РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ НИХ ПРИ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКЕ
2.1. Обобщенная модель взаимодействия потоков заряженных частиц и плазмы с металлической мишенью, учитывающая столкновительные, теплофизические, термоупругие, термопластические, диффузионные, термохимические и плазмохимические процессы
Взаимодействие потоков заряженных частиц и плазменных потоков с металлами связано с реализацией широкого круга процессов: столкновительных
?13, 38, 47 ?, теплофизических ?47?, термоусталостных ?13, 47?, диффузионных ?13, 38, 47?, термохимических и плазмохимических ?11, 47, 95?.
Все эти процессы влияют как на характер теплообмена в объеме мишени, так и на поверхности, поэтому, учет этих процессов необходим как в балансе энергии в элементарном объеме металлической мишени, так и в теплообмене на поверхности мишени, т.е. в граничных условиях.
Проанализируем постановку задач о действии потоков заряженных частиц и плазмы на конструкционные материалы (см. табл. 2.1 и табл. 2.2).
Исследование задач о действии потоков заряженных частиц и плазмы на конструкционные материалы показало следующее:
2.1.1. Баланс тепла в элементарном объеме.
В балансе тепла в элементарном объеме будем учитывать:
1. Изменение количества тепла в единичном объеме определяется из уравнения теплопроводности ?13, 47? и имеет вид:
(2.1)
(2.2)
2. Перемещение потока частиц или плазмы со скоростью Vп.
В ?47?, когда поток частиц не перемещается вдоль поверхности мишени, то значение обращается в нуль, если же имеется перемещение потока параллельно обрабатываемой поверхности, то Vп - это скорость по у - вой координате.
(2.3)
В работе ?47? расчетная формула для массового потока молекул азота (МПG, кг/м2с) как функция давления (Р, Па) имеет вид:
МПG = 1.337?10-3Р (2.4)
Массовый поток металла равен
МПМеN = КV?MeN, (2.5)
где V - скорость осаждения, мкм/мин; ?MeN - плотность нитрида, кг/м3; К = 0.77...0.79 для Ti, V, Cr.
3. Изменение характера теплообмена из-за конечной скорости распространения тепла. Этот процесс был учтен в ?47? и записывается в виде:
, (2.6)
где ?р - время релаксации тепловых колебаний; ?- коэффициент вязкости (внутреннего трения); G - модуль упругости 2 рода (модуль сдвига); Е - модуль упругости 1 рода; ? - коэффициент Пуассона.
4. Изменение количества тепла за счет теплопроводности было учтено в ?47? и ?13?. Но в работе ?13? дифференциация осуществляется только по z координате , а в модели ?47? теплопроводность имеет вид: . Зависимость теплопроводности ? от температуры в каждый момент времени представляется эмпирическими зависимостями, различными для различных материалов ?47?. Так для аустенитных хромоникелевых сплавов зависимость Т от ? представляется в виде:
(2.7)
Для чистых металлов зависимость ? от Т имеет вид:
(2.8)
5. Смещение фронта испарения учитывается только в ?47?:
(2.9)
а) скорость испарения при температуре, меньшей температуры плавления материала детали - ленгмюровский механизм. Рассчитывается по формуле:
, (2.10)
где А и В - табулированные константы; R - газовая постоянная; ?m - плотность материала детали; М - молярный вес материала детали; Рост - остаточное давление газов.
б) испарение из слоя расплавленного металла - френкелевский механизм. Скорость испарения определяется по формуле:
, (2.11)
V0 и Т? - скорость испарения и температура поверхности.
V0 = 10я-3; q = 10S+8 ? S = lgq - 8 (2.12)
q = j ? E; z = (n ? S2 + k ? S + p)*10-1 (2.13)
T = (m ? S2 + n ? S + f) ? 10-2 (2.14)
6. Механизм конденсации был учтен в модели ?13?.
Как показывают исследования, скорость движения границы может быть постоянной и переменной.
Если скорость постоянная во время нанесения покрытия, то
?= V ? t (2.15)
Следует отметить, что конденсация начинается при высоких температурах, когда происходит заметная сублимация материала покрытия, активированного ионной бомбардировкой. Скорость движения границы конденсации при ее перемещении по нормали к границе поверхности основы можно представить в виде:
d?/dt = mn1/?2;
(2.16)
7. Здесь учитывается изменение количества тепла при плавлении и рассчитывается для того объема материала Vпл, в котором рассчитываемая температура превышает температуру плавления ?47?:
(2.17)
Удельную теплоту плавления Lпл можно вычислить как:
Lпл = n ? Tпл ? f(Tпл) ? 4186.8, (2.18)
где n - число атомов в молекуле; f(Tпл) - функция зависимости от Тпл, которую приближенно можно, выразить как линейную зависимость вида
f(Tпл) = (1.57 ? Тпл + 1428) ? 10-3 (2.19)
8. Изменения количества тепла за счет действия частицы, как объемного источника тепла ?47?:
При больших энергиях (ze2f(h ? V) ? 1, h - постоянная Планка, h=1,05475?10-34Дж?с):
, (2.20)
где ? = V/c; с - скорость света; Wm - верхний предел передаваемой энергии
(Wm ? E/2); V - скорость налетающей частицы (, mc - масса налетающей частицы).
Электрическое поле налетающей частицы видоизменяется в диэлектрической среде. Диэлектрические свойства проявляются в эффекте плотности. Он учитывается введением
? = 4,606 ? у + с + а(у1 -у)b при у0? у ? у1; (2.21)
? = 4,606 ? у + с при у ? у1;
(2.22)
9. Затраты энергии на смещение атомов.
В ?47? число атомов, смеще
- Киев+380960830922