РАСЧЕТ КОНТАКТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПРОЦЕССЕ ПЛАЗМЕННО-ДЕТОНАЦИОННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ

Кравченко Ю.А., ассистент

В настоящее время ведутся широкие исследования, направленные на выяснение путей существенного сокращения длительности получения на изделиях из металлов и сплавов разнообразных покрытий (керамика, металлокерамика), а также повышения их качества. Однако экспериментальный поиск эффективных режимов формирования защитного слоя является очень дорогостоящим, что обуславливает необходимость фундаментального понимания процессов, происходящих в момент формирования покрытия и разработку теории, позволяющей моделировать процесс и анализировать предполагаемый результат работы. Сравнительно новым направлением в области модификации свойств поверхности есть плазменно-детонационная технология, которая позволяет формировать защитные покрытия на основе порошков тугоплавких материалов с наперед заданным составом и точностью воспроизведения толщины в условиях серийного производства. В ее основе лежат процессы взаимодействия частиц напыляемого материала с газовой атмосферой установки, частицами порошка в плазменном потоке и поверхностью материала подложки.

Основное значение при осаждении частички на подложку имеют температура в области контакта Тk, длительность воздействия, величина ударного и напорного давлений, а также степень шероховатости материала подложки. Во время напыления микровыступы на подложке прогреваются первыми и значительно быстрее, что обуславливает возможность образования химической связи в контактной области. Для хорошего сцепления покрытия с подложкой необходимо, чтобы в процессе высокоскоростного осаждения материала температура частиц порошка значительно превышала температуру плавления подложки. Термическое взаимодействие частицы с подложкой сопровождается выравниванием температуры материалов в зоне контакта. Если Тk>Тпл.п (температура плавления подложки), то процесс затвердевания жидкой частицы происходит одновременно с плавлением материала основы. Такие условия формирования покрытий создают хорошие предпосылки для образования химической связи между разнородными материалами с одновременным погружением твердой фазы частицы в две жидкости (снизу – материал подложки, сверху – жидкая, только что упавшая частица). При этом происходит механическое перемешивание материалов частицы и подложки, что, должно обеспечивать высокую адгезию покрытий, подобную сцеплению материалов в процессе сваривания.

Согласно решению одномерной задачи контактной теплопроводности и фазового перехода для случая Тk < Тпл.п при условии идеального теплового контакта подложки с расплавленной частицей (Тч-Тпл), температура в зоне взаимодействия может быть рассчитана из соотношения:

(1) где Тчи Т0 – температура частицы иподложкивмоментосаждения покрытия; Тпл – температура плавления материала частицы; F(f) – функция интеграла вероятностей; F=f(KM, KL) -корень уравнения, решение которого номографировано;

-критерий тепловой активности частицы по отношению к

подложке; а1 и а2 -коэффициенты теплопроводности порошка и подложки; -коэффициент температуропроводности соответствующего материала;

и с – плотность и теплоемкость. Функция интеграла вероятности Ф(f) определяется из уравнения где L – скрытая теплота плавления материала частицы.

Данная модель применялась для оценки контактной температуры взаимодействия расплавленных частиц порошка оксида алюминия с поверхностью стальной подложки. При расчете использовались табличные значения физических величин для F-фазы Al2O3 и стали 12Х18Н9Т, приведенные в таблице 1.

Исходные данные для расчета контактной температуры Tk

При условии, что Т0=973 К, а Т=2300К критерий тепловой активности частицы КБ=0,378, КL=0,66. Исходя из этих значений для КБ и КL, а также используя номограмму для определения ѱ, находим корень уравнения (2): ѱ=0,54.Тогда Ф (ѱ)=0,2054, а минимальная величина Тk, в соответствии с уравнением (1), равна 1850 К.

Значит, вплавление порошка в поверхность является вполне возможным, поскольку ТkמТпл материала подложки. Однако температура в зоне взаимодействия можетбыть значительно выше, так как сама технология напыления не исключает возможности нахождения частиц порошка в составе плазменно-детонационного потока в перегретом состоянии, что обеспечивает дополнительный ввод энергии в области локальных взаимодействий.