Моделирование температурно-временного режима ионно-плазменного плакирования порошков Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 621.793.

I. В. Смирнов, I. В. Мельник, А. Ю. Андрейцев

МОДЕЛЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРНО-ТИМЧАСОВОГО РЕЖИМУ 1ОННО-ПЛАЗМОВОГО ПЛАКУВАННЯ ПОРОШК1В

Постановка проблеми. Створення сучасних порошкових матерiалiв передбачае застосування широко! номенклатури композицiйних порошив, що викликае необхiднiсть розробки гнучких i унiверсальних технологiй, якi забезпечують порошковим матерiалам необхiднi властивостi. Одним з напрямiв розв'язання ще! задачi е технологи плакування порошкiв юнно-плазмовими методами у вакуумi. Данi методи дозволяють наносити покриття практично з уах металiв i сплавiв, легко змшювати товщину покриття, а також температуру в контактнш зонi. Важлившим i складним е визначення температури частинок порошку в процес плакування. Практика показуе, що при нанесены покритпв iонно-плазмовим методом вiдбуваеться ютотне зростаюче розiгрiвання поверхнi основи, що може викликати небажаш змiни в структурi i складi матерiалу. При цьому спостер^аеться змiна температури в широких межах вщ 297 до 1000°С i вище, в залежносп вiд розмiрiв деталей i режимiв роботи вакуумно! установки. 1ншою особливютю нанесення покриттiв на частинки порошку е розвинена поверхня 10-100 м2 i бiльше, що викликае необхщшсть збiльшення швидкост випаровування металу i тривалостi процесу плакування. Таким чином, для отримання якiсного плакованого порошку, з одного боку, необхщно визначити час для нанесення на частинки плаковано! оболонки певно! товщини, ^ з iншого боку не допустити перерву частинок порошку, особливо дрiбних фракцiй.

Анал1з публ1кац1й по тем1 досл1дження. Теоретичне моделювання процесiв взаемодп атомiв конденсату з поверхнею основи виконувалося в рядi робiт. В робот [1] дослiджувався ефект зменшення коефщенту конденсаци металiв в вакуумi при пiдвищеннi температури основи. При цьому встановлена наявшсть критично! температури поверхш, при якiй коефiцiент конденсаци дорiвнюе нулю. Теоретичнi дослiдження моделi визначення припустимого теплового потоку на поверхню основи проведенi в робот! [2]. Даш дослщження дозволили визначити граничш робочi параметри iмпульсного джерела плазми. В робот [3] запропонований метод визначення температури поверхш при взаемодп з потоком низькотемпературно! плазми. Отримано анал^ичний розв'язок гранично! задачi теплопровщносп для нестацiонарного випадку на основi перетворення Лапласа i надаш практичнi рекомендацп з застосування методу при формуванш мiкро- и наноструктур в низькотемпературно! плазмi. Питанням, пов'язаним з особливостями юнно-плазмового плакування керамiчних порошкiв, визначенням тимчасових та режимних параметрiв присвячена робота [4]. Проведений аналiз свiдчить про обмеженiсть дослщжень температурних режимiв в процесi плакування порошюв i необхiднiсть проведення математичного моделювання в зв'язку зi складшстю експериментального визначення температури нагрiву окремих частинок порошку.

Мета роботи полягала в моделюванш температурних та тимчасових режимiв плакування порошюв в залежност вщ потужностi iонно-плазмового випарника, матерiалу i розмiру частинок порошку.

Основна частина.

У нерухомш вакуумованiй масi порошку теплопередача здшснюеться тiльки контактною теплопровщшстю частинок i випромiнюванням. При передачi тепла шляхом контактно! теплопровiдностi увесь термiчний опiр зосереджений в мющ контакту частинок. При цьому теплопровщшсть визначаеться фiзичними

характеристиками матертлу порошку, щшьшстю i геометрieю засипки i не залежить вщ розмiру частинок. При теплообмш шляхом випромiнювання шар порошку е системою теплових екранiв, кiлькiсть яких залежить вщ радiусу i геометрп засипки. Внаслiдок низько! контактно! теплопровщносп i екрануючо! дп при променистому

••23

теплообмш, ефективна теплопровiднiсть шару виявляеться на рiвнi 10" -10" Вт/мград.

Металiзацiю порошкiв здiйснювали на установщ iонно-плазмового напилення АНГА-1, обладнаний спещальним пристроем барабанного типу для перемшування порошку [5]. Технологiя, устаткування i процеси, що вiдбуваються при плакуванш порошку даним методом, розглянут в [6]. В якостi матерiалiв оболонки використовувалися Ti, А1, Си, що мають рiзну природу випаровування. Покриття з цих металiв наносилися на частинки порошку А1203, 2г02, WC, якi широко використовуються в практищ отримання жаромiцних i зносостшких покриттiв газотермiчним напиленням, наплавленням, стканням i т. п.

