в отличие от плазменного напыления (100 - 200 м/с) достигает 400 - 1000м/с. Поэтому кроме термической активации существенное влияние на механизм и кинетику формирования напыленных слоев оказывает пластическая деформация в зоне соударения частиц и подложки. Однако основной вклад в формирование покрытий при напылении вносит термическая активация. Опыт применения различных способов напыления, в том числе детонационного, показывает, что для получения удовлетворительного сцепления частиц порошка с основой необходимо, чтобы их значительная часть транспортировалась на подложку в расплавленном или оплавленном состоянии. Экспериментальные исследования по процессу формирования покрытий детонационным напылением показывают, что состояние частиц, находящихся в двухфазном потоке, неоднородно. В начале и середине потока они находятся в расплавленном или оплавленном состоянии, и температура в контакте с подложкой достигает температуры их плавления. При этом за счет теплоты, выделяемой при ударе о подложку частиц, имеющих скорость ~ 400 м/с, температура в зоне контакта повышается примерно на 100°С.

При напылении порошковыми материалами с температурой плавления, превышающей температуру плавления основного металла, происходит подплавление последнего. Так, например, при нанесении покрытий из оксида алюминия АlО_з и порошковыми твердыми сплавами типа ВК на коррозионно-стойкие стали последние подплавляются и перемешиваются с напыляемыми расплавленными частицами порошка, повышая тем самым прочность сцепления. Повышению адгезии, как и при других способах газотермического напыления, способствует предварительная дробеструйная обработка напыляемой поверхности. В этом случае возможно получать прочные связи между напыляемым материалом и подложкой, имеющей твердость выше HRC 60. При напылении первого слоя возможно возникновение пор. При напылении второго слоя частицы порошка деформируют и уплотняют кристаллизующийся первый слой, что способствует устранению или уменьшению пористости. Это явление характерно для детонационного напыления, его называют эффект горячего ударного прессования.

Более крупные частицы из конца (хвоста) менее концентрированного потока обладают меньшей скоростью и наносятся на поверхность подложки чаще всего в нерасплавленном виде. При формировании покрытия такие частицы играют двоякую роль: полезную - удаляют дефектные участки ранее нанесенного покрытия, повышая его плотность и физико-механические свойства; вредную - при значительном повышении кинетической энергии крупных частиц в покрытии могут появиться трещины и даже полное его отслоение. Эти явления можно регулировать, изменяя режим скорострельности установки и грануляцию напыляемого порошка. С точки зрения применяемых материалов и оборудования процесс детонационного напыления весьма простой. Основными факторами, определяющими характер детонационного напыления, являются газовая смесь, порошки, ствол установки.

Однако использование этих факторов в технологическом процессе напыления связано с изменением и управлением ряда характерных для каждого из них параметров. Для газовой смеси это состав газовой смеси; доза газовой смеси за один выстрел; состав газовой смеси в стволе между выстрелами.

Для порошка - химический состав порошка; грануляция напыляемого порошка; расположение порошка в стволе в момент поджига смеси; распределение частиц по размерам. Ствол характеризуется геометрическими параметрами: диаметром и длиной.

В свою очередь, перечисленные параметры порождают другие параметры, характеризующие конечное состояние процесса: концентрация, температура и скорость частиц; химический состав среды; температура поверхности подложки.

Таким образом, технологический процесс детонационного напыления является сложным, и качество формирования покрытий зависит от совокупности многочисленных параметров, их поддержания в оптимальных пределах. Рекомендуемые режимы детонационного напыления для некоторых материалов представлены в табл. 1.

В серийном производстве поддержание оптимальных режимов многопараметрического процесса возможно при условии работы установки в автоматическом режиме.

Автоматическая детонационная установка, представленная на рис. 2, имеет систему электроуправления детонационным оборудованием, состоящую из нескольких блоков управления, обеспечивающих последовательность технологических операций и безопасность работы оператора.

При детонационном напылении можно получать покрытия из любых материалов, тугоплавких соединений, оксидов и др. Для получения износостойких покрытий с целью восстановления деталей применяют оксид алюминия АlО_з, самофлюсующиеся сплавы ПГ-СР, СНГН, ВСНГН (65% WC и 35% СНГН).

Таблица 1. Режимы нанесения детонационных покрытий из некоторых материалов

Материал	Отношение О2/С2Н2	Глубина загрузки порошка, мм	Дистанция напыления, мм	Навеска порошка, мг	Грануляция, мкм	Длина ствола, м	Диаметр ствола, мм
Al2O3 > 99%	2,5	750	150	50	20 - 40	2	20,
WC+8 - 20% Со (механическая смесь)	1,2	300	150	200	1 - 5	1.6	16
WC+8 - 20% Со (гомогенный сплав)	1,2	300	150	200	10 - 20	1,6	16
75% Сr2Сз+25% NiCr	1,2	300	100	200	40 - 50	2	20

Для повышения износостойкости используют карбиды вольфрама WC, титана TiC, хрома Сг₂Сз, борид хрома СгВ₂ с добавками 8 - 20% Ni или Со.

