Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса по формированию покрытий с аморфной структурой плазменным напылением 11
1.1. Условия формирования микрослитков при скоростях охлаждения 103-108К/с 11
1.2. Формирование, аморфных лент при спиннинговании 12
1.3. Формирование структуры в быстрозакаленных плазменнонапыленных покрытиях 15
1.3.1. Металлургические особенности процесса плазменного напыления 15
1.3.1.1. Состояние частиц до соударения с подложкой 16
1.3.1.2. Условия-деформации, затвердевания и охлаждения частиц на подложке 17
1.4. Существующие технологические процессы нанесения аморфных покрытий плазменным напылением 20
Выводы 23
Глава II. Методики, материалы и оборудование при исследовании процесса плазменного напыления покрытий с аморфной структурой 24
2.1. Материалы и оборудование, используемые для проведения, исследований 24
2.2. Методика определения скоростей напыляемых частиц в сечении пятна напыления 28
2.3. Методика калориметрических измерений тепловых потоков, воздействующих на подложку по зонам пятна напыления 30
2.4. Исследования структуры и физикохимических свойств покрытий 32
Выводы 35
Глава III. Сравнительные исследования энергетического состояния напыляемых частиц и структуры покрытий, формируемых при плазменном напылении с применением конической насадки и при традиционном способе напыления 37
3.1. Измерение скоростей движения напыляемых частиц 37
3.2. Измерение величин.тепловых потоков действующих на подложку 39
3.3. Металлографические исследования структуры покрытий полученных при напылении на неподвижные подложки 42
3.3.1. Структурные состояния частиц образующих покрытия 42
3.3.21 Распределение пористости в сечении пятна напыления 45
3.4. Адгезионная прочность покрытий полученных при плазменном напылении 46
3.5. Содержание кислорода в зоне напыления 48
Выводы 49
Глава IV. Исследование факторов влияющих на процесс формирования аморфной структуры в покрытиях из сплава Co58NiioFe5Bi6Siii при плазменном напылении 50
4.1. Характер затвердевания частиц сплава Co58NiioFe5Bi6Siii при охлаждении в газовом потоке 50
4.2. Особенности формирования покрытий на неподвижной подложке при плазменном напылении с использованием насадки к плазмотрону и при напылении стандартным способом 56
4.2.1. Формирование покрытий при напылении без перемещения подложки 56
4.2.2. Распределение частиц, содержащих выделения кристаллических фаз, в пятне напыления 60
4.3. Влияние фазового состояния, размера и формы напыляемых частиц на формируемое покрытие 66
4.4. Влияние энергетического состояния напыляемых частиц "на-структуру формируемого покрытия 73
4.5. Условия формирования покрытий с аморфной структурой на движущейся подложке 79
4.5.1. Расчет температуры системы <<покрытие-подложка»[28] 80
4.5.2. Влияние изменения скорости перемещения подложки относительно плазмотрона на структуру покрытий 86-
4.5.3. Влияние толщины покрытия образованного за один проход на его структуру 91
4.6. Структура и физико-химические свойства покрытий 100
4.6.1. Адгезионная прочность покрытий 100
4.6.2. Рентгеновский фазовый анализ напыленных покрытий 100
4.6.3. Электронно-микроскопические исследования на просвет 101
4.6.4. DSC анализ напыленных покрытий 102
4.6.5. Исследование химического состава покрытий 103
4.6.6. Измерения магнитных характеристик образцов покрытий... 104
Выводы 111
Глава V. Основы технологии и оборудование для нанесения аморфных магнитномягких покрытий 114
5.1. Конструкция насадки к плазмотрону для регулирования термического воздействия плазменной струи на напыляемые частицы и формируемое покрытие 115
5.2. Разработка основ технологии нанесения экранирующих покрытий на корпуса изделий 123
5.2.1. Подготовка поверхностей под нанесение покрытий 123
5.2.2. Механизм для перемещения напыляемой детали и плазмотрона 123
5.2.3. Система подачи порошка в плазменную струю 126
5.3. Вредные факторы,влияющие на окружающую среду, и условия труда при плазменном напылении 128
5.4. Магнитомягкие экраны на корпусах электромеханических изделий 129
Выводы 131
Глава VI. Формирование наноструктурных плазменных покрытий 132
