CC BY
53
УДК 629.4.027
В. В. АРТЕМЧУК (ДПТ)
ФОРМУВАННЯ АМОРФ1ЗОВАНИХ В1ДНОВЛЮВАЛЬНИХ ПОКРИТТ1В В УМОВАХ ГАЗОТЕРМ1ЧНОГО НАПИЛЕННЯ
У статп розглянутi питання формування аморфiзованих покритпв в умовах ra30TepMi4H0r0 напилення. Позначено двi групи чинник1в, що впливають на утворення аморфно! структури в детонацшних покриттях з металевих сплаыв. На основi теоретичного aнaлiзу сформульоваш технологiчнi чинники, що визначають можливють отримання aморфiзовaних покриттiв при детонацшному нaпиленнi.
Ключовi слова: aморфiзовaне детонацшне покриття, гaзотермiчне напилення, металевий сплав
В статье рассмотрены вопросы формирования аморфизированных покрытий в условиях газотермического напыления. На основе теоретического анализа сформулированы технологические факторы, определяющие возможность получения аморфизированных покрытий при детонационном напылении. Обозначены две группы факторов, влияющие на образование аморфной структуры в детонационных покрытиях из металлических сплавов.
Ключевые слова: аморфизированное детонационное покрытие, газотермическое напыление, металлический сплав
In the article the issues of forming amorphous coatings in the conditions of gas thermal spraying of coating are considered. On the basis of theoretical analysis the technological factors, determining possibility of obtaining the amorphous coatings at detonation spraying, are formulated. Two groups of factors, influencing on formation of amorphous structure in detonation sprayed coatings from metallic alloys, are marked.
Keywords: amorphous detonation coating, gas thermal spraying, metallic alloy
Як вщомо, аморфш матерiали можна отри-мати електрол^ично, з розплаву або газово! фази при умовi обмеження зародкоутворення кристалiзацi!, при цьому бшьш висока вшьна енерпя розчину, розплаву або газово! фази час-тково збер^аеться при твердшш.
Речовини з аморфною та кристалiчною структурою характеризуются наявшстю областей з ближшм порядком. Можна припустити, що ближнш порядок юнуе в безпосередньому оточенш будь-якого атома, хоча б в ослабленш форм^ а зi збшьшенням вщсташ зростае рiзно-машття структурних конф^урацш, що приводить до змши взаемно! орiентацi!' структурних елементiв.
Дослiдження некристалiчних матерiалiв [1] показують, що будь-яка речовина може юнува-ти в некристатчному станi в тiй або шшш формi.
Особливiстю газотермiчного напилення (ГТН) при отриманнi аморфно! структури е розплавлення аморфiзуючого сплаву в об'емi високотемпературного газового струменя з по-дальшою спрямованiстю потоку розплавлених частинок на деталь. Це стосуеться всiх методiв ГТН незалежно вщ способу створення високотем-пературного газового струменя, особливостей i швидкостей витоку струменя; типiв матерiалiв, що використовують для напилення.
Газотермiчне напилення залежить вiд бага-тьох чинникiв, але цей складний процес умовно можна подшити на такi етапи:
- на^вання i розплавлення матерiалу, що напилюють;
- прискорення крапель розплаву;
- деформащю та твердшня розплавлених часток на поверхш.
Цiкавим е те, що напилюванш частинки, як правило, мають сферичну форму. Така форма створюеться за рахунок того, що час утворення сферично! форми розплавлених частинок при газотермiчному напиленнi на 2.. .4 порядки ме-нше часу !х польоту до основи [1]. Саме тому для вивчення явищ, яю вщбуваються при взае-модi! розплавлено! частинки та основи можна застосувати теорда пдродинамши удару рiдких сферичних частинок об тверду поверхню [2, 3]. В перший момент з^кнення розплавлено! частинки з поверхнею основи в мющ контакту ча-стинка пружно деформуеться та через 10-10...10-9 с в мющ контакту утворюеться тонкий плоский шар розплаву частинки. В процес деформацп частинка розтшаеться, а висота час-тинки зменшуеться.
Дослщження по напиленню аморфних покритпв iз сплавiв на основi Бе газополум'яним методом iз застосуванням ацетилену у якосп горючого газу дозволили отримати повнiстю аморфнi покриття товщиною 0,15... 0,3 мм. При цьому використовували порошки Бе-М-БьБ, Бе-Сг-М-Р-Б, Бе-№-Р-Б та ш. [4]. Показано можливiсть отримання аморфно-кристалiчних покриттiв з низки сплавiв при газополум'яному
© Артемчук В. В., 2010
29
напиленш без додаткового охолоджування iз застосуванням горючого газу пропан-бутана [3].
