УДК 67

Механизм формирования адгезионного соединения

Тимохова Оксана Михайловна – доктор технических наук, доцент Ухтинского государственного технического университета

Тимохов Роман Сергеевич – кандидат технических наук, доцент Ухтинского государственного технического университета

Шакирзянов Дмитрий Игоревич – кандидат технических наук, доцент Ухтинского государственного технического университета

Аннотация: Прочность адгезионного соединения является важнейшей характеристикой, определяющей надежность и работоспособность покрытий, а также напряженное состояние, которое формируется в процессе напыления. Поскольку надежность, эффективность и эксплуатационные характеристики покрытий деталей технологических машин зависят от прочности соединения покрытие-металл, рассмотрим основные вопросы, связанные с достижением стабильного и надежного соединения на границе раздела покрытие-подложка.

Ключевые слова: адгезия, напыление, термическая активация, покрытия.

Теория и практика высокотемпературного напыления показали, что успехи в создании покрытий в основном связаны с изучением процессов получения прочного сцепления покрытий на металлах и керамических материалах. Прочность адгезионного соединения является важнейшей характеристикой, определяющей надежность и работоспособность покрытий наряду с напряженным состоянием, формирующимся в процессе напыления, охлаждения и эксплуатации покрытий. Обобщенная теория сцепления в настоящее время отсутствует, хотя предпосылки для ее создания уже имеются [1]. Теоретические представления о природе соединения покрытий с основным материалом (основой) во многом противоречивы. В связи с тем, что надежность, эффективность и работоспособность покрытий на деталях дизеля зависят от прочности соединения покрытия с металлом, рассмотрим основные вопросы, связанные с получением устойчивой и надежной связи на границе покрытия и основы.

Ранее в литературе не делалось различия между терминами «адгезия» и «сцепление». А. А. Аппен упорядочил терминологию [1], показав, что адгезия отождествляется с одномерным физико-механическим взаимодействием на границе покрытие – основа, а сцепление является вторичным процессом, обусловленным двумерным (объемным) взаимодействием через плавление, атомную или реакционную диффузию и т. д.

Мерой прочности сил связи покрытия с основой принято считать прочность сцепления, обычно нормальную силу отрыва покрытия от основы. Однако практически покрытие не отрывается только по адгезионной зоне или по зоне объемного взаимодействия. Зачастую покрытие отрывается когезионно, поэтому в дальнейшем количественно-определимую меру прочности на отрыв будем называть адгезионной прочностью (по среднему месту отрыва – между зоной объемного взаимодействия и когезионного разрушения).

Существуют несколько теорий формирования зоны соединения покрытия и основы при высокотемпературном напылении покрытий. Все они основаны на трех уровнях взаимодействия напыляемого материала и основы: механическом, физическом и химическом. Эти уровни характеризуются различным энергетическим состоянием и создают различную адгезионную прочность. Механическое зацепление напыляемого материала с основой лежит в основе ряда теоретических толкований адгезионной прочности [3]. В основу механической теории положена зависимость адгезионной прочности от глубины шероховатости поверхности адгезионного контакта. Рассматривается два основных типа механического зацепления: клиновое, обусловленное трибомеханическим взаимодействием покрытия и неровности, и анкерное, при котором неровности шероховатой поверхности расширяются у основания, обусловливая якорную связь. Шероховатость поверхности, определяющая ее развитость и активность, позволяет хорошо смачивать поверхность напыляемыми частицами. Смачиваемость зависит от поверхностного натяжения частицы, химического сродства частицы и основы, температуры основы и частицы, а также чистоты поверхности. Анализ процесса смачивания жидкими расплавами металлических поверхностей провел А. А. Аппен [1]. Установлено пять критериев адгезии в условиях контактной активности основного металла: термодинамический, энергетический, электрохимический, электронно-структурный, электростатический [1]. Адгезия покрытий в условиях смачивания дает новое, более качественное по сравнению с механическим, соединение.

Если освободить напыляемую поверхность от инородных атомов и молекул (сделать ее физически чистой, или ювенильной), то представляется возможным при распылении расплавленных частиц получить физическое взаимодействие в зоне контакта.

Физическое взаимодействие действует на атомарном, ионном и молекулярном уровнях. При сближении атомов напыляемого- материала и основы на расстояние 10-9 м могут возникнуть силы молекулярного взаимодействия Ван-дер-Ваальса. Если сблизить атомы на расстояние 3·10-10 м, то образуются металлические связи. В этих условиях начинают работать пять критериев адгезии, приведенных А. А. Аппеном.

