CC BY
67
Формирование силэтов диоксида циркония,
стабилизированного оксидом иттрия,
ири илазменном наиылении термобарьеров
О.П. Солоненко, A.A. Михальченко, Е.В. Картаев, М.П. Бондарь1, К. Огава2, Т. Шоджи2, М. Танно2
Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия
1 Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия 2 Институт исследований разрушения, Университет Тохоку, Сендай, 980-8577, Япония
Создана модельная автоматизированная плазменная установка для экспериментального исследования процесса формирования сплэтов (растекшихся и затвердевших частиц) при полном контроле ключевых физических параметров — скорость, температура и размер капель расплава при их соударении с подложкой, температура основы и состояние ее поверхности. Это позволило получить представительный набор модельных сплэтов диоксида циркония, стабилизированного окисью иттрия (YSZ), осажденных на полированные металлические подложки (нержавеющая сталь; полированный подслой MQA1Y, напыленный в динамическом вакууме на подложки из никелевого сплава) при полном контроле ключевых физических параметров. Последнее дало возможность провести тестирование развитых теоретических основ формирования сплэтов. Без введения какого-либо эмпирического коэффициента получено достаточно хорошее согласие между теоретически предсказанными и экспериментально измеренными диаметрами и толщинами сплэтов YSZ в достаточно широком диапазоне изменения ключевых физических параметров.
Полученные результаты представляют интерес для оптимизации процесса нанесения первого монослоя покрытий из оксидов металлов, напыляемых на поверхность металлических подложек.
1. Введение
При проектировании газовых турбин для повышения работоспособности и ресурса работы лопаток применяются термобарьерные покрытия, представляющие собой металлический связующий подслой (MCrAlY, М = Ni, Co, CoNi) толщиной 150-200 мкм, напыляемый в динамическом вакууме на поверхность лопатки из никелевого суперсплава, и внешнее керамическое покрытие толщиной 300-350 мкм из частично стабилизированного диоксида циркония (YSZ), в данном случае ZrO2 + 8 % Y2O3, напыляемое в воздушной атмосфере. Согласно многочисленным исследованиям появляющиеся на границе раздела MCrAlY-YSZ оксиды приводят к возникновению дополнительных напряжений и последующему отслаиванию покрытия. Изучению закономерностей формирования указанного слоя оксидов посвящен ряд публикаций [1, 2 и др.]. Согласно [1], основными факторами, приводящими к разрушению покрытия, являются увеличение толщины реакционного слоя в процессе эксплуатации покрытия и наличие мик-
ротрещин и пористости. Первое приводит к увеличению напряжений, возникающих из-за различия коэффициентов теплового расширения, второе — к инициации концентраторов напряжений и снижению адгезии.
Известно [3], что свойства напыленного подслоя оказывают определяющее влияние на ресурс термобарьерного покрытия в целом. В течение работы лопатки с покрытием между подслоем и внешним слоем, а также подслоем и основой формируются оксидные переходные слои, которые уменьшают время жизни термобарьерного покрытия. При этом микроструктура и внутренние напряжения в покрытии в значительной степени связаны не только с режимными параметрами плазменного напыления, но и характеристиками напыляемого порошкового материала.
Обычно оптимизация свойств напыляемых покрытий осуществляется путем выбора соответствующего оборудования, последующей оптимизации технологического потока, фракционного состава заданного порошкового материала и дистанции напыления [3].
© Солоненко О.П., Михальченко A.A., Картаев Е.В., Бондарь М.П., Огава К., Шоджи Т., Танно М., 2003
Швышение кaчecтвa и улучшєниє ^py^rypn та-пыляeмыx пoкpытий из oкcидoв paзличныx мeтaллoв (Al2O3, ZrO2, TiO2, Cr2O3 и дp.) вo мтогом зaвиcят oт нaшeгo пoнимaния пpoцeccoв, пpoиcxoдящиx пpи взaи-мoдeйcтвии pacплaвлeнныx чacтиц, тpaнcпopтиpyeмыx выcoкoтeмпepaтypнoй cтpyeй, c ocнoвoй [4-9]. Дaннaя пpoблeмa тecнo cвязaнa c вoзмoжнocтью пoнимaния пу-тєй цeлeнaпpaвлeннoгo кoнcтpyиpoвaния и oптимизa-ции гpaницы paздeлa MCrAlY-YSZ, что пoзвoлит стз-дaть физикo-мaтeмaтичecкyю мoдeль эвoлюции тep-мoбapьepнoгo пoкpытия в пpoцecce eгo экcплyaтaции. Пocкoлькy дaннaя пpoблeмa дaлeкa єщє дo пoлнoгo pe-шєния, цeлecooбpaзнo oбcyдить и cфopмyлиpoвaть pяд вoпpocoв и вoзникaющиx зaдaч.
Xapaктepными ocoбeннocтями дaннoй шотемы яв-ляютcя мглыс paзмepы чacтиц pacплaвa, бoльшиe œo-pocти иx coyдapeния c пoвepxнocтью пoдлoжки и тапы-ляeмoгo пoкpытия и, гак cлeдcтвиe, нндичиє фaктopoв, cyщecтвeннo зaтpyдняющиx aнaлиз пpoтeкaющиx пpи этoм пpoцeccoв.
B этoй cвязи пpeдcтaвляeтcя a^rya^^™ днльнєй-шєє paзвитиe пpeдcтaвлeний o гидpoдинaмикe и тeплo-физикє взaимoдeйcтвия pacплaвлeннoй чacтицы c ro-вepxнocтью. Пocкoлькy дeтaльнoe экcпepимeнтaльнoe иccлeдoвaниe бoльшинcтвa пpoцeccoв, пpoтeкaющиx внyтpи кaпли pacплaвa и в пpипoвepxнocтныx cлoяx ocнoвы (пoдлoжки или нaпыляeмoгo пoкpытия), кpaйнe зaтpyднeнo, eдинcтвeнный путь — пpoвeдeниe вычте-литeльнoгo экcпepимeнтa в coчeтaнии c paзвитиeм мo-дeльныx aнaлитичecкиx peшeний [1G—13]. Coздaниe тeopeтичecкиx ocнoв дaннoгo явлєния пpeдcтaвляeтcя чpeзвычaйнo aктyaльным для кoppeктнoй интepпpeтa-ции экcпepимeнтaльныx дaнныx, иx кpитepиaльнoгo oбoбщeния и cпocoбcтвyeт paзвитию физикo-мaтeмa-тичecкиx мoдeлeй нecтaциoнapнoгo coпpяжeннoгo шн-дyктивнo-кoнвeктивнoгo тeплooбмeнa и фaзoвыx доев-paщeний пpи coyдapeнии микpoкaпeль pacплaвoв c го-вepxнocтью [14].