6.1. Формирование нано размерных упрочняющих фаз в плазменных покрытиях из сталей, чугунов и сплавов на основе железа 132
6.3. Плазменные керметные покрытия с наноразмерным карбонитридом титана [63] 160
6.4. Формирование композиционных наноструктурных покрытий. 175
6.4. 1. Формирование пористой структуры плазменных покрытий при произвольном угле соударения напыляемых частиц с подложкой 175
6.4.2. Формирование наноструктурных биоактивных покрытий на границе раздела композиционного материала «костная ткань - имплантат» [64] 185
Выводы 191
Общие выводы 193
Литература 195
Приложения 202
- Существующие технологические процессы нанесения аморфных покрытий плазменным напылением
- Методика определения скоростей напыляемых частиц в сечении пятна напыления
- Распределение частиц, содержащих выделения кристаллических фаз, в пятне напыления
- Механизм для перемещения напыляемой детали и плазмотрона
Введение к работе
Современное высокотехнологическое производство нуждается в новых материалах, обладающих уникальными свойствами. Многие из них могут быть реализованы только при использовании методов порошковой металлургии, в том числе и плазменным формированием покрытий с композиционной, аморфной и нано кристаллической структурой. Плазменное напыление имеет ряд преимуществ перед другими разделами порошковой металлургии:
Температура плазменной струи до 20 тысяч градусов позволяет расплавлять и напылять самые тугоплавкие материалы; Скорость плазменного потока до 1000 м/с разгоняет напыляемые частиц с размером 10-И 00 мкм до скоростей 600 м/с, что определяет их деформацию при формировании покрытия до толщин 1-И0 мкм, что в свою очередь определяет скорость их охлаждения^ на подложке до 10 К/с. При таких скоростях охлаждения в частицах формируется аморфная и нанокристаллическая структура. Подача напыляемого материала до 200 г/минуту позволяется формировать покрытия на площадях в несколько квадратных, метров с адгезией до 60 МПа. Преимущества плазменного напыления реализуются при формировании износостойких, антифрикционных, жаростойких, коррозионностойких, термобарьерных, электроизоляционных покрытий. Этому способствовали многочисленные отечественные и зарубежные исследования. В СССР были созданы мощные исследовательские центры в Москве, Лениграде, Киеве, Минске, Новосибирске, Красноярске, Томске, Омске, Перми, Саратове, Ульяновске и других городах и областях.
При плазменном напылении в плазменную струю с температурой от 4 до 20 тысяч градусов подаётся распыляемый материал, который нагревается, плавится и в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с поверхностью основы или напылённым материалом и формирование покрытия. Ограниченное время пребывания напыляемых частиц в расплавленном состоянии, порядка 1 миллисекунды, и высокие скорости охлаждения на подложке, до 108 К/с, позволяют формировать материалы в аморфном и наноструктурном состоянии. За счет изменения технологических режимов существует возможность получать покрытия, которые имеют пористость в пределах от 3' до 60 % и адгезию от 30 до 300 МПа. В то же время процесс выбора оптимальных параметров напыления связан с определенными трудностями и временными затратами, связанными с большим количеством параметров, влияющими на конечный результат. Поэтому получение заданных характеристик покрытий оптимальным способом возможно только при установлении механизмов формирования их структуры при плазменном напылении.
Ограничения, связанные с вводом напыляемого материала при плазменном напылении, определили относительно малый диаметр канала анода плазмотрона, до 10 мм. Истечение плазменной струи такого диаметра в воздушную атмосферу приводит к существенным градиентам по температуре и скорости напыляемых частиц и вследствие этого и структуры покрытия, что не было исследовано в должной мере. При напылении покрытий с аморфной структурой это стало препятствием для установления закономерностей их формирования. Предполагалось, что тепловые потоки от плазменной струи делают невозможным формирование аморфной структуры в покрытии. Поэтому разрабатывались способы дополнительного охлаждения подложки газами и жидким азотом для интенсификации отвода тепла от покрытия.