В условиях физического взаимодействия силы Ван-дер-Ваальса создают весьма низкую адгезионную прочность по сравнению с соединением, обеспеченным металлической связью. При наличии такой связи было предложено несколько механизмов образования адгезионного контакта: рекристаллизационный, пленочный, энергетический. Рекристаллизационная гипотеза [3] предполагает совместную рекристаллизацию зерен покрытия и основы на границе раздела, обусловленную высокой температурой и давлением в момент удара капли об основной материал. Энергетическая гипотеза схватывания [4] основана на возникновении энергетического порога схватывания как необходимого условия возникновения адгезионного взаимодействия.

Энергетическая теория предопределяет химическое взаимодействие покрытия и основы, как наиболее прочное, хотя сама относится к бездиффузионным [4]. Преодоление энергетического порога схватывания, превышение энергии взаимодействия материала покрытия и основы этого порога над энергией активации процесса химического взаимодействия открывают путь от физической к химической связи в адгезионной зоне. Возникновение химической связи приводит к химическому диффузионному взаимодействию металлов покрытия и основы [5].

Анализу физико-химических процессов активации адгезионной зоны, теплофизических и других аспектов напыления, объясняющих формирование прочного соединения покрытия и основы, посвящены работы [1-5].

Процесс формирования прочного сцепления можно разбить на три этапа:

  • образование физического контакта атомов на расстоянии, достаточном для их химического взаимодействия;
  • активация и химическое взаимодействие атомов, приводящие к установлению прочной химической связи;
  • релаксационные процессы (рекристаллизация, гетеродиффузия, образование новых фаз и т. д.).

Первые две стадии протекают на поверхности раздела (одномерные), третья стадия объемного взаимодействия (двумерная).

В работе [4] показано, что прочность связи при напылении является сложной функцией

image001

где Тк – температура в контакте частица – основа; image002 – длительность удара и затвердевания частицы; ρ – давление, развивающееся при ударе.

Изучение явлений, происходящих в зоне удара, позволило рассчитать давление при ударе жидкой частицы об основу. В условиях плазменного напыления, когда скорость частицы в полете составляет 100…150 м/с, при соударении возникает импульсное давление до 150 кгс/мм2 в течение 10-8…10-9 с. В результате происходит растекание капли, активация процесса взаимодействия капли с основой.

Однако в условиях высокотемпературного напыления регулировать длительность удара и его величину затруднительно. В связи с этим важнейшим фактором повышения адгезионной прочности становится термическая активация контакта напыленной частицы и основы.

Термическую активацию для достижения химического взаимодействия можно осуществить предварительным подогревом основы, перегревом напыляемых частиц, а также применением термореагирующих материалов.

image003

Рисунок 1. Методы регулирования физико-химического взаимодействия материалов при напылении.

Как показали некоторые исследования, термическая активация поверхности напыления и формирование диффузионной зоны приводят к увеличению адгезионной прочности до 7…15 кгс/мм2 [5].

Недостатками, присущими термической активации, являются:

  • сильное окисление поверхности при подогреве без защитной атмосферы;
  • сильный перегрев напыляемой поверхности (500…700°С) приводит к возникновению в покрытии значительных сжимающих напряжений, приводящих к снижению прочности сцепления [5].

Анализ процессов получения высокотемпературных покрытий позволил дать схему методов регулирования физико-химического взаимодействия материалов при напылении, дающих возможность повышать адгезионную прочность. Эти методы можно разделить на две группы: термические и химические (рисунок 1).

Cписок литературы

  1. Аппен А.А. Температуроустойчивые неорганические покрытия. – Л.: Химия, 1967. 240 с.
  2. Тимохова О. М., Бурмистрова О. Н. Анализ влияния режимов наплавки на структуру металла // Естественные и технические науки. 2018. № 11 (125). С. 313-317.
  3. Макеев Д.Н., Захаров О.В.,Виноградов А.Н. Восстановление ресурса деталей машин путем наплавки поверхностных слоев // Состояние и инновации технического сервиса машин и оборудования. 2014. С. 36-40.
  4. Алифанов, В. В. Энергетическая модель схватывания металлов // Литье и металлургия. – 2012. – № 3 (66). – С. 87-91.
  5. Мьо Чжо Хлаинг Повышение адгезии покрытий при металлизации керамических подложек : дисс. на соискание канд. наук. – 2018. – 110 с.

 

Интересная статья? Поделись ей с другими: