Анализ свойств газотермических покрытий : в 2 ч. Ч. 2 : Оценка параметров покрыти

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

АНАЛИЗ СВОЙСТВ 
ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

В двух частях

Часть 2

Ю. С. КОРОбОВ

ОцЕНКА ПАРАМЕТРОВ ПОКРЫТИЙ

Учебное пособие

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2016

УДК 621.791/.792(075.8)
ББК 30.61я73-1
А64

Рецензенты
А. В. Ма к а р ов , доктор технических наук, заведующий отделом 
материаловедения ФГБУН Институт физики металлов им. М. Н. Михеева 
Уральского отделения Российской академии наук
В. И. Шу мя ков , кандидат технических наук, заместитель директора 
ООО «Уральский институт сварки»

А64 Анализ свойств газотермических покрытий : [учеб. пособие] : в 2 ч. – 
Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2016. 

Ч. 2 : Оценка параметров покрытий / Ю. С. Коробов. – 92 с.

ISBN 978-5-7996-1967-1 (ч. 2)

В части 2 «Оценка параметров покрытий» учебного пособия «Анализ 
свойств газотермических покрытий» выполнен анализ процесса формирования покрытий при взаимодействии распыляемых частиц с основой, описаны 
основные физико-химические характеристики покрытий: остаточные напряжения, структура, адгезионная и когезионая прочность, пористость, газопроницаемость. Приведены особенности определения указанных характеристик 
применительно к газотермическим покрытиям. Описано влияние внешних 
воздействий на подложку и на распыляемый материал при напылении.
Учебное пособие предназначено студентам, бакалаврам, магистрантам и 
аспирантам, которые обучаются по направлениям сварки и родственных технологий, изучения материалов, а также научным и инженерно-техническим 
работникам, специализирующимся в этих направлениях.
УДК 621.791/.792(075.8)
ББК 30.61я73-1

ISBN 978-5-7996-1967-1 (ч. 2)
ISBN 978-5-7996-1965-7
© Коробов Ю. С., 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений 
4
Введение 
5
1. Формирование покрытий 
6
2. Остаточные напряжения в покрытиях 
24
3. Структура покрытий 
38
3.1. Стальные покрытия 
38
3.2. Баббитовые покрытия 
50
4. Прочность покрытия 
54
4.1. Общие положения 
54
4.2. Адгезионное взаимодействие 
56
4.3. Когезионное взаимодействие 
60
4.4. Определение пористости и газопроницаемости 
61
4.5. Методы определения прочности сцепления 
63
5. Внешние воздействия на материалы при напылении 
73
5.1. Воздействие на подложку 
73
5.2. Воздействие на распыляемый материал 
78
Список библиографических ссылок 
86

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АДМ – активированная дуговая металлизация
ГН – газовая наплавка
ГТН – газотермическое напыление
ДМ – дуговая металлизация
КИМ – коэффициент использования материала
КПД – коэффициент полезного действия
ОН – остаточное напряжение
ПН – плазменное напыление
РМ – распыляемый материал
ТЛ – турбулентное литье
HVAF – cверхзвуковое газовоздушное напыление с использованием 
сжатого воздуха
HVOF – высокоскоростное газопламенное напыление с использованием 
кислорода

ВВЕДЕНИЕ

Свойства газотермических покрытий можно представить в виде взаимосвязанных подсистем, определяющих их геометрические параметры, 
теплофизические и структурные характеристики, прочность, остаточные 
напряжения. Эти свойства, в свою очередь, зависят от характеристик транспортирующего газа, распыляемого материала, энергетических параметров 
источника нагрева, а также от внешних воздействий на процесс газотермического напыления.
Во 2 части «Оценка параметров покрытий» пособия «Анализ свойств газотермических покрытий» применительно к газотермическому напылению:

 – выполнен анализ процесса формирования покрытий при взаимодействии распыляемых частиц с основой;

 – описаны основные физико-химические характеристики покрытий: 
остаточные напряжения, структура, адгезионная и когезионая прочность, 
пористость, газопроницаемость;

 – приведены особенности определения указанных характеристик применительно к газотермическим покрытиям, связанные с их малой толщиной, слоистым строением, неравномерностью свойств по сечению;

 – описано влияние внешних воздействий на подложку и на распыляемый материал при напылении. Указанные способы воздействия на материалы при напылении классифицированы по стадиям процесса (предварительное воздействие на поверхность, нанесение покрытия, дополнительная 
последующая обработка покрытия), по виду воздействия (физико-механические и химико-термические) и по месту воздействия (на подложку и на 
распыляемый материал).

