CC BY
98
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.793
С.А. Балашова, Е.А. Чащин, И.В. Шилов, А.А. Митрофанов ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КЕРАМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
Предложен новый способ повышения комплекса эксплуатационных свойств плазменно-напыляемых покрытий дополнительным введением модулированного лазерного излучения. По результатам
математического моделирования определены требования к энергетическим и временным параметрам лазерного излучения. Приведены результаты экспериментальных исследований.
Плазменно-напыляемые покрытия, энергия лазерного излучения.
S.A. Balashova, E.A. Chaschin, I.V. Shilov, A.A. Mitrofanov
PRODUCTION CHARACTERISTICS INCREASE OF CERAMIC COATINGS
The new method of increase of a complex of service properties of plasma sprayed covers is offered by padding introduction of the modulated laser light.
By results of mathematical simulation requests to power and temporary parameters of laser light are determined. Results of experimental researches are indicated.
Plasma sprayed covers, energy of laser radiation.
Известно, что газотермические методы нанесения покрытий, в том числе плазменное напыление как металлических, так и неметаллических компонентов, позволяют существенно улучшить эксплуатационные характеристики поверхностных слоев обрабатываемых изделий, повышая или восстанавливая при этом их работоспособность [1]. Несмотря на имеющиеся успехи в развитии технологии плазменного напыления покрытий существует ряд вопросов, требующих своего разрешения. Одним из них является повышение эксплуатационной стойкости покрытий, которая во многом определяется прочностью сцепления материала покрытия с подложкой при формировании первого монослоя, и зависит от концентрации частиц в плазменном потоке. Например, при формировании на стальной подложке керамического покрытия Al2O3 концентрация порошка, обеспечивающая достижение оптимальной температуры в контактной области, составляет 0,2-103 кг/(м2-с), что при дистанции напыления 100-120 мм соответствует производительности порядка 70 кг/ч [2]. В то же время предельная производительность современных электродуговых металлизационных аппаратов не превышает 30 кг/ч, а для большинства серийных установок - ниже. Так, установки
плазменного напыления типа «Киев 7» обеспечивают производительность по указанному покрытию не более 6 кг/ч. Таким образом, при выполнении операции плазменного напыления керамических покрытий возникает актуальная научно-техническая задача повышения прочности сцепления первого монослоя с подложкой. Один из путей ее решения заключается в интенсификации теплового воздействия на частицы порошка напыляемого материала путем введения в плазменный поток энергии от внешнего источника лазерного излучения [3, 4]. Однако эффективность использования лазерного излучения как источника дополнительного нагрева в этом случае ограничена высокими требованиями к энергетическим параметрам источника лазерной энергии, т. к. заметное повышение прочности сцепления напыленных покрытий возможно только в случае, если уровень удельного объемного энерговклада лазерного излучения сопоставим с параметрами плазменного потока, что обусловлено низким коэффициентом поглощения лазерного излучения. Работы, выполненные нами ранее [5], показали высокую эффективность воздействия на плазменный поток модулированным излучением. В этом случае модулированное лазерное излучение с малой длительностью импульсов и высокой плотностью мощности приводит к возникновению оптического пробоя, в области которого поглощается до 95 % энергии падающего лазерного излучения. Уменьшение, по сравнению с известными способами [3, 4], потерь на отражение, приводит к увеличению в 3 раза и более поглощенной плазменным потоком энергии лазерного излучения. В настоящей работе определены требования к энергетическим и временным параметрам лазерного излучения, дополнительно вводимого в плазменный поток для повышения комплекса эксплуатационных свойств плазменно-напыляемых покрытий.
Современные установки плазменного напыления формируют плазменный поток с температурой на срезе сопла плазмотрона в диапазоне от 6 до 20 кК. Будем считать, что для обеспечения равномерного прогрева плазменного потока при дополнительном воздействии, поглощение лазерного излучения должно иметь объемный характер. Тогда, согласно формуле Унзольда - Крамерса, степень поглощения лазерной энергии [6]:
а.я =
16 п а 2 кОп
зТз с • И\3
( 8* - ИуУ (
-ехр------------I 1 - ехр
\ кт [ р
И V
(1)
где с - скорость света; V - частота излучения; 2 -атома, Т - температура плазменного потока; п постоянная Больцмана; И - постоянная Планка.
