Экспериментальное исследование взаимодействия капель металлических расплавов с основой Смирнов, Андрей Владимирович

Введение к работе

Актуальность проблемы. В последнее десятилетие отмечается неослабевающий интерес к проблеме сверхбыстрой закалки микрокапель расплавов различных материалов при их соударении с поверхностью. Данное явление лежит в основе многих технологий, таких как плазменное, детонационное, газопламенное напыление, электродуговая металлизация, мпкрораспыление порошков, получение микрокристаллических и аморфных материалов, а также представляет большой интерес для физического материаловедения (изучение неравновесных диаграмм состояний различных сплавов и композиционных материалов при экстремальных воздействиях) и т.д.

Характерные особенности данной системы - малые размеры частиц, широкий диапазон скоростей и температур их взаимодействия с несушим потоком и поверхностью и, как следствие, наличие факторов, существенно затрудняющих анализ протекающих при этом процессов.

В этой связи, постановка комплексных исследований, обеспечивающих проведение по возможности полностью контролируемых модельных физических экспериментов, корректную интерпретацию и критериальное обобщение получаемых опытных данных, а также прогнозирование более детальной картины явлений является чрезвычайно актуальной проблемой.

Решение перечисленных проблем во многом определяется возможностью постановки комплексных теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия "'капля расплава - поверхность" при полном контроле ключевых физических параметров КФП (скорость іі_/т, размер D_p, температура поверхности Т_ро частицы при ее соударении с подложкой, имеющей заданную температуру Т_Ьо и состояние поверхности).

В момент столкновения частицы с основой происходят как чисто гидродинамические процессы, так и теплофнзические и диффузионные, а также химические. Наши представления о закономерностях указанных процессов весьма отрывочны, а зачастую и противоречивы. Следствием этого является низкая адгезия и когезия, неповторяемость служебных характеристик покриши и дискредитация собственно метода плазменного напыления. Поэтому важнейшими проблемами при исследовании закономерностей формирования плашенных покрытий являются: 1) изучение механизма взаимодействия на границе частица - подложка, 2) установление корреляций между свойствами покрытий и режимными параметрами процесса напыления.

Сформулированная проблема является объектом интенсивных исследований не только в России, но и в ряде научных групп за рубежом: в Японии (Joining and Welding Research Institute, Osaka University; Tokyo Institute of Technology,

Department of Metallurgy), США (Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico), Франции (University of Limoges, Laboratory of Ceramic Materials and Surface Treatment, CNRS), Германии (University of Dortmund, Institute of Materials Technology), Канаде (National Research Council, Industrial Materials Institute).

При плазменном напылении, включающем практически все характерные особенности газотермического напыления (ГТН), покрытие формируется путем послойной укладки отдельных сплэтов, - растекшихся и затвердевших на подложке капель расплава. Длительное время построение теоретических моделей данного явления основывалось на предположении, что при соударении расплавленной частицы диаметром десятки микрон и более затвердевание расплава происходит после полного растекания капли на подложке [1]. Существующие эмпирические зависимости, применяемые для определения степени растекания капель расплава, основаны также на этом предположении.

В работе [2] с использованием единого методического подхода впервые рассмотрены основные сценарии взаимодействия капля расплава - подложка, реализующиеся в зависимости от температуры в контакте Т_с между частицей и подложкой на стадии напорного растекания:

1. - деформация и одновременное затвердевание капли на твердой подложке (Т_Ьт> Т_с <Г_рт);

2. - деформация, одновременное затвердевание капли и подплавление подложки в пятне контакта ее с частицей (?"(,„,< Т_с

3. - полное растекание капли на твердой подложке (Т_Ьт>Т_с >Т_р„), последующее охлаждение и затвердевание жидкого слоя с одновременным его сворачиванием под действием сил поверхностного натяжения;

4. - полное растекание капли с одновременным подплавленнем подложки в пятне контакта ее с частицей (Т_Ьт<Г_с ^Т_рт), последующее охлаждение и затвердевание растекшейся капли и приповерхностного слоя расплава основы.

Здесь Т_рт, Ть„ - температура плавления материалов капли и основы.

Обзор и анализ состояния исследований сформулированной проблемы показывает, что к настоящему времени известно большое количество публикаций, отвечающих лишь первому сценарию взаимодействия капля расплава - основа, и совершенно отсутствуют какие-либо систематические экспериментальные данные и критериальные теоретические описания и обобщения процессов для трех последних сценариев (2)-(4). В большинстве случаев имеющиеся опытные данные для всех перечисленных сценариев носят лишь качественный характер, поскольку для них не приводятся значения КФП, при которых получены сплэты частиц. Последнее делает невозможным адекватное критериальное обобщение

характеристик сплэтов. Кроме того, совершенно отсутствует системное теоретическое описание рассматриваемого явления, позволяющее создать обобщенную — "карту формирования сплэтов в условиях, характерных лля ГТН, в том числе плазменного напыления. I! связи с этим, представляется актуальным проведение систематических молельных экспериментов с целью получения представительного набора опытных данных при полном контроле КФП и их критериальное обобщение.

