Соударение частиц с поверхностью основы. Виды удара и стадии его развития, страница 14

Наконец, при плазменном напылении в формировании покрытия могут участвовать частицы, оставшиеся абсолютно твердыми (рис. 11, п). Прежде всего, это может происходить в том случае, если расплавленные частицы замуровывают твердые, практически не закрепившиеся частицы, в слой. Кроме того, в случае высоких скоростей твердых частиц при их соударении с твердой поверхностью возможна пластификация и даже плавление ряда материалов, что обеспечивает формирование структур как зернистого, так и чешуйчатого типов. Абсолютным доказательством возможности такой ситуации является реализация принципа газодинамического напыления, когда чешуйчатые структуры формируются при ускорении твердых частиц ряда металлов холодным высокоскоростным потоком газа.

Структура материала, формируемого при плазменном напылении (для каждого заданного исходного материала, плазмотрона и режима), зависит от его положения относительно оси симметрии плазмотрона, центра пятна напыления и инжектора материала.

Рис. 15. Шлиф Аl₂О₃ с включением частицы, имевшей твердое ядро и расплавленную оболочку, ×375

В общем случае можно сказать, что для тугоплавких материалов по мере приближения к центру пятна напыления в структуре материала сокращается число слабо закрепленных зернистых включений, что связано со значительно большей, чем на периферии потока, долей полностью расплавленных частиц, а также резким сокращением доли или полном отсутствии вторично затвердевших и неполностью проплавленных частиц. Ясно, что это справедливо только для определенного диапазона дистанций напыления. В области, расположенной вблизи центра пятна напыления, материал в значительной степени формируется из полностью расплавленных и перегретых жидких частиц.

Для конкретизации сказанного о взаимосвязи структуры формируемого материала с условиями в потоке плазмы и в пятне напыления рассмотрим более подробно результаты исследований по напылению Аl₂О₃ турбулентной дозвуковой струей плазмы.

Формирование структуры в неподвижном пятне напыления

В качестве объекта был выбран электрокорунд плавленый, являющийся α-фазой Аl₂О₃, двух фракций: +20…28 мкм (М28) и +50…63 мкм (М63).

В экспериментах использовался плазмотрон с самоустанавливающейся длиной дуги и подачей дисперсной фазы в область ее анодного пятна в канале сопла-анода. Исследования проводились на некотором заранее выбранном режиме работы плазмотрона: I = 300 А; W = 18 кВт; расход оксида алюминия m = 0,200 кг/с; плазмообразующий газ Аr + 10 % N₂.

Для этого режима на автоматизированном диагностическом стенде были изучены параметры потока плазмы, а также температура поверхности и скорость частиц Аl₂О₃ в нем. Состояние частиц дисперсной фазы в различных сечениях потока исследовалось путем отбора представительных проб материала методом быстрой экспозиции потока в воду и на плоские основы.

Данные диагностики говорят о том, что использованный плазмотрон генерирует дозвуковую турбулентную струю, для которой температура и скорость газа быстро убывают как по мере удаления от среза сопла в осевом направлении, так и в каждом сечении потока при движении от оси в радиальном направлении. Практически отсутствует начальный участок струи с постоянными значениями температуры, скорости и энтальпии газа. В результате область эффективного нагрева и ускорения тугоплавких материалов за срезом сопла оказывается резко ограниченной как в радиальном, так и в осевом направлениях: В указанном режиме температура газа на оси потока падает до 3000 и 2000 К - на расстояниях от среза сопла 50 мм и 70 мм соответственно. В радиальном направлении область Т > 3000 К не распространяется более чем на 2,5…3,5 мм. Скорость газа на выходе из сопла плазмотрона достигает 600 м/с лишь в радиусе 1 мм, а в радиусе 2 мм снижается до 200 м/с. На оси потока она падает до 200 м/с на расстоянии от среза сопла 40 мм и до 100 м/с на дистанции порядка 70 мм. Таким образом, условия обмена теплом и импульсом между дисперсной и газовой фазами в потоке за срезом сопла будут существенно неоднородны, а эффективный нагрев и ускорение дисперсного потока может протекать преимущественно в канале плазмотрона.