Ефективною технологieю формування покритпв з аморфною структурою е напилення, засноване на використанш iмпульсного плаз-мового потоку (iмпульсно-плазмове). Плазмо-вий потш утворюеться при розрядi емшсного накопичувача енергп в системi направлених електродiв [5]. Нанесення даним методом з по-рошкiв Бе-Б, Бе-№-Р, №-№, N1-11, №-Р, №-Бе-Сг-В^, Со-Бе-Б-81 та iн. дозволили отримати аморфiзованi покриття товщиною до 2...3 мм
[6]. Важливим е те, що високi швидкостi части-нок напилюваного матерiалу, а саме 1000 м/с i вище, забезпечують максимальш ступенi дефо-рмаци на основ^ що забезпечуе отримання аморфiзованих покритпв з високими значення-
ми швидкосп охолодження Vохол > 107К/с (на-
приклад, Бе2Б та шш^ [5].
Можливiсть отримання аморфiзованих покритпв товщиною до 1,0 мм i бiльше теоретично обгрунтована i експериментально доведена при плазмово-дуговому напиленш порошюв рiзних сплавiв на основi залiза (Бе-Б, Fe-Ni-Б, Бе-Б-С-81, Бе-81-С, Бе-Б-С, Бе-Т1-Б-С, та шш^
[7]. В якостi плазмоутворюючого газу викорис-товували аргон або його сумш з азотом. Покриття наносили у вщкритш атмосферi з вико-ристанням примусового охолоджування основи та без нього. В результат експериментальних дослiджень встановлена корозiйна стшюсть та висока зносостiйкiсть отриманих покритпв [5].
За даними авторiв [8] можливе отримання аморфних покриттiв товщиною до 2 мм та б> льше iз сплавiв Бе-Сг-Р-С, Бе-Р-С, Бе-Б-С при детонацiйному напиленнi ацетилен-кисневою сумiшшю без додаткового охолоджування. До-слiдженi вiдмiнностi в концентрацп елемешгв на поверхнi та структурi цих покритпв в порiв-няннi з аморфними стрiчками аналогiчного складу в широкому iнтервалi температур [8].
В наведених вище та шших роботах у бшь-шостi випадюв для газотермiчного напилення застосовували порошки, отримаш помолом аморфних стрiчок, що, зважаючи на високу ва-ртють початкових стрiчок, е малоефективним з погляду економiчно! доцiльностi. Крiм того, юнують практичнi складностi диспергування цих с^чок. До того ж, в роботах недостатньо порiвняльних даних по використанню рiзних напилюваних матерiалiв та робочих газiв для отримання аморфiзованих покриттiв, не наведено ращональних технологiчних параметрiв, якi забезпечують формування та збереження
аморфно! структури напилених шарiв в процесi напилення та експлуатацп.
Детонацiйне напилення формуе шар та по-ступове зростання його товщини. Як правило, товщина шару, що наноситься за один цикл, не перевищуе 20 мкм, частота нанесення шарiв до 10 Гц, що забезпечуе твердшня шару до нанесення наступного, оскшьки при цих частотах час твердшня часток менше на декшька поряд-кiв. Кожен шар при детонацшному напиленнi твердiе окремо. Це означае, що кожний попере-дньо нанесений шар не шддаеться додатковому термiчному впливу вiд наступного напилюваного матерiалу. Високi швидкостi охолодження дозволяють збшьшити масу швидкозагартова-ного сплаву послщовною добавкою малих пор-цiй розплаву.
Обов'язковою умовою при гартуванш з рiд-кого стану е розплавлення сплаву перед його зiткненням з основою або попередшм шаром. При детонацшному напиленш, яке мае етапи: на^в напилюваного матерiалу, перенесення розплавлених часток та !х зiткнення з основою можна представити у виглядк Т0 > Тт де Т0 -температура частинки в початковий момент охолоджування пiсля зiткнення з основою; Тт -температура плавлення напилюваного мате-рiалу.
Для теоретично! оцшки об'емного змiсту аморфно! фази матерiалу покриття можна роз-глянути вщносне розташування кривих охолодження на температурочасовому полi напилених частинок та термокшетичнш дiаграми конкретного сплаву «температура-час-перетво-рення» (ТТТ^аграма) (рис. 1).