1. ФОРМИРОВАНИЕ ПОКРЫТИЙ

Структура напыленных покрытий состоит из слоистых элементов, 
сформированных при высокоскоростном ударе о холодную поверхность 
и последующем затвердевании частиц (рис. 1). Расплавленные или разогретые до пластического состояния частицы расплескиваются по поверхности, 
зацепляясь предварительно по ее неровностям и затем контактируя между 
собой. На дистанции напыления происходит окисление частиц, и образующаяся оксидная пленка попадает в покрытие. Она оказывает сильное влияние на свойства покрытия: может препятствовать диффузии частиц, влиять 
на прочность сцепления, твердость покрытия. Вследствие малого размера 
или низкой скорости отдельные частицы успевают остыть к моменту удара о подложку ниже точки плавления, а их кинетической энергии недостаточно для деформирования. Это приводит к тому, что они остаются в покрытии в глобулярной форме. В интервале между нанесением отдельных 
слоев на поверхности последнего слоя происходит адсорбция газов и от
Капля в полете
Деформированная 
капля

Основа

Нерасплавленные 
частицы

Оксиды

Поры

Рис. 1. Схема формирования ГТН-покрытия [1]

ложение пылевидных фракций распыляемого материала или его оксидов. 
Кроме того, из-за высокой скорости растекания и кристаллизации частиц 
при ударе в зоне контакта с поверхностью ранее нанесенных частиц остаются полости и дефекты. Это приводит к появлению микропустот на стыках частиц, а поскольку покрытие формируется в атмосфере, микропустоты 
наполняются газом. Часть перегретых выше точки плавления частиц может 
испаряться и осаждаться в паровой фазе.
ГТН-покрытия формируются из отдельных частиц, в случае ДМ диаметром 10–300 мкм, находящихся в расплавленном состоянии, которые разгоняются и последовательно осаждаются на относительно холодную подложку. Общее время жизни частицы составляет (1–10) × 10–4 с, в течение 
которого происходит образование и срыв капли с торца электрода, ее полет 
со скоростью в интервале 40–500 м/с и осаждение при ударе о подложку. За 
этот период капля последовательно нагревается от комнатной до температуры выше точки плавления на 100–300 °C, а затем быстро охлаждается при 
ударе о подложку, обычно нагретую ниже 150 °C. Таким образом, скорость 
нагрева/охлаждения капли составляет (104–105) град/с. В случае металлов 
возможность роста первично сформированных зерен подавлена. Размер зерен металла в покрытии может составлять менее 1 мкм (рис. 2).
В сравнении с ГТН-покрытиями, катаные, литые и кованые материалы 
остаются при повышенных температурах более длительный период времени. Например, литым стальным заготовкам во многих случаях требуется 
более 1 часа для отвердевания. Соответственно скорость их охлаждения 
ниже на несколько порядков. При ковке требуется значительный вклад времени и тепловой энергии для достижения необходимой температуры процесса более 1000 °C. В результате более длительных выдержки при высоких 
температурах и времени затвердевания относительно ГТН-покрытий размер зерен больше на несколько порядков, до 1 мм.

Рис. 2. Структура ДМ-покрытия из стали 20×13 [2]

Закономерности образования покрытий показаны В. В. Кудиновым [3]. 
Им обоснован ряд важных положений, на которых базируется дальнейшее 
изучение свойств покрытий.
Проведенный В. В. Кудиновым расчет показывает, что охлаждение расплавленной частицы при попадании на поверхность осуществляется быстрее на 2–3 порядка подлета следующей частицы даже при максимальной 
производительности напыления. Это положение подтверждается кадрами 
скоростной киносъемки с частотой выше 103 кадр/с, на которых видно, как 
пропадает светимость частиц на подложке – они остывают – еще до наложения на них частиц следующего слоя.
Взаимная независимость кристаллизации частиц на подложке существенно облегчает анализ причин образования покрытия, практически сводя их к исследованию контактного взаимодействия отдельных частиц.
Формирование выплесков зависит от параметров капель: скорости, размеров, степени расплавления, химического состава и угла атаки к поверхности. Кроме того, оказывает влияние форма поверхности, ее температура 
и реакционная способность.
При ударе о поверхность образца сферические частицы диаметром d 
сильно деформируются, затвердевают и приобретают форму тонкого диска размером D × h (рис. 3). Высокая скорость деформации и растекания 
расплавленных частиц приводят в физический контакт материал частицы 
и подложки на границе взаимодействия. Давление Р в зоне контакта имеет 
две составляющие: Рн – напорное давление и Ри – ударное давление, возникающее вследствие гидравлического удара (или импульсное, вследствие 
кратковременности действия). Кадры скоростной киносъемки удара жидких частиц о поверхность показывают, что жидкость упруго деформируется в первый период соударения, tи = 10–10–10–9 с. В месте удара образуется 
тонкий плоский слой, жидкости растекающейся частицы. Далее частица деформируется равномерно.
Возникновение плоского слоя связывается с упругим сжатием частицы 
в месте удара и с давлением Ри, которое во время импульсного удара заставляет интенсивно растекаться жидкость по поверхности. Максимальная 
величина ударного давления определяется по известному уравнению гидравлического удара Жуковского, в котором для учета сферической формы 
частицы и оценки ее жесткости введен фактор μ/2:

