Формирование покрытий

«Инженерия поверхности - технологии будущего»

Формирование покрытий
Задать вопрос
Наши специалисты ответят на любой интересующий вопрос по услуге
Структура напыленных покрытий состоит из слоистых элементов, сформированных при высокоскоростном ударе о холодную поверхность и последующем затвердевании частиц (рис. 1). Расплавленные или разогретые до пластического состояния частицы расплескиваются по поверхности, зацепляясь предварительно по ее неровностям и затем контактируя между собой. На дистанции напыления происходит окисление частиц, и образующаяся оксидная пленка попадает в покрытие. Она оказывает сильное влияние на свойства покрытия: может препятствовать диффузии частиц, влиять на прочность сцепления, твердость покрытия. Вследствие малого размера или низкой скорости отдельные частицы успевают остыть к моменту удара о подложку ниже точки плавления, а их кинетической энергии недостаточно для деформирования. Это приводит к тому, что они остаются в покрытии в глобулярной форме. В интервале между нанесением отдельных слоев на поверхности последнего слоя происходит адсорбция газов и отложение пылевидных фракций распыляемого материала или его оксидов. Кроме того, из-за высокой скорости растекания и кристаллизации частиц при ударе в зоне контакта с поверхностью ранее нанесенных частиц остаются полости и дефекты. Это приводит к появлению микропустот на стыках частиц, а поскольку покрытие формируется в атмосфере, микропустоты наполняются газом. Часть перегретых выше точки плавления частиц может испаряться и осаждаться в паровой фазе.

ГТН-покрытия формируются из отдельных частиц, в случае ДМ диаметром 10…300 мкм, находящихся в расплавленном состоянии, которые разгоняются и последовательно осаждаются на относительно холодную подложку. Обoее время жизни частицы составляет (1…10)х10-4 с, в течение которого происходит образование и срыв капли с торца электрода, ее полет со скоростью в интервале 40…500 м/с и осаждение при ударе о подложку. За этот период капля последовательно нагревается от комнатной до температуры выше точки плавления на 100…300 С, а затем быстро охлаждается при ударе о подложку, обычно нагретую ниже 150 градС. Таким образом, скорость нагрева/охлаждения капли составляет (104…105) град/с. В случае металлов возможность роста первично сформированных зерен подавлена. Размер зерен металла в покрытии может составлять менее 1 мкм (рис. 2).
Статья1_рис1.png
Рис. 1 Схема формирования ГТН-покрытия [1]
Статья1_рис2.png

Рис. 2 Структура ДМ-покрытия из стали 20Х13, х 625 [2]

В сравнении с ГТН-покрытиями, катаные, литые и кованые материалы остаются при повышенных температурах более длительный период времени. Например, литым стальным заготовкам во многих случаях требуется более 1 часа для отвердевания. Соответственно скорость их охлаждения ниже на несколько порядков. При ковке требуется значительный вклад времени и тепловой энергии для достижения необходимой температуры процесса, более 1000 градС. В результате более длительных выдержки при высоких температурах и времени затвердевания относительно ГТН-покрытий размер зерен больше на несколько порядков, до 1 мм.

Закономерности образования покрытий показаны В. В. Кудиновым [3]. Им обоснован ряд важных положений, на которых базируется дальнейшее изучение свойств покрытий.

Проведенный В. В. Кудиновым расчет показывает, что охлаждение расплавленной частицы при попадании на поверхность осуществляется быстрее на 2…3 порядка подлета следующей частицы даже при максимальной производительности напыления. Это положение подтверждается кадрами скоростной киносъемки с частотой выше 103 кадр/с, на которых видно, как пропадает светимость частиц на подложке – они остывают –еще до наложения на них частиц следующего слоя.

Взаимная независимость кристаллизации частиц на подложке существенно облегчает анализ причин образования покрытия, практически сводя их к исследованию контактного взаимодействия отдельных частиц.

Формирование выплесков зависит от параметров капель: скорости, размеров, степени расплавления, химического состава и угла атаки к поверхности. Кроме того, оказывает влияние форма поверхности, ее температура и реакционная способность.