Дaннoмy нaпpaвлeнию иccлeдoвaний пocвящeны пyбликaции [15—18 и до.], в кoтopыx paзвитa тeopия paв-нoвecнoгo зaтвepдeвaния гапель мeтaлличecкиx pacплa-вoв, coyдapяющиxcя c пoдлoжкoй (чиcлo Пpaндтля Pr =
= Vpm/apmm << 1.) Зде^ и дндєє vpm, apm — кинeма-
тичecкaя вязкocть и тeмпepaтypoпpoвoднocть pacплa-вa пpи тeмпepaтype Tpm плaвлeния мaтepиaлa чacтицы. Paзвитыe тeopeтичecкиe ocнoвы пoзвoлили cфopмy-лиpoвaть pяд cлeдcтвий, пpaктичecки пoлeзныx для paзличныx тexнoлoгий гaзoтepмичecкoгo нaпылeния: плaзмeннoe нaпылeниe в нopмaльнoй aтмocфepe и пpи пoнижeннoм дaвлeнии, элeктpoдyгoвaя мeтaллизaция, гaзoплaмeннoe, дeтoнaциoннoe и выcoкoчacтoтнoe та-пыление, нaпылeниe выcoкocкopocтнoй cтpyeй пpoдyк-тoв cгopaния и дp. Шлучен пpeдcтaвитeльный нaбop мoдeльныx экcпepимeнтaльныx одлэтов — pacтeкшиx-
cя и зaтвepдeвшиx нa пoдлoжкax чacтиц, пpи пoлнoм кoнтpoлe ключeвыx физичecкиx пapaмeтpoв взaимoдeй-cтвия (cкopocти UpG, paзмepa Dp и тeмпepaтypы TpG чacтицы пepeд coyдapeниeм; тeмпepaтypы TbG пoлиpo-вaннoй пoдлoжки). C пoмoщью paзвитoй тeopии, 6єз ввєдєния кaкoгo-либo эмпиpичecкoгo кoэффициeнтa, выпoлнeнo кpитepиaльнoe oбoбщeниe голученньк и дpyгиx oпытныx дaнныx, xapaктepизyющиx тoлщинy hs и диaмeтp Ds cплэтoв — иcключитeльнo вaжныx пapaмeтpoв, нeoбxoдимыx для дocтoвepнoй oцeнки мнoгиx фyнкциoнaльныx xapaктepиcтик и cтpyктypы пoкpытий; иccлeдoвaнa чyвcтвитeльнocть тoлщины и диaмeтpa cплэтa к вoзмyщeнию ключeвыx физичecкиx пapaмeтpoв, a тaкжe пoлyчeны зaвиcимocти, пpeдcтaв-ляющиє интepec для ycтaнoвлeния oбpaтнoй cвязи в тexнoлoгии гaзoтepмичecкoгo нaпылeния.
B paбoтe [19] пpeдлoжeн тeopeтичecкий пoдxoд для pacчeтa толщины и диaмeтpa cплэтoв пpи гaзoтepми-чecкoм, в тoм чиcлe плaзмeннoм, нaпылeнии кepaми-чecкиx пopoшкoв, включaя oкcиды мeтaллoв (Pr > 1). Bыпoлнeнo пpeдвapитeльнoe тecтиpoвaниe доиближен-того aнaлитичecкoгo peшeния c иcпoльзoвaниeм нaбopa экcпepимeнтaльныx cплэтoв Al2O3, пoлyчeнныx пpи пoлнoм кoнтpoлe ключeвыx физичecкиx пapaмeтpoв. Пoкaзaнo yдoвлeтвopитeльнoe coглacиe тeopeтичecки пpeдcкaзaнныx и экcпepимeнтaльнo измepeнныx дта-мeтpoв cплэтoв в дocтaтoчнo шиpoкoм диaпaзoнe клю-чeвыx физичecкиx пapaмeтpoв 6єз ввєдєния гашто-либo эмпиpичecкoгo шэффициенга. B paбoтe [2G] быто пpoдoлжeнo тecтиpoвaниe пoлyчeнныx зaвиcимocтeй, xapaктepизyющиx гак диaмeтp, тaк и тoлщинy стлэтов нa пpимepe cплэтoв YSZ. Ta^e oтмeчaeтcя дocтaтoчнo xopoшee coглacиe тeopии и экcпepимeнтa.
Целью нacтoящeй paбoты являлocь пpoдoлжeниe те-cлeдoвaний, нaчaтыx в [2G], для peшeния cлeдyющиx зaдaч:
1) пoлyчeниe pacшиpeннoгo нaбopa cплэтoв YSZ, ocaждeнныx пpи голтом кoнтpoлe ключeвыx физичec-киx пapaмeтpoв нa пoдлoжки из пoлиpoвaннoй нepжa-веющей cтaли, пoлиpoвaннoгo и иcxoднoгo пoдcлoя CoNiCrAlY, пpeдвapитeльнo нaпылeннoгo в дитамиче^ кoм вaкyyмe нa никелевый cyпepcплaв;
2) изучение мopфoлoгии голученньк cплэтoв c пo-мoщью cкaниpyющeй элeктpoннoй микpocкoпии, cкa-ниpyющeй лaзepнoй микpocкoпии и пpoфилoмeтpии;
3) нeзaвиcимaя oцeнкa paзмepa чacтиц пepeд иx co-yдapeниeм c пoдлoжкoй c целью oпpeдeлeния пoгpeш-нocти измepeния иx paзмepa c иcпoльзoвaниeм пиpo-мeтpии;
4) cpaвнeниe тeopeтичecки пpeдcкaзaнныx и экcпe-pимeнтaльнo измepeнныx диaмeтpoв и тoлщин мoдeль-ныx стлэтов YSZ, голученньк в ycлoвияx, xapara^pmix для плaзмeннoгo нaпылeния в вoздyшнoй aтмocфepe (чиcлo Beбepa We > 1GG, чиcлo Peйнoльдca Re > 1GG).
Рис. 1. Схема модельной физической установки: диагностический комплекс (а); многощелевая диафрагма (б); вращающийся диск с затвором (в); характерный вид пирометрического сигнала (г): РТ — плазмотрон, D — водоохлаждаемая диафрагма, ES — электромагнитный затвор, S — подложка, CMV — контрольный измерительный объем, L2, Lз — линзы, Р — поворотная призма,
SD — диафрагма, БМ і, БМ 2 — дихроичные зеркала, М і, М 2 — зеркала, Fl, ^2, Fз — светофильтры, РЕМ і, РЕМ 2, РЕМ з — фотоэлектронные умножители, ВШ — дискриминатор, АБС — аналого-цифровой преобразователь
Представленные результаты представляют существенный интерес для понимания фундаментальных процессов при плазменном напылении термобарьеров.
2. Модельная физическая установка
Для исследования соударения одиночных расплавленных частиц с подложкой при полном контроле ключевых физических параметров была создана модельная физическая установка, включающая воздушный плазмотрон номинальной мощностью 50 кВт; дозатор порошковых материалов TWIN-2; узел выделения одиночных частиц, нагретых в плазменной струе, состоящий из водоохлаждаемой диафрагмы, вращающегося диска и электромагнитного затвора; терморегулируемую основу для установки подложки и ее нагрева до заданной температуры; диагностический комплекс для измерения скорости, температуры и размера одиночной частицы непосредственно перед ее соударением с поверхностью подложки.
Схема установки приведена на рис. 1. При прохождении частицей отверстия в диафрагме Б диаметром
1 мм и последующем пересечении контрольного измерительного объема (СМУ) диагностического комплекса происходит перекрывание отверстия с помощью штока электромагнитного затвора ES с целью выделения из плазменной струи одиночной частицы. Время срабатывания затвора составляет 1.5 мс. Поскольку характерный интервал времени между частицами составляет десятки микросекунд, велика вероятность попадания на подложку нескольких частиц. Для уменьшения вероятности таких событий за затвором был установлен вращающийся диск с отверстием размером 5 мм, совмещенным с отверстием диафрагмы, что позволило уменьшить характерное время выделения одиночной частицы до 150 мкс (рис. 1, в).