При детонационном напылении практически можно получить слои значительной толщины, но наибольшей прочностью сцепления обладают напыленные покрытия толщиной 0,2 - 0,4 мм (130 - 160 МПа). Поэтому наиболее рационально восстанавливать детали с небольшими износами. Скорострельность детонационного напыления составляет 1 - 5 выстрелов в секунду. Толщина покрытия в центре металлизационного пятна, наносимого за один выстрел, зависит от дозы порошка, подаваемого в ствол, и обычно составляет 8 - 20 мкм при площади покрытия 4 - 6 смІ, При напылении самофлюсующимися сплавами обычно применяют порошки с диаметром частиц 7 - 70 мкм. Шероховатость после нанесения детонационных покрытий составляет,, как правило, Rа = 3: 4 мкм.



Рис. 2. Схема автоматической детонационной установки:

1 - баллоны с газом; 2 - редукторы; 3 - вентили; 4 - стабилизаторы давления; 5 - ротаметры; 6 - электромагнитные клапаны; 7 - смесительное устройство; 8 - термопары; 9 - усилитель; 10 -патрубок для слива воды; 11 - ствол; 12 - реле давления; 13 - свеча для инициирования взрыва; 14 - дозатор; 15 - манометр; 16 - вентиль для подачи воды; 17 - датчик, фиксирующий взрыв и выдающий команду на выполнение следующего взрыва; 18 - покрытие; 19 - напыляемая деталь; 20 - электродвигатель с приспособлениями, перемещающими деталь; 21 - управляемое устройство для перемещения детали; 22 - шкаф для электрического управления; 23 - кнопка «Пуск» установки; 24 - кнопка «Стоп» установки.

Производительность детонационного напыления (10 - 60 смІ/мин) ниже плазменного (до 100 смІ/мин). Повышение производительности связывают с дальнейшим совершенствованием процесса детонационного напыления и его оборудования Применение диаметра ствола свыше 25 мм влечет за собой снижение качества формирования покрытий, а использование диаметра ствола свыше 50 мм не рекомендуется по соображениям техники безопасности.

За счет уменьшения длины ствола, а следовательно, сокращения времени его заполнения рабочей смесью можно повысить скорострельность. Однако сокращение времени заполнения ствола и уменьшение его длины (до 400 мм) возможно при использовании легкоплавких металлических порошков. Для получения качественных покрытий напылением более тугоплавкими сплавами требуется длина ствола ~ 2000 мм.

За счет применения многоствольных установок производительность можно повысить в несколько раз. В то же время из-за технических трудностей, связанных с управлением сразу несколькими стволами, эти установки пока что не нашли практического применения.

Детонационное напыление получает распространение в различных отраслях народного хозяйства как для упрочнения поверхностей новых деталей, так и для восстановления изношенных. Этому способствует выпуск установок для автоматического детонационного напыления: УНД-2, «Гамма», «Союз», УДГ-Н2-30, УДГ-Д2-4.

Детонационное напыление применяют для упрочнения различных видов инструмента, штампов, коленчатых валов и блоков цилиндров двигателей. Для восстановления изношенных деталей детонационное напыление пока применяют ограниченно, главным образом для нанесения покрытий на посадочные места под подшипники. Отдельные исследования по восстановлению коленчатых валов автотракторных двигателей пока не дали желаемых результатов. В то же время испытания ряда упрочненных и восстановленных деталей в условиях эксплуатации, а также опыт зарубежных фирм показывают, что более широкое внедрение детонационного напыления в производство позволит получить значительный технико-экономический эффект.

2. Технологические особенности детонационного напыления

Наиболее характерные явления теплопереноса и гидродинамики происходят при плазменном напылении, одном из самых эффективных и распространенных видов газотермического напыления.

Тепловые процессы

Тепловая мощность q двухфазной струи плазмы и частиц представляет количество теплоты, отданное струёй поверхности изделия в единицу времени. Эффективный КПД нагрева з_е при этом определяется отношением тепловой мощности к создавшей ее электрической мощности дуги N_э:

(1)

откуда

(2)

Наибольшие значения з_е некоторых плазменных процессов создаются при нагреве водорода в плазмотроне (до 80%), нагреве изделия плазменной дугой (до 75%), нагреве порошка в струе, либо дуге (до 20%), распылении проволоки плазменной дугой (до 10%). Наилучшее использование нагрева обеспечивает распыление проволоки в электродуговом металлизаторе, где величина эффективного КПД может достигать 90%.