Будем считать уровень поглощения плазменным потоком лазерного излучения достаточным, если происходит ослабление излучения в е раз. Определим геометрические размеры плазменного потока, обеспечивающие высокий уровень поглощения лазерного изучения. Результаты расчета приведены на рис. 1. Видно, что при температуре плазменного потока менее 10 кК плазменный поток практически прозрачен. Дальнейшее увеличение температуры плазменного потока приводит к нелинейному снижению толщина скин-слоя Ъёп = а-~. Однако, даже для верхней границы
рассматриваемых температур плазменного потока, толщина скин-слоя превышает 4 см, что значительно больше геометрических размеров потока на срезе сопла плазмотрона. Поэтому для обеспечения эффективного поглощения энергии лазерного излучения необходимо соосное
заряд иона; 8 - потенциал ионизации - концентрация в нем атомов; к -
-1
см
0,3
0,2
0,1
0
8ие(Т),
см
30
20
10
10 15
Т, кК
0
20
Рис. 1. Зависимость коэффициента объемного поглощения аис и толщины скин-слоя 8ис от начальной температуры плазменного потока Т. Плазмообразующий газ - азот. Длина волны излучения - 1 мкм
*
6
введение лазерного пучка в поток. Однако в этом случае, в узком канале сопла плазмотрона происходит дополнительный нагрев напыляемого материала за счет поглощения плазменным потоком энергии лазерного излучения, что с высокой вероятностью вызывает забивание сопла перегретыми частицами порошка и, как следствие, снижает ресурс работы плазмотрона и эффективность плазменного напыления в целом. Таким образом, для повышения эффективности плазменного напыления, лазерное излучение необходимо вводить в плазменный поток несоосно. Следовательно, размеры скин-слоя должны соответствовать геометрическим параметрам потока на срезе сопла плазмотрона, и лежать в диапазоне 5-10 мм, что не обеспечивается воздействием немодулированного излучения.
Известно, что дополнительная ионизация плазмы возможна в результате формирования в ней оптического пробоя. Совмещение плазменного потока в зоне его выхода из плазмотрона с областью оптического пробоя обеспечит повышение температуры плазмы, а, следовательно, и напыляемого материала, за счет поглощения энергии лазерного излучения. Работы, выполненные нами ранее [7], показали возможность генерации лазерного излучения с длительностью импульса от 60 до 350 нс с плотностью мощности 2-5 ГВт/см2, обеспечивающего формирование области оптического
Принимаем, что условием возникновения пробоя является нарастание концентрации возбужденных электронов при превышении частоты ионизации над частотой диффузионных потерь
Тогда интенсивность лазерного пучка, обеспечивающего возникновение пробоя, определяется как I = с880Е2, где 8 - диэлектрическая проницаемость вещества; 80 -
диэлектрическая постоянная; а - характерный размер области воздействия луча; а -сечение взаимодействия электрон-атом; те - масса электрона.
По мере роста порога пробоя и требуемой для распространения ионизационного фронта интенсивности излучения можно выделить следующие режимы: режим светового горения при скорости фронта ионизации 0,001-0,1 км/с и интенсивности поддерживающего лазерного излучения 5-100 МВт/см2; дозвуковые радиационные волны (ДРВ), возможны колебания прозрачности при скорости фронта ионизации 1-4 км/с и интенсивности лазерного излучения 10-40 МВт/см2; светодетонационные волны (СДВ) при скорости фронта ионизации 5-20 км/с и интенсивности лазерного излучения от 20-31 до 1000 МВт/см2; сверхзвуковые радиационные волны (СРВ) при интенсивности лазерного излучения > 1000 МВт/см2; быстрые волны ионизации (БВИ) при скорости фронта ионизации > 100 км/с и интенсивности лазерного излучения > 10000 МВт/см2.
Полагаем, что наиболее приемлемым режимом распространения фронта ионизации для поперечного прогрева плазменного потока является режим СДВ поглощения. Учитывая, что такая волна ионизации непрозрачна для лазерного излучения, формирование ионизационного фронта необходимо проводить на удаленной от лазера стороне плазменного потока путем острой фокусировки луча, со смещением фокуса за удаленную границу плазменного потока [8]. В режиме СДВ фронт ионизации распространяется со скоростью:
где р0 - плотность газовой среды; у - показатель адиабаты газа.