Плазменное напыление существует в нескольких модификациях: напыление в атмосфере воздуха и в инертной атмосфере с использованием камеры. Оба этих способа имеют ограничения. Разработанный и исследованный способ напыления с местной защитой от атмосферы воздуха с помощью насадки к плазмотрону занял нишу между этими двумя способами и позволил существенно снизить содержание кислорода воздуха в зоне напыления, а экстракция плазменного потока на торце насадки перед подложкой полностью устранила тепловое действие плазменного потока на формируемое покрытие. Особая конструкция насадки с горячими внутренними стенками позволила уменьшить градиент по температуре напыляемых частиц и вследствие этого сделать структуру покрытия более равномерной.
Существующие технологические процессы нанесения аморфных покрытий плазменным напылением
Одно из первых сообщений о формировании аморфных покрытий при плазменном напылении принадлежит Б.С. Гиссену с соавторами [18]. Напыление сплава Zr0,4Cu0.6 в виде порошка с размером частиц меньше 45 мкм проводили на водоохлаждаемый медный диск диаметром 300 мм в камере размером 0,76x0,66x0,66 м. Плазмотрон во время напыления относительно подложки не перемещали. Диск вращался со скоростью 3400 об/мин. Мощность дуги плазмотрона составляла 30 кВт, дистанция напыления 75 мм, порошок подавали с. расходом 15 г/мин, продолжительность напыления была равна одной минуте. Напыленное покрытие имело кольцевую форму шириной 10 мм и толщиной 0,75 мм. Покрытие, отделенное от подложки было рентгеноаморфным. Пористость покрытия составила примерно 11%.
Авторы работы [19] формировали плазменным напылением при пониженном давлении быстрозакаленные покрытия сплава Fe - 15,2 ат.% В -10,6 ат.% Si на стальную и медную подложки, как с охлаждением подложки водой, так и без охлаждения. Обсуждение результатов своих экспериментов авторы начинают с признания того, что повышение температуры покрытия вызвано главным образом действием тепла от напыляющего потока. В то же время предполагают, что действие высокой температуры дольше для слоев около подложки. Максимальная температура покрытия со стороны стальной подложки не превышает 570 С, а при напылении на медную подложку 420 С, что авторы объясняют большей в 8-НО раз проводимостью тепла медной подложкой по сравнению со стальной. Покрытие толщиной 230 мкм, отделенное от стальной подложки, частично кристаллическое. В противоположность этому на медной подложке сформировали аморфное покрытие толщиной 1,5 мм, хотя и в нем присутствовала кристаллическая фаза.
В работе [20], посвященной формированию плазменным напылением аморфных покрытий из,сплава CoseNiioFesB Sin, предлагается напылять такие покрытия порошком с исходной аморфной структурой. Поскольку в предварительном эксперименте [20] по закалке напыляемого исходно кристаллического порошка содержание кристаллических фаз не снижалось ниже 20 % и оставалось постоянным при увеличении мощности плазмотрона свыше 24 кВт. В то же время, в этой работе установлено, что при плазменном напылении в частицах покрытия «формируется новая субструктура (отличная от структуры напыляемого порошка), характеристики которой- близки к значениям, соответствующим аморфной ленте», из которой был изготовлен порошок. Имеется в виду ухудшение магнитных свойств порошка в процессе его приготовления из аморфной ленты. В работе также отмечается, что «в процессе напыления кристаллизация протекает не однородно по всему объему, а локально в виде одиночных закристаллизовавшихся частиц». В таких частицах обнаружены «три структурные зоны, наличие и объем которых определяется теплофизическими характеристиками сплава и технологическими параметрами напыления». Для кристаллических частиц покрытия установлены «два вида ориентации столбчатых зерен с осями расположенными нормально к закалочной поверхности и радиально, по направлению к краевой зоне». Предполагается, что «отклонения от нормального роста столбчатых зерен обусловлены изменением направления тепловых потоков». В данной работе [20] об уменьшении содержания аморфной фазы в покрытии при- увеличении мощности дуги плазмотрона свыше 20 кВт судили по снижению теплового эффекта при кристаллизации. При этом следует отметить, что все зарубежные исследователи [18, 21, 22] используют для получения аморфных покрытий режимы напыленшь с большей, чем 20 кВт мощностью в дуге плазмотрона.