Измерительный объем диагностического комплекса расположен на расстоянии 5 мм от водоохлаждаемой диафрагмы В и сформирован с помощью приемного объектива Ь1 (рис. 1, а) и двухщелевой диафрагмы SD (рис. 1, б, н = 100 мкм, н2 = 800 мкм, I = 800 мкм, высота 3 мм). Применение двухщелевой диафрагмы SD (рис. 1, б) в плоскости изображения движущейся части-
цы позволяет одновременно определить температуру и осевую компоненту скорости одиночной частицы [21].
Излучение с помощью дихроичных зеркал DM1, DM2 и передающей оптики проецируется на фотокатоды PEM1, PEM2, PEM3, перед которыми установлены светофильтры F1, F2, F3, имеющие узкие полосы пропускания.
Усиленные сигналы с фотоприемников PEM1, PEM2, PEM3 измерительного тракта поступают на вход двух двухканальных аналогово-цифровых преобразователей с синхронизированным запуском. Усиленный сигнал с фотоприемника PEM3 поступает на вход дискриминатора BIS, выдающего стандартные сигналы запуска аналогово-цифровых преобразователей в случае, если уровень собственного излучения частицы превышает некоторое пороговое значение. Дискриминатор используется для устранения ложных запусков, связанных с наличием фонового излучения.
На расстоянии 4 мм от измерительного объема CMV располагалась подложка S, закрепленная на поверхности омического нагревателя с термопарой, что позволяло изменять и контролировать температуру подложки до 600 K.
Для нахождения параметров нагретой в плазменной струе одиночной частицы анализировалось ее собственное излучение в трех областях спектра: Xj = = 0.6328 мкм, X 2 = 0.721 мкм, Х3 = 0.8906 мкм. Характерный вид пирометрического сигнала, регистрируемого по одному из каналов, представлен на рис. 1, г (амплитуда N сигналов — в отсчетах).
Восстановление скорости, температуры и размера одиночной частицы производится с помощью специально разработанной вычислительной процедуры, основанной на корреляционном анализе реального и модельного пирометрических сигналов в сочетании с процедурами оценки характеристик по методу наименьших квадратов [21]. Расчет модельных сигналов для каждого рабочего диапазона длин волн производится согласно зависимости:
а,+ДХ,
Ui = l(Xt)f (Dp, Up, t)e(X,.,T) f АФi(X)dX,
x, -дх,
C (1)
А =7^--------4-------v i = 1, 2, 3,
X5 [exp(C2/ XT) -1]
где f (Dp, Up, t) — функция, описывающая прохождение изображения сферической частицы диаметра Dp в плоскости приемной диафрагмы SD во времени в зависимости от ее скорости Up, пропорциональная площади изображения частицы, последовательно вырезаемой щелями Sj, S2 (рис. 1, б) приемной диафрагмы; e(X., T), i = 1, 2, 3 — излучательная способность частицы в центре пропускания i-го интерференцион-
ного фильтра с измеренным коэффициентом пропускания Фг- (А), Ае [Аг -ДАг/2; Аг + ДАг-/2] (если излучательная способность неизвестна, то используется приближение черного тела); £(Аг-) — коэффициент пропускания г-го оптико-электронного тракта, определяемый с помощью тарировки и связывающий излучаемые частицей световые потоки с регистрируемыми значениями аналоговых сигналов.
Алгоритм обработки экспериментальной информации (реализации), отвечающей отдельной частице, заключается в следующем. Первоначально находится значение скорости мр путем последовательного расчета и отыскания максимума взаимной корреляции между исходной реализацией, отвечающей экспериментальной частице, и семейством модельных реализаций для пробных частиц переменной скорости при среднем значении их размера Вр = (Вр . + Вршж)/2 и температуры Т= = (ТтП + Т1пах^2, исходя из предполагаемых диапазонов изменения последних.
Знание скорости частицы позволяет найти положение постоянной составляющей (в реальных условиях зашумленного плато) трапецеидальных импульсов и определить цветовую температуру частицы Тс (приближение «серого» тела) из соотношения:
А г +ДА г! 2
} ЛСФ г (А)аА
Р(Аг ’ А, ’ Тс) = --------
} ЛСФ ] (А)^
Аj-ДАj ! 2
Л = С
с А5 [ехр(С^АТс) -1]
где иг и и^ — средние значения амплитуд трапецеидальных сигналов в соответствующих областях спектра, г < j.
Проводилась независимая одновременная обработка сигналов в двух парах длин волн: А1 = 0.6328 мкм и А з = 0.8906 мкм, а также А 2 = 0.721 мкм и А3 = = 0.8906 мкм. Как известно, преимуществом метода двухцветовой пирометрии считается относительность измерения. Однако чувствительность данного метода к изменению температуры частицы соизмерима с чувствительностью к изменению отношения излучательных способностей в выбранных областях спектра. Вследствие этого, предположение о постоянстве спектральной излучательной способности (приближение «серого» тела) может приводить к существенной методической погрешности при определении температуры.
С целью повышения надежности определения температуры одиночной частицы, проведена апробация метода полихроматической пирометрии, включающего преимущества относительного и абсолютного спектральных измерений [22, 23]. Алгоритм основан на ана-
= U,/5(Xj) ,
лизе методом наименьших квадратов отклонения экспериментальной мощности излучения частицы от модельной в измеряемых областях спектра X1 = 0.6328 мкм, X 2 = 0.721 мкм, X з = 0.8906 мкм, т.е. в нахождении минимума функции
Д(Гр, е, Т) =
3 Г X 1 +ДХ ,./ 2 I2
= ХК2 е(Х, Т )5(Х) / аф(X )ах- X
I=1 [ X 1 -ДХ 7 2 ]
где
X U2 i=1
(3)
A =
A5 [exp(C 2/ XT) -1]
Согласно [22, 23], минимальное значение функции A(rp, 8, T) наилучшим образом обусловлено, если используется линейная аппроксимация 8(X) = a0 + a1X. Поскольку в нашем случае радиус частицы rp не известен (известен лишь диапазон его изменения), по-прежнему, использовано приближение «серого» тела: 8(X) = = a0 = const в рамках используемого метода трехцветовой пирометрии.
Для определения температуры T используется численный алгоритм нахождения минимума функции (3). Для этого область изменения величин q = 8(X, T)nrp2 и T покрывается двумерной сеткой с узлами (qi, Tj ), i = = 1,..., N1, j = 1,..., N2. В узлах полученной сетки находятся соответствующие значения A ]. Значения величин q * T * для которых
A (q *, T *) = min A t] = 8 2p
(4)
i=1
являются искомыми. Величина 5аррг характеризует точность аппроксимации данных в принятой модели.
Известно [24], что погрешность определения амплитуды пирометрического сигнала в области постоянной составляющей трапецеидального сигнала зависит от величины дисперсии шума аП (в нашем случае дробового шума фотоэлектронных умножителей) и количества отсчетов, по которым проводится осреднение амплитуды. Исходя из этого можно оценить среднеквадратичную ошибку 5 определения амплитуд пирометрических сигналов
X i +AX ¡/ 2
X | rap2 8(X, T )4(X;) J АФ(X )dX - U
X i-AX t/ 2
i=1
82
X U2 i=1
X U2 i=1
A=
X5 [exp(C 2/ XT) -1]
3 „2 3 Xf» (X, ) - N X U» (Xi )|
82 = X— = X »=1 ^ »=1
i=1
N
i=1
(N -1) N
N — количество временных отсчетов при дискретизации сигналов, по которым проводится осреднение.
