CC BY
42
2008 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА № 127
серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов
УДК 629.735.017.083
ВЛИЯНИЕ АМОРФИЗАЦИИ НАПЫЛЁННЫХ ЧАСТИЦ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ В ЗОНЕ АДГЕЗИОННОГО КОНТАКТА
В.А. СИДЕНКОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
Предложена методика приближенного расчета максимальной температуры в зоне контактного теплообмена, позволяющая оценить негативное влияние толщины переходного аморфного слоя на активирующий уровень тепловой составляющей осажденной частицы.
Считается, что большинство аморфных металлов можно получить закалкой соответствующих расплавов только в случае достижения скоростей охлаждения 10-5-10-7 К/с [1,2], что при одностороннем охлаждении можно реализовать имея коэффициент теплоотдачи на границе раздела расплав - охлаждающая среда в интервале 4-10 кал/см2с-град [3] и толщину аморфного слоя в пределах нескольких десятков микрометров.
Все эти условия могут выполняться при всех газотермических методах нанесения покрытий [4], что позволяет для исследования влияния аморфизации на прочность сцепления покрытия с основой использовать возможности низкоскоростных газовых струй [5].
Результаты исследования характера изменения фазового состава и прочности сцепления покрытий из самофлюсующихся материалов, полученных низкоскоростным плазменным, сверхзвуковым газопламенным и детонационным напылением, показали, что содержание аморфной фазы растет соответственно методу напыления от 30 до 80% (об.), а прочность сцепления аморфизированных покрытий увеличивается с 25 до 90 МПа [6]. По мнению авторов, при любом способе ГТН увеличение степени аморфизации осажденных частиц способствует росту адгезионной прочности покрытий. Вместе с тем, этот вывод в основном базируется на экспериментальной констатации и слабо аргументирован с точки зрения дифференцированного влияния процесса аморфизации на эффективность реализации ведущего для конкретного метода напыления активирующего воздействия (термического или механического) осаждаемых частиц адгезионного слоя на подложку.
Разнообразные схемы активации подложки с помощью осаждаемых с различной скоростью частиц обусловливают превалирующий вклад в адгезию определенных сил сцепления - невалентных сил сцепления или химических сил связи. Так, оптимальные режимы высокоскоростного напыления обеспечивают за время 10-8 с активного взаимодействия ударное проникновение сферических частиц в подложку на половину её диаметра [5], гарантированное сближение механоактивированных ювенильных поверхностей на межатомное расстояние. Но, согласно современным представлениям [7] об энергетическом профиле топохимических реакций и различных скоростях преодоления участков пути (разрушения и образования химических связей), период активного взаимодействия 10-8с на несколько порядков меньше необходимого суммарного времени образования химической связи между предварительно активированными металлами в твердом состоянии. Следовательно, можно предположить, что в условиях высокоскоростного контактного взаимодействия образование высокой адгезионной прочности осуществляется с помощью эффективной реализации в зоне контакта невалентных сил путем касания внешних электронных оболочек атомов. Из расчета [8], реализация в зоне контакта только половины (0,2 эВ) энергии связи невалентных сил обеспечит прочность сцепления порядка 50 МПа.
Таким образом, в рассмотренном способе напыления уровень термической составляющей (энтальпии) жидкой частицы не является лимитирующим фактором в процессе образования прочной связи.
Образование химических связей при низкоскоростном напылении возможно при перераспределении плотности валентных электронов в режиме термоактивируемой топохимической реакции, где определяющими факторами являются температура в контакте Тк, время активного взаимодействия 1:0 и дефектное состояние контактирующих поверхностей.
Основная роль тепловых потоков от частицы к подложке состоит в том, что на начальном этапе взаимодействия они облегчают выход в зону контакта структурных дефектов и повышают эффективность активирующего воздействия напорного давления частицы в процессе зарождения активных центров на поверхности подложки. Для запуска топохимической реакции необходимо обеспечить в системе частица-подложка энергетический баланс [5,9,10]:
А4 ~ё • Оё (1п1;0 + 3 0)~0,5Б3 ~Н, где Еа - энергия локальной активации поверхности подложки, оцениваемая как половина энер
гии сублимации Е$ материала подложки;
Тк - изотермическая температура в контакте;
к - постоянная Больцмана;
1;0 - время выделения теплоты кристаллизации Ь, ~0,3Н.