Оцiнити в першому наближеннi температуру поверхнi частинок порошку можна на пiдставi рiвняння теплового балансу [7], яке для сферично! частинки порошку матиме вигляд

^Рпиг = ст ^ + (ГПов - Т )1 (<), 4 М

(1)

де ё, с, т - дiаметр, теплоемнiсть i маса частинки порошку, Рпит - питома потужнiсть, що поглинаеться, Тпов - температура на поверхш частинки порошку.

Геометрiю системи, частинки порошку - тепловий тотк представлено на рис.1.

Р

ООООООООООт=

То

М1 ~ 10"

ёх

к-*

Рис. 1. Геометрiя системи, що моделюеться

В рiвняннi (1) функцiя 1(ё) - це штеграл, що враховуе теплопровiдностi матерiалу частинки порошку i оточуючого середовища (в даному випадку теплопровiднiсть вакууму).

й 2

I {й )= 2-

2лх<йх

0 2 ЛИ

й ^

- х 2 - 1

¿2

( \2 ] )- х2 1

й ( й

2 \ V 2

V )

ЛЙ-1^2 а 70йЛ\ Л ^

2Л + Л (2Л2 +Л1 )2

V Л1 )

де Х1, - теплопровщшсть частинки порошку i оточуючого середовища.

Пiсля вiдповiдних пiдстановок i штегрування рiвняння (1) отримаемо

йТ.

йг

г л

Тпов1 {й) +-^ ТО I {й) +-г р

срлй3

срлй3

2срй

уд-

(2)

Введемо позначення

6Л1Л2

а = —

1 + -

Л

_2Л2

ерк1 {2Л +Л2Л2 +Л" Л .

-1п

; Ь = -аТ0 +

-±- Р 2срй уд.

(3)

Розв'язок рiвняння (2) з врахуванням (3) i початково! умови Т{о) = Т матиме

вигляд

Ь

Ь

Т{г) = 1 То + — 1еа - Ь. (4)

V а) а

Таким чином, з рiвняння (4) отримуемо час, необхщний для досягнення задано! (припустимо!) температури частинок порошку обрано! фракци

1 ,

г = — 1п а

(

аТпов + Ь

аТп + Ь

\

(5)

V аТ0 + Ь )

Грaфiчнi залежносп часу плакування вiд дiаметра частинок порошку оксиду алюмЫю для заданих температур показаш на рис. 2.

т, с

а104, м

Рис.2. Залежшсть часу плакування вщ дiaметрa частинок порошку оксиду алюмЫю при досягненнi температури на 1'х поверхнi 300°С (1), 250°С (2) i 200°С (3)

2

На пiдставi рис.2 можна зробити висновок, що досягнення температури, наприклад, 300°С на поверхш частинок порошку дiаметром 60 мкм вiдбуваeться за час приблизно 20 с, тобто досить швидко. В цьому випадку потрiбне застосування додаткових заходiв щодо стабшзаци температури порошку, яка може здшснюватися шляхом iнтенсивного перемiшування порошку, перюдичним виводом його iз зони дп плазмового потоку або шляхом ци^чного проведення процесу плакування.

Особливютю плакування порошкiв, як було вказано вище, е також нанесення покриття на велику поверхню, що викликае необхщшсть збiльшення тривалостi процесу плакування, пов'язано! з випаровуванням бшьшо! кшькостей металу. У зв'язку з цим, процес плакування порошку доцшьно характеризувати ефективною швидкiстю зростання товщини оболонки на частинках Уеф мкм/хв. Знаючи дану швидкiсть, яка

визначаеться експериментально на плоских зразках - свщках, можна визначити час необхщний для нанесення пшвки потрiбноi товщини на частинках обрано! фракцп порошку

И

I £ =1

к

т =

0 Уеф

Мп БЧ МчЗпГк

ёИ

(6)

де И - товщина плiвки, що наноситься на частинки порошку, мкм; Ук - швидюсть конденсацп металу плiвки на плоску поверхню, мкм/хв; £П, 8Ч - площа шару порошку i площа поверхнi окремо'1 частинки порошку, вщповщно, мм2; МП, МЧ - загальна маса порошку i маса окремо'1 частки порошку вiдповiдно, гр.

Припускаючи, що форма частинок порошку е сферичною, пiсля вiдповiдних пiдстановок i iнтегрування рiвняння (6), отримаемо

М

т = -

П

р БпУк

Я + И Я

\3

(7)

де р, Я - щшьшсть i радiус частинок порошку.

Графiчнi залежностi часу плакування при досягненш товщини оболонки 1 мкм вщ дiаметра частинок порошку з рiзних матерiалiв показаш на рис. 3.

