Механизм контактного взаимодействия компонентов системы

Контактные жидкостные методы нанесения покрытий - способы формирования покрытий из расплавленного состояния, при которых в контакт с поверхностью изделия входит жидкий металл или сплав, что приводит к образованию плотных, хорошо сцепленных с основой покрытий за счет возникновения ван-дер-ваальсовых сил притяжения или химической связи.

Первичным процессом является адгезия — притяжение между атомами, находящимися в разных фазах.

В результате адгезии имеет место прилипание расплава к поверхности (начальная стадия сцепления). Сцепление — следствие вторичных процессов, протекающих в течение некоторого, иногда значительного промежутка времени.

По современным представлениям, процесс образования прочных связей между двумя поверхностями можно разделить на две стадии. Первая стадия — сближение соединяемых фаз до расстояний, необходимых для возникновения межатомного взаимодействия. Это сближение достигается обычно в процессе смачивания; чем лучше смачивание, тем благоприятнее условия сближения. С уменьшением вязкости жидкости сближение фаз также облегчается. Вторая стадия — стадия химического взаимодействия фаз. Для возникновения химической связи, помимо химического сродства, атомы и молекулы, приводимые в соприкосновение, должны обладать достаточной энергией. He все атомы вступают в химическое взаимодействие; эффективны лишь сближения атомов, обладающих избытком энергии по сравнению со средней для данной температуры величиной. Эта избыточная энергия называется энергией активации реакции.

Доля активных атомов на поверхности фазы определяется уравнением Больцмана

где N0 — общее число атомов на поверхности; N — число активных атомов; E — энергия активации.

Если через х обозначить число атомов на поверхности каждой фазы, вступивших в химическую связь за время т, то скорость реакции выразится следующим дифференциальным уравнением:

где Ni — число атомов на поверхности жидкости; v — частота колебаний атомов; S — энтропия активации, S = kln W1W2 (k — постоянная Больцмана; W1 — вероятность благоприятной ориентации возбужденных атомов одного вещества относительно другого и W2 — вероятность совпадения моментов их возбуждения).

Из приведенных уравнений следует, что для улучшения сцепления покрытия с основой необходимо повышать температуру на поверхности соприкосновения. Для обеспечения сцеплении в принципе достаточно, чтобы возникли прочные связи между двумя моноатомными слоями контактирующих фаз.

Сила прилипания жидкого покрытия по Aппену

где r — радиус действия межатомных сил притяжения.

Величина работы адгезии в высокотемпературных системах составляет 100—150 мкДж/см2. Приняв r = 4*10в-8 см, найдем

После затвердевания покрытия в нем могут возникнуть напряжения, которые на несколько порядков снизят силу сцепления. Уравнение в этом случае будет выглядеть следующим образом:

где f(т) — функция напряжения в слое покрытия.

При больших значениях f(т) сила сцепления может снизиться до нуля или даже оказаться отрицательной. В последнем случае покрытие откалывается под действием внутренних напряжений. Экспериментальные данные показывают, что наиболее прочное сцепление покрытия с основой достигается при условии образования между ними промежуточного слоя из продуктов реакции.

В ряде случаев, особенно при высоких температурах, бывает трудно отделить стадию химического взаимодействия от последующего процесса диффузии между вступившими в химическую связь веществами, обеспечивающего возникновение промежуточного слоя. После образования этого слоя прочность сцепления между покрытием и основой целиком определяется физико-механическими характеристиками слоя и его толщиной.

Хорошее сцепление обычно наблюдается при образовании твердого раствора на границе раздела основа — покрытие, потому что в слое твердого раствора происходит монотонное изменение свойств от подложки к покрытию. Именно в этом случае гарантируется максимальное уменьшение градиента свойств. В результате напряжения в покрытии становятся минимальными, что создает благоприятные условия для прочного сцепления.

Контактные жидкостные покрытия, как правило, имеют высокую плотность. При использовании методов нанесения, в которых на поверхности изделия формируется сплошная пленка жидкого металла, плотность близка к теоретической. Покрытия, нанесенные методами напыления, имеют плотность 85—92 %.

К достоинствам контактных методов нанесения покрытий следует отнести простоту технологии, возможность использования стандартного оборудования и возможность нанесения покрытий на изделия достаточно сложной формы.