Получаемые в результате минимизации функции Д(д *, Т*) значения д *, Т* считаются адекватными данным, отвечающим зарегистрированным сигналам {и}, I = 1, 2, 3, если 5аррг <5 (рис. 2).
Оценка размера частицы Вр производилась с помощью метода наименьших квадратов для экспериментальной и модельной реализаций. При этом модельная реализация отвечает уже найденным значениям и р и Тр для длины волны X1 = 0.632 мкм в области постоянной составляющей трапецеидального сигнала с учетом излучательной способности частицы материала 2г02, температурная зависимость которой до 2 800 К на длине волны излучения X = 0.665 мкм приведена в работе [24]. Температуре 2 800 К соответствует значение монохроматической излучательной способности порядка 0.8. В работе [25] подчеркивается возрастающий характер данной зависимости для сферических частиц из полупрозрачных материалов. Таким образом, погрешность оценки размера частицы, вносимая ошибкой в задании значения излучательной способности еЕ [0.82; 1] при температурах выше 2 800 К, не превышает 10 %. Основной вклад в погрешность определения размера с помощью данного метода вносит погрешность определения температуры частицы.
Рис. 2. Функциональная зависимость Д(д , Т) при оптимальном д, штриховая линия, параллельная оси температуры, определяет величину дисперсии шума
-1
X
;>о
С>0
^ = 0 ^<0
ЬЬт > Ьс0 < 1 ЬЬт - Ьс0 < 1 ЬЬт - Ьс0 - 1 ЬЬт > Ьс0 - 1
Рис. 3. Качественное представление возможных сценариев формирования сплэтов
3. Теоретические основы формирования сплэтов оксидов металлов
При плазменном напылении, также как и в ряде других технологий (электродуговая металлизация, газопламенное и детонационное напыление и т.п.), возможны следующие четыре базовых сценария взаимодействия капли расплава с основой, реализующихся на стадии напорного растекания капли в зависимости от значения температуры Тс0, устанавливающейся в контакте между частицей и подложкой (рис. 3):
1) растекание и одновременное затвердевание капли на твердой поверхности основы;
2) растекание, одновременное затвердевание капли и частичное подплавление основы в пятне контакта ее с частицей;
3) растекание жидкой частицы, сопровождающееся одновременным подплавлением основы, и их последующее охлаждение и затвердевание;
4) растекание жидкой частицы по твердой поверхности основы и последующее охлаждение и затвердевание растекшегося слоя с одновременным сворачиванием пленки расплава.
Здесь и ниже Ь = Т/Трт — безразмерная температура; индексы «р» и «Ь» соответствуют частице и основе, в то время как индексы <«» и «1» отвечают твердому и жидкому состояниям материала; дополнительный нижний индекс «т» характеризует параметр соответствующего материала при его температуре плавления; zр, £,
— текущая координата вершины деформирующейся капли, а также координаты фронта затвердевания частицы и плавления основы; Ьс0 — безразмерная контактная температура, не учитывающая теплоту возможных фазовых переходов,
Ь со = (Ь ро + к <"-р) Ь *,)/(! + К <»-р)),
где К !(Ь’р) — критерий тепловой активности материала подложки к материалу частицы, определяемый ниже.
При рассмотрении отдельных сценариев данная температура подлежит коррекции с учетом возможных фазовых переходов. Если при анализе какого-либо сценария обнаруживается, что уточненная контактная температура Ьс не удовлетворяет первоначально выбранному сценарию, то осуществляется смена сценария в соответствии с рис. 3.
Для каждого из перечисленных выше сценариев возможны два характерных режима теплообмена расплава с твердой стенкой (поверхностью фронта затвердевания £(г, I) частицы или подложкой z = 0) в зависимости от величины отношения толщин динамического и теплового пограничных слоев в натекающем расплаве, которое, в первом приближении, можно оценить как 5у/8 а =л/Рт, где число Прандтля Рг = ц рт СРШ/ рассчитывается при температуре плавления материала частицы. Здесь ц р^5 сР^, А(рт — динамическая вязкость, удельная теплоемкость и теплопроводность расплава при температуре плавления. В таблице 1 приведены значения чисел Прандтля для ряда металлов и оксидов.
Очевидно, что описание процессов кондуктивно-конвективного теплообмена между металлическим расплавом и расплавом оксида с твердой стенкой должно основываться на двух различных модельных подходах. Для этого исследуется осесимметричное, неизотермическое, нормальное к подложке растекание расплава в окрестности точки торможения. При этом рассматривается только переходный период, отвечающий времени деформации капли. В случае относительно высокой вязкости и низкой теплопроводности расплава (Рг > 1) тепловой пограничный слой, в котором температура по нормали от стенки изменяется от Трт до Тр0, утоплен в вязком пристеночном течении. Над последним же, при достаточно больших числах Рейнольдса и Вебера реализуется течение, близкое к идеальному растеканию жидкости с начальной температурой Тр0 капли до со-
Характерные значения чисел Прандтля для ряда материалов
Таблица 1
Материал ІП Sn РЬ гп А1 Аи Си
Число Рг 0.013 0.015 0.026 0.033 0.014 0.0064 0.089 0.013
Материал & Fe № W Ті02 Ъ\02 А1203 О 00
Число Рг 0.013 0.137 0.042 0.018 6.26 19.2 44.6 о .7 4.
ударения с подложкой (ввиду относительной малости, пренебрегаем излучением со свободной поверхности). Следовательно, закономерности теплообмена в данном случае полностью определяются гидродинамическими особенностями течения в вязком подслое, и необходимо рассматривать модельную задачу о теплообмене вязкой жидкости, нормально натекающей на изотермическую стенку.
При построении физической модели формирования сплэта (растекшейся и затвердевшей частицы) при Pr>1 используются следующие допущения [19]:
1. Переохлаждение расплава ниже температуры плавления Tpm частицы отсутствует, т.е. затвердевание капли протекает в равновесных условиях.
2. Теплофизические свойства материалов частицы и подложки не зависят от температуры.
3. Предполагаем, что на границе раздела «частица
- основа» реализуется идеальный контакт.
4. Подложка является полубесконечным телом. Можно показать, что в течение формирования сплэта глубина теплового возмущения подложки составляет величину, не превышающую диаметра капли.
5. При растекании и затвердевании капли температура в контакте «затвердевающий слой - подложка» постоянна.
6. В условиях газотермического напыления характерные значения чисел Рейнольдса и Вебера достаточно велики (Re = Dp и ро/v pm > 100, We = p pm Dp u po/ a ® > > 100, ppm, apm — плотность и коэффициент поверхностного натяжения расплава), что позволяет на стадии растекания капли пренебречь силой поверхностного натяжения. Последняя начинает играть существенную роль лишь на конечной стадии формирования сплэта и ответственна, прежде всего, за формирование морфологии его периферийной области (валик, пальцы, частичное обратное сворачивание и т.п.).
7. При определении толщины сплэта в окрестности точки торможения (2r < Dp ) будем считать достаточно обоснованным допущение об одномерности процессов нестационарного сопряженного теплообмена в системе «частица - подложка», включая фазовые превращения. При такой постановке толщина сплэта hs более жестко связана с ключевыми физическими параметрами взаимодействия и теплофизическими свойствами рассматриваемой пары материалов и для указанного диапазона чисел Рейнольдса и Вебера практически не зависит от процессов, протекающих на периферии растекающейся частицы (2r > Dp). Диаметр же сплэта будем определять с учетом найденной толщины, исходя из баланса массы частицы до и после соударения и считая, что окончательная форма сплэта близка к цилиндрической.