Якщо крива охолоджування огинае в^ку ТТТ-дiаграми, що вщповщае нехтовно малiй кристалiчнiй фазi, рiвнiй 10-6 с, то напиленi частинки мають повшстю аморфну структуру. При зрушенш кривих охолоджування вправо частинки мають аморфно-кристатчну або по-внютю кристалiчну структуру. Ступiнь аморф> зацп покриття визначають графiчно: крива охолодження е дотичною до С-образно! криво!, що вщповщае певному значенню об'емного змюту кристалiчно! фази - г. Час, необхщний для утворення мало! частки кристалiв Z з врахуван-ням кiнетики аморфiзацi! як зародження, так i зростання кристатчних фаз при постiйностi частоти зародження I та лшшнш швидкостi росту кристалiв и, визначимо iз сшввщношень-ня [9]
Г 3 \0.25
' зхи~3 А
п1
Рис. 1. Схема процесу твердшня напилених частинок: 1, 2, 3 - крив1 охолодження; 4, 5 - крив1 Т7Т-д1аграм; L - розплав; А - аморфний стан; К - кристатчний стан; Тg - температура скловання
Припускаючи, що вшьна енерпя створення
АТ
критичного зародка (при -= 0,2) рiвна
50 Ш, а рiзниця вшьних енергiй рiдко! i твердо! фаз при швидких охолоджуваннях AG = АИт AT та використовуючи рiвняння для параметрiв I i U, рiвняння (1) буде мати вигляд [10]:
= 9,3ц(Т)
T (Т - T)
При цьому Тч = —, АТч -•
т т
За рiвнянням (2) розраховують кривi «час-температура-перетворення», а за координатами точки мшмально! стiйкостi переохолодженого розплаву визначають величину критично! швидкосп охолодження:
Т - г
V =
кр _
X
(3)
Ш
Zda9 ехр
1,07
"АТ^3
f3 N
1 - ехр I -
АИ АТ
RT
(2)
де Т та т1 - температура та час, що вщповща-ють виступу С-образних кривих.
При детонацшному напиленш цю умову можна представити у виглядк
Т = Т
20 2п
АТ -АТ
нагр охол
АТ >Т ,
уд т '
(4)
де п(Т) - в'язюсть розплаву;
- середнiй атомний дiаметр;
Ыу - число атомiв в одиничнiй комiрцi; f - вщносна кiлькiсть комiрок на поверхш роздшу «розплав-кристал», в яких може вщбу-ватися перенесения атомiв (для гладких повер-хонь f = 0,2АТч);
Тт - температура лшшдусу;
АИт - молярна теплота плавлення сплаву.
де Т0 - температура частинок в початковий момент охолодження на основу
Тп - початкова температура матерiалу перед напиленням;
АТ,,
нагрiв частинки шсля взаемодil з
продуктами згоряння;
АТохол - охолодження частинки при !! рус за зрiзом ствола;
АТуд - на^в частинки при !! з^кненш з основою;
х
Tm - температура плавлення напилюваного MaTepiary.
TeraoBi процеси при взaeмодiï напилюваного мaтepiaлy з основою е визначальними у фо-pмyвaннi заданого фазового складу покриття. Виршивши завдання охолодження тонко' птв-ки на нашвнескшченнш пiдклaдцi, можна отримати значення швидкостей охолодження для окремо' частинки, що зiткнyлaсь з основою, проте покриття формують нарощуванням швидкозагартованих частинок, та при поступо-вому збшьшенш товщини покриття частинки охолоджуються через напилений шар. Тому значення швидкостей охолодження змшювати-муться залежно вiд товщини покриття. В про-цeсi нарощування товщини покриття змши умов охолодження можна апроксимувати ефек-тивний кoeфiцiент тeплoпepeдaчi аеф, який
враховуе тepмiчний ошр покриття та меж мiж частинкою, що твepдiе та покриттям, самим покриттям й основою [11]. Розглядаючи пере-несення теплового потоку через покриття, як задачу тeплoпepeдaчi через однорщну стiнкy при дoпyщeннi oднoвимipнoстi теплового потоку, отримаемо:
1
а л, = —
еф 1
а
«п
—п
(5)
а
де а1 - кoeфiцiент тeплoвiддaчi на меж poздiлy покриття-основа;
а2 - коефщент тeплoвiддaчi на меж роздь лу частинка-покриття;
8п - товщина покриття; —п - тeплoпpoвiднiсть покриття. Закон змши температури твepдiючoï частинки може бути представлений на oснoвi ршен-ня piвняння тeплoпpoвiднoстi Фур'е [12]:
е = !
eo2sin^„
л ^ « +sin ^ «cos
х cos U exP i-^2 ar\, (6)
де е = Гч -Тп, e0 = Т0 - Тп ;
а - температуропровщнють частинки; x - товщина шару частинки в нaпpямi вщ пiдклaдки до вiльнoï поверхш; Тп - температура пiдклaдки; t - час;
Тч - температура частинки;
Т0 - температура частинки в початковий момент охолодження.
