РАЗДЕЛ 2
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕТОНАЦИОННОГО
НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
2.1. Влияние характеристик исходного порошка и условий напыления на структуру и свойства детонационных покрытий
Анализ структуры и свойств газотермических покрытий [92] показывает, что они определяются совокупностью большого числа постоянных и переменных параметров, связанных с характеристиками исходного материала, методом и режимом ТП, составом окружающей среды и пр. Исходный материал в процессе напыления подвергается сложным структурным и химическим превращениям и приобретает в результате этого процесса свойства, не присущие ему в исходном состоянии. Многие свойства покрытий, в том числе и триботехнические, определяются специфическими структурными особенностями напыленных покрытий: наличием межчастичных и межслойных границ, аморфных и метастабильных фаз, размером и характером пористости и др. Для создания эффективных защитных покрытий необходимо знание закономерностей их формирования, особенностей влияния технологических факторов и других постоянных и переменных параметров нанесения на структуру и свойства покрытий, а также роли отдельных элементов структуры в обеспечении тех или иных свойств защитного слоя.
Технологические свойства напыляемых материалов (склонность к формированию газотермических покрытий) характеризуются следующими группами параметров: 1) трудность нагрева, плавления и разгона частиц порошка (параметр трудности плавления, температура плавления, теплоемкость, плотность, коэффициенты температурного и скоростного взаимодействия частиц с газовым потоком и др.); 2) термодинамическая стабильность материала; 3) склонность к взаимодействию с газовой фазой; 4) склонность к схватыванию в твердом состоянии (энергия активации, коэффициенты термического расширения в объеме и на поверхности, пластичность, динамический предел текучести, плотность, скорость звука, коэффициент аккумуляции тепла и др.); 5) полиморфизм и склонность к закалке; 6) склонность к аморфизации.
Анализ процессов трения и изнашивания покрытий требует построения моделей и алгоритмов, отражающих особенности структуры материала покрытий и переходной зоны между покрытием и основой на более глубоком уровне. Для решения данной задачи наиболее адекватными будут методы имитационного моделирования, которые уже нашли широкое применение в физике, химии, материаловедении и механике композитов [93]. Наиболее активно применяется метод структурно-имитационного моделирования (СИМ), который предусматривает построение таких моделей материалов, которые состоят из совокупности связанных и взаимодействующих между собой структурных элементов. Каждому структурному элементу придаются индивидуальные свойства (прочности, жесткости, параметры поврежденности и т.д.).
Для реализации методов СИМ износостойких покрытий наиболее важным является вопрос о выборе структурных элементов или, в более общем плане, о выборе структурных уровней, на которых изучается и моделируется тот или иной процесс в материале. В работе [94] предложена подобная классификация, особенностью которой является то, что она опирается на опыт или на возможности построения структурных моделей и алгоритмов имитации соответствующих процессов. За нулевой уровень принимается структурный уровень отдельных напыленных частиц, формирующих покрытие, при этом предполагается возможность двигаться по шкале структурных уровней как в сторону укрупнения структурных элементов (условно в положительную сторону), так и в сторону углубления в структуру (условно в отрицательную сторону).
Примеры структурных уровней в направлении укрупнения структурных элементов следующие: нескольких напыленных частиц, образующих обособленные микроучастки покрытий, характеризующиеся определенными особенностями межчастичного взаимодействия или микроструктуры напыленных частиц (структурный уровень "+1"); протяженные армирующие элементы линейного характера в виде проволоки, стержней, сетки и пр. (+2); переходные межслойные зоны (+3); отдельные слои покрытия (+4); переходные зоны градиентных покрытий (+5); блоки нескольких монослоев в многослойных покрытиях (+6); "островковые" элементы дискретных покрытий (+7); макроэлементы блочной структуры покрытий с регулируемым распределением микротрещин (+8); отдельные макрополосы покрытия (+9), и т.д.
Примеры структурных уровней в отрицательном направлении следующие: элементы структуры композиционных порошков (-1); центральная и периферийная зоны напыленной частицы (-2); группы зерен (-3); зерна, дендриты, зоны сдвига и системы скольжения (-4), и т.д.
Реализация методов СИМ открывает возможности процессов моделирования получения и формирования заданных структуры и свойств покрытий. Применение методов СИМ также может способствовать оптимизации структуры покрытий с целью улучшения их триботехнических свойств и повышения износостойкости.
На основе анализа многочисленных литературных источников [6, 9-11, 13, 15-17, 90, 91, 95-98] можно обобщить результаты исследования ДНП следующим образом.
Основными направлениями управления структурой и свойствами детонационно-газовых покрытий являются: 1) регулирование величин и соотношения кинетической и термической энергии частиц; 2) регулирование толщины и размеров единичного пятна напыления, скорострельности детонационно-газовой установки (ДГУ) и относительной скорости перемещения ДГУ и изделия; 3) изменение дисперсного состава и формы частиц порошка; 4) регулирование термического цикла формируемого покрытия использованием предварительного, сопутствующего или последующего нагрева и охлаждения; 5) использование переменных режимов напыления для отдельных слоев и зон покрытия (изменение состава расхода газов и порошка, скорострельности, дисперсности порошка, дистанции напыления и дp.); 6) регулирование соотношения между содержанием в покрытии аморфной, микрокристаллической и кристаллической составляющих, метастабильных и равновесных фаз подбором соответствующих режимов напыления; 7) регулировании степени