Курс «Технологические генераторы плазмы»
Лекция № 4
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАПЫЛЕННЫХ ЧАСТИЦ С ОСНОВОЙ
Соударение частиц с поверхностью основы. Виды удара и стадии его развития
[18 С. 197-199] Первым этапом взаимодействия частиц напыляемого материала с основой или уже затвердевшим напыленным материалом является удар. Физический контакт, сопровождающий удар, предшествует химическому взаимодействию, и, в конечном счете, определяет фактическую площадь контакта, на которой формируются прочные связи.
В общем случае для плазменного напыления характерны соударения нескольких видов. Прежде всего, удары частиц напыляемого материала о поверхность твердого тела различаются по состоянию частиц. Можно выделить полностью жидкие частицы материала (Тчаст > Тпл), частично расплавленные и твердые (Тчаст < Тпл). Для всех этих частиц, независимо от их состояния, при ударе о твердую поверхность можно рассматривать два этапа. Во время первого из них (активного) контактная сила возрастает, происходит деформация, образование и расширение площади контакта частицы с основой. Центры инерции соударяющихся тел сближаются. Во время второго этапа (пассивного) происходит разгрузка тел, т.е. снятие упругих деформаций, и расстояние между центрами инерции соударяющихся тел увеличивается.
При правильно организованном процессе плазменного напыления наиболее типичны соударения с основой и формируемым материалом полностью или частично жидких частиц.
Кроме того, удары могут отличаться по характеру растекания материала. Здесь можно выделить удары со стабильным растеканием расплава в радиальном от точки удара направлении, а также соударения, когда после удара происходит коронарное разбрызгивание материала или потеря стабильности перемещающейся границы расплава при радиальном растекании.
Отдельно следует отметить, что на шероховатой поверхности, даже при условии стабильного радиального растекания, добавляется нормальная к поверхности составляющая скорости течения материала, ограничивающая распространение материала капли. В общем случае наличие шероховатости
Rz ≤ dчаст увеличивает вероятность нарушения стабильности растекания.
Для жидких частиц, применительно к плазменному напылению, удар о гладкую поверхность твердого тела был впервые наиболее обстоятельно рассмотрен Кудиновым. В основу модели были положены результаты работ по удару и растеканию капель жидкости (рис. 1).
Рис. 1. Соударение расплавленной частицы с основой: а - схема упругой деформации и образования волн (стрелками обозначены направления растекания); б - временная зависимость давления в зоне удара частицы об основу; в - схема растекания частицы и перемещение фронта кристаллизации при деформации и застывании частицы на основе (точки I, II, III на оси x соответствуют положению фронта кристаллизации в момент времени tI < tII < tIII); г - распределение температуры в различные моменты времени tI < tII < tIII в системе твердая основа с температурой Т0 - жидкая быстро деформирующаяся и одновременно затвердевающая частица с начальной температурой, равной температуре плавления
Идентичность характера растекания капли воды и многих материалов при ударе о твердую поверхность объясняется высокой плотностью, небольшой вязкостью их расплавов и подтверждается экспериментально. Согласно этой модели, в начальный момент соударения частица деформируется очень слабо, затем образуется плоский участок контакта, который впоследствии постоянно расширяется. В результате стабильного растекания на поверхности основы образуется плоская частица - диск цилиндрической формы. До самого завершения растекания верхняя часть "не чувствует" деформацию ее нижней части на основе, сохраняя над ней оставшуюся часть сфероподобной поверхности. Процесс удара и деформации частиц происходит одновременно с их затвердеванием. В результате полного затвердевания частица сохраняет растекшуюся форму.
Согласно другой модели стабильного радиального растекания материала при ударе, в случае низкой скорости жидкая капля, ударяясь о плоскую гладкую поверхность, растекается в плоский диск, который затем может вновь стягиваться, опять образуя в центре сфероподобную поверхность, а затем растекается вновь, приходя в результате таких колебаний к некоторой конечной равновесной форме. Для капель жидкости конечная равновесная форма будет определяться только силами поверхностного натяжения, в то время как для расплава процесс может быть ограничен затвердеванием материала. [18 С. 197-199]
Нарушение условий стабильного радиального растекания материала частицы при ударе
[18 С. 208-212] Рассмотрим теперь ситуации, связанные с нарушением устойчивого радиального растекания материала капли при ударе. Первая из них возникает при очень низких скоростях vчаст, когда частицы напыляемого материала деформируются слабо и почти не растекаются при попадании на поверхность твердого тела. В результате этого контактные процессы взаимодействия материалов частицы и основы нарушаются. Такой процесс наблюдался в модельных экспериментах по напылению серебра. Было установлено, что при скорости частиц 5 м/с процессы прочного соединения частиц с основой существенно замедляются.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