При ударе о поверхность образца сферические частицы диаметром d сильно деформируются, затвердевают и приобретают форму тонкого диска размером D х h (рис. 3). Высокая скорость деформации и растекания расплавленных частиц приводят в физический контакт материал частицы и подложки на границе взаимодействия. Давление Р в зоне контакта имеет две составляющие: Рн – напорное давление, и Ри–ударное давление, возникающее вследствие гидравлического удара (или импульсное, вследствие кратковременности действия). Кадры скоростной киносъемки удара жидких частиц о поверхность показывают, что жидкость упруго деформируется в первый период соударения, tи = 10-10…10-9 с. В месте удара образуется тонкий плоский слой, жидкости растекающейся частицы. Далее частица деформируется равномерно.

Статья1_рис3.png

Рис. 3 Схема деформирования частицы, движущейся со скоростью v, при ударе о плоскую поверхность подложки. Состояния частицы: а – начальное, б – конечное.

Возникновение плоского слоя связывается с упругим сжатием частицы в месте удара и с давлением Ри , которое во время импульсного удара заставляет интенсивно растекаться жидкость по поверхности. Максимальная величина ударного давления определяется по известному уравнению гидравлического удара Жуковского, в котором для учета сферической формы частицы и оценки ее жесткости введен фактор µ/2:

Статья1_формула1.png

Величина импульсного давления составляет Ри = 500…1250 МПа при использовании данных В. В. Кудинова:

Такая большая величина способствует очистке поверхности подложки в месте удара и приводит материал частицы и подложки в физический контакт за время ~ 10-9 с.

Напорное давление Рн для равномерно движущегося потока жидкости рассчитывается по уравнению Бернулли. Исходя из кинетики деформации жидкой частицы, можно полагать, что Рн приложено на участке поверхности подложки, близком по размеру к диаметру частицы до удара. Если считать подложку абсолютно жестким телом, а частицу – идеальной жидкостью, то получим простейший случай удара:

Статья1_формула3.png

При скорости частиц 100…150 м/с и длительности действия 10-7…10-5 с напорное давление составляет 50..100 МПа. Под его воздействием происходит прочное соединение частицы с подложкой.

Для рассмотрения элементарных процессов физико-химического взаимодействия, определяющих прочность сцепления частиц, необходимо определить контактную температуру между расплавленной, деформирующейся при контакте частицей и твердой подложкой. Задача решалась В. В. Кудиновым применительно к плазменному напылению, как задача контактной теплопроводности, с учетом фазового перехода [3] для следующих условий:

1)Подложка представляет собой полубесконечное тело с постоянной начальной температурой Т0 и имеет отличную от нуля теплопроводность в направлении, перпендикулярном плоскости подложки. В этом направлении теплопроводность равна теплопроводности материала подложки.

2)Частица расплавлена и ее начальная температура равна температуре плавления Тm , а ее теплопроводность не равна нулю только в направлении, перпендикулярном плоскости контакта (или поверхности подложки). В этом направлении теплопроводность равна теплопроводности твердого материала частицы. Твердая фаза частицы неподвижна относительно плоскости контакта и над ней во все время затвердевания существует прослойка жидкости.

3) Контакт частицы с подложкой идеален, а их свободные поверхности теплоизолированы.

Для дуговой металлизации условия аналогичны, и приведенное ниже решение может быть распространено на этот процесс.

Термический цикл Tk (t) сферической частицы, деформирующейся вследствие кинетической энергии удара и затвердевающей на подложке, можно представить следующей моделью (рис. 4).

Статья1_рис4.png


Рис.4 Распределение температуры в различные моменты времени tI < tII < tIII в системе "твердая подложка с температурой Т0 – жидкая подложка при температуре плавления Тm – быстро деформирующаяся и одновременно затвердевающая частица". h(t, r) – высота подвижного фронта кристаллизации на расстоянии r от оси частицы в различные моменты времени; H(t, r) – высота свободной поверхности частицы.

Он состоит из двух этапов: 1) затвердевание частицы, в течение которого t0 контактная температура Tk остается постоянной, а над подвижным фронтом кристаллизации h(t, r) находится жидкость; 2) охлаждение затвердевшей частицы до температуры подложки. Уровень Т0, от которого ведут отсчет температуры в расчетах, соответствует начальной температуре подогрева поверхности подложки в различных точках пятна плавления.

