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 η_е при этом определяется отношением тепловой мощности к создавшей ее электрической мощности дуги N _э:

             (1.1)

откуда

          (1.2)

Наибольшие значения η_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%.

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):

             (1.3)

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 (1.4):

    (1.4)

откуда:

       (1.5)

после логарифмирования:

         (1.6)

или:

            (1.7)

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.

Например, при использовании плазменного распыления проволочного анода установленные зависимости значений КПД нагрева η и коэффициента сосредоточенности k от дистанции напыления l имеют вид (рис. 4, 5):

	Рис. 4. Зависимость КПД нагрева от дистанции напыления: η – КПД нагрева двухфазным потоком, ηп – КПД нагрева плазменной струей, ηm – КПД нагрева потоком частиц металла		Рис. 5. Зависимость коэффициента сосредоточенности теплового потока от дистанции напыления

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 L от 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):

          (1.8)

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

(1.9)

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

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

    τ₀ = ¼ α₂k – промежуток времени между моментами прохождения сечения сточкой А фиктивными сосредоточенными в начале координат линейным источником и прохождения центром нормально-кругового источника;

b = 2α₂/c₂γ₂δ – коэффициент температуроотдачи;

α₂ – коэффициент поверхностной температуроодачи;

– безразмерный критерий расстояния r точки А от начала подвижных координат, т.е. от фиктивного источника;

ν – скорость перемещения плазматрона над напыляемой поверхностью;

 – безразмерный критерий постоянного времени τ₀;

ψ₂(ρ₂, τ) – коэффициент теплонасыщения для плоского процесса распространения теплоты.

Величина температуры нагрева основы T₀(τ) 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.

 

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_зна 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 диаметром D 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(τ) в контактной зоне.

В момент τ₁ касания расплавленной частицей поверхности основы начинается распространение фронта затвердевания навстречу деформирующейся частице (рис. 8). По истечении времени τ₁ > τ₂ толщина затвердевшего слоя достигает координаты h(τ₂; 0) на расстоянии r от оси частицы и высоты h(τ₂; r) на расстоянии r от оси частицы с увеличением диаметра круговой границы затвердевшего слоя. Через некоторое время τ₃ > τ₂ толщина увеличивается до координаты h(τ₃; r) при возрастании диаметра затвердевания. Кристаллизация м растекание частицы заканчиваются за время τ₀ в момент встречи точки С растекающейся частицы с движущимся ей навстречу фронтом затвердевания на уровне координаты h(τ₀; 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 τ₁ - τ₃ 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(τ) сферической частицы при ударе, деформации и затвердевании на поверхности включает два основных этапа (рис. 9):

1. затвердевание частицы в течении времени τ_о, когда величина Т_к остается постоянной благодаря тому, что над подвижным фронтом кристаллизации h(τ, 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:

          (1.10)

где Т_к – температура контакта;

    Т_пл – температура плавления материала частицы;

    К_ε – критерий тепловой активности материала частицы по отношению и основы: К_ε = λ₁ / λ₂ ;

    α₁ α₂ – коэффициенты температуропроводности материала частицы и основы;

    Ф(α) – функция интеграла вероятности: α = f(K_ε; K_L);

    α – корень уравнения:

             (1.11)

    K_L – критерий теплоты плавления L материала частицы:

       (1.12)

    С₁ – теплоемкость материала частицы.

Величине α устанавливается графически по имеющейся экспериментальной номограмме, в зависимости от точки пересечения кривых изменения значений K_ε 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 τ_о = 10^-6 с, полное остывание - τ_ост ≈ 100τ₀.

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 ≤ τ ≤ τ₀; х < 0) оценивается выражением:

     (1.13)

Температура частицы Т₁ (0 ≤ τ ≤ τ₀; х < 0) при этом определяется зависимостью:

           (1.14)

После затвердевания частицы величина Т_к резко падает, и глубина зоны термического влияния под частицей (τ =τ_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:

,       (1.15)

,     (1.16)

          (1.17)

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 ν, 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 τ_у = 10^-10 – 10^-9 с создается ударное давление Р_у наибольшая величина которого определяется на основе известного уравнения Жуковского для гидравлического удара:

,      (1.18)

где P_у – наибольшее давление удара, МПа;

    γ₁ = 5 г/см³ – усредненная плотность напыляемого металла;

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

    ν = 200 м/с – усредненное значение скорости частицы;

    μ = 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 τ_н = 10^-7 – 10^-5 с напорное давление Р_н. Его величина рассчитывается по уравнению Бернулли:

Р_н = γ₁ · ν² = 5 · 200² = 200 МПа

Таким образом, за время τ_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 τ_о требуется на равномерное уменьшение исходной высоты частицы H (0; 0) = d до значения H (τ_о; 0) = h, и при скорости частицы ν составляет (рис. 8);

         (1.20)

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

По мере удаления от оси частицы длительность давления τ(r) несколько уменьшается из-за сферической формы частицы. Но если величина радиуса r не превышает значения d2 то указанное снижение длительности τ(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_нобусловливает 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 ν 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 ν_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 (1.21):

     (1.21)

Для металлических частиц с поверхностным натяжением σ 1 Дж/м² и при известных средних значениях других параметров величина ν_min, составляет 5...8 м/с.

Для напыления частицами оксидов с поверхностным натяжением σ 0,7 Дж/м² величина ν_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.

Такое распределение скорости показывает, что для получения необходимой прочности сцепления на всей площади пятна напыления, с учетом приведенных минимальных значений скорости на периферии пятна, требуется обеспечить величину скорости удара частиц в центре пятна не менее 15 – 30 м/с. Одновременно следует иметь в виду, что с увеличением расстояния от сопла в струе плазмы частицы разгоняются, достигая наибольшей скорости на расстоянии 40 – 60 мм, после чего происходит их замедление (рис. 12). При этом укрупнение частиц приводит к уменьшению темпа их разгона и замедления, к снижению значения наибольшей скорости. Это указывает на то, что для обеспечения требуемой скорости удара частиц, необходимо разогнать их в плазменной струе до скорости не менее 25 – 40 м/с.

 

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 τ_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.