Термічний режим у зоні контакту при плазмовому напиленні

Теоретичний опис теплообміну між нескінченними тілами стосовно до плазмового напилення

Механізм впливу швидкості полягає в зниженні енергетичного бар'єра, відповідального за схоплювання, за рахунок дії високого тиску при одночасному пластичному деформуванні границі контакту, а також у збільшенні контактної температури при переході частини кінетичної енергії в теплову. Особливо корисним є підвищення швидкості для матеріалів з високою температурою плавлення, коли рівень запасеної теплової енергії в частці обмежений.

Температура, що встановлюється в зоні контакту при взаємодії частинок з поверхнею твердого тіла, разом зі швидкістю частинок є одним з основних факторів, що активують фізико-хімічні процеси в міжфазній зоні. Контактна температура встановлюється за рахунок передачі тепла частинками, що вдаряються об поверхню підложки, а також тепла, переданого потоком газу.

Рішення теплофізичної задачі контакту двох тіл розглядається в рамках закону теплопровідності Фур’є, згідно з яким швидкість розповсюдження тепла передбачається нескінченно великою і описується рівнянням параболічного типу. Якщо теплообмін між тілом і середовищем здійснюється за законом Фур’є, то має місце граничні умови четвертого роду, як в нашому випадку, і при цьому реалізується ідеальний контакт між контактуючими тілами – «основа – покриття».

Використовується 2 – ий закон теплопровідності Фур’є, що описує температуру Т, що встановлюється у тілі за певний час t на відповідній відстані х

 

, (11.14)

 

Найбільш простий спосіб обчислення контактної температури (Т_К) для випадку ідеального контакту двох напівнескінченних тіл запропонований по залежності

 

для (11.15)

У рівняннях (11.14) і (11.15): а – коефіцієнт температуропровідності; , Т₀₁, T₀₂ - коефіцієнт акумуляції тепла і початкова температура основи і частинки відповідно; - теплопровідність, відповідно теплоємність, густина матеріалів основи і частить.

По виразу (11.15) контактна температура Т_К ділить різницю температур Т₀₂ – Т₀₁ пропорційно коефіцієнтам акумуляції тепла b₁ і b₂. Різниці температур на поверхні розділу (Т₀₂ – Т_К) і (Т_К – Т₀₁) залежать від коефіцієнтів b₁ і b₂, тоді як температурний градієнт на контактній поверхні залежить від співвідношення коефіцієнтів температуропровідності. Контактна температура Т_К завжди ближче до температури того матеріалу, що має більш високий коефіцієнт акумуляції тепла b (рис. 11.5).

Рис.11.5. Встановлення температури при ідеальному контакті між основою (1) і часткою (2) при плазмовому напиленні

 

 

При напилюванні температура в зоні контакту змінюється в часі. Залежність контактної температури при охолодженні частинки, що напилюється, з часом зображена на рис 11.6.

 

 

Аналіз температурного поля показує, що контактна температура в процесі напилення змінюється циклічно, приймаючи максимальне значення в момент підльоту кожного шару, і для розглянутих товщин падає до температури середовища (газового потоку) за час порядку 10^-3 c. При розгляданні фізичних процесів, що відбуваються в контактній зоні при напиленні, необхідно враховувати багатоцикловой характер зміни температури, що обумовлює такі оборотні й необоротні ефекти в міжфазній зоні, які надалі багато в чому визначають поведінку систем у робочих умовах.

 

 

 

Рис. 11.6. Одиночний термічний цикл для пари основа (армко-залізо) – покриття.