Рис. 3. Схема распределения удельного теплового потока плазмы и частиц по радиусу пятна нагрева

Пятно нагрева при напылении соответствует площади поверхности, через которую тепло вводится в изделие. Диаметр пятна нагрева d_нг превышает диаметр пятна напыления d_нп, их соотношение зависит от сосредоточенности плазменной струи и фокусировки потока частиц (рис. 3).

Количество теплоты, вводимое через элементарную площадку поверхности изделия в единицу времени, является удельным тепловым потоком с двумерным распределением тепла q₂. Наибольшей величины он достигает в центре пятна, где больше количество частиц, интенсивнее струя плазмы.

Уменьшение нагрева изделия достигается методом отклонения струи плазмы поперечным потоком газа либо разделением потока плазмы и частиц в сопловой зоне плазмотрона.

Повышение нагрева изделия может обеспечить улучшения свойств покрытия благодаря оптимизации процессов физико-химического взаимодействия поверхности основы и напыляемых частиц. Если же нагрев будет создавать оплавление поверхности, то напыление переходит в наплавку.

Нагрев потока плазмы в пятне нагрева приводит к равномерному повышению температуры поверхности за счет процессов теплообмена. Поток напыляемых частиц нагревает поверхность вследствие большого числа термических воздействий ударяющихся частиц, растекающихся, затвердевающих и охлаждающихся. Нагрев в пятне напыления оценивается как суммарный результат кратковременного воздействия отдельных частиц и характеризуется средней температурой. Но мгновенная контактная температура при ударе частицы о поверхность значительно выше средней температуры и она определяет процессы их физико-химического взаимодействия, прочность сцепления и качество покрытия.

Если ось струи перпендикулярна поверхности напыления, то распределение величины удельного теплового потока q₂ по точкам площади пятна нагрева описывается законом нормального распределения случайных событий (кривой вероятностей Гаусса) и выражается уравнением (1.3):

 (3)

где q_2m - максимальная величина удельного теплового потока на оси струн;

k - коэффициент сосредоточенности удельного теплового потока;

r - радиальное расстояние рассматриваемой точки от оси потока (рис. 8).

Источник такого нормально распределенного теплового потока называется нормально-круговым. Чем больше коэффициент сосредоточенности k, тем быстрее убывает величина потока с удалением от оси и тем меньше условный диаметр пятна нагрева d_m.

Если принять за условную круговую границу пятна нагрева окружность с радиусом r_пг, на котором величина удельного теплового потока у, составляет 5% от его максимальной величины q_2m в центре пятна, то для этой пограничной зоны справедливо уравнение (4):

(4)

откуда:

(5)

после логарифмирования:

(6)

или:

(7)

Таким образом, условный диаметр пятна нагрева обратно пропорционален квадратному корню из коэффициента сосредоточенности потока k.

Для определения нагрева изделий при напылении покрытий необходимо знать тепловую мощность струи q и коэффициент ее сосредоточенности k, которые зависят от режима напыления, во многом, от дистанции напыления l.

При значениях l>100 мм условный диаметр пятна нагрева d_нг практически совпадает с диаметром пятна напыления d_пп, а при значениях l<100 мм величина d_нп становится больше, чем d_нг. С увеличением дистанции напыления доля тепла, вносимая в изделие двухфазным плазменным потоком, сильно снижается. Так, при увеличении дистанции Lот 50 до 200 мм КПД нагрева плазменной струёй уменьшается с 14% до 2%, а КПД нагрева потоком частиц снижается только с 8% до 5% (рис. 4). Поэтому, изменяя дистанцию напыления, можно в широких пределах регулировать величину подогрева поверхности.

Повышение мощности дуги плазмотрона увеличивает тепловую мощность струи q, ее удельный тепловой поток на оси q_2m соответствует зависимости (рис. 6):

(8)

В названных условиях параметры предельного, квазистационарного процесса распространения теплоты оказываются связанными следующей зависимостью:

(9)

где - T (y,ф) - температура любой точки А пластины, определяемая координатами x, y в подвижной системе координат XOY или радиус вектором

ф - время отчисляемое от момента прохождения центра нормально-кругового источника тепла через сечение пластины с изучаемой точкой А (время до указанного момента считается отрицательным);

ф₀ = ј б₂k - промежуток времени между моментами прохождения сечения сточкой А фиктивными сосредоточенными в начале координат линейным источником и прохождения центром нормально-кругового источника;

b = 2б₂/c₂г₂д - коэффициент температуроотдачи;

б₂ - коэффициент поверхностной температуроодачи;

r точки А от начала подвижных координат, т.е. от фиктивного источника;

н - скорость перемещения плазматрона над напыляемой поверхностью;

- безразмерный критерий постоянного времени ф₀;

ш₂(с₂, ф) - коэффициент теплонасыщения для плоского процесса распространения теплоты.