8. В процессе растекания и затвердевания капля может быть разбита на две зоны: внешнего потенциального течения и внутреннего приповерхностного вязкого
квазистационарного слоя с эффективной толщиной
Sv, eff •
9. Формирование керамического сплэта протекает в два этапа: 1) стадия идеального растекания капли, затвердевающей от поверхности подложки, в течение которой ее вершина движется с постоянной скоростью up0 до момента встречи с внешней границей вязкого слоя; 2) стадия вязкого растекания, начинающаяся сразу же после первой стадии и завершающаяся в момент встречи фронта затвердевания со свободной границей вязкого слоя.
10. Будем предполагать, что в любой момент времени распределение температуры в сечении затвердевающего слоя квазистационарно, т.е. температура в слое линейно распределена в интервале [Tc; Tpm].
11. Поскольку при газотермическом напылении скорость затвердевания us = hs/1s капли существенно меньше характерной скорости up0 ее деформации, при получении приближенного решения для теплового потока от нормально натекающего расплава к фронту равновесного затвердевания не будем учитывать движение межфазной границы. Действительно, поскольку hs << Dp, а ts~ Dp/ up0 , имеем us << up0.
При получении приближенного решения для первого сценария, наиболее распространенного в технологии газотермического напыления, характеризующего деформацию и затвердевание капли расплава оксида металла на твердой подложке, последовательно рассматриваются две стадии:
- напорного идеального растекания расплава над поверхностью квазистационарного вязкого слоя, вытесняемого движущимся от подложки фронтом затверде-
Рис. 4. Последовательные стадии формирования сплэта при соударении капли оксида металла с подложкой
овит i¡h
t>
И,! fl Jmmß ■■ д||
ж
ж... утш*
Щт * jf1
100 мкм i 1
'"¿а -ö:- '•^'*0 ■* % *^ HS?*-* *
щ
Ш- /М/Ж
и
' т v
ÉI *
*V?
х . *«
Рис. 5. Фотографии внешнего вида частиц порошка № 204 (а) и их поперечного разреза (б), полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа
вания (рис. 4, а), завершающегося выходом вершины частицы на внешнюю границу вязкого слоя (рис. 4, б);
- последующего вязкого инерционного растекания сформировавшегося тонкого слоя расплава, завершающегося встречей фронта затвердевания со свободной поверхностью (рис. 4, в).
Ниже приводится лишь основная идея получения приближенного аналитического решения сформулированной задачи. Подробные детали можно найти в публикации [19].
3.1. Стадия потенциального растекания
Стадия потенциального растекания ограничена периодом идеального растекания капли, начинающегося в момент t = 0 (рис. 4, а) и завершающегося в момент t*, когда вершина растекающейся капли достигнет внешней границы вязкого слоя (рис. 4, б), т.е. z p(t*) =
= Sv + hs1, Sv s%^vpm /а, hs1 = Z(t*) — толщина слоя, затвердевшего на данном этапе. В первом приближении можно предположить, что вершина капли движется с постоянной скоростью up0, т.е. ее текущая координата представляется в виде zp (t) = Dp - up01.
В результате решения полученного уравнения будем иметь
t1 /td = (2/4Pe)^д/1 + 4Pe(1 -nv)/c2 - 1 ’
hs1/Dp = (2/2Pe) 1 + 4Pe(1 -nv)/c2 -1], (6)
где Pe = Dpup^/apm — число Пекле; n = Sv eff/Dp; td = Dp/ u p0 — характерное время деформации капли; cz — параметр, характеризующий скорость затвердевания капли по нормали к поверхности подложки, определяемый из решения соответствующей задачи.
3.2. Стадия вязкого растекания
Стадия вязкого растекания начинается непосредственно после завершения предыдущей и ограничена
промежутком времени вязкого инерционного течения расплава над поверхностью затвердевающего слоя. Она
*
начинается в момент времени t = t1 (рис. 4, б) и завершается в момент времени t = t* +12, когда верхняя граница вязкого слоя встретит фронт затвердевания, т.е. zp(t1 +t2) = hs1 + hs2 (рис. 4, в). Текущая координата этой границы, в предположении, что она продолжает движение в поле скоростей исходного вязкого течения, определяется как zp (t') = Sv, eff /(1 + PSV, efft'), t' = = t -11, а толщина слоя, затвердевшего в течение данного этапа, определяется как hs2 = Z(h +12) - Z(^ ).
В результате решения задачи, отвечающей данному этапу, а также с учетом решения, полученного для первого этапа, полное время формирования сплэта и его окончательная толщина определяются как
t **/td = V2%2pr ( + h sV3cc)2’
hs/Dp = 3^/2 c¡- (y* + hs^3ccyVP^Re .
Диаметр Ds сплэта (рис. 4, в) находится из условия полного баланса массы частицы до и после ее взаимодействия с подложкой в предположении цилиндричнос-ти формы полученного сплэта.
4. Формирование сплэтов YSZ на металлических подложках
В качестве исходного порошка для изучения формирования сплэтов использовался порошок диоксида циркония, стабилизированного окисью иттрия (марка порошка — NS 204, производитель — фирма «Sulzer Metco», США), характерный вид частиц которого представлен на рис. 5.
Как видно из рис. 5, а, практически все частицы с размером до 100 мкм имеют сферическую форму. С учетом этого, перед проведением исследований порошок был предварительно рассеян на ситах для получения узких фракций с размером частиц 45-50, 50-56, 5663, 63-71, 71-80, 80-90 и 90-100 мкм. Кроме того, на
Рис. 6. Типичные сплэты YSZ (порошок NS 204), осажденные на относительно холодные подложки из нержавеющей стали. а — Upo = 146 м/с, Dp = 45 мкм, Tpo = 3 610 K, Tbo = 478 K (фракция порошка 45-50 мкм); 6 — Upo = 138 м/с, Dp = 59 мкм, Tpo = 3 240 K, Tbo = 475 K (фракция 63-71 мкм); в, г — Upo = 146 м/с, Dp = 63 мкм, Tpo = 3 480 K, Tbo = 473 K (фракция 63-71 мкм): общий вид (в), центральная часть сплэта (г)
основании рис. 5, б можно заключить, что значительная доля крупных частиц (Dp > 70 мкм), а также некоторое количество частиц меньших размеров представляют собой полые частицы — баллоны, что необходимо принимать во внимание при интерпретации данных, характеризующих полученные сплэты.
Одиночные частицы расплава осаждались на полированные до зеркального состояния подложки из нержавеющей стали, исходный и полированный подслой CoNiCrAlY, предварительно напыленный в условиях динамического вакуума на подложки из никелевого суперсплава. Морфология сплэтов исследовалась с помощью сканирующих электронных микроскопов HITACHIS-4700 и LEO420 (Цейс, Германия), лазерного сканирующего микроскопа OLS 1100, SHIMADZU OLYMPUS, а также профилографа SHIMADZU OLYMPUS, Kosaka Laboratory Ltd., Japan.
Целью настоящих исследований являлось: 1) получение набора одиночных экспериментальных сплэтов YSZ, осажденных на указанные выше подложки в условиях плазменного напыления в нормальной атмосфере при полном контроле ключевых физических параметров; 2) изучение морфологии полученных сплэтов с помощью сканирующей электронной микроскопии, лазерной микроскопии и профилометрии; 3) определение, а при необходимости корректировка, размера капель расплава перед их соударением с подложкой для отобранного множества регулярных сплэтов; 4) сравнение теоретически предсказанных и экспериментально изме-
ренных толщин и диаметров сплэтов, полученных на полированных подложках, с целью тестирования теоретических основ формирования сплэтов оксидов металлов; 5) осаждение одиночных сплэтов на поверхность напыленного подслоя с целью изучения реальных условий формирования первого монослоя термобарьерного покрытия.