Принимаем, что для обеспечения равномерного прогрева плазменного потока лазерным излучением необходимо, чтобы за время действия импульса лазерного излучения фронт ионизации распространялся на расстояние, не меньшее, чем геометрические размеры плазменного потока на срезе сопла плазмотрона. Определим интенсивность лазерного излучения, достаточную для равномерного прогрева
пробоя.
Е = 2• п • V/(а• п• а •е)[те8*/3]2 .
(2)
плазменного потока. Результаты расчета приведены на рис. 2. Видно, что временные и энергетические параметры лазерного пучка должны лежать в диапазоне: длительность импульса от 100-300 нс, энергия импульса в диапазоне 0,1 -0,5 Дж. При уменьшении энергетических параметров лазерного излучения момент возникновения пробоя сдвигается к концу действия импульса модулированного излучения. Причем, при уменьшении начальной температуры плазменного потока, время возникновения пробоя увеличивается, что в совокупности приводит к снижению расстояния, пройденного фронтом ионизации. При уменьшении длительности импульса расстояние, пройденное фронтом ионизации, также уменьшается и не соответствует геометрическим размерам плазменного потока.
Рис. 2. Зависимость пороговой интенсивности пробоя I, (1-3) в азоте от начальной температуры T,
К.
Диаметр лазерного луча: 1 мм (1), 5 мм (2) и 10 мм (3). Расстояния L, мм (4-6), пройденные
фронтом
ионизации в режиме СДВ при длительности импульса: 300 нс (4), 200 нс (5), 100 нс (6)
Приведенные выше расчеты позволили определить минимальные требования к энергетическим и временным параметрам лазерного излучения. Однако, при увеличении энергетических параметров лазерного излучения не только фронт ионизации будет быстрее распространяться по плазменному потоку, но и возрастает интенсивность дополнительного нагрева порошка напыляемого материала, содержащегося в плазменном потоке. Будем считать нецелесообразным нагрев частиц напыляемого материала выше температуры, при которой возможно полное испарение напыляемого материала. Рассмотрим взаимодействие частицы напыляемого материала с лазерным излучением и плазменным потоком. Принимаем, что для моделирования области нагрева с плавлением приемлемым является использование в решении единого нестационарного уравнения теплопроводности эффективной сглаженной функции удельной теплоемкости с(Т) [9], которая, кроме сглаживания перепада в значении при фазовом переходе «твердое тело -расплав», включает в себя удельную энергию плавления, определяемую по формуле
dT / dt + (V, gradT) = a(T) AT, (4)
где a(T) - температуропроводность; V - вектор скорости фронта испарения.
Граничные условия на поверхности поглощения-испарения (r)
- Хт • (дТ/ дп) = чт , (5)
Чт = (1 - Я)'11- ^ + чу, (6)
где чт - интенсивность тепловыделения на облучаемой поверхности; 11 - распределение интенсивности падающего излучения; 1у - потери плотности мощности на испарение [10];
Чу - лучистый обмен между поверхностью частицы и плазменным потоком; Я -отражательная способность поверхности [11].
Результаты математического моделирования нагрева частицы под воздействием импульса лазерного излучения и плазменного потока представлены на рис. 3. Видно, что при воздействии лазерного излучения с длительностью импульса в пределах 100-300 нс и энергией импульса 0,1-0,22 Дж на частицу напыляемого порошка а-А1203, происходит испарение поверхностного слоя на 20-50%, которое сопровождается уменьшением ее исходных размеров. Причем, процесс испарения по времени практически совпадает с длительностью импульса лазерного излучения. После окончания действия импульса температура поверхности снижается до 2-3 кК, что соответствует температуре плавления, и стабилизируется, поскольку охлаждение поверхности частицы через испарение вещества прекращается. Дальнейшее поддержание температуры частицы осуществляется за счет теплового воздействия плазменного потока при ее переносе на напыляемую поверхность.
Рис. 3. Зависимость изменения температуры частицы Т, К, от времени взаимодействия лазерного импульса и плазменного потока t, с. Кривая 1 - мощность импульса лазерного излучения 0,1 Дж, длительность импульса 100 нс; 2 - мощность импульса 0,1 Дж, длительность импульса 200 нс;
3 - мощность импульса 0,2 Дж, длительность импульса 100 нс;
4 - мощность импульса 0,2 Дж, длительность импульса 200 нс
При воздействии на частицу керамики лазерного излучения с длительностью импульса от 1-50 нс и энергией импульса от 0,01 до 0,25 Дж происходит нагрев частицы до 7-9 кК и при этом она испаряется на 60-80%. Увеличение длительности импульсов более 400 нс приводит к практически полному испарению напыляемых частиц. Таким образом, для лазерно-плазменного напыления окиси алюминия наиболее оптимальными являются лазеры с длительностью импульса от 100 до 250 нс и мощностью импульса от
0,1 до 0,25 Дж.