Рис. 6. Влияние мощности дуги плазмотрона на величину и распределение удельного теплового потока при напылении

Величина температуры нагрева основы T₀(ф) при напылении позволяет определить структурное состояние покрытий и их механические характеристики, рассчитать остаточные напряжения. Однако для выявлений условий прочного сцепления частиц c основой и друг с другом необходимо установить температуру в зоне контакта частиц T_к которая определяет процессы их физико-химического взаимодействия, приваривания и сцепления.

Рис. 7. Схема деформации и одновременного затвердевания (заштрихована твердая фаза) расплавленной частицы при ударе о плоскую поверхность

Температура контакта

При напылении расплавленные частицы ударяются о более холодную поверхность с последующим растеканием, одновременным деформированием и затвердеванием. В начальный момент удара сферическая частица, сплющиваясь под действием сил инерции, растекается по поверхности от места первичного контакта. Вместе с круговым поверхностным растеканием происходит теплоотдача от материала частицы в направлении, перпендикулярном поверхности основы, и в этом же направлении распространяется фронт затвердевания.

Оба этих процесса протекают в течение времени, необходимого для перемещения верхней точки С₁ расплавленной частицы, через положение С₂ к конечному положению С_з на поверхности затвердевшей частицы (рис. 7). Соответственно этому крайняя точка частицы C₁' перемещается по поверхности в положение C₂' и C₃', формируя круговой край затвердевшей частицы.

По мере растекания уже затвердевшая часть материала частицы получает давление со стороны еще не кристаллизовавшегося, жидкого объема, за счет чего прижимается к поверхности основы до момента полного, затвердевания. Поэтому затвердевшая частица при напылении под прямым углом на плоскую поверхность, из исходной сферической формы диаметром d приобретает форму диска диаметромD и толщиной h с отношением h d ? 0,05…0.1. В действительности форма частиц становится более сложной, т.к. они попадают в покрытие под различными углами, на шероховатую поверхность.

Процесс затвердевания и охлаждения частицы в реальном процессе напыления с достаточной точностью описывается без учета возможного перегрева частиц сверх температуры их плавления Т_пл. При этом можно произвести качественную и количественную оценки термических циклов Т_к(ф) в контактной зоне.

В момент ф₁ касания расплавленной частицей поверхности основы начинается распространение фронта затвердевания навстречу деформирующейся частице (рис. 8). По истечении времени ф₁ > ф₂ толщина затвердевшего слоя достигает координаты h(ф₂; 0) на расстоянии r от оси частицы и высоты h(ф₂; r) на расстоянии r от оси частицы с увеличением диаметра круговой границы затвердевшего слоя. Через некоторое время ф₃ > ф₂ толщина увеличивается до координаты h(ф₃; r) при возрастании диаметра затвердевания. Кристаллизация м растекание частицы заканчиваются за время ф₀ в момент встречи точки С растекающейся частицы с движущимся ей навстречу фронтом затвердевания на уровне координаты h(ф₀; 0), что определяет толщину h затвердевшей частицы и ее диаметр D.

В момент соприкосновения частицы с основой, имеющей температуру Т_о, в точке контакта возникает температура Т_к, подвижный фронт начавшейся кристаллизации несет температуру плавления материала частицы Т_пл. При увеличении расстояния от фронта кристаллизации температура и частицы, и основы резко снижаются, проходя через определенное значение Т_к. С течением времени ф₁ - ф₃ темп этого снижения замедляется (увеличивается угол между линией снижения и осью температур) так что вблизи точки контакта и частица, и основа успевают прогреться до более высоких температур.

Рис. 8. Кинетика затвердевания частицы и распределения температуры между частицей и основой

После затвердевания величины температуры контакта Т_к и температуры частицы быстро уменьшаются вследствие интенсивной теплоотдачи частицы в основу до полного их выравнивания с температурой основы Т_о.

Таким образом, термический цикл Т_к(ф) сферической частицы при ударе, деформации и затвердевании на поверхности включает два основных этапа (рис. 9):

1. затвердевание частицы в течении времени ф_о, когда величина Т_к остается постоянной благодаря тому, что над подвижным фронтом кристаллизации h(ф, r) находится жидкий расплав;

2. охлаждение затвердевшей частицы до температуры основы Т_о.

Подогревая изделие и увеличивая значение Т_о, можно повысить температуру контакта Т_к и интенсифицировать процесс приваривания частиц.

На первой стадии, при затвердевании частицы величина Т_к остается постоянной за счет воздействия теплофизических параметров по формуле:

(10)

где Т_к - температура контакта;

Т_пл - температура плавления материала частицы;

К_е - критерий тепловой активности материала частицы по отношению и основы: К_е = л₁ / л₂

б₁ б₂ - коэффициенты температуропроводности материала частицы и основы;

Ф(б) - функция интеграла вероятности: б = f(K_е; K_L);

б - корень уравнения:

(11)

K_L - критерий теплоты плавления L материала частицы:

(12)

С₁ - теплоемкость материала частицы.

Величине б устанавливается графически по имеющейся экспериментальной номограмме, в зависимости от точки пересечения кривых изменения значений K_е K₁.

Расчеты показывают, что величина T_к при напылении для сочетаний большинства материалов соответствует твердому состоянию частицы и основы. Длительность процесса кристаллизации составляет величину порядка ф_о = 10^-6 с, полное остывание - ф_ост ? 100ф₀.

Под частицей изделие интенсивно нагревается так, что градиент температуры достигает 10⁵ К/см. Повышение температуры Т₂. по глубине изделия вдоль оси X, направленной из точки контакта перпендикулярно поверхности в сторону частицы, для стадии затвердевания (0 ? ф ? ф₀; х < 0) оценивается выражением:

(13)

Температура частицы Т₁ (0 ? ф ? ф₀; х < 0) при этом определяется зависимостью:

(14)

После затвердевания частицы величина Т_к резко падает, и глубина зоны термического влияния под частицей (ф =ф_о) не превышает нескольких десятков микрометров.

В реальных условиях напыления на величину Т_к влияют перегрев расплавленных частиц и состояние поверхности основы.

Перегрев часто происходит при плазменном распылении проволоки - анода, а также при электродуговой металлизации. Из-за этого возрастает величина Т_к, однако характер кривой термического цикла при таком напылении остается соответствующим напылению не перегретыми частицами. Расчет температуры Т_к в этом случае усложняется, т. к. в него, кроме значения Т_пл, вводится температура частицы Т_ч, увеличивается объем вычисления корня а, построение номограммы становится невозможным и требуется применение ЭВМ.

Поверхность металлической основы всегда имеет оксидный слой, который может создавать тепловое сопротивление между частицей и основой, повышая температуру Т_к. При условии напыления сразу после очистки поверхности возникший тонкий оксидный слой не показывает практического влияния на величину Т_к.

Температура поверхности Т_о служила уровнем отсчета в уравнениях для вычисления температуры контакта Т_к, температуры основы Т₂. температуры частицы Т₁. Эти выражения характеризуют повышение температуры в контактной зоне под воздействием расплавленной затвердевающей частицы.

Распределение теплового потока и температуры по всей площади пятна напыления является очень неравномерным. Они достигают максимума на оси потока напыления и снижают до минимума к периферии пятна, согласно закону нормального распределения. Такая неравномерность температуры поверхности требует учитывать ее исходную температуру Т_о в приведенных уравнениях температур контактной зоны для определения действительных значений этих температур:

 (15)

(16)

(17)

В процессе напыления взаимодействие частиц с поверхностью основы и формирование покрытия происходят не только за счет возникновения температуры Т_к в зоне контакта, но также благодаря давлению Р, создающемуся при ударе частиц с высокой скоростью о поверхность.

Давление при ударе

Явления, возникающие в зоне удара, соответствуют положениям гидродинамики процессов удара жидких сферических тел в твердую мишень.

Под действием кинетической энергии, обусловленной скоростью удара н, частицы интенсивно деформируются, из-за чего в зоне соударения возникает давление Р. Его величина определяется двумя составляющими: напорным, или скоростным давлением Р_н и ударным, или импульсным давлением Р_у.

Деформация частицы в первый момент удара имеет упругий характер, с возникновением и распространением в материале частицы упругих волн сжатия. Затем в месте удара жидкая частица растекается и образует тонкий плоский слой, после чего происходит равномерная деформация частицы.

За счет движения в частице упругих волн сжатия в течение времени ф_у = 10^-10 - 10^-9 с создается ударное давление Р_у наибольшая величина которого определяется на основе известного уравнения Жуковского для гидравлического удара:

 (18)

где P_у - наибольшее давление удара, МПа;

г₁ = 5 г/смі - усредненная плотность напыляемого металла;

с = 4 · 10³ м/с - скорость звука в расплавлено металле;

н = 200 м/с - усредненное значение скорости частицы;

м = 0,5 - коэффициент жесткости жидкой частицы при ударе учитывающий её способность к релаксации.