Задача затвердевания частицы от момента соприкосновения жидкости частицы с подложкой до момента полного затвердевания жидкости над данной точкой контакта эквивалентна задаче о контакте двух полупространств: жидкого и твердого [4].

Если температура контакта Tк(t) ниже температуры плавления подложки при любом t, то она имеет вид:

  Статья1_формула4.png

Значения ϕ при постоянном Kк даются горизонтальными кривыми на номограмме, а значения ψ при постоянном KL представляются наклонными кривыми.

Статья1_График.png

Рис. 5 Номограмма для определения α

Статья1_рис5.png

Уравнения (4 – 14) представляют математическую модель затвердевания частиц на подложке. Расчеты, выполненные В. В. Кудиновым [3, 62], показывают:

-При напылении контактная температура для большинства случаев соответствует твердому состоянию частицы и подложки (табл. 1);

-Подложка под частицей интенсивно нагревается, однако глубина зоны термического влияния под частицей не превышает нескольких десятков микрон.

-Подогревая подложку, то есть поднимаяТ0 , можно увеличивать температуру в контакте Tk напыляемых частиц и интенсифицировать их приваривание к подложке.

- Градиент температур в приповерхностном слое достигает 105 град/с. Приведенная величина градиента температур соответствует нижнему порогу скорости охлаждения, при которой жидкость переходит в твердое аморфное состояние, минуя стадию кристаллизации. Аморфная структура обеспечивает повышенные эксплуатационные характеристики покрытия, и разработка

материалов для получения таких покрытий является одним из перспективных направлений в области газотермического напыления. Получению аморфной структуры могут способствовать аморфизаторы (фосфор и другие неметаллические элементы) [5] или распыление ультрадисперсных материалов.

Статья1_таблица1.png


Изучение структур покрытий при металлизации косвенно подтверждает достоверность приведенных В. В. Кудиновым расчетов скорости охлаждения частиц [3, 62]. Так, в покрытии из проволоки типа Х13 нами аморфных структур обнаружено не было [2]. Однако при изучении структуры покрытий из стали 65Г А. Л. Борисовой с соавторами установлено, что "…в поверхностных слоях и изредка в лежащих глубже слоях покрытия встречаются мелкие, преимущественно сферические, а также довольно крупные, в основном вытянутой формы, частицы, состоящие из слаботравящихся кристаллов с аномально высокой твердостью (Hµ = 8,5…11,7 ГПа)" [6]. Авторы делают предположение, что такие участки образуются в результате частичной или полной аморфизации напыляемых частиц при сверхбыстром охлаждении их на основе. Такие данные говорят о близости области скоростей охлаждения частиц критическим, при которых начинается аморфизация структуры.


Применительно к ДМ изучение характера деформирования капель при ударе в зависимости от температуры подложки и скорости удара изучал А. Абедини с соавторами [7].


На полированную поверхность подложки из нержавеющей стали AISI304L наносили покрытие из алюминия. Использован металлизационный аппарат ValuArc 100 фирмы Sulzer-Metco. Режимы напыления: напряжение - 32,1 В; скорость подачи проволоки - 7,0 м/мин; дистанция напыления 200 мм; газ – воздух, давление газа 0,21/0,41 МПа, расход газа - 1,13/1,81 м3/мин. Различные давление/расход газа соответствовали скоростям удара частиц о поверхность 109±28 м/с и 143±36 м/с. Температура предварительного нагрева основы менялась от 25 до 450градС. Для оценок выплесков при деформировании капель обеспечивали шероховатость поверхности Ra 0,01…0,04 μм полировкой. Для определения адгезионной прочности покрытие наносилось на торцы образцов Ø24,7 мм, предварительно дробеструеных до шероховатости Ra 7…8 μм. Испытания на отрыв проводились по клеевой методике с использованием эпоксидной смолы FM1000 согласно ASTM C-633 (Standard Test Method for Adhesion or Cohesion Strength of Thermal Spray Coatings). За результат принималось среднее значение по испытаниям 3…5 образцов.