В работе [23] установлено, что плазменное напыление имеет некоторое преимущество перед детонационным напылением при использовании порошков, в состав которых входят элементы с большим сродством к кислороду. Предполагают, что увеличение вероятности получения аморфных структур при плазменном напылении связано с меньшим тепловым потоком? по сравнению с детонационным напылением. Основными факторами, обуславливающими объемное содержание аморфной составляющей в газотермических покрытиях, являются: о гранулометрический состав напыляемого порошка; о энергетические параметры газопламенной смеси; о толщина слоя, наносимого за один цикл напыления. От дисперсности порошка зависят возможность его плавления в результате температурного воздействия и сверхбыстрое охлаждение на материале основы. При неполном плавлении порошка фиксируется его исходная кристаллическая структура, доля» которой в аморфной матрице значительно повышается при увеличении толщины покрытия. Увеличение содержания в покрытии доли частиц со структурой аналогичной структуре исходного порошка, по мнению авторов работы [10], связано с повышением температуры покрытия в процессе напыления. Выводы Из проведенного анализа литературы следует, что, несмотря на многочисленные исследования, не установлены механизмы формирования кристаллических и аморфных фаз в материалах быстрозакаленных покрытий при плазменном (газотермическом) напылении, не определена связь между содержанием частиц с кристаллическими фазами в покрытии и условиями напыления. В опубликованных работах отмечается существенное влияние на формирование аморфных (быстрозакаленных) структур следующих факторов: а)- нагрева напыляемых частиц (соответствие между мощностью плазменного потока, размером и фазовым составом исходного порошка); б)- отвода тепла из покрытия, который зависит от применения дополнительных охлаждающих потоков жидкости или газа и относительной скорости перемещения между плазмотроном и подложкой (условия затвердевания и охлаждения частиц, тепловое воздействие газотермического напыляющего потока).
Методика определения скоростей напыляемых частиц в сечении пятна напыления
Время теплового воздействия на каждый калориметр составляло от 15 до 60 сек, в зависимости от величины теплового потока. Сразу после окончания воздействия калориметр закрывался теплоизоляционной крышкой. Регистрация термо ЭДС термопар производилась при помощи цифрового вольтметра постоянного тока Щ1413 и записывалось на диаграммной ленте прибором КСП4. Производились раздельные измерения тепловых воздействий на калориметры от плазменного потока без порошка и с порошком. Для выделения величины тепловых потоков на различных расстояниях от оси плазменной струи при помощи диафрагм пропускали на калориметры части потока в виде концентрических окружностей, потом, вычитая из величины потока, приходящегося на больший диаметр, величину потока, воздействующего на меньший диаметр, находили величину теплового потока, приходящегося на кольцевую поверхность известной ширины и находящуюся на расчетном расстоянии от центра пятна напыления. После экспериментов калориметры взвешивали и находили массу напыленного материала, при охлаждении которого произошло изменение температуры этих калориметров. Расчеты производили по стандартным уравнениям теплового баланса. По причинам отсутствия достоверных данных по теплоемкости и теплоте кристаллизации ряда материалов, использованных в работе, окончательной мерой тепла, полученного частицами данных материалов при нагреве их в плазменной струе, целесообразно считать не температуру частиц перед соприкосновением их с подложкой, а величину изменения их удельной энтальпии при охлаждении на калориметре. Данная величина «изменение удельной энтальпии», измеряемая в МДж/кг, в отличие от тепловой мощности потока частиц - Вт, не зависит от массового расхода напыляемого порошка. По результатам проведенных измерений было подтверждено первоначальное предположение о не существенной доле влияния кинетической энергии напыляемых частиц на тепловое состояние системы калориметра. Максимальный доверительный интервал калориметрических измерений равнялся ±5,8 % при доверительной вероятности /?=0,9545. Осталась не установленной систематическая ошибка таких измерений, так как можно предположить, что часть тепла, попадающего на подложку (калориметр), теряется в окружающей атмосфере в процессе напыления. Однако разработанная методика направлена, прежде всего, на получение относительного результата по сравнению распределения величин изменения удельной энтальпии по радиусу пятна напыления для обычного способа напыления и способа напыления с использованием насадки к плазмотрону.