После подстановки указанных значений в формулу получается:

Р_у = 5 · 4 · 10³ · 200 · 0,5 / 2 ? 1000 МПа (1.19)

Вследствие движения со скоростью v жидкой сферической частицы происходит ее деформация на участке удара, соответствующем диаметру частицы, где развивается в течение времени ф_н = 10^-7 - 10^-5 с напорное давление Р_н. Его величина рассчитывается по уравнению Бернулли:

Р_н = г₁ · н² = 5 · 200² = 200 МПа

Рис. 10. Изменение давления в зоне удара частицы серебра

Таким образом, за время ф_о = 10^-7 - 10^-5 с с момента удара происходит вначале скачок давления Р_у с последующим его снижением до величины Р_н(рис. 10).

Время ф_о требуется на равномерное уменьшение исходной высоты частицы H(0; 0) = d до значения H (ф_о; 0) = h, и при скорости частицы н составляет (рис. 8);

(20)

т.е. оно соответствует времени, необходимому для смыкания фронта кристаллизации со свободной поверхностью частицы.

По мере удаления от оси частицы длительность давления ф(r) несколько уменьшается из-за сферической формы частицы. Но если величина радиуса r не превышает значения d2 то указанное снижение длительности ф(r) почти не влияет на процессы физико-химического взаимодействия, определяющие прочность сцепления.

Высокое ударное давление Р_у способствует очистке поверхности от загрязняющих и оксидных слоев, обеспечивая улучшение физического контакта между частицей и основой. Напорное давление Р_н обусловливает последующее интенсивное протекание процессов приваривания частицы и прочное ее сцепление с основой.

Значение Р_у и Р_н как было показано, в большей степени определяются скоростью частиц н при ударе. При малых скоростях частицы слабо деформируются и почти не растекаются, что замедляет процессы приваривания и ослабляет прочность их сцепления с основой. Наименьшую скорость н_min, при которой еще происходит деформация расплавленной частицы в момент удара, можно определить с учетом сопротивления этой деформации со стороны силы поверхностного натяжения частицы. Для этого принимается условие, что вся кинетическая энергия частицы расходуется на увеличение ее поверхности с изменением формы от сферической до цилиндрической, и используется формула (21):

 (21)

Для металлических частиц с поверхностным натяжением у² и при известных средних значениях других параметров величина н_min, составляет 5…8 м/с.

Для напыления частицами оксидов с поверхностным натяжением у² величина н_min находится в пределах 9…15 м/с.

Скорость частиц в плазменной струе связана с их удалением от оси струи. Наибольшую скорость имеют частицы на оси струи, где она определяется электрической мощностью плазмы, размером частиц, их плотностью, расстоянием от сопла. По мере удаления от оси скорость частиц снижается аналогично величине теплового потока соответственно нормальному распределению Гаусса (рис. 11). Наиболее сильно - в 3 - 5 раз - падает скорость мелких частиц (кривая 1), с их укрупнением разность скоростей в пятне напыления уменьшается.

Рассмотренные тепловые и гидродинамические особенности процессов контактного взаимодействия напыляемых частиц с основой показывают, что главными факторами, определяющими прочность сцепления при образовании покрытия, являются:

- температура контакта Т_к частицы и основы в зоне контакта их жидкой и твердой фаз;

- продолжительность контакта ф_о;

- давление контакта Р, приложенное к фазам, взаимодействующим в контактной зоне.

Так как диаметр площади контакта близок к диаметру частицы и к диаметру химического взаимодействия, то значения Т_к и Р_н остаются постоянными в течение времени удара то, соответствующего времени кристаллизации. Поэтому считается, что химико-физическое взаимодействие материалов частицы и основы протекает в условиях, близких к изобарно-изотермическим, которые создаются самими процессами деформации и кристаллизации частиц.

Формирование покрытия при напылении происходит за счет наслоения частиц на поверхность основы и в дальнейшем друг на друга. Поэтому большое влияние на строение и качество покрытия оказывает не только взаимодействие частиц с основой, но и частиц между собой.

3. Физико-химические основы детонационного напыления

Рассмотрена взаимосвязь между скоростью и температурой напыляемых частиц и соотношением между их кинетической и тепловой энергией, позволяющая учитывать относительный вклад этих частиц в энергетику формирования газотермических покрытий.

Практика газотермнческого нанесения покрытий и специальные эксперименты показывают, что прочность сцепления получаемых покрытий определяется не только контактной температурой па границе раздела соударяющихся частиц с подложкой и временем их взаимодействия, но также и скоростью соударения частиц с подложкой. Однако полного понимания природы влияния и вклада скорости напыляемых частиц в образование прочного сцепления между частицей и подложкой нет.