4.1. Формирование сплэтов нерегулярной морфологии на полированных подложках
Как показал анализ сплэтов, сформированных на металлических подложках, в зависимости от температуры подложки реализуются два типа формообразования сплэтов: с регулярной и нерегулярной морфологией. Типичный вид нерегулярных сплэтов, осажденных на относительно холодные подложки (ГЬ0 < 475К), представлен на рис. 6.
Как видно из фотографий, представленных на рис. 6, даже при соударении хорошо прогретых капель расплава с недостаточно подогретыми подложками формируются сплэты с нарушением сплошности материала и «пальцеобразной» структурой на периферии при растекании и затвердевании капли расплава. При этом нестабильность формирования сплэтов, полученных примерно при одинаковых скоростях соударения и температурах капель, более отчетливо проявляется с увеличением их размера. Однако во всех случаях имеет место сплошная структура сплэта в окрестности точки торможения расплава (2г < Dp) при его растекании.
Рис. 7. Формирование сплэтов с образованием «пальцев» на периферии, реализуемое на границе перехода от стабильного к нестабильному режиму растекания и затвердевания расплава: и р0 = 130 м/с, Dp = 80 мкм, Гр0 = 3510 К, ГЬ0 = 584 К (порошок Ш 204, фракция 80-90 мкм)
Другой механизм нестабильного формирования сплэтов имеет место в случае достаточно больших частиц, имеющих жидкую и перегретую оболочку и только частично расплавленное ядро, состоящее из отдельных твердых фрагментов, взвешенных в расплаве. При соударении таких частиц с подложкой, расплав растекается по поверхности, в то время как квазитвердое ядро распадается на фрагменты, препятствующие нормальному растеканию расплава и увеличивающие вероятность его разбрызгивания на периферии в виде струйных выбросов (рис. 7 и 8).
Особого внимания заслуживает формирование нерегулярных сплэтов из полых частиц У82, расплавленных в плазменной струе. В этом случае, непосредственно перед соударением с подложкой, мы имеем каплю, состоящую из жидкой пленки расплава, внутри которой содержится газовая полость, нагретая до температуры, близкой к температуре расплава. При соударении с подложкой такой капли происходит ее значительная деформация, вследствие чего внутреннее давление газа в ней возрастает, а его температура падает из-за теплообмена с поверхностью затвердевшей пленки расплава, при-
Рис. 8. Сплэт, сформированный при соударении не полностью расплавленной частицы (с квазитвердым внутренним ядром), что приводит к «пальцеобразованию» на его периферии: и р0 = 98 м/с, Dp = = 79 мкм, Гр0 = 3 030 К, ГЬ0 = 574 К, (порошок Ш 204, фракция 63-71 мкм)
шедшей в контакт с холодной подложкой. Морфология сплэта при этом определяется одновременным протеканием указанных процессов и во многом зависит от конкретных значений ключевых физических параметров перед соударением.
Для изучения возможных сценариев формирования сплэтов из полых частиц У82 на полированных подложках из нержавеющей стали и кварца был выполнен цикл модельных экспериментов при полном контроле ключевых физических параметров, когда в качестве исходного порошка был использован специально приготовленный порошок, состоящий полностью из сферических полых частиц У82 (рис. 9). Не вдаваясь в излишние детали, отметим лишь, что в результате конкуренции процессов, имеющих место при деформации, охлаждении и затвердевании таких капель расплава, формирование нерегулярных сплэтов происходит, в основном, по следующим сценариям (рис. 10): 1) формирование «рваной» границы на периферии, вследствие истечения плоской газовой струи, увлекающей с собой часть расплава (рис. 10, а); 2) формирование сплэта происходит по предыдущему сценарию, но дополнительно
Рис. 9. Фотографии сферических полых частиц специально приготовленного порошка YSZ, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа: внешний вид частиц (а), их поперечный разрез (б)
Рис. 10. Нерегулярные сплэты, сформированные на полированных подложках из нержавеющей стали (а, б, в) и кварца (г) при соударении частиц, имеющих жидкую оболочку и внутреннюю газовую полость: а — Up0 = 178 м/с, Tp0 = 2 920 K, Tb0 = 523 K (фракция 45-50 мкм); б — Up0 = 178 м/с, Tp0 = 3 180 K, Tb0 = 611 K (фракция 80-90 мкм); в — Up0 = 194 м/с, Tp0 = 3 640 K, Tb0 = 546 K (фракция 80-90 мкм); г — Up0 = 154 м/с, Tp0 = 2 950 K, Tb0 = 423 K (фракция 56-63 мкм)
к сказанному, верхняя часть пленки расплава, взаимодействуя с нижней, формирует как бы второй слой сплэ-та со своим дополнительным струйным выбросом материала (рис. 10, б); 3) высокоскоростное соударение перегретой капли с осесимметричным истечением множественных радиальных струй газа на периферии, вдоль направления которых происходит вынос расплава (рис. 10, в); 4) нарушение стабильного растекания нижней части пленки расплава на низкотеплопроводной подложке с одновременным вертикальным истечением струи газа из вершины деформирующейся капли с последующим ее затвердеванием (рис. 10, г).
Очевидно, проведенный анализ не исчерпывает всех факторов, способствующих нестабильному формированию сплэтов YSZ при плазменном напылении. Данный вопрос находится в стадии дополнительного теоретического и экспериментального изучения.
4.2. Эксперименталъная апробация теоретических основ
Анализ состояния проблемы применительно к формированию сплэтов оксидов металлов (высокая вязкость — низкая теплопроводность расплава) показывает, что к настоящему времени известно большое количество публикаций, посвященных экспериментальному исследованию лишь первого сценария взаимодействия «капля расплава - подложка», и совершенно отсутствуют какие-либо систематические экспериментальные данные и критериальные теоретические описания и
обобщения характеристик сплэтов для трех последних сценариев (рис. 3, б—г). Кроме того, имеющиеся опытные данные для первого сценария (рис. 3, а), в основном, носят лишь качественный характер, поскольку для них не приводятся полностью значения ключевых физических параметров, при которых получены сплэты частиц. Последнее делает невозможным корректную апробацию теоретических основ и результатов моделирования, а также проведение критериального обобщения характеристик сплэтов. Представляется актуальным проведение систематических модельных экспериментов с целью получения представительного набора сплэтов оксидов металлов при полном контроле ключевых физических параметров взаимодействия. Такие уникальные исследования стали возможными в настоящее время в результате создания автоматизированной физической установки, описание которой приведено в разделе 2 настоящей статьи.
С целью дальнейшего экспериментального тестирования разработанных теоретических основ [19] был выполнен цикл экспериментов на модельной физической установке по созданию коллекции сплэтов, сформированных при соударении капель диоксида циркония, стабилизированного окисью иттрия, с различными подложками.