Целью работы является: модельное экспериментальное исследование взаимодействия капель металлических расплавов с поверхностью в условиях полного контроля КФП'. критериальное обобщение полученных экспериментальных данных, отпечпюших сценарию !. наиболее распространенному в технологии ГТ11; тестирование известных теоретических и эмпирических зависимостей, характеризующих степень деформации капель металлических расплавов, представляющих как фундаментальный, так и практический интерес для оптимизации технологий ГТН; демонстрация возможности последовательного изменения сценариев формирования сплэтоп при целенаправленном изменении одного или нескольких КФП; выявление особенностей формирования сплэтов при интенсивном теплообмене капля расплава - подложка.

Научная новизна. 15 работе впервые получены следующие научные результаты:

1. Создана модельная физическая установка, позволяющая осущесівлять нагрев и генерацию капель металлических расплавов с температурой Т_ро<\250 К и обеспечивающая их свободное падение пли ускорение коаксиальным потоком газа с одновременным контролем температуры подложки.

2. Создана диагностическая аппаратура, обеспечивающая надежную одновременную регистрацию скорости и размера капель расплавов, основанная на комбинации врсмяпролстного метода и метода малых углов.

3. Впервые получен представительный набор экспериментальных сплэтов при полном контроле КФП для ряда модельных материалов частиц (In, Sn, Pb, Zn, Ag) и подложек (In, Sn, Си, нержавеющая сталь, кварц).

4. С использованием теоретического решения [2] проведено критериальное обобщение представительного набора модельных опытных данных, полученных при полном контроле КФП для сценария 1, характеризующих толщину и диаметр сплэтов. когда не нарушается стабильное растекание капли, а окончательная форма сплэта незначительно отличается от диска.

5. Показано, что теоретическое решение [2], характеризующее деформацию и одновременное равновесное затвердевание капель металлических расплавов, удовлетворительно согласуется с экспериментом без введения какого-либо

эмпирического коэффициента, и то время как другие известные зависимости [3 - 7] существенно (в несколько раз) расходятся с экспериментом.

Практическая ценность. Выполненный цикл комплексных исследований позволил впервые осуществить экспериментально-теоретическое доказательство одновременного протекания процессов деформации и затвердевания капель металлических расплавов при их соударении с подложкой в широком диапазоне режимных параметров.

Результаты выполненных систематических экспериментов по взаимодействию металлических капель с подложками положены в основу создания атласа модельных сплэтов и могут использоваться при тестировании различных моделей явления, интерпретации данных материаловедческих экспериментов при изучении покрытий, а также при оптимизации конкретных технологии ГТН. Автор защищает:

6. Модельную физическую установку, оснащенную диагностической аппаратурой для одновременного измерения скорости п размера капель расплавов, основанного на комбинации времяпролетного метода и метода малых углов, позволяющую осуществлять генерацию капель металлических расплавов с заданной температурой Т_/ю<\250 К и проводить контроль КФП при свободном падении частиц или их ускорении коаксиальным потоком газа.

7. Модельные экспериментальные данные, полученные при полном контроле КФП, и результаты критериального обобщения основных характеристик сплэтов (степень растекания п толщина), когда не нарушается стабильное растекание капли, а окончательная форма сплэта незначительно отличается от диска.

8. Экспериментальное доказательство возможности последовательного изменения сценариев взаимодействия капля металлического расплава - основа при целенаправленном изменении КФП.

9. Основные закономерности, характеризующие результат взаимодействия кайли металлического расплава с подложкой в условиях интенсивного теплообмена, приводящих к формированию сплэтов с нсидеалыюй границей раздела с основой.

Апробация работы. Основные положения работы представлялись на Международном рабочем семинаре "Plasma Jets in the Development of New Materials Technology" (Фрунзе, 1990), 3-ем Европейском конгрессе по процессам термической плазмы (Аахеп, Германия, 1994), 14-й Международной конференции по термическому напылению (Кобе, Япония, 1995), 12, 13 и 14-ом Международных симпозиумах по плазмохпмпн (Миннеаполис, США, 1995; Пекин, КНР, 1997; Прага, Чехия, 1999), 3-сй Азиатско-Тихоокеанской конференции по

исследованию п.шмы и технологиям (Токио, Япония, 1996), 3-м Междупарод-ном рабочем совещании 'ТІлазмоіроньї термической плазмы и технологии" (Новосибирск. 1997), Международной научно-технической конференции "Научные основы высоких технологий" (Новосибирск. 1997) и др.

Работа выполнена при совместной финансовой поддержке Международного научного фонда и Российского правительства на 1995 год (грант ЛII 100: "Деформация п затвердевание микрокапли расплава, соударяющейся с подложкой. Теория и эксперимент"), а также при финансовой поддержке РФФИ (проект 98-02-17810 на 1998 - 2000 гг.: "Цикл модельных исследований плазма - микрочастица и мпкрокап.тя расплава - поверхность: теория, совместный физическим и вычислительный эксперимент") и Сибирского отделения РАН (Интеграционная программа СО РАН на 1997-1999 гг., проект 28: "Физические процессы на границах раздела при получении гетерогенных материалов и покрытий'*).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из предисловия, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Полный объем 03 стр.. включая 34 рисунка, Є таблиц и приложение на 76 страницах.