Предложено для оценки влияния скорости частиц ввести в знаменатель показателя экспоненты известного уравнения, описывающего скорость топохимической реакции первого порядка, имеющей место при образовании сцепления между частицей и подложкой, значение кинетической энергии частицы mн₀²/2. При этом сопоставляют ее с тепловой энергией частиц, определяя последнюю как RT, где R - универсальная газовая постоянная, а Т - абсолютная температура частицы.

Полная энергия напыляемой частицы, включая тепловую и кинетическую, определяется выражением

(22)

где E_pt - тепловая энергия частицы, E_pk - кинетическая энергия частицы, m - масса частицы, c_р(Т_р) - функциональная зависимость удельной теплоемкости частицы от ее температуры Т_р, L - теплота плавления материала частицы, н_p - скорость частицы. При температуре частиц ниже точки плавления (T_р < T_m) L=0.

Из этого выражения легко получить зависимость между скоростью и температурой напыляемых частиц, при которой обеспечивается равенство между тепловой и кинетической энергией

(23)

При выводе этого выражения полагали что в качестве размерностей физических величии используются следующие единицы: m в г, с_р в кал/г·град, Т и°С, L в кал/г, н_p в м/с. Условно полагая с_р = const достаточно для оценочных расчетов, получим, что

 (24)

Рис. 13. Зависимость между скоростью и температурой напыляемых металлических частиц при условии E_pt = Е_pk

Рассчитанные по этому выражению зависимости между температурой и скоростью напыляемых частиц из различных металлов при условии Е_pt = E_pk представлены на рис. 13. Справедливыми, считаем, что чем выше удельная теплоемкость материала частиц, тем более высокие скорости соударения частиц с подложкой необходимы для обеспечения равного вклада тепловой и кинетической энергии в энергетику формирования покрытий. Кроме того вообще бессмысленно анализировать скорость частиц, при которой вклад кинетической энергии в образование прочного сцепления превышает тепловой, поскольку такое значение скорости зависит от температуры частиц. Для расплавленных частиц значения критической скорости, обеспечивающей соблюдение равенства E_pt=E_pk, зависят также от величины скрытой теплоты плавления их материала.

Из приведенных графиков видно, что они могут быть использованы для оценки относительного вклада скорости и температуры частиц в энергетику формирования покрытий. Материалы с низкой удельной теплоемкостью более чувствительны к влиянию скорости частиц па их энергетическое состояние. Для частиц никеля при температуре плавления в твердом состоянии критическая скорость составляет 1130, а в жидком- 1370 м/с, для частиц вольфрама - соответственно 950 и 1130 м/с. Для частиц бериллия эти значения составляют 2160 и 2615 м/с. Если же взять случай нагрева твердых частиц Ni и W до одинаковой температуры 1200° С, то критическое значение скорости составит соответственно 1030 и 560 м/с. Используя подобные графики и зная достигаемые в используемом технологическом процессе температуры и скорости частиц, можно оценить относительный вклад тепловой и кинетической энергии в формирование покрытия и па этой основе выбрать соответствующие методы расчетной оценки контактных процессов, ведущих к образованию соединения между материалами.

Зависимость между плотностью о и удельной теплоемкостью с_р а также значения сс_р и сс_рТ_m где Т_m - температура плавления (или разложения) материала для ряда металлов, тугоплавких карбидов и оксидов. Из анализа этой диаграммы следует, что для рассмотренных материалов наблюдается общая характерная закономерность с отдельными отклонениями, выражающаяся в уменьшении удельной теплоемкости с ростом плотности материала.По технологическим соображениям для напыления часто используют порошки разных материалов, но приблизительно с одинаковой дисперсностыо. Поэтому использование характеристик сс_р и рс_рТ_m является удобным поскольку они показывают содержание тепловой энергии в единице объема напыляемого материала, причем последняя из них - максимальное накопление тепловой энергии в единице объема материала в твердом состоянии. Для упрощения оценочных расчетов значения С_р принимались постоянными, не зависящими от температуры.