т, с

300

240

180

120

60

1

1 /

. "— /2

/3

0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

104, м

Рис.3. Залежшсть часу плакування вщ дiаметра частинок порошку оксиду алюмЫю (1), оксиду циркошю (2), карбщу вольфраму (3)

Як видно з (7), час металiзацiï для отримання необхщно'1' товщини nniBm залежить як вщ кшькосп завантаження порошку, його фракцп, так i вщ продуктивностi випарника i площi пристрою для завантаження i перемшування порошку.

З аналiзу графшв (рис.3) слiдуe висновок про значний вплив дiаметра частинок порошку на час плакування. Тобто, у разi зменшення дiаметра частинок менше 10 мкм рiзко зросте час плакування i падае швидкiсть конденсацп, а у разi зменшення до 1 мкм i менше час плакування збшьшуеться до технологично неприйнятних значень. Тому, при визначенш часу плакування необхщно враховувати масу i розмiр частинок порошку. Наприклад, час плакування частинок дiаметром 20-100 мкм для досягнення товщини оболонки 1 мкм, не повинен перевищувати 60-80 хвилин при загальнш масi порошку 300 гр. Отримаш залежностi часу плакування вщ товщини оболонки добре узгоджуються з експериментальними даними.

Таким чином, максимальна кшьюсть порошку задано'1' дисперсносп, що завантажуеться в металiзацiйний пристрш, пов'язана з габаритними розмiрами пристрою i потужшстю випарника. Для збшьшення продуктивностi установки доцiльно рацiонально пщвищувати кiлькiсть металу, що випаровуеться за одиницю часу. Проте, це також мае границю у зв'язку з виникненням крапельно'1' фази в продуктах ерозп катода i перегрiв частинок порошку.

Висновки та перспективи подальших дослщжень.

Запропонованi математичнi моделi, що дозволяють визначити час досягнення на поверхш частинок порошку задано'1' температури, а також час плакування для отримання на частинках оболонки необхщно'1' товщини. Це дозволяе коригувати технолопчний режим юнно-плазмового плакування залежно вщ кшькосп завантаження порошку, його фракцп i продуктивносп випарника.

В перспективi математична модель температурного режиму порошку може бути вдосконалена з врахуванням втрати температури частинками на випромшювання.

Л1ТЕРАТУРА:

1. Клебанов Ю. Д. О предельной температуре положки при нанесении покрытий испарением и конденсацией в вакууме/ Ю. Д. Клебанов, В. П. Мусатов, В. П. Сумароков//Физика и химия обработки материалов. - 1980.- №3.- С.60-63.

2. Довгань А. Н. Определение температурного режима положки при осаждении алмазоподобных покритий импульсными источниками плазмы / А. Н. Довгань // Авиационно-космическая техника и технология.- 2009.- № 10 (67).- С.61-65.

3. Казанский Н. Л. Метод определения температуры поверхности в области ее взаимодействия с потоком низкотемпературной плазмы/ Н. Л. Казанский, А. И. Колпаков, В. А. Колпаков, В. Д. Паранин // Журнал технической физики.-2007.- Т.77.- Вып. 12.- С.21-25.

4. Новиков Н. Н. Особенности поведения дисперсных материалов при их металлизации в вакууме/ Н. Н. Новиков. - Рук. деп. Укр. НИИНТП от 12.09.87.20 с.

5. Пат. 41184 Укра'ша , МПК (2009) В22F1/00. Пристрш для нанесення покритпв на порошок / В. I. Копилов, А. Н. Степанчук, I. В. Смирнов, I. А. Селiверстов, А. В. Чорний. - опубл. 12.05.09. - бюл. № 9.

6. Копилов В. I. Процеси юнно-плазмового плакування порошюв для газотермiчних покритпв / В. I. Копилов, I. В. Смирнов, I. А. Селiверстов // Нау^ вют НТУУ „КПГ'. - 2009. - №3. - С.11-20.

7. Лыков А. В. Теория теплопроводности/ А. В. Лыков. - М.: Высшая школа, 1967. - 600 с.

СМИРНОВ Игорь Владимирович - к.т.н., доцент кафедры инженерии поверхности, сварочный факультет Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт».

Научные интересы:

- процессы фазо - структурообразования и физико-механические свойства плазменных покрытий.

АНДРЕЙ ТЕ В Андрей Юрьевич - к. ф.-м. н., доцент кафедры высшей математики государственного экономико-технологического университета транспорта.

Научные интересы:

- симметрия дифференциальных уравнений, математическое моделирование экономических и физических процессов.

МЕЛЬНИК Игорь Витальевич - д.т.н., доцент кафедры электронных приборов и устройств факультета электроники Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт».

Научные интересы:

- моделирование технологических процессов, связанных с термической обработкой различных материалов и изделий.