WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Проведенный в работе анализ уравнения (22) позволил установить две предельные скорости, при которых процесс формирования покрытий не возможен. Первая из них реализуется при упругом ударе частицы о поверхность и названа первой критической скоростью. Вторая критическая скорость представляет скорость частицы, при которой твердая поверхность начинает разрушаться (процесс механической эрозии) при бомбардировке частицами ее поверхности. При формировании покрытий НТГДМ-технологией, практический интерес пред­ставляет оценка скорости удара частицы в диапазоне. С этой целью в работе проведен анализ и составлен алгоритм расчета скорости одиночной сферической частицы, ускоряющейся в потоке газа-носителя. Показано, что уровень скорости частицы зависит от ее формы, термо-газодинамических параметров газа-носителя в ускорителе, рода материалов частиц и положки, их теплофизических свойств и др.

Кинетика взаимодействия частиц с подложкой. Механизм взаимодействия частиц с основой и между собой условно разделен на три последовательные стадии:- удар твердой частицы о подложку(образование физического контакта); -активизация контактных поверхностей и химическое взаимодействие материалов с образованием связей на границе; - объемные процессы динамические и тепловые в зоне контакта (теплопроводность, динамическая диффузия и др.).

Известно, что адгезионные свойства металлических покрытий возрастают линейно вплоть до скорости частиц 600 м/с. При дальнейшем увеличении скорости частиц их кинетическая энергия становится столь значительной, что сильно изменяет механизм контактного взаимодействия частицы с подложкой. Адгезия покрытия возрастает уже по более сильной, нелинейной зависимости.. Это объясняется увеличением напорного динамического давления, которое играет важнейшую роль в активировании процесса взаимодействия частицы и подложки. Экспериментально установлено, что увеличение динамического давления от 1МПа до 7МПа, понижает энергию активации материала на 20...30%, что значительно улучшает качество покрытия. Это можно объяснить активацией поверхностей материалов в зоне контакта при ударе. Известно, что все атомы приповерхностных кристаллических решеток, охваченные полем упругих искажений (полем дислокаций), энергия которых достигла или превысила некий потенциальный барьер, проявляют высокую активность. Это является главной причиной их химического взаимодействия с атомами других даже разнородных металлов. Такие соединения образуется в локальных местах выхода дислокаций на поверхность, где возникают центры очагов химического соединения, в нашем случае, наносимого покрытия и основы.

Динамика удара твердой частицы о поверхность. При скоростях частиц, достигающих значений Vp=600..1200м/с, динамическое давление в зоне контакта может достигать максимальных уровней, порядка ~104МПа, что значительно превосходит предельные значения механических свойств большинства металлов.

Механическое дробление частиц при ударе При нанесении покрытий НТГДМ-технологией соударение высокоскоростных частиц с подложкой приводит к их взаимной сдвиговой деформации, активизации сопряженных поверхностей (включая очистку поверхности от окисных и других пленок), физическому взаимодействию за счет высокого напорного давления. Теплофизические и акустические процессы вызывают деформацию и дробление исходных частиц при ударе, т.е. повышают степень дисперсности порошка в покрытии. На рис.10 представлен факт дробления частиц при ударе о подложку. Образование мелкодисперсных частиц при ударе способствует уменьшению пористости покрытия, улучшая их качество.

Изменение механических свойств материала частиц при ударе Уровни динамического давления при соударении частиц из разного рода металлов с подложкой (сплав Д16) приведены в таблице 2. Скорость частиц в момент удара Vр = 600 м/с

Таблица 2

Давление в пятне контакта при соударении частиц с подложкой

Материал частицы

Fe

Co

Al

Zn

Cu

Ni

Давление, ГПа

13,81

12,76

5,11

7,93

10,0

12,7

Все приведенные в таблице2 значения давлений превышают величину предела текучести Гюгонио для указанных материалов. Уровни динамических давлений при соударении столь высоки, что в процессе удара осуществляется деформационное упрочнение материала частицы (см.таб. 3). Обнаруженное повышение микротвердости покрытия, синтезируемого НТГДМ-технологией, сохранялось после их продолжительного отжига при температурах, превышающих температуру рекристаллизации.
Таблица 3

Значения микротвердости исходных материалов порошков и покрытий

Материал порошка

Микротвердость материала порошка,

МПа

Микротвердость покрытия,

МПа

Отношение микротвердостей, %

Zn

400

650

163

Al

300

550

183

600

1000

167

Cr

1150

2900

252

Обнаруженная стабильность, по-видимому, обусловлена не сверхбыстрым охлаждением частиц в момент формирования покрытия, а характером ударно-волновых воздействий. В покрытиях, созданных НТГДМ-технологией, эффект упрочнения обнаружен не только на материале покрытия, но и на материале подложки. Это подтверждается результатами механических испытаний стандартных медных образцов без покрытия и с покрытием из карбида ниобия NbC толщиной 40мкм при температуре жидкого водорода (20К) и нормальной температуре (300К). Результаты испытаний представлены в таблице 4.