Одной из характеристик напыляемых покрытий, определяющей прочность сцепления напыляемого слоя с подложкой, является адгезия. Известно, что адгезия в значительной степени зависит от температуры подложки в локальной области контакта с напыляемым материалом. Рассмотрим, как введение модулированного лазерного
излучения в плазменный поток влияет на адгезию напыляемого материала. Полагаем, что в связи со значительным перегревом напыляемых частиц происходит физико-химическое взаимодействие. Считаем, что влияние плазменного потока вызывает равномерный нагрев подложки до температуры То, которая является усреднённой эффективной температурой поверхности. В соответствии со сделанными допущениями, согласно [12], при условии идеального теплового контакта подложки с расплавленной частицей, определим температуру в зоне взаимодействия
Т = [K, • (Т -4)/(Е, +Ф(а))]+ до, (7)
где Тч и Т0 - температура частицы и подложки в момент осаждения покрытия; Ф(а) -функция интеграла вероятности; Е, = (Xj /X2)• ^/a2/a1 - критерий тепловой активности
частицы по отношению к подложке; X1 и Х2 - коэффициенты теплопроводности порошка и подложки; a1 и a2 - коэффициенты температуропроводности порошка и подложки.
Функция интеграла вероятности Ф(а) определялась из уравнения
О (а) = El -(exp [-а2 Уа)- Е,, (8)
в котором El = с1 • (Тё -д0)/(1,77 • L), где с1 - теплоемкость материала частицы; L -
скрытая теплота плавления материала частицы.
В качестве подложки в расчете рассмотрены материалы сталь 12Х18Н9Т и железо. Согласно [13] относительная прочность сцепления частиц в результате протекания химической реакции в контакте можно получить из выражения
N (t у No = 1 - exp[- (v к • t )/exp(Ejk • Тк)], (9)
где vk - частота собственных колебаний атомов, находящихся в контакте; t - время затвердевания частицы порошка; Еа - энергия активации поверхности подложки.
Рис. 4. Зависимости относительной прочности сцепления частиц с подложкой N(t) / N0 и интенсивности лазерного излучения I, при которых достигается температура Tk в зоне контакта: кривые 1 и 3 - основа Fe, кривые 2 и 4 - основа сталь 12Х18Н9Т
Результаты расчета приведены на рис. 4. Видно, что введение дополнительного источника энергии в виде лазерного излучения локально увеличивает температуру в зоне контакта, что приводит к увеличению относительной прочности сцепления напыляемого материала в 5 раз с 0,185 до 1. Следует отметить, что лазерное воздействие не сопровождается объемным прогревом подложки. Поэтому можно полагать, что
повышение температуры в зоне контакта не вызовет
последующего значительного коробления изделия и, как следствие, отслаивания покрытий, что подтверждается результатами металлографического исследования (рис. 5). Также видно, что превышение
температуры выше 1,5 кК для железа и 1,8 кК для стали
12Х18Н9Т не приводит к
дальнейшему росту относительной прочности сцепления. Таким
образом, интенсивность лазерного излучения, обеспечивающая
дополнительную ионизацию
плазменного потока, содержащего мелкодисперсную фазу
напыляемого материала, должна лежать в диапазоне
2-8-108 Вт/см2, дальнейшее
увеличение интенсивности
лазерного излучения
нецелесообразно, ввиду снижения энергетической эффективности лазерного воздействия.
Результаты моделирования косвенно подтверждаются исследованием шлифов покрытий из окиси алюминия, нанесенных лазерно-плазменным способом, показавшим, что увеличение температуры частиц в зоне контакта улучшает адгезионную прочность сцепления покрытия с подложкой (см. рис. 5). Видно, что контактная часть «покрытие -подложка» имеет достаточно развитый рельеф. Покрытие вблизи подложки имеет характерное зернистое строение, более равномерное, чем в случае плазменного напыления. Анализ фотографий показывает возможность интенсификации физикохимической реакции в зоне контакта напыляемых частиц и подложки, что способствует равномерности наносимого покрытия при одновременном увеличении прочности сцепления покрытия и основы.
