Особенности плазменного нагрева и напыления металлов при газоплазменной металлизации бетона. Часть 2

Федосов С. Акулова М. Особенности плазменного нагрева и напыления металлов при газоплазменной металлизации бетона. Часть 2 // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2002. №5. C.34-35

В данной работе рассматриваются физико-химические процессы, происходящие при попадании напыляемых частиц в зону плазмы, и условия образования покрытия на бетоне.

Кроме придания частицам напыляемого материала тепловой и кинетической энергии в зоне плазмы происходят и достаточно сложные физико-химические процессы. Вследствие развитой поверхности напыляемых частиц они интенсивно взаимодействуют с плазмой и окружающей средой.

Так при распылении аргоновой плазмой алюминия - металла, имеющего очень малую, практически нулевую растворимость кислорода, содержание его в покрытиях из алюминия равно 0,15...0,20%. Это на один-два порядка выше содержания кислорода в исходном материале. Аналогичное явление наблюдается с содержанием азота. В журнале "Физика и химия обработки материалов? (№ 3, 1975, с. 44-45) исследовано поглощение азота металлами (железо, сталь, ниобий, ванадий, хром, цирконий и др.) при плазменно-дуговом плавлении в аргоно-азотной атмосфере. Показано, что содержание азота в металле увеличивается. Предложен расчет плазменного режима для получения заранее заданного количества азота в металле. Результаты экспериментального исследования кинетики абсорбции азота из дуговой плазмы расплавами ванадия и его сплавов с цирконием показывают, что реакция растворения азота описывается кинетическими уравнениями первого порядка. Найдено, что коэффициент массопереноса зависит от парциального давления азота.

Частицы, распыленные в плазме, могут взаимодействовать с газами по разным механизмам. Это адсорбция газов, химическое взаимодействие и образование окисных пленок и других соединений на поверхности частиц, растворение газов в жидком металле, диффузионные процессы и механическое замешивание продуктов поверхностного взаимодействия в объеме частиц за счет конвективных потоков и механического возмущения жидкого металла плазмой.

Выделение растворенных в частицах газов при их охлаждении и кристаллизации создает в покрытии полости и понижает его плотность. Для снижения газонасыщенности покрытий необходимо применять исходные материалы с малым содержанием растворенных газов, а также понижать парциальное давление газов (Н2, N2, O2) при напылении.

При напылении имеют место два характерных взаимодействия: 1) между напыляемыми частицами и поверхностью подложки и 2) между напыляемыми частицами и уже нанесенным покрытием. В первом случае взаимодействуют материалы, различные не только по свойствам, но и по типу связи в кристаллической решетке.

Таким образом, контактные процессы при ударе, деформации, затвердевании и охлаждении частиц, а также процессы их физико-химического взаимодействия с плазмой и окружающей средой при движении к подложке определяют структуру и свойства покрытия. Так как удар, кристаллизация и остывание частиц рассматриваются независимо друг от друга, то образование покрытия рассматривается как контактное взаимодействие отдельных частиц.

Покрытие в целом можно представить как материал, состоящий из тонких пластин или цилиндров, соединенных между собой по контактной поверхности сварными участками или участками ?схватывания", которые образовались во время затвердевания частиц. Сварные участки не заполняют всю площадь контакта между частицами, поэтому прочность и плотность покрытий ниже прочности и плотности компактного материала.

При таком подходе к покрытиям, можно выделить ряд структурных элементов (рис.1), которые разделяются границами раздела. Граница раздела между покрытием и подложкой (1) определяет прочность сцепления между ними (адгезию покрытия). Граница раздела между слоями, полученными за один проход распыления (2), возникает из-за различной длительности выдержки между нанесением частиц в слое и между слоями. За это время поверхность успевает загрязниться, что затрудняет контактные процессы под частицами. Вторая причина появления этих границ - различие в термоциклах, которые зависят от теплопроводности покрытия, сильно изменяющейся по мере роста его толщины. В границы раздела между частицами в слое (3) входит площадь контактной поверхности в местах схватывания, на которых отдельные частицы приваривались к подложке или покрытию (когезия частиц в покрытии).




Анализ пространственно-временной структуры развития тепловых и динамических процессов, сопровождающих удар, растекание и кристаллизацию частиц, показывает, что даже при максимальной производительности напыления возможность взаимного термического влияния частиц очень невелика. Например, самый простейший расчет показывает, что для того, чтобы напыляемые частицы могли ложиться на расплавленные частицы, необходим рост толщины покрытия со скоростью 1,1103 кг/ч. Полученная производительность оборудования в лучшем случае равна 5... 10 кг/ч напыленного материала. Продолжительность единичного цикла напыления в детонационно-газовых установках составляет 0,2...1 сек, а время формирования единичного пятна напыления приблизительно 210-3 сек. Фактическая производительность плазменного и детонационно-газового напыления одного порядка. Строение слоя, сформированного за один проход, неоднородно и определяется температурой и скоростью частиц, находящихся в периферийной и центральной зонах двухфазного потока. Кроме того, возможно экранирующее действие периферийных частиц по отношению к частицам центральной зоны. Так различие в плотности центральных и периферийных участков при напылении Аl2О3 достигает 10...15%. Поэтому процесс образования конденсата на подложке можно условно разбить на три стадии:

1) возникновение трехмерных островков конденсации и их последующий рост;

2) срастание островков и образование сплошной пленки;

3) дальнейшее увеличение толщины пленки.