P
cv
и = µ γ
2
1
,  
(1)

где μ – коэффициент жесткости частицы; γ1 – плотность жидкости, кг/м3; 
с – скорость звука в металле, м/с; v – скорость частиц, м/с.

Величина импульсного давления составляет Ри = 500–1250 МПа при использовании данных В. В. Кудинова: μ = 0,5; γ1 = 10 000 кг/м3; v = 100 м/с;  
с = (2–5)×103 м/с. Такая большая величина способствует очистке поверхности подложки в месте удара и приводит материал частицы и подложки 
в физический контакт за время ~ 10–9 с.
Напорное давление Рн для равномерно движущегося потока жидкости 
рассчитывается по уравнению Бернулли. Исходя из кинетики деформации 
жидкой частицы, можно полагать, что Рн приложено на участке поверхности 
подложки, близком по размеру к диаметру частицы до удара. Если считать 
подложку абсолютно жестким телом, а частицу – идеальной жидкостью, то 
получим простейший случай удара:
Pн = g1v2. 
(2)
Длительность действия давления на оси частицы:
t = (d – h)/c. 
(3)
При скорости частиц 100–150 м/с и длительности действия 10–7–10–5 с 
напорное давление составляет 50–100 МПа. Под его воздействием происходит прочное соединение частицы с подложкой.
Для рассмотрения элементарных процессов физико-химического взаимодействия, определяющих прочность сцепления частиц, необходимо определить контактную температуру между расплавленной, деформирующейся 
при контакте частицей и твердой подложкой. Задача решалась В. В. Кудиновым применительно к плазменному напылению как задача контактной 
теплопроводности, с учетом фазового перехода [3] для следующих условий:
1) подложка представляет собой полубесконечное тело с постоянной 
начальной температурой Т0 и имеет отличную от нуля теплопроводность 
в направлении, перпендикулярном плоскости подложки. В этом направлении теплопроводность равна теплопроводности материала подложки;

Рис. 3. Схема деформирования частицы, движущейся со скоростью v,  
при ударе о плоскую поверхность подложки.  
Состояния частицы: а – начальное, б – конечное

а
б

2) частица расплавлена, и ее начальная температура равна температуре плавления Тm, а ее теплопроводность не равна нулю только в направлении, перпендикулярном плоскости контакта (или поверхности подложки). 
В этом направлении теплопроводность равна теплопроводности твердого 
материала частицы. Твердая фаза частицы неподвижна относительно плоскости контакта, и над ней во все время затвердевания существует прослойка жидкости;
3) контакт частицы с подложкой идеален, а их свободные поверхности 
теплоизолированы.
Для дуговой металлизации условия аналогичны, и приведенное ниже 
решение может быть распространено на этот процесс.
Термический цикл Tk(t) сферической частицы, деформирующейся вследствие кинетической энергии удара и затвердевающей на подложке, можно 
представить следующей моделью (рис. 4).

Он состоит из двух этапов: 1) затвердевание частицы, в течение которого t0 контактная температура Tk остается постоянной, а над подвижным 
фронтом кристаллизации h(t, r) находится жидкость; 2) охлаждение затвердевшей частицы до температуры подложки. Уровень Т0, от которого ведут 
отсчет температуры в расчетах, соответствует начальной температуре подогрева поверхности подложки в различных точках пятна плавления.
Задача затвердевания частицы от момента соприкосновения жидкости 
частицы с подложкой до момента полного затвердевания жидкости над 

Рис. 4. Распределение температуры в различные моменты времени  
tI < tII < tIII в системе «твердая подложка с температурой Т0 – жидкая подложка 
при температуре плавления – Тm – быстро деформирующаяся и одновременно 
затвердевающая частица»; h(t, r) – высота подвижного фронта кристаллизации 
на расстоянии r от оси частицы в различные моменты времени;  
H(t, r) – высота свободной поверхности частицы