Параметры частиц в полете (размер, скорость, температуру) измеряли с помощью прибора DVP-2000. Отдельные выплески на поверхность фотографировались.

На рис. 6 показаны фотографии удара частиц о поверхность при разных режимах ДМ. Видно, что все капли расплескиваются в виде звезд нерегулярной формы при температуре предварительного подогрева основы (ТS) ниже 100градС. Форма лучей крайне неравномерна, некоторые из них сопровождаются пальцеобразными выступами. Быстрое затвердевание в переходной зоне "расплеск-основа" ограничивает растекание жидкости. Такое стеснение увеличивает напорное давление жидкости и приводит к ее выплескам на граничной кромке растекающейся капли в форме указанных выше пальцеобразных выступов. Еще один признак стесненного распространения жидкости – это наличие пустот в центре расплеска. Их наличие приводит к образованию пор в переходной зоне между расплеском и основой. При увеличении ТS выше 100градС пустоты значительно уменьшаются, как по величине, так и по размерам.

Статья1_таблица2.png

Статья1_таблица3.png


Рис. 6 Форма выплеска и микроструктура ДМ-покрытия из алюминия, нанесенного на полированную поверхность нержавеющей стали, предварительно нагретой на разную температуру.


При температуре выше 100градС начинаются изменения в структуре выплеска. Чем выше температура, тем ближе форма выплеска к диску правильной формы. Дальнейшее увеличение ТS до 400градС приводит к образованию прорывов на границе диска в виде выплесков, что очевидно связано с влиянием ТS на поверхностное натяжение в затвердевшей корке. Замедление отверждения капли вследствие увеличения температуры основы обеспечивает возможность растекания капли на больший диаметр перед затвердеванием. Сравнение диаметров капель с разными скоростями при одинаковой ТS показывает, что при увеличении скорости удара диаметр расплеска капель увеличивается.   


Температура перехода от выплеска к диску правильной формы оценивалась по частоте перехода с использованием компьютерной обработки изображений, рис.7. Частота перехода показывает, какая доля капель перешла в покрытие в виде диска правильной формы. По этому показателю температура перехода составляет 150градС и 225градС для скоростей 143 и 109 м/с соответственно.

Статья1_рис7.png

Кроме того, для количественной оценки характера растекания капли введен показатель степень выплеска СВ (degree of splashing):

СВ = (Р2)/(4πА), где Р, А – периметр и площадь выплеска.

Для правильного круга СВ = 1,0. Увеличение этого показателя говорит об увеличении неправильности формы капли при растекании. Анализ данных говорит, что желательное значение СВ менее 1, 5, оно соответствует температурам перехода 150градС и 230градС для скоростей 143 и 109 м/с соответственно, рис. 8. Близкие значения температур говорят о хорошей корреляции методов.

Статья1_рис8.png

Пористость покрытий уменьшается при увеличении скорости частиц и при попадании на подложку, нагретую до 100…200грдС (табл. 2).

Статья1_таблица4.png


Для покрытий на подложке при низкой температуре подогрева явно отслеживаются поры на переходе "покрытие-подложка". Их количество и размер резко уменьшается при нагреве подложки выше 100ºC, а нагрев подложки выше 250ºC приводит к исчезновению пор в переходной зоне. Это может быть связано с особенностями формирования границы расплеска, а также с разрывом в пленке жидкости растекающейся капли.

Наши опытные данные показывают, что для величина открытой пористости резко уменьшается при увеличении скорости и уменьшении размера частиц. Сравнивались покрытия, полученные типовой металлизацией ДМ (средняя скорость частиц 55 м/с, размер частиц (1…600) мкм) и активированной дуговой металлизацией АДМ, где распыление идет продуктами сгорания пропано-воздушной смеси (средняя скорость частиц 120 м/с, доля капель диаметром20…125 мкм составляет порядка 75 мас. %, размер до 315 мкм), данные согласно [6, 8]. Анализ показал, что при толщине покрытия 0,05 мм открытая пористость для сравниваемых процессов различается почти на порядок при различных дистанциях напыления L, рис. 10.