Одним из основных методов исследования структуры покрытий в работе была оптическая металлография, как один из самых дешевых, доступных и в то же время очень информативных методов исследования. Этим методом проведен анализ макро и микроструктуры частиц, формирующих покрытия. Для выявления, структурных составляющих, кристаллических фаз, шлифы аморфного сплава CossNiioFesSiieBn травились в 50 % растворе HN03. Изучение шлифов проводили в оптическом микроскопе JENAVERT при увеличении от хбЗ до х500, в том числе и с использованием интерференции. Методом секущих замерили среднюю толщину частиц в покрытии, h, а используя средний диаметр сферических частиц, Д затвердевших в, воздухе и собранных на дистанции 2 м, подсчитали степень деформации, , частиц в покрытии. Процент частиц с выделениями кристаллических фаз в покрытии определяли путем подсчета общего количества частиц и частиц с выделениями кристаллических фаз на участке покрытия. Количественные измерения толщин и профилей полученных покрытий, размеров частиц исходных порошков, а также частиц f образующих покрытия, производили в инструментальном микроскопе ИМЦ 100х50,А.
Для установления зависимостей формирования структуры покрытия от характера траектории движения частиц в конусе напыления была разработана методика анализа структуры по радиусу пятна напыления. Объемы покрытий, полученных при напылении на неподвижные подложки рассчитывали следующим способом. В начале измеряли толщины покрытия по всей площади пятна напыления по двум координатам в плоскости подложки с шагом 2 мм, с последующим приведением декартовой системы координат к полярным координатам. В виду того, что фигура пятен напыления имеет форму близкую к осесимметричной, полученные данные можно представить в виде зависимостей толщины покрытия в точке Н, от радиуса,на котором эта точка находится г. Приведя данные зависимости к математическому виду H=F(r) объем всего покрытия рассчитывается путем интегрирования: где: Rmax- максимальный радиус, величина равная половине диаметра пятна напыления.
Объем покрытия, приходящегося на кольцевую поверхность подложки, находится из формулы (5) при подстановке в качестве пределов интегрирования минимального и максимального радиусов данного кольца. Так как значения толщины одного покрытия в разных его точках в равной степени линейно зависят от массового расхода порошка, времени и дистанции напыления, при рассмотрении свойств покрытий удобнее пользоваться относительными величинами. Относительный радиус покрытия R/Rmax, это отношение расстояния от центра пятна напыления до данной точки к максимальному радиусу пятна напыления. Относительная толщина покрытия Н/Нтах выражает отношение толщины покрытия в данной точке Нг-к максимальной толщине данного покрытия Нтах, которая приходится на точку с нулевым значением относительного радиуса. Используя формулу (5), также возможно вычислить общее содержание в покрытии пор или частиц с кристаллическими фазами, определив предварительно распределение количества пор или частиц с кристаллическими фазами по радиусу пятна напыления. Испытания на адгезионную прочность покрытия к подложке, как для случая традиционного способа напыления, так и для напыления с использованием насадки к плазмотрону, проводились по стандартной штифтовой методике.
Рентгенофазовые исследования полученных быстрозакаленных покрытий были выполнены на дифрактометре ДРОН-ЗМ в Fe - Кос излучении. Фазовый анализ полученных рентгенограмм проведен с использованием банка рентген о структурных стандартов JCPDS.
Термический анализ процессов расстекловывания и кристаллизации образцов сплава Co58NiioFe5Bi6Sin в виде исходного порошка и в виде отделенного от подложки покрытия проводили в атмосфере Не с . использованием микрокалориметра DSC-111 Setaram при- нагреве со скоростью 0,167 К/с.