Значение 1;0 определяется как 1;0 = ^(—)2,
а 2а
где а - коэффициент температуропроводности материала частицы;
И - высота деформированной частицы (ламели);
а - корень уравнения принимается по [10].
Энтальпия частицы, при условии отсутствия зависимости теплоёмкости от температуры описывается уравнением:
Н = лё3/6р(еТш+Ь),
где ё - диаметр частицы;
р - плотность частицы;
Тт - температура плавления частицы;
с - теплоёмкость.
Методика расчета главного внутреннего активирующего параметра ТК обычно основывается на известной модели теплообмена расплавленной деформированной частицы с подложкой, когда процесс затвердевания начинается с выделения скрытой теплоты плавления, благодаря которой в течение времени ^ контактная температура остается постоянной, а над подвижным фронтом кристаллизации находится жидкость. При этом вклад Ь в термическую составляющую (энтальпию) частицы составляет 20-30 %.
Однако принятая модель не учитывает экстремальных условий теплообмена в начальный момент затвердения частиц первого слоя для низкоскоростного метода ГТН на массивную высокотеплопроводную холодную подложку. В этом случае структура ламели со стороны подложки определяется комплексным действием двух факторов: ударного сжатия (действия динамического эффекта) [9] и одностороннего сверхскоростного охлаждения. Известно [9,11,12,13], что самостоятельное действие этих факторов при затвердении ведет к переохлаждению жидкого металла, значительному замедлению образования и роста центров кристаллизации и таким образом способствует зарождению конкурирующего кристаллизации процесса - аморфизации в переходном слое ламели. Степень аморфизации (высота переходного слоя) зависит главным образом от толщины ламели [12].
С помощью расчетов и прямых наблюдений [8,14] установлено, что структура материала ламелей обычной толщины (5-15 мкм), затвердевших на любой холодной металлической подложке, сильно аморфизирована. По мнению Коржик В.Н. при затвердевании частиц с образова-
нием аморфной структуры отсутствует выделение теплоты кристаллизации [12], а в работе [13] Шорошов М.Х. теплоту фазового перехода расплава в аморфную твердую фазу принимает равной (0,5-0,6)Ь.
Характеризуя теплофизические свойства переохлажденных расплавов, необходимо отметить, что температура начала образования твердой аморфной фазы обычно на десять и более градусов ниже температуры кристаллизации поликристаллических материалов. Плотность аморфного материала примерно на 2% ниже кристаллического. Теплоемкость аморфного материала незначительно выше кристаллического, а теплопроводность почти в 2 - 3 раза ниже аналогичного показателя поликристаллов. Кроме того, в аморфной фазе отсутствуют дефекты, способствующие объемному диффузионному взаимодействию на границе раздела фаз - дислокации и границы зерен. Даже вакансии в аморфных сплавах имеют специфическую конфигурацию и не могут поглотить атом. [15]
Таким образом, существенное отличие теплофизических свойств аморфных материалов от поликристаллических аналогов дает основание предположить, что неизбежные аморфизацион-ные процессы в той или иной степени повышают термическое сопротивление переходного слоя ламели, затрудняют выделение теплоты кристаллизации в период зарождения активных центров на поверхности подложки и таким образом снижают уровень теплового вклада частицы в зоне контакта.
Целью данного сообщения является изучение теплофизических процессов, протекающих в контактной зоне жидкая частица-подложка.
Ввиду существующих трудностей практического исследования, рассмотрим процесс амор-физации и кристаллизации жидкой частицы со стороны подложки аналитически, со следующими допущениями: пусть в момент времени 1=0 жидкая частица с температурой Тт, падает на массивную подложку, имеющую нормальную температуру То, в результате чего затвердевание расплава толщиной Х1 проходит с образованием аморфной и кристаллической фаз (рис.1). Появившаяся аморфная прослойка внесёт некоторые изменения в теплообмен, характеризуемый температурой контактной поверхности Тк, влияющей на величину сцепления. Решение этой задачи подобно задаче о затвердевании слитка в охлаждаемой изложнице при наличии зазора, как участка с некоторым тепловым сопротивлением, рассмотренной А.И.Вейником [16].
