Функциональные покрытия

     Увеличение  размеров оборудования, повышение его  быстродействия и производительности сопровождаются ужесточением условий работы его узлов и механизмов. Увеличение срока службы деталей машин можно обеспечить путем образования на поверхности этих деталей и элементов слоев или покрытий, обладающих высоким уровнем требуемых свойств — коррозионной стойкости при высоких температурах, износостойкости, твердости, жаростойкости и др.

     Такой путь представляет значительные резервы экономии сырьевых ресурсов. Применение технологии улучшения свойств поверхности материалов расширяет перспективу проектирования и производства различного оборудования с более высоким уровнем эксплуатационных показателей, что, в свою очередь, позволяет сократить потребление энергии и повысить производительность труда в различных отраслях промышленности. 
 
 
 
 
 

     1. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ  СТРОЕНИЯ ГАЗО-ТЕРМИЧЕСКИХ  ПОКРЫТИЙ 

      Газо-термическое  покрытие – это слоистый материал, состоящий из сильно деформированных напыленных частиц, соединенных между собой по контактным поверхностям, на которых произошло химическое взаимодействие.

     Прочность и плотность напыленного покрытия ниже прочности и плотности материала  покрытия в компактном состоянии. Прочность в самих пятнах химического взаимодействия зависит от количества очагов схватывания, образовавшихся на площади пятна и представляющих собой сварные участки небольшого размера.

     Очаги схватывания возникают во время  удара, деформации и затвердевания частиц, а их количество определяется уровнем развития химического взаимодействия материалов в контакте. В покрытии можно выделить структурные элементы, которые отражают процессы его формирования и разделены между собой границами раздела с определенными свойствами. Свойства границы раздела 1 между покрытием и основой определяют прочность сцепления покрытия. Свойства самого покрытия обусловливаются свойствами границ раздела 3 между частицами (рис. 1.1). Сцепление покрытия и основы называют адгезией, а сцепление частиц в покрытии – когезией. Граница раздела между слоями 2 (межслойная граница), полученная за один проход распыляющего устройства, возникает из-за различной длительности выдержки между нанесением частиц в слое и между слоями. За период выдержки межслойного нанесения поверхность ранее нанесенного слоя покрытия окисляется, и контактные процессы между ней и напыляемыми частицами затрудняются, что и является причиной возникновения границы.

     

     

     Рис. 1.1. Схема структуры газо-термического покрытия: 1 – граница между покрытием и основой; 2 – границы между слоями; 3 – границы между частицами в слое; D_x – диаметр участка поверхности контакта, на котором произошло приваривание частиц к основе и друг к другу.

      Структура слоя, сформированного за один проход, неоднородна и определяется различными размерами и энергетическим состоянием (температурой и скоростью) частиц, находящихся в периферийной и центральной зоне двухфазного потока, состоящего из частиц и газа. Кроме того, наблюдается также экранирующее действие периферийных частиц по отношению к частицам центральной зоны, поскольку периферийные частицы при движении распыляющего устройства первыми ложатся на напыляемую поверхность. Толщина слоя в различных покрытиях колеблется в очень широких пределах в зависимости от назначения покрытия, технологии его нанесения, материалов, входящих в состав покрытия. Наиболее часто встречаются покрытия с толщиной слоя от 10 до 100 мкм.

     Образование покрытия последовательной укладкой множества  деформирующихся частиц неизбежно приводит к появлению микропустот, в первую очередь на стыках частиц. Покрытие формируется в атмосфере, поэтому микропустоты заполняются газами, что ухудшает свойства границ, особенно межслойных, имеющих наибольшую насыщенность адсорбированными газами. Вследствие большой шероховатости покрытия и чрезвычайно быстрого растекания и кристаллизации частиц, в зоне контактов с поверхностью ранее нанесенных частиц остаются дефекты и полости, которые образуются также вследствие выделения газов, растворенных в расплавленных частицах. Взаимодействие с атмосферой, адсорбция газов и оседание пылевидных фракций ухудшают свойства межслойных границ.

     Основными элементами микроструктуры газо-термических  покрытий являются (рис. 1.2):

1. сильнодеформированные частицы (ламели) толщиной 5 - 15 мкм;
2. оксидные пленки;
3. поры;
4. микропоры.

     Оксидные  пленки в покрытиях появляются из-за окисления напыляемых частиц кислородом воздуха. При окислении на поверхности  расплавленных сферических частиц образуется плотный слой оксида. После растекания частиц по поверхности основы оксиды остаются в покрытии в виде тонких пленок, расположенных по межчастичным границам.

     Поры  образуются из-за усадочных явлений  при кристаллизации частиц.

     Микропоры образуются из-за насыщения напыляемых частиц газами.

     Оксидные  пленки, поры и микропоры удобнее  всего выявлять на нетравленых микрошлифах  покрытий. Они образуют характерный  темный фон на светлом фоне нетравленых  ламелей (рис. 1.2, а).

     Таблица 1.1

     Свойства  напыляемых материалов в расплавленном  состоянии

 

     Заданный  материал покрытия: WC - 40 % Ni.

      Время кристаллизации частиц на поверхности основы:

                                                    (1.1)

     где h=5мкм – высота затвердевающей частицы;

     с₁, r₁ и l₁ – соответственно теплоемкость, плотность и теплопроводность материала частиц;

     a – аргумент функции интеграла вероятности, являющийся корнем характеристического уравнения:

                                             (1.2) 

      Здесь К_e – критерий тепловой активности материала частицы по отношению к материалу основы;

     К_L – критерий, оценивающий скрытую теплоту плавления материала частицы.

                       (1.3)

                              (1.4)

     Согласно  номограмме: 

     Рис. 1.2. Номограмма для определения аргумента  функции интеграла вероятности  α

     α=0,8 
 

     Таблица 1.2

     Значения  функции Ф(a):

 

     Ф(α)=0,74

     

      Скорость охлаждения частиц:

     

     Таблица 1.3

     Свойства  основы (основа – сталь 15) и результаты расчетов по уравнениям (1.1) - (1.4)

 
 

     

     Шлиф 1 (х360)

     

     Шлиф 2 (х360)

     

     Шлиф 3 (х360)

      Рис. 1.3. Микрошлифы материала покрытия ПГ-СР3 (основа - сталь 15).

     1 - микропоры; 2 - поры; 3 - оксидные плёнки; 4 - основа; 5 - граница раздела 1; 6 - граница раздела 2; 7 - подслой; 8 - основной  слой; 9 - отслоение покрытия от  основы; 10 - сфероидизированные и  непроплавленные частицы 

      На шлифах 1,2,3 представлены микроструктуры плазменных покрытий при увеличении х360. Напыленный материал - порошок ПГ-СР3 (Ni-Cr-B-Si-C) дисперсностью 60-100 мкм. Порошок получен распылением расплава воздухом. На микрошлифе N1 показана микроструктура покрытия без основ и без границы раздела покрытие-основа. На микрошлифе отчётливо видны следующие элементы микроструктуры покрытия: поры, микропоры, оксидные плёнки по границам частиц. Не проплавленные частицы на микрошлифе не обнаружены.