Статья1_рис9.png

Очевидно, что это связано с уменьшением поверхностной пористости вследствие уменьшения шероховатости покрытия. Шероховатость прямо связана с размером капель, попадающих на поверхность. Анализ профилограмм показывает, что средняя высота микровыступов АДМ -напыленной поверхности, L =100 мм, при толщине покрытия 0.1 мм составляет 0,005…0,01мм, тогда как для ДМ-покрытий при аналогичных режимах эта величина достигает 0,03…0,05 мм. Такое различие в открытой пористости приводит к еще большему различию в газопроницаемости. Для АДМ-покрытий эта величина на 1…2 порядка меньше, чем в случае ДМ, при толщине покрытия выше 0,1 мм. При толщине слоя 0,05…0,1 мм разница достигает 4…5 порядков, рис. 11.

Статья1_рис11.png


Для ДМ-аппаратов, обеспечивающих одинаковую скорость частиц, увеличение доли кислорода в составе транспортирующего газа приводит не только к увеличению числа и размеров прослоек оксидов, а также к увеличению пористости покрытий, что особенно заметно в приповерхностных слоях (рис. 12) Повышение пористости покрытия снижает его когезионную прочность, поскольку поры это участки с практически нулевой прочностью. Появление пористости может быть вызвано следующими причинами: усадкой при переходе жидкой фазы в твердую, уменьшением растворимости газов с понижением температуры, захлопыванием газа частицами при их попадании на поверхность [8].

Статья1_рис12.png

Статья1_рис13.png

На основании изложенных представлений о формировании покрытия его можно представить состоящим из тонких пластин, соединенных между собой по контактной поверхности сварными участками или участками "схватывания" площадью Fx, которые образовались за время затвердевания частиц (рис. 13) [3].

Сварные участки не заполняют всю площадь контакта между частицами, поэтому прочность и плотность покрытия ниже прочности и плотности компактного материала. В покрытии можно выделить ряд структурных элементов, которые разделяются границами раздела с определенными свойствами. Граница раздела между покрытием и подложкой (1) определяет прочность цепления между ними (адгезию покрытия). Граница раздела между слоями (2) возникает из-за интервала между нанесением отдельных частиц. За интервал межслойного нанесения поверхность покрытия загрязняется, что затрудняет контактные процессы на этой границе. В каждом слое между частицами также имеются контактные границы (3). Границы (2, 3) определяют прочность сцепления в самом слое - когезию. Условия образования границ (2) между слоями отличаются от условий образования границ (3) между частицами прежде всего длительностью пребывания в атмосфере. Интервал между моментами наложения слоев может достигать десятков секунд, что на несколько порядков больше времени паузы между взаимодействием частиц в слое. В настоящее время считается, что прочность покрытий обусловлена соединением между выплесками от попадающих на поверхность частиц по нескольким механизмам:

- Чисто металлургическая связь, когда тепла от осаждающейся на поверхность частицы достаточно для местного повышения температуры материала поверхности или предварительно осажденной частицы, необходимой для переплава, диффузии/перемешивания или просто диффузии. Это обусловит наличие химического взаимодействия, когда частицы и подложка получат избыток энергии, необходимый для совершения процесса химической реакции – энергию активации. При этом атомы сблизятся на расстояние ~3х10-10 м.

- Механическое зацепление осаждающихся частиц по шероховатостям поверхности или с предварительно осажденными частицами;  Близкое физическое взаимодействие между частицами под воздействием ВандерВаальсовых сил, когда атомы напыляемого материала и основы сближаются на расстояние порядка размера атомов, 10-10 м.

Обобщая различные оценки вклада каждого вида связи, можно заключить, что обычно доля металлургической связи мала, в противном случае сопротивление разрыву покрытия приближается к исходному материалу.

Теплопроводность покрытия ниже, чем у компактного материала. Расчеты контактной температуры, выполненные В. В. Кудиновым [3, 62], показывают, что за счет разницы коэффициентов теплопроводности температура контакта между слоями покрытия выше, чем между слоем покрытия и компактной основой. Более того, температура в покрытии при напылении без подогрева выше, чем контактная температура, необходимая для прочного соединения частиц с компактным материалом. Поэтому в большинстве случаев когезионная прочность покрытия выше адгезионной.

