Экспериментальное исследование взаимодействия капель металлических расплавов с основой

• Автор: Смирнов, Андрей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 203 с.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КАПЕЛЬ РАСПЛАВОВ
С ПОВЕРХНОСТЬЮ
ГЛАВА 2. МОДЕЛЬНАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КАПЛЯ МЕТАЛЛА - ОСНОВА ПРИ ПОЛНОМ КОНТРОЛЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ
2.1. Описание модельной физической установки

2.2. Измерение скорости и размера капель перед соударением с основой
2.2. Определение температуры капель перед соударением с основой
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ:
АНАЛИЗ И КРИТЕРИАЛЬНОЕ ОБОБЩЕНИЕ
3.1. Выбор модельных материалов
3.2. Результаты модельных экспериментов и их критериальное обобщение
3.3. Тестирование известных зависимостей
3.4. Критерий стабильного образования сплэтов
3.5. Особенности формирования сплэтов при интенсивном теплообмене
3.6. Реализация последовательного изменения вариантов взаимодействия
3.7. Формирование сплэтов при малых числах Вебера
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. В последнее десятилетие отмечается неослабевающий интерес к проблеме сверхбыстрой закалки микрокапель расплавов различных материалов при их соударении с поверхностью. Данное явление лежит в основе многих технологий, таких как плазменное, детонационное, газопламенное напыление, электро-дуговая металлизация, микрораспыление порошков, получение микрокристаллических и аморфных материалов, а также представляет большой интерес для физического материаловедения (изучение неравновесных диаграмм состояний различных сплавов и композиционных материалов при экстремальных воздействиях) и т.д.
Характерные особенности данной системы - малые размеры частиц, широкий диапазон скоростей и температур их взаимодействия с несущим потоком и поверхностью и, как следствие, наличие факторов, существенно затрудняющих анализ протекающих при этом процессов.
В этой связи, постановка комплексных исследований, обеспечивающих проведение по возможности полностью контролируемых модельных физических экспериментов, корректную интерпретацию и критериальное обобщение получаемых опытных данных, а также прогнозирование более детальной картины явлений является чрезвычайно актуальной проблемой.
Решение перечисленных проблем во многом определяется возможностью постановки комплексных теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия “капля расплава - поверхность” при полном контроле ключевых физических параметров КФП (скорость иро, размер Ор, температура поверхности Тро частицы при ее соударении с подложкой, имеющей заданную температуру Ть0 и состояние поверхности).

В момент столкновения частицы с основой происходят как чисто гидродинамические процессы, так и теплофизические и диффузионные, а также химические. Наши представления о закономерностях указанных процессов весьма отрывочны, а зачастую и противоречивы. Следствием этого является низкая адгезия и когезия, неповторяе-мость служебных характеристик покрытий и дискредитация собственно метода плазменного напыления. Поэтому важнейшими проблемами при исследовании закономерностей формирования плазменных покрытий являются: 1) изучение механизма взаимодействия на границе частица - подложка, 2) установление корреляций между свойствами покрытий и режимными параметрами процесса напыления.
Сформулированная проблема является объектом интенсивных исследований не только в России, но и в ряде научных групп за рубежом: в Японии (Joining and Welding Research Institute, Osaka University; Tokyo Institute of Technology,' Department of Metallurgy), США (Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico), Франции (University of Limoges, Laboratory of Ceramic Materials and Surface Treatment, CNRS), Германии (University of Dortmund, Institute of Materials Technology), Канаде (National Research Council, Industrial Materials Institute).
При плазменном напылении, включающем практически все характерные особенности газотермического напыления (ГТН), покрытие формируется путем послойной укладки отдельных сплэтов, - растекшихся и затвердевших на подложке капель расплава. Длительное время построение теоретических моделей данного явления основывалось на предположении, что при соударении расплавленной частицы диаметром десятки микрон и более затвердевание расплава происходит после полного растекания капли на подложке (Кудинов В.В. Плазменные покрытия. М.: Наука, 1977. 184 с.) Существующие эмпирические зависимости, применяемые для определения степени растекания капель расплава, основаны также на этом предположении.
Исследователи проанализировали все известные немногочисленные экспериментальные данные, характеризующие соударение как капель жидкости, так и капель расплавов. Разброс по степени растекания в обеих выделенных ими областях оказался значительным. В этой связи в работе [56] ими предпринята попытка как теоретического, так и экспериментального изучения процесса взаимодействия капли свинца с основами из меди, окиси алюминия, кварца и фторопласта. Авторы использовали установку для генерации капель Пр=3 мм ± 0,3 при падении с высоты 15-30 см. Температура капли определялась с помощью термопары, встроенной на кончике выходной трубки. Численно исследована двумерная модель теплопроводности, учитывающая затвердевание расплава. Предполагалось что процессу затвердевания капли предшествует ее полное растекание. Поэтому решалась классическая задача Стефана с учетом переохлаждения, принимая во внимание переохлаждение расплава, обнаруженное экспериментально с помощью термопары.
Следует отметить тщательный анализ авторами микроструктуры обратной стороны сплэтов, с приведением фрагментов для каждой пары материалов, однако анализ не сопровождается выводами о структуре поверхности обратной стороны сплэтов в целом. При этом было обнаружено никаких различий в размере зерен, как на верхней, так и_на нижней поверхностях сплэтов, затвердевших на основах из. меди и окиси алюминия, причем нижняя поверхность сплэтов полностью воспроизводила рельеф основ. На нижней стороне сплэта, полученного на стекле, наблюдались множественные ячеистые пустоты, расцененные как захваченный газ в процессе деформации капли. Такое предположение часто применяется при анализе структур напыленных покрытий, обнаруживающих наличие макро- и микропор и при анализе- процесса взаимодействия капли с основой [95, 123 - 128] и др. Однако при изучении нижней поверхности сплэта на