В результате динамического воздействия давления, возникающего при соударении частиц в бетоне, распространяются волны напряжений трех типов. Это волны сжатия-разрежения (продольные волны), волны сдвига (поперечные волны), распространяющиеся в глубину и вдоль поверхности подложки, и волны Рэлея, распространяющиеся лишь вдоль поверхности. Максимальные напряжения поперечных и продольных волн намного меньше минимальных напряжений рэлеевских волн. Рэлеевская волна локализована в тонком поверхностном слое бетона, возникающее при этом смещение атомов приводит к появлению энергии искажения в кристаллической решетке и способствует повышению энергетического уровня атомов на поверхности бетона. Даже после приваривания индивидуальной частицы к подложке вокруг нее расширяется кольцеобразная зона деформированного поверхностного слоя. Наличие на поверхности бетона различного рода дефектов и неровностей способствует рассеянию энергии рэлеевских волн в более узкой зоне, но атомы поверхностных слоев бетона достигают более высокого энергетического уровня.

Поэтому повышение технологической производительности напыления может быть достигнуто за счет увеличения частоты соударения частиц и за счет продолжительности единичного цикла напыления. В зависимости от производительности распыления, скорости перемещения распылителя, термических условий на подложке и других параметров режима напыления толщина слоя покрытия, нанесенного за один проход, может достигать 20...10 мкм.

Условия образования границ между слоями отличаются от условий образования границ между частицами прежде всего длительностью пребывания в атмосфере. В зависимости от конфигурации напыляемого изделия, траектории перемещения распылителя ?пауза? между моментами наложения слоев может достигать секунд и десятков секунд. Это время на несколько порядков больше времени паузы между взаимодействием частиц в слое, нанесенном за один проход.

Если прочность сцепления между частицами первых слоев покрытия больше прочности сцепления между первым слоем и подложкой, то покрытие будет разрушаться по границе с подложкой. В противоположном случае часть покрытия остается на подложке, а покрытие разрушается по границам между первыми слоями.

Для повышения прочности покрытий процесс следует вести таким образом, чтобы наносимые частицы ложились на еще расплавленные частицы предыдущего слоя. При длительном промежутке времени между напылением слоев на поверхности подложки или уже нанесенном покрытии происходит адсорбция газов, и откладываются пылевидные фракции распыляемого материала или его окислов[8].

Образование покрытия последовательной укладкой множества деформирующихся частиц неизбежно приводит к появлению микропустот, особенно на стыках частиц. В связи с тем, что покрытие формируется в атмосфере, микрополости заполняются газом. Вследствие большой шероховатости покрытия и чрезвычайно быстрого растекания и кристаллизации частиц при ударе в зоне контактов с поверхностью ранее нанесенных частиц остаются дефекты и полости. С уменьшением размера напыляемых частиц улучшается заполнение слоя покрытий - его плотность растет, объем микропустот уменьшается, структура покрытия делается более однородной. Однако слишком мелкие частицы становятся непригодными для плазменного напыления. Минимальный размер частиц может быть установлен из ряда соображений. Большие затруднения имеют место при попытках транспортировки и ввода в плазму частиц размером порядка 10...20 мкм и менее. Уже, будучи введенными в плазму, мелкие частицы могут в ней полностью испаряться.

Для нахождения минимального диаметра частиц авторы работы рассматривают схему обтекания препятствия потоком газа с однородно распределенными вдали от препятствия монодисперсными частицами




Линии тока газа на рисунке сплошные. Все они, за исключением одной ДА, обтекают препятствие, не встречаясь с поверхностью. Вследствие инерции траектории многих частиц (пунктирные линии) могут заканчиваться на поверхности. Чем больше масса частицы, тем меньше ее траектория отличается от прямой линии, параллельной направлению скорости потока вдали от препятствия.

На рис. 3 приведены расчетные значения минимальных диаметров частиц, которые могут быть нанесены аргоновой струей на перпендикулярную потоку пластину. При скоростях и размерах частиц, находящихся левее и ниже расчетных кривых 1, 2 частицы не встретятся с напыляемой поверхностью. Области правее и выше расчетных кривых определяют условия, при которых частицы достигнут подложки.




В результате быстрой кристаллизации частиц в покрытии можно получать метастабильные структуры - пересыщенные твердые растворы. Однако эта возможность наиболее четко реализуется при напылении сплавов, легированных элементами в количествах, превышающих предел растворимости их в основном металле в твердом состоянии и имеющих неограниченную растворимость в жидком состоянии.

Таким образом, свойства покрытия в целом будут зависеть от процессов, происходящих с частицами при взаимодействии с плазмой (в двухфазном потоке) и формировании покрытия на подложке. В свою очередь формирование покрытия зависит: от прочности контактов между частицами в покрытии; скорости кристаллизации и деформации частиц; изменения состава напыляемого материала при взаимодействии с окружающей средой во время напыления.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования РФ (Грант ТОО- 12.2-1604).