Рис. 1. Схема процесса затвердевания ламели толщиной Х1 на массивной подложке толщиной Х2.
Закон распределения температур по толщине подложки предусмотрим в виде полинома п-й степени. Обозначения с индексом «1» отнесём к частице, «2»-к подложке, «а»-к аморфному телу.
Составим уравнение баланса тепла системы «частица - подложка»:
Ожидк + 0.кристал + О.аморф Оаккмул.в подложке,
где 0 -количество теплоты соответственно в жидкой, кристаллической, аморфной фазах и аккумулированной в подложке.
Тогда количество теплоты, переданной через контактную поверхность:
¿0^ = РЬрД ^ 0^ = БЬр^;
1
О
ёбепо
пі +
^ Р1С1 (Тт -Та);
О
1
аі .оаеі л ^аг а а
Па +1
^аРаСа (Та - Тк ) ;
(1)
От
п2 +1
РХ2Р2С2 ( Тк - То ) ,
где Б - площадь контакта;
Ь - скрытая теплота кристаллизации;
§ - толщина кристаллического и §а - аморфного участка затвердевшей корки к моменту времени 1;
Х2 - глубина прогретого слоя тела подложки в тот же момент времени.
Необходимо найти Тк = 1 (Тт, То, §а).
В результате алгебраических преобразований были выделены следующие безразмерные комплексы:
^2п2 _ А
1 +
Х2 Х.п.
2 а а
Х2П2 _ А .
Л А2;
Х1п1
^ _ А3.
Х,п,
а а
Тогда, введя дополнительные обозначения:
Л,
Л
Р1С1
+ ЛЬР^ _ а;
т J РаСа (п1 + 1) ТтРаС
(2)
таа
АЪР- _ Ь;
ТтР аСа
(3)
Л
т
V Х2 J ААа
Р2С2
па + 1 РаСа (п2 + 1) Х п
± _ V,
Х2
получаем относительно V следующее квадратное уравнение:
av2 + Ьу + с _ 0;
Л
У1,2 _-
-Ь ±л/Ь7-
4ас
2а
(4)
где решению данной задачи соответствует один из корней.
Для моделирования Тк в условиях ГТН меди на сталь исходные данные были приняты по [17], для аморфного слоя процентная корректировка по данным различных источников дала следующие результаты:
1
С
2
ра =8741,6 кг/м3; аа =0,132-10-3 м2/с;
1а =176 Вт/м-К; са=457,6 Дж/кгК.
Толщину частицы примем-20 мкм, подложки-0,01м.
Максимальная доля аморфного тела принята по [12], где указывается на выделение кристаллической фазы первого слоя в количестве 10% (об.) - при условии относительно низкой теплопроводности стальной подложки примем-15 мкм.
Результаты расчетов (табл. 1), при использовании исходных данных из [17] свидетельствуют о значительном снижении контактной температуры из-за наличия аморфного слоя на границе раздела частица-подложка, в зависимости от его толщины и закона распределения теплоты (рис. 2).
Таблица1
X / ух (мкм) / Тк, при П1=2, П2=3, Па=2 (К) Тк, при П1,2,а =2 (К) Тк, при П1=2, П2=3, Па=3 (К)
20/0 1292,7 1298,8 1292,7
15/5 1250,5 1260,7 1264,6
10/10 1166,1 1184,4 1208,3
5/15 913 955,7 1039,6
Сопоставление результатов расчетов по формулам (4), при нулевом аморфном слое и (2.25) из [17] дало 1-2% относительной погрешности в зависимости от величины п1и п2.
