Физические закономерности взаимодействия компрессионного плазменного потока с поверхностью мишени: гидродинамические неустойчивости

Выявленные с помощью методов РСМА и POP закономерности пространственного распределения атомов легирующих элементов в титане после воздействия КПП при Q = 13-23 Дж/см2, заключающиеся в их равномерном распределении по всей глубине расплавленного слоя, которая существенно превышает толщину наносимого покрытия, характерны для всех использованных в работе металлов. Помимо этого аналогичные закономерности поверхностного легирования были обнаружены при воздействии КПП при Q = 9-35 Дж/см2 и на другие системы металлическое покрытие/подложка, где в качестве подложки использовались низкоуглеродистая сталь 3 [104, 105, 115], композиционный спеченный твердый сплав Т15К6 [123, 124], алюминиевые сплавы [125], а также монокристаллический кремний [126]. Это позволяет утверждать, что процессы массопереноса в поверхностных слоях материалов, подвергнутых воздействию КПП с энергетическими параметрами, обеспечивающими плавление компонентов покрытия и подложки, обладают определенной общностью и определяются взаимодействием плазменного потока с поверхностью материала.

Явление глубокого проникновения атомов покрытия в подложку, при котором глубина проникновения легирующих элементов существенно превосходит толщину наносимого покрытия, при воздействии на них высокоэнергетических концентрированных потоков энергии, в частности электронных или ионных пучков, наблюдалось неоднократно. Имеются работы [127, 128], в которых исследовался массоперенос в системах Fe/Mo и Fe/Ta под воздействием сильноточных электронных пучков с длительностью импульса от 0,75 до 1,5 мкс. При толщине покрытий 100-140 нм авторы наблюдали проникновение атомов железа на глубину 250 нм при Q = 2,3 Дж/см2 и времени существования расплава 10 мкс. Для описания данного эффекта предлагается учитывать термодиффузионный и барродиффузионый механизмы массопереноса ввиду высоких градиентов температуры (109 К/м) и давления (1014 Па/м).

Использование данного подхода, основанного на диффузионном массопереносе, не позволяет описать глубокое проникновение атомов легирующих металлов в расплав титана после воздействия на него КПП. Средняя глубина проникновения атомов при диффузионном массопереносе может быть оценена по следующему соотношению [129]:

где xD - средняя глубина диффузионного проникновения элементов; D - коэффициент диффузии; т - время диффузионного массопереноса.

Считая средний коэффициент диффузии атомов металлов в расплаве титана равным ~2-10'8 м2/с (при температуре плавления) [130], а время жидкофазной диффузии - временем существования расплава (10-4 с), средняя глубина проникновения атомов циркония, молибдена или хрома, согласно (3.3), составляет ~2 мкм. Учет термодиффузионных и барродиффузионных членов при оценке средней глубины легирования приводит к смещению профиля распределения атомов легирующего элемента вглубь образца, не достигая при этом экспериментально наблюдаемых значений (до 28 мкм) и сохраняя при этом неравномерность их распределения, характерную для диффузионных процессов.

Следовательно, диффузионный массоперенос, который, несомненно, существует при рассмотрении воздействия КПП при Q = 13-23 Дж/см2 на системы Mo/Ti, Cr/Ti, Zr/Ti, Ni/Ti и Al/Ti ввиду наличия градиентов концентрации и температуры, тем не менее не является основным механизмом, обеспечивающим глубокое проникновение атомов легирующих элементов и их равномерное распределение в титане, наблюдаемые экспериментально.

В работах [131, 132], также связанных с высокоэнергетическим воздействием концентрированных потоков энергии на системы покрытие/подложка, был продемонстрирован синтез поверхностных легированных слоев путем импульсного электронно-пучкового плавления систем Al/Ti и Zr/Ti. В этих работах формирование глубоких легированных слоев, толщина которых в несколько раз превосходит толщину наносимого покрытия (~ 100 нм), связывается с процессом перемешивания материалов покрытия и подложки, находящихся в расплавленном состоянии, и также диффузионным массопереносом элементов покрытия в подложку титана.

Использование импульсных плазменных потоков с длительностью импульса несколько микросекунд для синтеза поверхностных легированных слоев было продемонстрировано в работах [35, 133, 134]. Здесь также глубокое проникновение атомов легирующих элементов связывается с перемешиванием расплавленных поверхностных слоев.

Во всех отмеченных выше работах указывается преобладание процесса перемешивания расплава, ответственного за формирование глубоких легированных поверхностных слоев, не связанного с диффузионными процессами. Однако в данных работах не выявляются физические причины, обусловливающие процесс перемешивания.

Для выяснения основных физических механизмов, приводящих к жидкофазному перемешиванию расплавленных слоев, необходимо детально рассмотреть процесс взаимодействия плазменного потока с поверхностью мишени.