Поскольку погрешность измерения размера частицы, обусловленная отсутствием надежных опытных данных по излучательным характеристикам используемого порошка при высоких температурах, может быть
Рис. 11. Фотографии сплэтов YSZ с регулярной структурой на полированных подложках из нержавеющей стали; ключевые физические параметры перед соударением капель расплава с подложками приведены в таблице 2
значительной, для экспериментальной апробации теоретических основ [19] был выполнен следующий дополнительный тест. Из полученного набора сплэтов (порошок ^ 204) были отобраны пятнадцать, имеющих достаточно регулярную структуру (рис. 11, 12 и табл. 2), для которых с помощью профилографа
Surfcorder SE-2300 (Kosaka Laboratory Ltd., Japan) были сняты профилограммы поверхности в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Тщательная обработка полученных данных позволила получить среднее значение толщин сплэтов, которые совместно с их диаметрами, измеренными с помощью электронного ска-
Таблица 2
Экспериментально определенные значения ключевых физических параметров для сплэтов диоксида циркония, стабилизированного окисью иттрия, осажденных на полированные подложки из нержавеющей стали (№№ 1-5) и подслой CoNiCrAlY, напыленный в динамическом вакууме на никелевый суперсплав, (№№ 6-15), а также значения измеренных (Ds exp, h exp) и теоретически предсказанных (Ds са1с, hs са1с) диаметров и толщин сплэтов
№ О О 'І о СР 3 о Dp, мкм Ds>exp, мкм Ds, calc ’ мкм hs>exp, мкм hs, calc ’ мкм
1 581 130 2980 45.6 180 190 1.96 1.75
2 586 114 3120 37.9 253 247 1.45 1.48
3 475 138 3210 56.9 158 156 1.91 2.01
4 584 122 3390 52.8 223 238 1.97 1.74
5 591 130 3400 57.0 251 266 1.96 1.74
6 620 122 2980 39.4 152 155 1.68 1.71
7 598 162 3330 42.9 199 195 1.33 1.43
8 522 138 3540 39.9 174 176 1.40 1.44
9 630 146 3300 42.7 191 190 1.42 1.51
10 612 130 3540 36.0 150 154 1.38 1.38
11 592 154 3310 52.4 250 242 1.55 1.63
12 624 146 3380 54.3 253 261 1.66 1.68
13 624 138 2950 57.1 256 257 1.89 1.97
14 617 178 3170 42.2 197 189 1.29 1.40
15 682 146 3610 63.2 314 317 1.71 1.67
Рис. 12. Фотографии сплэтов YSZ (ЫБ 204) с регулярной структурой на полированном подслое Со№ОАГУ, напыленном на подложку из никелевого суперсплава; ключевые физические параметры перед соударением капель расплава с подложками приведены в таблице 2
нирующего микроскопа НГГАСШ Б-4700В, были использованы для оценки объема сплэтов в предположении цилиндричности их формы. Учитывая, что имеет место баланс массы до и после соударения с подложкой, т.е. прртDp/6 = пррт Ds2hs/4, была проведена оценка размеров капель расплава до их соударения с подложкой. Полученные размеры капель Бр, наряду с остальными ключевыми физическими параметрами, представленными в таблице 2, использовались далее при теоретической оценке толщин и диаметров отобранных сплэтов. Как видно из представленных на рис. 13 результатов сравнения, имеет место достаточно хорошее согласие между экспериментальными и теоретическими данными.
Анализ морфологии поверхности сплэтов, представленных, например, на рис. 11, позволяет сделать вывод о том, что их внешняя поверхность имеет трещиноватую ячеистую структуру, обусловленную усадкой растекшегося тонкого жидкого слоя расплава при его затвердевании. Ячейки представляют собой неправильные многоугольники, причем ориентация части границ ячеек совпадает с преимущественным направлением полировки поверхности подложки из нержавеющей стали, то есть наследует морфологию ее поверхности. В то же время, поперечный размер границ ячеек, по-видимому, определяется скоростью охлаждения и затвердевания расплава. В целом же, ячеистая структура поверхности сплэтов довольно однородна, и лишь на
саь МКМ _ а
- Р'
300 - у
-
200 - п§
- и
- т
1 пп
■ ~ ~ і і і і і і і і і і — 100 200 300 05 ехр, мкм
Рис. 13. Сравнение между экспериментально измеренными и теоретически предсказанными диаметрами (а) и толщинами (б) сплэтов
их периферии ячейки слегка вытянуты в направлении растекания расплава. По нашему мнению, последнее подтверждает точку зрения о том, что для исследованного диапазона изменения ключевых физических параметров процессы растекания и затвердевания протекают одновременно.
4.3. Взаимодействие капелъ расплава YSZ с предварителъно напыленным подслоем
Для изучения особенностей формирования первого монослоя покрытия из порошка YSZ, напыляемого в нормальной атмосфере, на поверхности подслоя Со№СгА^, предварительно напыленного в условиях динамического вакуума, были выполнены дополнительные эксперименты. Под первым монослоем будем понимать слой покрытия, полностью покрывающий поверхность подложки, сформированный из минимального количества сплэтов. Для этого около десяти расплавленных частиц каждой фракции YSZ были осаждены на поверхность подслоя, типичная морфология которой, полученная с помощью лазерного сканирующего микроскопа OLS 1100, SHГMADZU ОЕУМРШ, представлена на рис. 14. Как видно из рис. 15, в данном
X
Рис. 14. Морфология поверхности подслоя Со№СгА1^ напыленного в динамическом вакууме на подложку их никелевого суперсплава. Все размеры указаны в мкм
случае, как и в случае полированной подложки, сплэты имеют трещиноватую структуру, которая определяется морфологией поверхности предварительно осажденного подслоя и условиями теплообмена на границе раздела.
5. Заключение
В работе получены следующие новые результаты.
1. Создана модельная автоматизированная плазменная установка для экспериментального исследования процесса формирования сплэтов (растекшихся и затвердевших частиц) при полном контроле ключевых физических параметров (скорость, температура и размер капель расплава при их соударении с подложкой; температура основы и состояние ее поверхности).
2. Получен представительный набор модельных сплэтов диоксида циркония, стабилизированного окисью иттрия, осажденных на полированные металлические подложки (нержавеющая сталь; полированный подслой МСгА^, напыленный в динамическом вакууме на подложки из никелевого сплава) при полном контроле ключевых физических параметров.
Рис. 15. Несколько сплэтов YSZ (порошок № 204, фракция 5663 мкм), осажденных на поверхность подслоя Со№СгА1^ предварительно напыленного на подложку из никелевого суперсплава
3. Проведено дальнейшее тестирование развитых теоретических основ формирования сплэтов. Без введения какого-либо эмпирического коэффициента получено достаточно хорошее согласие между теоретически предсказанными и экспериментально измеренными диаметрами и толщинами растекшихся и затвердевших на металлических подложках капель расплава YSZ в достаточно широком диапазоне изменения ключевых физических параметров. Однако требуется дальнейшее систематическое экспериментальное тестирование развитых теоретических основ путем расширения набора сплэтов Al2O3, ZrO2, TiO2 и других оксидных керамик, полученных в условиях полного контроля ключевых физических параметров.
Полученные результаты представляются полезными для проектирования и оптимизации процесса нанесения первого монослоя термобарьерных, каталитических и других покрытий из оксидов металлов, напыляемых на поверхность металлических подложек.
Авторы выражают благодарность О.Л. Первухиной за оказание технического содействия при проведении экспериментальных исследований.
Работа выполнена при поддержке Интеграционного проекта СО РАН № 45, а также грантов № 13450041 и № 11СЕ2003 Министерства по делам образования, культуры, спорта, науки и техники Японии.