Рис. 2. Зависимость контактной температуры Тк от толщины аморфного слоя и закона распределения теплоты п
Выводы
1. Результаты расчетов показывают, что в случае неизбежного зарождения аморфизацион-ных процессов в переходном слое затвердевающей частицы вклад её тепловой составляющей в повышение контактной температуры существенно падает с ростом толщины аморфного слоя.
2. Чтобы обеспечить необходимые для образования химических связей локальные температурно-временные условия на поверхности холодной подложки при низкоскоростном способе
следует идти по пути напыления крупнодисперсных частиц, позволяющих снизить степень аморфизации увеличением толщины ламели выше обычных (5-15 мкм) значений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Металлические стекла/Под ред. Гилмана Дж.Дж. и Лими .Дж.,США,1978: Пер. с англ. М.: Металлургия,
1984.
2. Аморфные металлические сплавы/Под ред. Люборского Ф.Е.: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1987.
3. Мирошниченко И.С., Брехаря Г.П., Ткаченко Б.Л. Определение скорости охлаждения при закалке из жидкого состояния.//Физика и химия обработки материалов. 1975. №6.
4. Коржик В.Н. Теоретический анализ условий аморфизации металлических сплавов при газотермическом напылении. ¡.Определение скоростей охлаждения дисперсного напылённого материала // Порошковая металлургия. 1992, №9.
5. Синолицын Э.К. Получение прочного сцепления с подложкой при низкоскоростном газопламенном напылении жидких металлических частиц. Взаимодействие частиц с подложкой.//Физика и химия обработки материалов. 2002, №2.
6. Коржик В.Н., Борисов Ю.С. Чернышев А.В. и др. Аморфные и аморфно-кристаллические газотермические покрытия из никелевых самофлюсующихся сплавов. Теория и практика газотермического нанесения покрытий. Том II, часть 2, Дмитров. 1989.
7. .Ревун С.А., Балакирев В.Ф.. Особенности образования адгезионной связи при газотермическом напылении покрытий // Физика и химия обработки материалов. 2002. №2.
8. Хокинг М., Васантасри В., Сидки П. Металлические и керамические покрытия. - М.: Мир, 2000.
9. Харламов Ю.А. Условия получения прочных газотермических покрытий. Теория и практика газотермического нанесения покрытий. Том 1, Дмитров, 1989.
10. Кудинов В.В. Плазменные покрытия. - М.: Наука, 1977.
11. Кудинов В.В., Пекшев П.Ю., Белащенко В.Е., Солоненко О.П., Сафиуллин В.А. Нанесение покрытий плазмой. - М.: Наука, 1990.
12. Коржик В.Н. Теоретический анализ условий аморфизации металлических сплавов при газотермическом напылении.П.Фазообразование при затвердевании напыленного материала // Порошковая металлургия. 1992. №10.
13. Шоршоров М.Х. Ультрадисперсное структурное состояние металлических сплавов. - М.: Наука, 2001.
14. Черноуцан А.И. Физические свойства процесса стеклования // Соровский образовательный журнал. Том 7. 2001, №3.
15. Золотухин Н.В. Аморфные металлические материалы // Соровский образовательный журнал. 1997, №4.
16. Вейник А.И. Теория затвердевания отливки. М.: 1960.
17. Иванов Е.М. Инженерный расчет теплофизических процессов при плазменном напылении. Изд. Сарат. ун-та, 1983.
THE IMPAKT OF DISKRETE LIGUID PARTICLES AMORPHIZATION ON THE ENERGETIC CONDITIONS IN THE ZONE OF ADHESIVE CONTACT
Sidenkov V.A
The article suggests the technique of approximate calculation of peak temperature in the contact heat exchange zone of the cold substrate surface and low-speed melted particle, taking into account its character of solidification. This technique allows to estimate the negative impact of the thickness of the transitional amorphous layer on the activating level of precipitated particle heat constituent.
Сведения об авторах
Сиденков Владимир Александрович, 1963 г.р., окончил Ростовский филиал МГТУ ГА (1994), аспирант Донецкого государственного технического университета, заведующий лаборатории кафедры ВС и АД РФ МГТУ ГА, область научных интересов - теория нанесения газотермических покрытий.