Численные методы расчета температурных полей в системе покрытие – основа при постоянной и переменной скоростям движения границы кристаллизации разработаны Барвинком В. А. [9]. Если переходить от дискретных частиц к модели слоя с непрерывным наращиванием покрытия, то тепловой баланс системы можно представить следующим образом:

QТ = Qкин + Qпл + Qкр + Qост – Qк   (15)

где индексы "Т", "кин", "пл", "кр", "ост", "к" относятся к текущей накопленной, перехода кинетической энергии в тепловую, остывания от конечной температуры нагрева до точки плавления, кристаллизации, остывания от точки плавления до температуры поверхности напыления, теряемой конвекцией и излучением, соответственно.

С учетом зависимостей теплофизических параметров от температуры расчеты для материалов с низкой теплопроводностью (с высоким содержанием нитридов, карбидов, нихрома) при плазменном напылении показали, что температура покрытия через 90…120 с достигает 600…900 градС (в зависимости от режимов) и стабилизируется на этом уровне. Погрешность расчетов составила 5…10 % в сравнении с замерами температуры с помощью хромель-алюмелевой термопары, установленной на глубине 1 мм от поверхности основы при диаметре электродов 0,1 мм.

У сталей теплопроводность значительно выше. Применительно к металлизационным покрытиям из сталей типа Х13 параметры теплового режима при наслаивании расплавленных капель металла на уже затвердевшие поверхностные слои изучались нами по анализу замеров микротвердости [2]. Для оценки величины повторного нагрева был поставлен опыт по имитации условий нагрева в процессе напыления. Образцы проволоки из сталей 20Х13 и 40Х13 длиной 60 мм (4 образца каждой марки) нагревали в восстановительной атмосфере до 1000 градС и после 15 – минутной выдержки закаливали в масле. Затем производили отпуск закаленных образцов при 200, 300 и 400 градС, выдержку 5 минут, охлаждение на воздухе. Образцы разрезали по месту разогрева, заливали в пластмассу "Этакрил", часть из них кипятили в воде в течение 1 часа. Температуру кипения воды, 100 градС, следует считать самой низкой температурой отпуска. После изготовления шлифов замеряли микротвердость. Полученные значения микротвердости с определенной долей приближения показывают изменение этого параметра для закаленных сталей 20Х13 и 40Х13 при отпуске. На рис. 14 представлены полученные результаты в сравнении с интервалом значений микротвердости покрытий из сталей 20Х13 и 40Х1.

Результаты показывают, что отпуск при температурах, превышающих 200 град.С, приводит к твердости стали более низкой, чем средняя в напыленном слое. Это позволяет сделать заключение, что напыленный слой сталей 20Х13 и 40Х13 нагревается до температуры не выше 200градС, соответствующей микротвердости отпущенного (не выше 200С) мартенсита.

Статья1_рис13_.png

Сварные участки не заполняют всю площадь контакта между частицами, поэтому прочность и плотность покрытия ниже прочности и плотности компактного материала. В покрытии можно выделить ряд структурных элементов, которые разделяются границами раздела с определенными свойствами. Граница раздела между покрытием и подложкой (1) определяет прочность цепления между ними (адгезию покрытия). Граница раздела между слоями (2) возникает из-за интервала между нанесением отдельных частиц. За интервал межслойного нанесения поверхность покрытия загрязняется, что затрудняет контактные процессы на этой границе. В каждом слое между частицами также имеются контактные границы (3). Границы (2, 3) определяют прочность сцепления в самом слое - когезию. Условия образования границ (2) между слоями отличаются от условий образования границ (3) между частицами прежде всего длительностью пребывания в атмосфере. Интервал между моментами наложения слоев может достигать десятков секунд, что на несколько порядков больше времени паузы между взаимодействием частиц в слое. В настоящее время считается, что прочность покрытий обусловлена соединением между выплесками от попадающих на поверхность частиц по нескольким механизмам:

- Чисто металлургическая связь, когда тепла от осаждающейся на поверхность частицы достаточно для местного повышения температуры материала поверхности или предварительно осажденной частицы, необходимой для переплава, диффузии/перемешивания или просто диффузии. Это обусловит наличие химического взаимодействия, когда частицы и подложка получат избыток энергии, необходимый для совершения процесса химической реакции – энергию активации. При этом атомы сблизятся на расстояние ~3х10-10 м.