Распределение частиц, содержащих выделения кристаллических фаз, в пятне напыления
Эксперименты, проведенные согласно описанной выше (Глава II, пункт 2.2.) методике при напылении порошка Ni при различных эффективных мощностях плазменного потока, как с применением насадки к плазмотрону, так и без нее, показали, что средняя скорость частиц, движущихся по-периферии пятна напыления, ниже на 25 %, чем у частиц на оси,плазменной струи, рис. 7. При этом значения средних скоростей перемещения частиц растут с увеличением- эффективной тепловой\ мощности плазменного VM/c потока, рис. 8. При эффективной тепловой мощности плазменного потока, превышающей 4 кВт и использовании насадки к плазмотрону, разница между скоростями частиц, движущихся на одинаковом удалении от оси струи в близи центра пятна напыления, находится в пределах 34+37 %, а на периферии эта разница составляет 15+23 %. При напылении без насадки разница между скоростями частиц,равноудаленных от оси потока составляет 22+28 %, что объясняется большим перемешиванием потока напыляемых частиц, летящих в свободно расширяющейся струе. Одновременно показано, что использование насадки, имеющей внутренний конус 10 и систему экстракции газа, позволяет повысить среднюю и максимальную скорость напыляемых частиц в 1,7 раза при тех же значениях эффективной мощности плазменного потока. Это объясняется более высокой скоростью газового потока в насадке по сравнению со стандартным способом напыления, когда при выходе из канала анода плазменная струя тормозиться, свободно расширяясь, и охлаждается за счет подмешивания атмосферного воздуха. При использовании насадки охлаждение плазменного потока уменьшается за счет использования горячих внутренних стенок. Наличие принудительной экстракции газа в выходной части конического сопла так же уменьшает сопротивление течению плазменного потока, особенно в его периферийной области. Для определения теплового содержания частиц, участвующих в плазменном напылении, была применена методика, описанная ранее (Глава П, пункт 2.3.). В качестве напыляемого материала использовали порошок Ni. Были определены величины тепловых потоков, воспринимающихся подложкой при воздействии на нее только газового потока, а также газового потока совместно с частицами напыляемого порошка, как в случае напыления при использовании насадки к плазмотрону, так и в случае напыления без насадки. Измерения величин тепловых потоков, прошедших через диафрагмы различных диаметров, позволили рассчитать распределение тепловых потоков по радиусу пятна напыления. При плазменном напылении покрытий с использованием стандартной технологии тепловое воздействие на подложку и на уже напыленное покрытие оказывается, в первую очередь, струей горячего газа и частицами напыляемого материала. Причем доля тепла, вносимого частицами, как правило, не превышает 25 % от общего количества тепла, фиксируемого на подложке (частицы плюс плазменный поток). Экстракция плазменного потока при использовании насадки к плазмотрону позволяет уменьшить тепловое воздействие на подложку до 3 раз. При этом величина теплового потока переносимого частицами порошка при его равных массовых расходах увеличивается в 2,7 раза при напылении с насадкой по сравнению со стандартным напылением в воздушной атмосфере, рис. 9. Доля тепла, переносимого на подложку частицами порошка в этом случае, повышается до 92 %. В качестве примера можно рассмотреть случай плазменного напыления покрытия Ni при эффективной мощности плазменного потока равной 10,3 кВт. Так, при напылении без насадки величина общего теплового потока, воздействующего на подложку составляет 618 Вт, что значительно больше теплового потока 263 Вт при напылении с насадкой. При этом тепловая мощность потоков напыляемых частиц составляет соответственно 88 и 243 Вт, что соответствует изменению удельной энтальпии напыляемого порошка, охлаждающегося на подложке 0,37 и 1,1 МДж/кг, соответственно. Наличие горячих внутренних стенок насадки приводит к выравниванию теплового содержания частиц по сечению пятна напыления, по сравнению со случаем напыления без насадки, когда вследствие подмешивания воздуха атмосферы происходит охлаждение периферийной части конуса напыления.
Механизм для перемещения напыляемой детали и плазмотрона
В случае нанесения покрытий плазменным напылением скорости охлаждения частиц достигают значений больших 108 К/с (Глава I). Магнитомягкий сплав состава Co58NiioFe5Bi6Sin формируется в аморфном состоянии при скоростях охлаждения до 10 К/с. В тоже время часть полученных из него покрытий содержит в себе кристаллические фазы. Известно, что определенная доля частиц, образующих покрытие, затвердевают полностью или частично до соударения с подложкой, в газовой атмосфере. Поэтому, используя методы оптической микроскопии, была исследована структура частиц, собранных при напылении с насадкой на дистанции 1800 мм от места ввода порошка в плазму. Наличие в потоке частиц градиентов по температуре и скорости, а также условия, при которых охлаждение частиц происходит со значительно меньшей, чем в случае остывания на подложке, скоростью позволило среди собранных частиц обнаружить большое разнообразие сочетаний структур затвердевания.