У випадку формування детонацшного покриття критерш Бю (Bi) визначають виразом:
«
Bi = аеф —
еф
(7)
де — - теплопровщшсть частинки.
Дифepeнцiювaння piвняння (6) за часом дае наступний вираз для швидкосп охолоджування:
К,
= а_у 2еоЦIsin х
Ô2 n=1 + sin COs
х COsl « \exP
2 ат
(8)
Дaнi фiзикo-мaтeмaтичнoгo моделювання дозволяють видiлити двi групи чинниюв, що впливають на утворення аморфно'' структури в детонацшних покриттях з металевих сплaвiв. До першо' групи вiднoсять: товщину напиле-них частинок, температуру основи та стушнь дoскoнaлoстi контакту мiж напиленою частинкою та основою, яю бшьше впливають на утворення аморфно'' фази. До друго' - початкову температуру розплавлених частинок, теплоф> зичш влaстивoстi мaтepiaлy основи, товщину покриття.
Для розробки практично'' технологи нанесення aмopфiзoвaних детонацшних покритпв вищезазначеш зaгaльнi чинники нeoбхiднo до-повнити результатами теоретичного aнaлiзy aмopфiзaцiï покритпв з урахуванням техноло-гiчних особливостей детонацшного напилення:
- розгляду високотемпературного газового потоку як результату детонацшного розкладан-ня компоненпв горючо' сyмiшi;
- циклiчнoстi процесу;
- вщносних швидкостей в двофазному пото-цi, висoкiй хiмiчнiй aктивнoстi продукпв дето-нaцiï;
- висoкiй вipoгiднoстi взaемoдiï частинок в piдкoмy сташ при фopмyвaннi одиничного шару;
- шдвищення температури частинки при з> ткненш з основою i таке ш.
Вiдoмo багато poбiт про взаемодда частинок з основою i описом сталого об'ему деформова-но' частинки, проте вони засноваш на припу-щeннi, що взaемoдiя проходить з гладкою пове-рхнею. Нaспpaвдi, взaемoдiя частинок проходить з шорсткою поверхнею, будь то пiсля абразивно' обробки з початковою висотою мш-
х
«
рошорсткост Кп або тсля твердшня рашше напилених частинок 1з сталою висотою мшро-шорсткост Кс. Причому обумовлюють, що в умовах стабшьного осадження частинок вузько! фракци стала висота мшрошорсткост Кс буде постшною. Висоту мшрошорсткосп Кс ощ-нюють так [13]:
К —100
(9)
де Уч - к1нематична в язюсть р1дкого матер1алу частинки.
Об'ем деформовано! частинки можна ощни-ти як суму об'ем1в, що заповнюють попередню мшрошорстюсть та тв1рну власну мшрошорст-юсть.
З достатшм ступенем точност об'ем застигло! частинки можна описати сумою об'ем1в двох конушв з висотою Кс. У результат! ефек-тивну площу тепловщводу, як площу б1чно! поверхш нижнього конуса можна ощнити за формулою:
$еф — ■
1
f
2 Кс
3V„
3V
\
0,5
п + 2К3
(10)
Якщо ввести параметр аморф!заци f (К3),
як вщношення висоти охолоджувано! частинки до ефективно! площ1 тепловщводу залежно вщ швидкост шдльоту напилюваних частинок (ич), то перша похщна за швидюстю залежно вщ швидкосп пщльоту частинок до основи дасть екстремум f (К3) . Швидюсть буде оптимальною з погляду аморф!заци напилювано-го матер1алу:
df ( Ка)
dUч
— 0.
(11)
Отримана з (11) величина ич дасть оптима-льш технолопчш параметри детонацшного напилення за наступною залежшстю [14]:
(
Ц
\
0,5
8L
. C Рч
К К2 р0
(12)
12 К0 J
де Ьз - глибина завантаження напилюваного матер1алу в ствол детонацшно! установки;
Спд - швидюсть звуку в продуктах детонаци;
К1 - коефщент аеродинам1чного опору напилюваних частинок;
К2 - коефщент втрат динам1чного тиску з-за тертя продукпв згорання об стшки ствола i опору частинок;
dч - дiaметр частинки;
р0 - щшьнють вибухово! сумiшi в початко-вому стaнi.