Литература
1. Ogawa K., Shoji Т., Aoki H., Fujita N., Torigoe T. Mechanic understanding for degraded thermal barrier coatings // JSME International Journal. Series A. - 2001. - V. 44. - No. 4. - P. 507-513.
2. Ogawa K., Kato Т., Shoji T. Improvement of interface bond strength between ceramic thermal barrier coatings and metal bond coatings // Proc. of the Int. Thermal Spray Conf., 4-6 March 2002. - Germany, Essen, 2002. - P. 900-904.
3. Meier S.M., Gupta D.K. The evolution of the thermal barrier coatings in gas turbine engine application // J. Eng. Gas Turbine and Power. -1994. - No. 116. - P. 250-257.
4. Vardelle M., Vardelle A., Li K.-I., Fauchais P., Themelis N.J. Coating generation: Vaporization of particles in plasma spraying and splat formation // Pure and Applied Chemistry. - 1996. - V. 68. - No. 5. -P. 1093-1099.
5. Fauchais P., Vardelle M., Vardelle A., Bianchi L., Leger A.C. Parameters controlling the generation and properties of plasma sprayed zirconia coatings // Plasma Chemistry and Plasma Processing. - 1996. -V. 16. - No. 1 (Supplement). - P. 99S-125S.
6. Matejicek J., Sampath S., Herman H. Processing effects on splat formation, microstructure and quenching stress in plasma sprayed coatings // Thermal Spray. Meeting the Challenges of the 21th Century / Ed. by C. Coddet. - Material Park, Ohio, USA: ASM International,
1998. - P. 419-424.
7. Fan X., Gitzhofer F., Boulos M. Investigation of alumina splats formed
in the induction plasma process // J. Thermal Spray Technology. -
1998. - V. 7. - No. 2. - P. 197-204.
8. Shinoda K., Han P., Yoshida T. The microstructure of YSZ splats deposited by hybrid plasma spraying // Proc. of the 15th Int. Symp. on
Plasma Chemistry, 9-13 July 2001. - France, Orleans, 2001. - V. 6. -P. 2661-2666.
9. Solonenko O.P., Neronov V.A., Smirnov A.V, Kuz’min VI. Structure, porosity and adhesion of ceramic coatings sprayed under different regimes of plasma jet outflow // Proc. of the 14th Int. Symp. on Plasma Chemistry, 2-6 August 1999. - Prague: Inst. of Plasma Physics, 1999. -V. 4.- P. 2127-2132.
10. Mostaghimi J. Modeling droplet impact in plasma spray processes // Pure and Applied Chemistry. - 1998. - V. 70. - No. 6. - P. 1209-1215.
11. Solonenko O.P., Golovin A.A., Shurina E.P., Mikhalchenko A.A., Smirnov A.V, Kartaev E.V Peculiarities of ceramic splats formation under plasma spraying: Theory, computer simulation and physical experiment // Proc. of the 1st Int. Symp. on Advanced Fluid Information, 3-6 October 2001. - Sendai: Inst. of Fluid Science. - P. 492^97.
12. Солоненко О.П., Шурина Э.П., Головин А.А. Конечноэлементное моделирование соударения капли расплава с подложкой при плазменном напылении // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 1. - С. 29^2.
13. ПоповВ.Н. Моделирование затвердевания металлической капли на холодной подложке // Математическое моделирование. - 2001. -Т. 13. - № 9. - С. 119-127.
14. Солоненко О.П., Смирнов А.В., Клименов В.А., Бутов В.Г., Иванов Ю.Ф. Роль границ раздела при формировании сплэтов и структуры покрытий // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 1-2. - С. 123140.
15. Солоненко О.П., Смирнов А.В. Соударение капли расплава с поверхностью. Теория и модельный эксперимент // Доклады РАН. -
1998. - Т. 363. - № 1. - С. 46-49.
16. Солоненко О.П., Алхимов А.П., Марусин В.В. и др. Высокоэнергетические процессы обработки материалов. - Новосибирск: Наука, 2000. - 425 с.
17. Solonenko O.P. Equilibrium solidification of melted microdroplets under their collision with substrate: Theory and its application in thermal spray technology // Thermal Plasma Torches and Technologies. V. 2. Thermal Plasma and Allied Technologies. Research and Development / Ed. by O.P. Solonenko. - Cambridge: Cambridge International Science Publishing, 2001. - P. 78-98.
18. Solonenko O.P, Smirnov A.V Equilibrium solidification of melted microdroplets under their collision with substrate: Model experiment and criterial generalisation of splats morphology // Ibid. - P. 99-113.
19. Солоненко О.П. Теплофизические основы формирования плазменных покрытий из порошков оксидов // Физ. мезомех. - 2001. -Т. 4. - № 6. - C. 45-56.
20. Solonenko O.P, Mikhalchenko A.A., Kartaev E.V, Ogawa K., Shoji T. Model studying zirconia droplet deposition and solidification on substrate under plasma spraying: theory and experimental verification // Proc. of the 5th JSME-KSME Fluids Engineering Conf., 17-22 November 2002. - Japan, Nagoya.
21. Solonenko O.P, Mikhalchenko A.A., Gavrilov V.A., Kartaev E.V Highspeed laser-optical computerized apparatus for complex studying a disperse component in dusty plasma flow // Proc. of the 14th Int. Symp. on Plasma Chemistry, 2-6 August 1999. - Prague: Inst. of Plasma Physics,
1999. - V. 2. - P. 439-444.
22. Свет Д.Я., Пырков Ю.Н., Плотниченко В.Г. Определение температуры и спектральной излучательной способности веществ, недоступных для непосредственного контакта // Доклады РАН. -
1998. - Т. 361. - № 5. - С. 626-629.
23. ЛеоновА.С., Русин С.П. О решении обратной задачи определения температуры по спектру теплового излучения нагретых тел // Теплофизика и аэромеханика. - 2001. - Т. 8. - № 3. - С. 475-486.
24. Излучательныге свойства твердых материалов: Справочник / Под ред. А.Е. Шейндлина. - М.: Энергия, 1974. - 470 с.
25. Домбровский Л.А. Тепловое излучение сферической частицы из полупрозрачного материала // Теплофизика высоких температур. -
1999. - Т. 37. - № 2. - С. 284-293.
Formation of yttria-stabilized zirconia splats
in plasma spraying of thermal barrier coatings
O.P. Solonenko, A.A. Mikhalchenko, E.V. Kartaev, M.P. Bondar1, K. Ogawa2, T, Shoji2, and M. Tanno2
Institute of Theoretical and Applied Mechanics, SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia 1 M.A. Lavrentyev Institute of Hydrodynamics, SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia
2 Fracture Research Institute, Tohoku University, Sendai, 980-8577, Japan
A model automated plasma setup was designed to investigate experimentally the formation of splats (spread and solidified particles) at the totally controlled key physical parameters (the velocity, temperature and size of molten droplets impacting on a substrate, the temperature and surface state of the substrate). The plasma setup made it possible to obtain a representative set of model yttria-stabilized zirconia (YSZ) splats deposited on polished metal substrates (stainless steel, polished MCrAlY sublayer sprayed on Ni-alloy substrates under dynamic vacuum) at the totally controlled key physical parameters. This allowed verification of the obtained theoretical results of splat formation. Without introducing an empirical coefficient quite a good agreement between the calculated and experimental diameters and thicknesses of YSZ-splats was obtained varying widely the values of the key physical parameters.
The results obtained are of interest in optimizing the deposition of the first monolayer of coatings from metal oxides sprayed on metal substrates.