В работе предложен новый способ повышения комплекса эксплуатационных свойств плазменно-напыляемых покрытий дополнительным введением
модулированного лазерного излучения. Показана возможность увеличения в 5 раз относительной прочности сцепления частиц с подложкой за счет интенсификации теплового воздействия плазменного потока введением модулированного лазерного излучения. По результатам математического моделирования определены требования к энергетическим и временным параметрам лазерного излучения. Показано, что существует ограничение по выбору энергетических и временных параметров лазерного пучка. Приведены результаты экспериментальных исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пузряков А.Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления /
А.Ф. Пузряков. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 360 с.
2. Нанесение покрытий плазмой / В.В. Кудинов, П.Ю. Пекшев, В.Е. Белащенко и др. М.: Наука, 1990. 408 с.
Рис. 5. Микроструктура керамического покрытия на основе А1203, полученного в результате лазерно-плазменного напыления
3. Патент РФ № 2196394 от 01.10.2003. Способ плазменной обработки материалов, способ генерации плазмы и устройство для плазменной обработки материалов.
4. Григорьянц А.Г. Технологические процессы лазерной обработки: учеб. пособие для вузов / А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.И. Мисюров; под ред. А.Г. Григорьянца. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 664 с.
5. Полезная модель № 75391 от 01.04.2008. Плазмотрон для лазерно-плазменного нанесения покрытий.
6. Булгаков А. В. Тепловая модель импульсной лазерной абляции в условиях образования и нагрева плазмы, поглощающей излучение / А.В. Булгаков, М.Н. Булгакова // Квантовая электроника. 1999. Т. 27. № 2. С. 154-158.
7. Лазерные системы с пассивной модуляцией добротности для прецизионных технологий / Т.Т. Басиев, А.В. Федин, И.В. Шилов, Е.А. Чащин // Известия Академии наук. Сер. физическая. 2001. Т. 65. № 6. С. 891-896.
8. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов / А.Г. Григорьянц. М.: Машиностроение, 1989. 304 с.
9. Воздействие лазерного излучения на материалы / Р.В. Арутюнян, В.Ю. Баранов, Л.А. Большов и др. М.: Наука, 1989. 367 с.
10. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: справочник / Н.Н. Рыкалин, А. А. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора; под ред. Н.Н. Рыкалина. М.: Машиностроение, 1985. 496 с.
11. Кудинов В.В. Нанесение плазменных тугоплавких покрытий / В.В. Кудинов,
В.М. Иванов. М.: Машиностроение, 1981. 192 с.
12. Баврин И.И. Курс высшей математики: учеб. пособие / И.И. Баврин. М.: Просвещение, 1992. 400 с.
13. Кудинов В.В. Плазменные покрытия / В.В. Кудинов. М.: Наука, 1977. 97 с.
Балашова Светлана Александровна - Balashova Svetlana Aleksandrovna -
инженер I категории 1st category engineer
ФГУП«ВНИИ "Сигнал"» SRI«Signal»
Чащин Евгений Анатольевич - Chaschin Evgeny Anatolyevich -
кандидат технических наук, доцент, Candidate of Technical Sciences,
заведующий кафедрой «Электротехника» Assistant Professor, Head
Ковровской государственной технологической of the Department of «Electrotechnology» академии имени В.А. Дегтярёва of Kovrov State Technological Academy
in the name of V.A. Degtyaryov
Shilov Igor Vyacheslavovich -
Candidate of Technical Sciences,
Assistant Professor of the Department of «Laser Physics and Technology» of Kovrov State Technological Academy in the name of V.A. Degtyaryov
Mitrofanov Andrey Anatolyevich -
Candidate of Technical Sciences,
Assistant Professor of the Department of «Laser Physics and Technology» of Kovrov State Technological Academy in the name of V.A. Degtyaryov
Статья поступила в редакцию 30.10.08, принята к опубликованию 11.03.09
Шилов Игорь Вячеславович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Лазерная физика и технология»
Ковровской государственной технологической академии имени В.А. Дегтярёва
Митрофанов Андрей Анатольевич -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Лазерная физика и технология»
Ковровской государственной технологической академии имени В. А. Дегтярёва