Рис. 14. Зависимость между плотностью и удельной теплоемкостью, а также энтальпией при температуре плавления для металлов, тугоплавких карбидов и окислов

Из анализа диаграммы для металлов (рис. 14, а) следует ряд важных выводов по выбору оптимальной технологии их газотермического порошкового напыления. Прежде всего это касается сопоставления максимальной интенсивности активирующего теплового воздействия твердых частиц одинакового диаметра на подложку. Чем выше значение сС_рТ_m тем выше эта интенсивность и более легко может быть обеспечено получение высокой прочности сцепления частиц с подложкой. Для металлов с низким значениемсc_рТ_m достижение высокой прочности сцепления легче осуществлять за счет увеличения скорости частиц. Например, можно сопоставить нанесение покрытий из Сг и Zn, имеющих приблизительно одинаковую плотность и теплоемкость, но в 4 раза различающиеся значения сС_рТ_m. Перегрев частиц не всегда может дать желаемый результат, он часто ограничен с целью избежания интенсивного испарения и активного химического взаимодействия напыляемого материала с рабочей газовой средой. В рассматриваемом случае для нанесения покрытий из Zn целесообразно использовать технологические режимы с более высокой скоростью частиц, в то время как для напыления Сг - с более высокой температурой нагрева частиц. Поскольку интенсивность ускорения частиц одинакового диаметра пропорциональна их плотности, а значения сС_р для Cr и Znсущественно не различаются, в газовых струях с одинаковыми параметрами динамика нагрева и ускорения частиц этих материалов будет примерно одинаковой. Это и предопределяет необходимость подбора оптимального соотношения между кинетической и тепловой энергией, используемой для напыления газовой струи. Аналогичные выводы могут быть сделаны для сопоставления режимов напыления Be и Al, Мо и Ag. Интересно отметить, что широко используемые в различных сплавах для газотермического напыления Fe, Ni и Со имеют приблизительно одинаковые теплофизические характеристики, влияющие на способность их к термомеханической активации подложки. Несущественно отличаются эти значения и для Сг.

Если сопоставлять металлы с одинаковой удельной теплоемкостью, но с различной плотностью (Ag, Та, W, Os) то следует отметить, что для этого ряда с ростом плотности могут использоваться газовые струи с более высокой рабочей температурой, а для напыления Ag высокотемпературные газовые струн вообще неприемлемы, т.е. эти покрытия могут быть получены высокоскоростными газовыми струями с очень умеренной температурой газовой среды. Тем более что частицы Ag легко увлекаются газовым потоком.

Металлы с высокой удельной теплоемкостью, расположенные в левой части диаграммы, для равного вклада тепловой и кинетической энергии частиц в механизм формирования покрытия требуют разгона до более высоких скоростей. Однако это облегчается ввиду их малой плотности, но ограничено реально достижимыми скоростями газовых потоков, используемых при газотермическом нанесении покрытий. Для тугоплавких карбидов (рис. 14, 6) характерны высокие значения сc_р и сc_рТ_m, поэтому нанесение покрытий может вестись в более широком диапазоне значений скорости и температуры частиц. Для карбидов, расположенных в правой части диаграммы, вклад скорости частиц в активацию подложки более ощутим, но разгон их до высоких скоростей затруднен высокой плотностью. В этом случае целесообразнее использован, рабочую газовую среду с более высокой скоростью и плотностью.

Подобная диаграмма для окислов приведена на рис. 14, в. Для них характерен сравнительно узкий диапазон плотностей, а также аналогичная закономерность уменьшения удельной теплоемкости с ростом плотности. Сравнительно небольшие различия в плотности окислов обусловливают их более высокую чувствительность к соотношению между скоростью и температурой частиц. Требования к подбору оптимальных режимов напыления те же, что и для нанесения покрытий из металлов и карбидов.

Вполне естественно, что для отдельных видов материалов оценку соотношения вкладов скорости и температуры частиц в кинетику формирования покрытия потребуется проводить с учетом температурной зависимости удельной теплоемкости частиц.

Условно полагая вклад тепловой и кинетической энергии частиц в Нормирование покрытий равноценным, определим необходимую скорость разгона частиц при заданной температуре нагрева подложки Т_s, и частиц Т_р^'. Необходимым условием для образования прочного сцепления частицы c подложкой является достижение в контакте частица - подложка требуемого значения контактной температуры Т_k. Для случая напыления твердыми частицами температура в контакте определяется но формуле И. Вейника. Путем ее преобразования легко получить выражение для оценки требуемой температуры нагрева частиц;

 (25)

где B_s и B_р - коэффициенты аккумуляции тепла материала подложки и частицы соответственно (c_p = const:

(26)

Откуда с учетом предыдущего уравнения и размерностей, получим:

(27)

Полученное выражение позволяет оценивать значение требуемой скорости соударения с подложкой напыляемых частиц материала при известной температуре их нагрева. Для избежания получения завышенных значений скорости частиц следует учитывать уменьшение энергии активации поверхности подложки за счет высокого импульсного давления в момент соударения при определении контактной температуры Т_k.

Размещено на Allbest.ru

...