Так, при взаимодействии плазменного потока с поверхностью мишени происходит частичная трансформация его кинетической энергии в тепловую энергию мишени, а также в кинетическую энергию растекания расплава. Ввиду сложного характера поверхностного течения расплава, зафиксированного в виде сложной системы вихрей в закристаллизовавшейся части, представляется возможным представить скорость расплава v(x,y,t) в виде двух компонентов vx(x,y,t) и vy(x,y,t) в двумерной прямоугольной системе координат 0X7 (рис. 3.8):

где i vi. j - направляющие орты вдоль осей ОХ и 07 соответственно; vx(x,y, t) и v (х, у, t) - компоненты скорости расплава v(x,y,t) вдоль осей ОХ (нормальная составляющая) и 07 (продольная составляющая) соответственно.

Наличие продольной составляющей v (х, у, t) скорости расплава связано с обтеканием мишени плазмой, вследствие которого поверхностные слои расплава увлекаются потоком плазмы и двигаются параллельно свободной поверхности расплава. Ввиду конечной вязкости расплавленного слоя происходит передача импульса нижележащим слоям расплава.

В линейном приближении можно принять, что продольная составляющая скорости расплава уменьшается с ростом его глубины по линейному закону и обращается в ноль на границе рас- плав-твердое тело, т. е. подчиняется уравнению:

где h(t) - глубина расплава в момент времени t v0 - скорость набегающего потока плазмы, которая составляет ~ 104 м/с [97].

Как видно из соотношения (3.5), зависимость продольного компонента скорости vy{x,y, t) от времени определяется зависимостью от времени глубины расплава h(t).

Такое представление продольной скорости показывает, что в расплаве существует градиент модуля продольного компонента

Vvv, направленный из глубины расплава к его поверхности (рис. 3.8).

Если принять начальную продольную составляющую скорости расплава равной скорости плазменного потока (104 м/с) [98] и уменьшающейся до нуля на глубине расплава 10 мкм, то можно оценить среднее характерное значение градиента продольной скорости, равное 109 с-1.

Нормальная составляющая скорости vx(x,y,t) расплава обусловлена внешним механическим давлением, оказываемым плазменным потоком на поверхность обрабатываемого образца, которое было определено с помощью оптических датчиков [135]. Согласно этим результатам, плазменный поток оказывает механическое давление Р на поверхность, которое достигает 106 Па в момент времени 40 мкс после начала действия импульса плазмы.

Исходя из этого, можно определить начальную скорость расплава vv(), направленную вглубь, используя закон сохранения импульса в следующем виде:

где F{t) - внешняя сила, действующая на расплав и связанная с механическим давлением Р т - масса образца; т - время, в те-

Схематическое представление взаимодействия компрессионного плазменного потока с поверхностью образца, представленное в двумерной прямоугольной системе координат 0ХУ

Рис. 3.8. Схематическое представление взаимодействия компрессионного плазменного потока с поверхностью образца, представленное в двумерной прямоугольной системе координат 0ХУ

чение которого внешнее давление отлично от нуля и которое, согласно [135], составляет около 30 мкс.

Учитывая, что внешняя сила F(t) определяется давлением плазменного потока, считая которое постоянным в течение времени т, нормальная составляющая начальной скорости расплава ул0 определяется следующим образом:

где Р - давление плазменного потока; р - плотность расплава; h - толщина образца.

Предполагая, что плазменный поток передает импульс всему образцу, начальная скорость расплава в направлении действия импульса плазмы (в ^-направлении), рассчитанная с помощью соотношения (3.7), составляет ~3 м/с. Полагая, что ускорение расплава происходит в течение всего времени действия импульса плазмы, можно получить, что модуль ускорения, направленного от поверхности образца вглубь, составляет ~ ЗТО4 м/с2.

Согласно последним работам [136, 137], основной причиной, вызывающей перемешивание титана и покрытия, расплавленных под воздействием импульса компрессионной плазмы, может служить развитие гидродинамических неустойчивостей на границе расплавленного покрытия и подложки. Под гидродинамическими неустойчивостями понимают такое распределение скоростей в жидкой фазе, при котором случайно возникающие возмущения не затухают вследствие диссипативных процессов, а продолжают развиваться и усиливаться, приводя в конечном итоге к турбулентному характеру движения жидкости, которое и способствует ее перемешиванию.

К числу основных типов гидродинамических неустойчивостей, способных приводить к перемешиванию расплавленных металлов, наиболее часто описываемых при воздействии высокоэнергетическими потоками, можно отнести неустойчивости Рихтмайера-Мешкова [138-140], Кельвина-Гельмгольца [141-143], Рэлея-Тейлора [143-145] и Марангони [146, 147]. Прежде чем переходить к обсуждению различных типов гидродинамических

неустойчивостей, представляющих собой частные случаи вынужденной конвекции, остановимся на возможности перемешивания расплавленных слоев вследствие развития естественной конвекции.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >