Напыляемой поверхности

Монография посвящена вопросам получения, исследования структуры и свойств наноструктурных материалов, интерес к которым связан с обнаружением их уникальных физических, необычных механических свойств и перспективами широкого применения. Особое внимание уделено нано-структурным материалам, которые получены методами интенсивной пластической деформации, разработанными при непосредственном участии авторов.

Рис. В1. Схематическое представление четырех типов наноструктурных материалов, различающихся размерностью структурных единиц: 0 — атомные кластеры и частицы; 1 — мультислои; 2 — ультрамелкозернистые покрытия; 3 — объемные нанокристаллические материалы

Данная монография посвящена исследованию объемных металлических наноструктурных материалов, их получению, особенностям структуры и свойствам.

К настоящему времени разработано несколько методов получения таких материалов. Большинство из них включает компак-тирование порошков, которые, однако, получают разными способами. Среди них ультрадисперсные порошки, полученные газовой конденсацией в атмосфере инертного газа [1, 5] или плазмохими-ческим методом [5], аэрозольным [6] и химическим синтезом [7], а также измельчением порошков в шаровой мельнице [2, 13] и др. Некоторые из этих методов были успешно использованы для создания объемных наноструктурных материалов. Это прежде всего газовая конденсация с последующим компактированием [1] и обработка порошков в шаровой мельнице с последующей консолидацией [2, 13]. Данные методы явились основой многочисленных исследований структуры и свойств нанокристаллических и нано-фазных материалов. Вместе с тем до сих пор существуют проблемы в развитии этих методов, связанные с сохранением некоторой остаточной пористости при компактировании, загрязнением образцов при подготовке порошков или их консолидации, увеличением геометрических размеров получаемых образцов, практическим использованием данных методов.

Настоящая книга рассматривает достижения и проблемы в получении объемных наноструктурных материалов методами ИПД, исследовании особенностей формируемых наноструктурных состояний и их эволюции при нагреве и внешних воздействиях. Особое внимание уделено необычным свойствам полученных материалов, многие из которых уникальны и весьма интересны для фундаментальных и прикладных исследований. Последнее подтверждается также примерами недавних разработок, направленных на практическое использование полученных наноструктурных материалов. Дано также сравнение с результатами исследований НСМ, полученных другими методами.

Деформация кручением под высоким давлением. Установки, в которых деформация кручением была проведена под высоким давлением, впервые были использованы в работах [20, 21]. Их конструкция является развитием известной идеи наковальни Бриджмена [22]. В первых работах эти установки были использованы для исследования фазовых превращений в условиях интенсивных деформаций [20], а также изучения эволюции структуры и изменения температуры рекристаллизации после больших деформаций [23]. Новым и принципиально важным моментом явились доказательства формирования наноструктур с неравновесными болынеугловыми границами зерен при использовании интенсивной деформации кручением [3, 8, 12], что позволило рассматривать этот метод как новый способ получения наноструктурных материалов.

методами ИПД, сильно упруго искажена (см. § 1.2). Более того, в настоящее время становится очевидным, что метод получения играет весьма важную роль в формировании структуры и свойств наноструктурных материалов.

Электронно-микроскопические исследования. Уже в первых электронно-микроскопических исследованиях наноструктурных материалов, полученных ИПД, было обращено внимание на специфический вид границ зерен в сравнении с обычными отожженными материалами [8, 37]. Типичным примером такого дифракционного контраста является изображение микроструктуры сплава Al-4 %Cu-0,5 %Zr [8], имевшего после ИПД кручением средний размер зерен около 0,2 мкм (рис. 2.2а). Для сравнения рядом приведена микроструктура этого же образца, подвергнутого дополнительному отжигу при 160 °С в течение 1ч (рис. 2.26"). В обоих случаях наблюдалась структура зеренного типа, имеющая преимущественно большеугловые границы. Тем не менее вид толщинных контуров экстинкции на границах зерен на рис. 2.2о отличается от такового на рис. 2.26 значительным уширением.

Важнейшим моментом при структурной аттестации наноматериалов является достоверное определение размера зерен-кристаллитов. Особое место здесь отводится методу РСА, дающему статистически усредненную информацию. При РСА наноструктурных материалов разделение вкладов в уширение физического профиля рентгеновских пиков производится методами Шеррера, Уоррена-Авербаха (с использованием одного или двух рентгеновских пиков), Вильямсона-Холла [71, 85, 125] и др.

Параметр кристаллической решетки в наноструктурных материалах, как и в случае традиционных исследований, рассчитывают исходя из положений центров тяжести рентгеновских пиков. Уширение и связанное с ним возможное наложение хвостов рентгеновских пиков, а также повышенный уровень фона на рентгенограммах наноструктурных материалов могут несколько увеличить погрешность получаемых результатов, оцениваемую снизу в случае крупнокристаллических материалов значением порядка 0,004% [134].

Рассмотренные выше данные свидетельствуют о том, что ИПД приводит к формированию наноструктур с сильноискаженной кристаллической решеткой. В связи с этим можно ожидать существенных изменений в колебательном атомном спектре и термическом поведении наноструктурных материалов, полученных ИПД.

К концу напыления температура на напыляемой поверхности несколько снижается, что требует изменения силы тока луча.

В вакуумной иоцно-плазменной (ВИЦ) технологии имеется два возможных источника потери устойчивости в процессе синтеза покрытия: «конкуренция» химических соединений, формирующихся на напыляемой поверхности, и наличие в рабочей камере нескольких активных поверхностей, между которыми идет перенос синтезируемых соединений. Обе эти возможности научены с помощью феноменологически» моделей типа [1].

Для получения качественного покрытия напыление рекомендуется проводить в камере с контролируемой атмосферой с предварительной отработкой режима напыления. Оптимальный угол наклона оси сопла и напыляемой поверхности составляет 60 - 120°.

является превалирующим. Прочность связи таких покрытий значительно ниже, чем покрытий, получаемых другими методами, например электрохимическим, металлизацией испарением и конденсацией в вакууме, но она вполне достаточна, чтобы использовать метод газотермического напыления в качестве промежуточной операции при изготовлении композиционных материалов. Обычно этот метод используют для обеспечения предварительной связи между волокнами и матрицей и получения полуфабрикатов композиционных материалов, например, в виде монослойной или многослойной ленты, листа. Собранные и уложенные определенным образом полуфабрикаты подвергают диффузионной сварке под давлением, в результате чего значительно возрастает плотность композиционного материала и прочность связи волокон с матрицей. Большое влияние на прочность сцепления оказывает температура покрываемой поверхности; с повышением температуры прочность сцепления увеличивается. Например, при напылении стали на алюминий прочность связи покрытия, по данным Э. С. Атрощенко, повышается в 3 раза при повышении температуры напыляемой поверхности от комнатной до 250° С. Для многих пар металлов температура подложки, обеспечивающая хорошую связь покрытия с подложкой, не превышает комнатной (например, для W, Mo, Zr, V, напыляемых на Ni, Fe, Ti и др.).

немного превышает 600° С, в то время как температура частиц при напылении стали в зависимости от расстояния плазменной головки до напыляемой поверхности изменяется примерно от 800 до 1300° С (рис. 74). Из всех методов газотермического напыления (газопламенного, электродугового, высокочастотного и др.) для целей получения композиционных материалов наиболее широко используют — метод и аппаратуру плазменного напыления. В аппаратах плазменного типа для плавления и распыления материала покрытия используется струя дуговой плазмы, представляющая собой поток газообразного вещества, состоящего из свободных электронов, положительных ионов и нейтральных атомов. Плазменную струю получают путем вдувания плазмообразующего газа (аргона, гелия, азота, водорода и их смеси) в электрическую дугу, возбуждаемую между двумя электродами. Напыляемый материал подается в плазменную горелку либо в виде проволоки, либо в виде порошка. Принципиальные схемы устройства головок плазменных горелок показаны на рис. 75. В головке, представленной на рис. 75, а, напыляемый порошок вводится в дуговую плазму, образуемую между вольфрамовым электродом (катодом) и соплом (анодом). В головке, представленной на рис. 75, б, сопло остается электрически нейтральным, а дуговой разряд возникает между вольфрамовым электродом горелки и напыляемой проволокой, которая является расходуемым анодом [36].

В процессе плазменного напыления очень важно обеспечить достаточно хорошую связь между напыленным слоем и волокнами, а также между напыленным слоем и фольгой. Хорошая связь между этими тремя составляющими композиционного материала значительно облегчает операции раскроя и укладки, предотвращает отрыв и поломку волокон. Прочность связи покрытия с волокнами и фольгой, так же как и качество покрытия, его пористость, содержание примесей, определяют следующие основные технологические параметры: 1) состояние поверхности волокон и фольги (чистота, шероховатость); 2) окружающая атмосфера (воздух, аргон, водород, азот); 3) температура напыляемой поверхности (подложки); 4) расстояние от дуги до напыляемой поверхности; 5) напряжение и плотность тока дуги; 6) расход плаз-мообразующего газа; 7) скорость подачи напыляемого материала (порошка или проволоки); 8) размер частиц напыляемого порошка; 9) скорость перемещения факела относительно напыляемой поверхности.

Чтобы связь между порошком и поверхностью изделия была достаточно хорошей, рекомендуется поверхность тщательно очистить и сделать более шероховатой, что достигается путем обдувки ее песком или корундовой крошкой. Качество связи повышается при предварительном подогреве напыляемой поверхности до температуры 60—100°С.

Диаметр напыляемой поверхности, мм ..... 20—400

При запуске аппарата включается подача проволок, электрического напряжения на них и сжатого газа. Между проволоками возникает электрическая дуга, которая расплавляет металл. Расплавленные капли металла подхватываются струей газа, распыляются на частицы размером 10... 100 мкм, разгоняются до скорости 50... 150 м/с и в нагретом состоянии ударяются о восстанавливаемую поверхность или о закрепившиеся частицы. Расстояние от распылительного узла до напыляемой поверхности изменяется в пределах 60... 150 мм (чаще его назначают равным 120 мм). Частицы, имея достаточный запас тепловой и кинетической

Скорости газовой струи потока и напыляемых частиц вблизи напыляемой поверхности примерно одинаковы и равны 50... 150 м/с. Плотность потока распыляемых частиц вблизи напыляемой поверхности 103...105(см2с)~'. Большинство частиц достигают поверхности напыления в расплавленном состоянии.

Применяют ручное и механизированное напыление. В первом случае технологические перемещения аппарата осуществляют вручную. Механизированные установки имеют устройство для перемещения распылителей относительно напыляемой поверхности. Для получения равномерных по толщине покрытий на больших поверхностях задаются программы сложных движений металлизатора относительно напыляемой поверхности со скоростью 30...50 м/мин.