Деформации расплавленной частицы, движущейся с малой скоростью, препятствует сила поверхностного натяжения, под действием которой частица приобретает и сохраняет сферическую форму, а также получает определенную жесткость. Чем меньше диаметр частицы, тем большее усилие необходимо приложить для ее деформации. Простейшее выражение для определения минимальной скорости vчаст min, при которой еще возможна ее деформация при ударе о плоскую поверхность, можно получить, допуская, что вся кинетическая энергия движения частицы расходуется на увеличение ее поверхности при изменении формы из сферической в плоский диск некоторого размера:
, (1)
где σ - поверхностное натяжение материала частицы в расплавленном состоянии; ρчаст - плотность материала частицы; и dчаст - диаметр частицы до удара; hчаст - высота застывшей частицы или высота условного цилиндра, в который превратилась частица после растекания и кристаллизации.
Исходя из экспериментальных данных о деформации частиц (hчаст/dчаст) при напылении, можно оценить минимальную скорость частиц vчаст min. Так, в случае нанесения покрытия металлическими частицами диаметром dчаст = 10-4 м при σ ≈ 1 Дж/м2 и ρчаст = 104 кг/м3:
vчаст min = 5…8 м/с, а для оксидов с dчаст = 0,5∙10-4 м и
σ ≈ 0,7 Дж/м2 при ρчаст = 4∙103 кг/м3: vчаст min = 9…15 м/с.
В реальных условиях частицы с малой скоростью могут образовываться в несущем потоке, попадая на его периферию, где они менее интенсивно ускоряются в начале движения и сильнее тормозятся по мере удаления от среза сопла плазмотрона.
Иная ситуация складывается при увеличении скорости полностью расплавленных частиц. При превышении некоторого максимального предела скорости vчаст mах при данных σ и dчаст нарушается условие устойчивого перемещения границы растекающейся частицы и происходит диспергирование материала. В качестве критерия, определяющего условие диспергирования - распада ударяющейся жидкой частицы о плоскую основу, может быть взят критерий Вебера
. (2)
Используя значения ρчаст, σ, и dчаст принятые выше при оценках значений vчаст min, получим, что для vчаст = 50…300 м/с при напылении металлическими частицами критерий Вебера примерно равен
We ≈ (2,5…90)∙103, а при напылении керамическими частицами
We≈ (0,71…25,71)∙103. При отсутствии смачивания условием диспергирования материала капли является величина критерия Вебера
We > 80. Ясно, что при смачивании силы поверхностного натяжения будут препятствовать распаду частицы. Однако столь высокие значения критерия We, характерные для условий плазменного напыления, говорят о высокой вероятности диспергирования полностью расплавленных частиц, что часто подтверждается на практике. С точки зрения морфологии, получаемой после завершения растекания, крупная частица имеет большую склонность к разбрызгиванию при деформировании, чем маленькая. Фактически мелкие частицы при умеренных скоростях соударения не обладают значительным потенциалом диспергирования. Для мелких частиц скорости vчаст min, при которых нарушается условие стабильного радиального растекания материала, выше чем для крупных.
Однако причины диспергирования частиц материала при ударе могут быть связаны не только с нарушением устойчивости радиального растекания материала при превышении некоторых характерных для данного случая vчаст и dчаст. Из (2) следует, что к причинам, способным вызвать нарушение стабильности радиального растекания материал: при ударе, могут быть отнесены увеличение плотности материала частицы и уменьшение его вязкости. Для заданного материала с фиксированным размером гранул подобные изменения в материале могу: происходить вследствие изменения температуры, агрегатного состояния, взаимодействия с газами окружающей среды или взаимодействие между компонентами при напылении композиционными порошками.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.