Соударение частиц с поверхностью основы. Виды удара и стадии его развития, страница 5

В сечении частиц ряда материалов (в том числе тугоплавких металлов и оксидов) часто наблюдается столбчатая дендритная структура с ориентацией зерен в направлении теплоотвода - к основе. На их поверхности может образовываться микрорельеф, являющийся результатом быстрой кристаллизации в условиях значительной усадки и дефицита материала. Частицы могут содержать сфероподобные микропоры, образующиеся при выделении растворенных газов. При затвердевании и закреплении на основе в объеме частицы возникают напряжения, которые способствуют образованию трещин, имеющих, так же как и дендритные зерна, ориентацию по нормали к поверхности основы.

При соударении сфероподобных частиц полностью расплавленного материала I с поверхностью основы в условиях, близких к тем, которые были рассмотрены выше, в результате деформации и затвердевания на гладкой поверхности образуется диск 1 (рис. 3). Такие диски зачастую имеют на поверхности концентрические кольцевые образования (показаны пунктиром) - результат неоднородных условий кристаллизации в радиальном направлении и гидродинамических явлений, происходящих при ударе. В ряде случаев, как уже отмечалось, их края имеют тороидальную форму.

На рис. 5 представлены фотографии частиц-дисков, полученных при напылении различных материалов на разные основы в сильно отличающихся условиях.

Рис. 5. Плазменно-напыленные частицы-диски

a - частица Сu, основа - кварц, ПНРКА*, ×375; б – частица YВа₂Cu₃О_x, основа - медь, ПНА**, ×225; в - частица Аl₂О₃, основа - кварц, ПНА, ×525

*ПНРКА – напыление в разреженной контролируемой атмосфере

**ПНА – при нормальном давлении

На рис. 5, а показана частица меди, напыленная в разреженной контролируемой атмосфере (ПНРКА). На ее поверхности хорошо видна кольцеобразная структура и зерна кристаллов в центральной области. На рис.5, б представлены частицы-диски высокотемпературной сверхпроводящей керамики (ВТСП), напыленные на медь при нормальном давлении (ПНА). При напылении в одном и том же режиме могут встречаться частицы с разной ориентацией кристаллической структуры, а также частицы, имеющие гладкую поверхность. На рис.5, б показана частица-диск Аl₂O₃.

Повышение температуры, увеличение скорости и изменение размеров частицы, а также изменение условий смачивания приводит последовательно к появлению частиц типа 2-6 и 12-14 (см. рис. 3). Последние формируются при условии заметного перегрева материала частиц выше температуры плавления (сорт III, рис. 3 - перегретые, интенсивно испаряющиеся частицы). Для частиц типа 12-14, в отличие от типа 2-6, характерно наличие на поверхности открытых пор, являющихся результатом газовыделения при быстром затвердевании материала, находящегося в перегретом состоянии. В случаях 2-5 и 10-13 наличие звездчатой формы у закрепившихся частиц становится тем более явным, чем больше скорость частицы в потоке и значительней перегрев ее материала.

Развитие этих тенденций приводит к дроблению частицы при ударе и появлению более мелких капель - частицы 4, 5, 13 или к полному диспергированию первоначальной частицы на отдельные фрагменты - 6, 14. Незаполненные центральные области частиц 5, 13 являются следствием интенсивного переноса материала в радиальном направлении.

Выделены случаи, когда при диспергировании материала вокруг центральной части закрепившейся на основе частицы образуется корона из мелких капель. Формирование короны связывается с рассмотренным выше таким вариантом диспергирования материала при ударе, когда образующиеся фрагменты материала приобретают помимо радиальной составляющей скорости еще и осевую, направленную от поверхности основы. Возврат этих мелких капель материала на основу происходит под действием набегающего потока. Центральная часть образующейся на основе частицы может иметь форму сплошного диска, диска без центральной части и диска с радиальными (в виде лепестков или лучей) разрывами материала.