Отмеченное положительное влияние тонких покрытий на статические характеристики, определяются динамикой удара, являющегося неотъемлемой составляющей процесса формирования покрытий НТГДМ-технологией.

Таблица 4

Результаты испытаний на статическую прочность стандартных медных образцов

без покрытия и с покрытием из NbC

Род

образца

Температура

испытаний

Предел

прочности

Предел

текучести

Модуль

упругости

Относительное

удлинение

-

К

МПа

МПа

ГПа

%

без

покрытия

20

300

376

288

127

86

100

98

80

85

с

покрытием

20

300

448

440

328

317

157

154

47

49


Уравнение баланса энергии в зоне удара частицы с подложкой. В символах уравнение баланса энергии в зоне удара представлено в форме (21)

В работе раскрыта физическая сущность и представлено математическое описание каждого из членов этого уравнения.

Кинетическая энергия частицы в момент удара:. (23)

Энергия деформации частицы. Процесс деформации частицы сопровождается сжатием частицы и ее растеканием по поверхности подложки. Такой подход позволил вывести зависимость для оценки Едеф.р в виде:

, (24)

где степень деформации частицы при ударе, 2а и 2b – большая и малая оси сфероида, соответственно.

Энергия деформации подложки. Величина этой энергии определяется двумя факторами: глубиной проникновения частицы в тело подложки hсегм и силой сопротивления сжатию материала подложки.. (25)

Для оценки величины hсегм использовался метод определения твердости материалов по Бринеллю со сферическим ударником. Такой подход позволил получить зависимость для расчета Eдеф.под в виде:. (26)

Энергия нагрева частицы и подложки. Доли энергии, затраченные на нагревание частицы Енаг.р и подложки Енаг.под, можно представить в следующем виде:

для частицы, (27)

где mp- -доля прогретой массы частицы за время удара, - среднемассовая температура прогретого участка частицы, ср – удельная теплоемкость материала частицы при, - температура частицы до удара;

для подложки, (28)
где mподл- доля прогретой массы подложки за время удара, - среднемассовая температура прогретого участка подложки, спод – удельная теплоемкость материала подложки при температуре, Tнач.подл.- температура подложки перед ударом.

В работе с использованием теории нестационарной теплопроводности твердых тел получены зависимости для оценки прогретых масс как частицы, так и подложки, где время контакта: (29)

где - предел текучести твердой частицы, поверхностного натяжения расплавленной частицы, - радиус частицы,V0,р - скорости частицы в момент удара, - степени деформации частицы (определяется экспериментально).

В этом случае, соотношения для расчета доли масс частицы и подложки прогретых за время удара, в окончательном варианте принимают вид:

для частицы (30)

для подложки (31)

Уравнение баланса энергии в окончательном видe

(32)

Уравнение (32) позволяет рассчитать температуры частиц и подложки зоне контакта при ударе. При этом должны быть известны: дисперсность порошка, род материалов порошка и подложки, их теплофизика и механические свойства, скорости частиц в момент удара о подложку Vр, степень деформации частиц порошка. Локальные средние значения температур частицы и подложки не равны друг другу, однако различие между ними незначительно в связи с тем, что время удара мало - уд = 10-6...10-7с. Поэтому в инженерных расчетах следует принимать.

Результаты оценки по уравнению (32) изменения температуры частицы из алюминия диаметром dp и подложки из меди сведены в таблицу 5. При расчете, скорости частиц и степень их деформации брались из эксперимента.

Таблица 5.

Значение параметров взаимодействующей пары: частица Al, подложка Cu

для разных уровней скоростей частицы.

Диаметр

частицы

dp

Скорость

частиц

Vp

Степень

деформ.

p

Мех.

свойства

т,p

Время

удара

уд

Теплоемкость

частицы

сp

Теплоемкость

подложки

сподл

Твердость

подложки

по Брюнеллю

Н

Изменение температуры в зоне удара

м

м/с

-

Па

с

Дж/кгК

Дж/кгК

МПа

град

5·10-5

410

0,701

6,37·107

1,49·10-7

929

400

400

230

5·10-5

508

0,598

6,37·107

1,27·10-7

929

400

400

323

5·10-5

615

0,503

6,37·107

1,1·10-7

929

400

400

470

5·10-5

1000

0,6

6,37·107

1·10-6

999

400

400

1770

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»