При напылении использовали порошки с частицами пластинчатой и сферической формы. Полностью пластинчатый порошок состоял из аморфных частиц с размером сторон 32- 56 мкм и толщиной 20 мкм (толщина исходной аморфной ленты). Порошки, содержащие сферические частицы, имели фракционный состав 20- 36 и 45- 56 мкм, содержание в них сферических частиц составляло 72 %, форма остальных частиц была осколочной. Как сферические, так и осколочные частицы на 95 % от общего количества имели мелкокристаллическое строение, выявляемое оптической микроскопией и представляющее собой однородную сетку фаз темного цвета на фоне более светлой матрицы. Аналогичного вида структуру наблюдали в исходных частицах, полученных дроблением аморфной ленты после ее термической обработки при температурах, больших температуры кристаллизации, рис. 14.
В ходе экспериментов были собраны частицы порошка, прошедшие через плазму и охлажденные при движении в воздушной среде на дистанции 1800 мм, считая от места их ввода в плазменную струю. Полученные пробы порошка на 100 % состояли из сферических частиц. Данный факт позволяет судить о том, что при используемом режиме нагрева все частицы переходят в жидкое состояние. Если использовать принятую для описания частиц терминологию, можно сказать, что весь собранный порошок состоит из частиц II типа. Изучение травленых шлифов полученного порошка в оптическом микроскопе, позволило, в свою очередь, разделить наблюдаемые частицы на отдельные группы, исходя из различий в их внутреннем строении и фазовом состоянии, рис. 15.
Первая группа-это аморфные частицы. Поверхность среза таких частиц имеет светлую окраску и травление не проявляет их внутреннее строение. Часть из них не содержит границ внутри себя, рис. 15, 1а. Остальные частицы, так же не имеют кристаллических фаз, выявляемых оптической микроскопией на травленых шлифах, но внутри у их находятся области, разделенные между собой границами, выходящими на наружную поверхность. Внутри отделенных границами областей после травления 50 % раствором азотной кислоты обнаруживаются слабоконтрастные зоны с плавно изменяющейся световой насыщенностью, близкой к радужной, но не имеющие цветовых отличий от основного фона. Они отличаются от традиционных фазовых границ, имеющих более рельефное строение. Направления расположения этих зон по большей части совпадают с контуром границ областей или поверхностью частицы. Эти полосы являются проявлением плавного изменения высоты внутренних зон частиц относительно травленой поверхности шлифа. При изменении глубины фокусировки микроскопа происходит смещение их видимого изображения, а использование интерференционного контраста усиливает данный эффект. Области с подобными радужными образованиями могут находиться, как во внутренней части, так и на поверхности частицы, рис. 15, lb, Id.
Ко второй группе можно отнести частицы, находящиеся в аморфно-кристаллическом фазовом состоянии. На травленых шлифах кристаллические фазы видны как более темно окрашенные области по сравнению с областями, имеющими аморфное строение. Включения кристаллических фаз имеют, как мелкокристаллическое, так и дендритное строение. Мелкокристаллическая структура наблюдается в виде равномерной темной вуали, размеры фаз находятся за пределами разрешающей способности оптического микроскопа. Взаимное расположение аморфной и кристаллической составляющих в частицах имеет несколько вариантов. Центральная часть некоторых частиц имеет мелкокристаллическое строение, а на поверхности их расположены области аморфной фазы, рис. 15, 2Ь. Другие содержат равноосные дендритные кристаллические включения, которые находятся внутри аморфной матрицы, рис. 15, 2с. Рост дендритов в некоторых частицах начинается с поверхности, а в центре находится аморфная фаза, рис. 15, 2d. Встречаются также частицы, в которых на поверхности расположены зоны с дендритными кристаллами, а внутри аморфной фазы есть области с мелкокристаллической структурой, рис. 15, 2е.
Третья группа включает в себя частицы, имеющие полностью кристаллическое фазовое и мелкокристаллическое или дендритное структурные состояния. Частица может состоять целиком из мелкокристаллических фаз, а также содержать дендритные включения в своей внутренней области, или на поверхности, рис. 15, За, Зс, 3d. Среди кристаллических частиц встречаются такие, весь видимый объем которых заполняет дендритная структура, рис. 15, Зе.
При использовании исходных порошков с различными размерами и формой частиц количественные соотношения между представителями различных вышеперечисленных групп позволяют сделать предположения о причинах образования той или иной структуры, табл. 2.
