Утворення фізичного контакту при плазмовому напиленні (ГТН). Перший етап взаємодії при напиленні

 

Перший етап взаємодії частинок при ГТН із основою – удар.

Частинки рідкого (або високопластичного) металу при зіткненні з підложкою розтікаються та деформуються на ній до утворення тонкого плоского шару.

Аналіз динамічної взаємодії окремих частинок з поверхнею твердого тіла заснований на дослідженні динаміки й кінетики ударних явищ.

Під час зіткнення з основним металом частинка сильно деформується, її кінетична енергія переходить у тепло й роботу деформації. На гладкій поверхні має місце значне радіальне ковзання, якому протидіють сили поверхневого натягу. На шорсткій поверхні частинка сплющується не тільки паралельно середньому рівню, але й уздовж нерівностей - на мікро виступах.

При плазмовому напиленні, швидкість частинок досягає 100–200 м/с, тому в зоні удару частинок виникає високий тиск. Разом з високою температурою в контакті тиск є рушійною силою фізико-хімічної взаємодії, що сприяє міцній сполуці частинок і утворенню шару покриття.

При ударі за рахунок своєї кінетичної енергії частинки інтенсивно деформуються (рис.11.1) і в зоні зіткнення створюється тиск р. У гідродинаміці прийнято розглядати дві складові такого тиску: р_н - напірний тиск, або динамічна складова р, і р_і - ударний тиск, що виникає внаслідок прояву ефекту гідравлічного удару. Через короткочасність дії ударну складову р_і часто називають імпульсивним тиском.

В перший момент зіткнення в місці контакту з мішенню рідина пружно деформується. Тривалість процесу удару залежить від швидкості руху частинок і при плазмовому напиленні становить 10^–10…10^–7 с. На протязі цього часу у місці удару утвориться тонкий плоский шар рідини частинки, що розтікається. Далі частинка деформується рівномірно. Виникнення плоского шару пов'язане із пружним стиском частинки в місці ударуй тиском, що змушує рідина інтенсивно розтікатися по поверхні мішені.

Ударний тиск є результатом руху пружних хвиль стиску, які поширюються в частці, починаючи з моменту її зіткнення з підложкою.

Ударний або імпульсний тиск Р_і, що виникає внаслідок прояву ефекту гідравлічного удару рідкої частинки об підложку, залежить від швидкості руху частинки v і описується відомим рівнянням гідравлічного удару Жуковського

 

Р_і = 1/2 mr_рСv (11.1)

де m, – коефіцієнт твердості і густина матеріалу частинки; С – швидкість звуку в рідині., що становить (3…6)10 ^{3 м}/с.

 

Рис. 11.1. Схема залежності тиску в зоні контакту від часу удар частинок о поверхню

 

Крім імпульсного тиску є ще напірний тиск r _н, що виникає при зіткненні рідкої частинки із твердою підложкою.

Напірний тиск для потоку рідини, що рухається рівномірно, розраховується по рівнянню Бернуллі. Виходячи з кінетики деформації рідкої частинки тиск р_п можна вважати прикладеним на ділянці поверхні підложки, близькій за розмірами до діаметра частинки до удару.

Вважаючи підложку абсолютно твердим тілом, а частинку – ідеальною рідиною, одержуємо найпростіший випадок удару, при якому тиск розраховується як

Р_н = r_рv ² (11.2)

Тривалість дії цього явища

(11.3)

де d – діаметр сфери; h – висота шару покриття після розтікання й деформації рідкої частинки на підложці.

По мірі віддалення від осі тривалість t (r)трохи зменшується у зв'язку зі сферичною формою частинки. Однак, як показують експерименти, для радіуса r, не перевищуючого d/2, зміна t (r)істотно не відбивається на процесах фізико-хімічної взаємодії.

Більша величина імпульсивного тиску р_і сприяє очищенню поверхні підложки в місці удару й приводить матеріал частинки й підложки у фізичний контакт приблизно за 10^-9с. Міцне з`єднання частинки з підложкою відбувається під впливом напірного тиску, що діє протягом усього часу деформації й затвердіння частинки, і по тривалості на 2–3 порядки перевершує тривалість імпульсного тиску (рис.11.1). В реальних умовах напилення при швидкості частинок 100–150м/с напірний тиск може становити 50–100МПа при тривалості дії 10^-5–10^-7.

Для вивчення фізико-хімічних процесів, що протікають у контактній зоні при напиленні, необхідно розглянути першу стадію формування контакту - фізичного контакту, що є наслідком пластичної деформації мікрорельєфу поверхні в момент удару об неї частинок.

У процесі ударної взаємодії в зоні контакту забезпечується протікання фізичної адсорбції напилюємих частинок з поверхнею твердого тіла.

Фізичний контакт реалізується перед хімічній взаємодії, яка в свою чергу визначає фактичну площу контакту і забезпечує формуються міцних зв'язків.

 

Таким чином, п ерший етап взаємодії частинок з основою – удар. Після ударної взаємодії утвориться утворюється фізичний контакт і сформується площа фізичного контакту - F_ф

В процесі удару при газо термічному (плазмовому) напиленні йде формування фізичного контакту, що є наслідком пластичної деформації мікрорельєфу поверхні (мікро виступів) при взаємодії з високошвидкісними й високотемпературними частинками. Фізичний контакт утворюєтся з високою інтенсивністю за рахунок високої рухливості рідкої фази й не лімітує процес утворення з`єднання.

Напилюємі високотемпературні частинки перебувають у высокопластичному стані, і при ударі об мікровиступи розтікаються по мікронерівностях.