- Механическое зацепление осаждающихся частиц по шероховатостям поверхности или с предварительно осажденными частицами;  Близкое физическое взаимодействие между частицами под воздействием ВандерВаальсовых сил, когда атомы напыляемого материала и основы сближаются на расстояние порядка размера атомов, 10-10 м.

Обобщая различные оценки вклада каждого вида связи, можно заключить, что обычно доля металлургической связи мала, в противном случае сопротивление разрыву покрытия приближается к исходному материалу.

Теплопроводность покрытия ниже, чем у компактного материала. Расчеты контактной температуры, выполненные В. В. Кудиновым [3, 62], показывают, что за счет разницы коэффициентов теплопроводности температура контакта между слоями покрытия выше, чем между слоем покрытия и компактной основой. Более того, температура в покрытии при напылении без подогрева выше, чем контактная температура, необходимая для прочного соединения частиц с компактным материалом. Поэтому в большинстве случаев когезионная прочность покрытия выше адгезионной.

Численные методы расчета температурных полей в системе покрытие – основа при постоянной и переменной скоростям движения границы кристаллизации разработаны Барвинком В. А. [9]. Если переходить от дискретных частиц к модели слоя с непрерывным наращиванием покрытия, то тепловой баланс системы можно представить следующим образом:

QТ = Qкин + Qпл + Qкр + Qост – Qк   (15)

где индексы "Т", "кин", "пл", "кр", "ост", "к" относятся к текущей накопленной, перехода кинетической энергии в тепловую, остывания от конечной температуры нагрева до точки плавления, кристаллизации, остывания от точки плавления до температуры поверхности напыления, теряемой конвекцией и излучением, соответственно.

С учетом зависимостей теплофизических параметров от температуры расчеты для материалов с низкой теплопроводностью (с высоким содержанием нитридов, карбидов, нихрома) при плазменном напылении показали, что температура покрытия через 90…120 с достигает 600…900 градС (в зависимости от режимов) и стабилизируется на этом уровне. Погрешность расчетов составила 5…10 % в сравнении с замерами температуры с помощью хромель-алюмелевой термопары, установленной на глубине 1 мм от поверхности основы при диаметре электродов 0,1 мм.

У сталей теплопроводность значительно выше. Применительно к металлизационным покрытиям из сталей типа Х13 параметры теплового режима при наслаивании расплавленных капель металла на уже затвердевшие поверхностные слои изучались нами по анализу замеров микротвердости [2]. Для оценки величины повторного нагрева был поставлен опыт по имитации условий нагрева в процессе напыления. Образцы проволоки из сталей 20Х13 и 40Х13 длиной 60 мм (4 образца каждой марки) нагревали в восстановительной атмосфере до 1000 градС и после 15 – минутной выдержки закаливали в масле. Затем производили отпуск закаленных образцов при 200, 300 и 400 градС, выдержку 5 минут, охлаждение на воздухе. Образцы разрезали по месту разогрева, заливали в пластмассу "Этакрил", часть из них кипятили в воде в течение 1 часа. Температуру кипения воды, 100 градС, следует считать самой низкой температурой отпуска. После изготовления шлифов замеряли микротвердость. Полученные значения микротвердости с определенной долей приближения показывают изменение этого параметра для закаленных сталей 20Х13 и 40Х13 при отпуске. На рис. 14 представлены полученные результаты в сравнении с интервалом значений микротвердости покрытий из сталей 20Х13 и 40Х1.

Результаты показывают, что отпуск при температурах, превышающих 200 град.С, приводит к твердости стали более низкой, чем средняя в напыленном слое. Это позволяет сделать заключение, что напыленный слой сталей 20Х13 и 40Х13 нагревается до температуры не выше 200градС, соответствующей микротвердости отпущенного (не выше 200С) мартенсита.

Статья1_рис14.png

! Информация, размещенная на сайте, запрещена к копированию без разрешения правообладателя!


Заказать услугу
Оформите заявку на сайте, мы свяжемся с вами в ближайшее время и ответим на все интересующие вопросы.