Таким чином, на основi теоретичного анал> зу можна сформулювати технолопчш чинники, що визначають можливють отримання аморф> зованих покритпв при детонaцiйному напилен-нi:
1. З погляду повного розплавлення частинок - тепловий ефект хiмiчно! реакци, довжина
ствола та його дiaметр, розмiр частинок порошку.
2. З погляду зменшення вiрогiдностi взаем -ного термiчного впливу - дiaметр ствола, кшь-кiсть i спошб введення напилюваного мaтерiaлу на одиничний цикл детонaцiйного напилення.
3. З погляду ефективносп тепловiдводу (швидкостi охолоджування напилюваних частинок) - дiaметр частинок, динaмiчний тиск продуктiв детонаци, глибина завантаження порошку у ствол.
4. З погляду хiмiчного, взаемодп з продуктами детонаци - глибина завантаження порошку, тепловий ефект хiмiчно! реакци, хiмiчний склад продукпв детонaцi!, хiмiчнa актившсть напилюваного мaтерiaлу.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Нечипоренко, О. С. Формирование частиц при распылении [Текст] / О. С. Нечипоренко, Ю. И. Найда // Порошковая металлургия. -1968. - № 10. - С. 1-4.
2. Кудинов, В. В. Плазменные покрытия [Текст] / В. В. Кудинов. - М.: Наука, 1977. - 184 с.
3. Кудинов, В. В. Нанесение покрытий плазмой [Текст] / В. В. Кудинов, Л. Ю. Пекшев, В. Е. Бе-лащенко. - М.: Наука, 1990. - 407 с.
4. Miura, Н. Production of amorphous iron-nickel based alloys by flame-spray quenching and coatings on metal substrates [Text] / Н. Miura, S. Isa, K. Omuro // Trans. of the Japan Inst. for Met. - 1984. - 25, № 4. - P. 291-294.
5. Борисов, Ю. С. Формирование структуры покрытий из эвтектических сплавов при газотермическом напылении [Текст] / Ю. С. Борисов, В. Н. Коржик, Ю. А. Куницкий // Тр. III Всесоюзной конф. «Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа». - Т. 1.
- Д.: Днепропетр. металлургический ин-т. -1986. - С. 34-36.
6. Лукина, Г. Н. Структура и свойства импульсно-плазменных покрытий из порошков металлических материалов Бе-Мо-Сг-Б [Текст] / Г. Н. Лукина, М. В. Большаков // Автоматическая сварка. - 1997. - № 3. - С. 14-18.
7. Борисов, Ю. С. Образование аморфных структур в металлических сплавах при газотермическом напылении [Текст] / Ю. С. Борисов, В. Н. Коржик. - К., 1986. - 64 с. (Препринт АН УССР. Ин-т проблем материаловедения; № 10).
8. Шмырева, Т. П. Особенности образования аморфной структуры в металлических сплавах при детонационно-газовой обработке [Текст] / Т. П. Шмырева, В. М. Матухнов, А. С. Аронин // Вопросы формирования метастабильной структуры сплавов. Неровновестная кристаллизация. - Д.: ДНУ, 1987. - С. 109-114.
9. Скаков, Ю. А. Затвердение в условиях сверхбыстрого охлаждения и фазовые превращения при нагреве металлических стекол [Текст] / Ю. А. Скаков, В. С. Крапошин // Итоги науки и техники. Металловедение и термическая обработка металлов. - 1980. - № 13. - С. 3-78.
10. Быстрозакаленные металлы [Текст] / под ред. А. Ф. Прокошина. - М.: Металлургия, 1983. -472 с.
11. Мирошниченко, И. С. Закалка из жидкого состояния [Текст] / И. С. Мирошниченко. - М.: Металлургия, 1982. - 168 с.
12. Ильин, А. И. Стеклообразные структуры подвергнутые действию высокоэнергетических пучков [Текст] / А. И. Ильин, В. С. Крапошин // Поверхность. Физика, химия, механика. - 1985. - № 6. - С. 5-16.
13. Шлихтинг, Г. П. Теория пограничного слоя [Текст] / Г. П. Шлихтинг. - М.: Наука, 1969. -742 с.
14. Астахов, Е. А. Детонационное напыление аморфных и микрокристаллических покрытий [Текст] / Е. А. Астахов, В. Н. Коржик, А. В. Чернышев. - Брошюра общества «Знание». УССР, 1990. - 20 с.
Надшшла до редколеги 03.06.2010.
Прийнята до друку 16.06.2010.
