Термодинамическое моделирование состава композиционных механических покрытий
Завалищин А.Н., Николаев А.А., Ячиков И.М.
(МГТУ, г. Магнитогорск, РФ)
The composite overcoat is formed in condition of shock – friction engagement of the implement and the detail when the floods of staff and energy have issue. It is show, that the employment of thermodynamic non equilibrium principles is allowed to predict the composition and properties of the skin.
Применение современных принципов неравновесной термодинамики, позволяет избежать построения сложных регрессионных зависимостей, которые в стохастических процессах часто не дают адекватных решений. Основываясь на изученных закономерностях, рассматривая потоки вещества и энергии в открытых термодинамических системах, к которым можно отнести поверхности металлов в условиях высокоэнергетического воздействия, можно прогнозировать состав и свойства обрабатываемого материала.
Сравнительно новая технология нанесения покрытий в условиях ударно-фрикционного взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью позволяет формировать покрытия из различных металлов, сплавов и композитов. Покрытие наносится гибким инструментом - вращающейся металлической щеткой (ВМЩ), вырывающей металлические частицы из металла-донора, транспортирующей и намазывающей их на поверхность детали – основы [1]. Для получения композиционного покрытия донор выполняется из пластин чистых компонентов, механическая смесь которых переносится в покрытие. Однако для данного способа нанесения покрытия в связи различной способностью металлов к переносу необходима методика определения состава исходной донорской композиции.
Поверхности основы и донора рассматриваются как открытые термодинамические системы, которые обмениваются веществом и энергией с внешней средой – ВМЩ. Исследование структурных превращений в доноре и основе на всех этапах взаимодействия с ВМЩ позволяет представить кинетику процесса нанесения покрытия, в котором наблюдается три последовательных этапа. Начальный этап, соответствующий приработке во всей системе, второй этап – формирование покрытия и заключительный этап, на котором рост покрытия прекращается.
На этапе приработки в поверхности донора в результате высокоэнергетического воздействия со стороны инструмента происходит накопление и самоорганизация дефектов структуры, сопровождающиеся переходом внешнего слоя в сильновозбужденное (СВ) квазиаморфное состояние, подобное состоянию твердой фазы при температуре плавления [2,3]. После подготовки поверхностных структур донора и основы начинается второй этап – осаждение покрытия, в процессе которого металл постоянно переносится ВМЩ из внешнего квазиаморфного слоя донора к основе. На этапе нанесения покрытия для обеспечения непрерывного массопереноса в поверхности донора должна существовать устойчивая структура с внешним квазиаморфным слоем. На поддержание такого состояния требуется повышенный расход энергии, которая выделяется в контактной зоне в результате удара и трения ворсинок. Энергия тратится на деформацию поверхностного слоя донора, фазовый переход в СВ состояние внешней части этого слоя и разогрев донора. Гибкие элементы щетки непрерывно уносят из зоны взаимодействия из квазиаморфного слоя донора вещество, количество которого восстанавливается на границе раздела с деформированным слоем. Т.е. самоорганизация структуры в поверхности донора поддерживает стационарное состояние, при котором отток вещества из слоя в СВ состоянии и его воспроизводство на границе с деформированным слоем одинаковы.
В контактной зоне взаимодействия щетки и композиционного донора, состоящего из набора пластин чистых металлов, возникают два основных потока: поток массы вещества Jim из поверхностного слоя, находящегося в СВ состоянии, вызываемый градиентом химического потенциала и поток тепла JiТ от нагретого донора к щетке, вызываемый градиентом температуры. Теория необратимых процессов предполагает линейную связь между термодинамическими силами (Х) и потоками (J) и производством энтропии [4]:
, (1)
где JTi , Jmi – потоки тепла и вещества, XТi, Xmi – соответствующие им градиенты для i-го компонента.
Поток вещества при использовании композиционного донора, состоящего из макрообъемов чистых металлов, суммируется из потоков от каждого компонента, величина которых зависит от свойств металлов, определяющих возможность перехода в СВ состояние и площади контакта, с которой осуществляется перенос вещества данного компонента от донора к щетке. Соотношение потоков компонентов определяет состав покрытия и может быть определено из уравнения (1).
Изменение энтропии под действием переноса массы определяется выражением
.
(2)
где Fi
- площадь контактной поверхности пластинки донора толщиной li,
В – ширина контактной поверхности, βi-
линейная скорость уноса i-го донора, v – линейная скорость
вращения щетки, 
-
плотность, 
-
размер слоя в СВ состоянии.
Тепловой поток, выделяемый в контакте трения qтр, делится на тепловой поток в слиток донора qд, тепловой поток теплопроводностью в ворсинки щетки qщ, тепловой поток, переносимый нагретой массой материала от донора к щетке qм и тепловые потери qпот в окружающую среду:
. (3)
Изменение энтропии поверхностного слоя под действием потоков тепла:
(4)
где Сд – теплоемкость материала донора, Tщ – температура ворсинок щетки, Тк - контактная температура донора.
С
использованием уравнений (1-4) была составлена компьютерная программа для
определения безразмерной толщины пластинки 
для каждого
компонента, т.е. соотношение компонентов в доноре.
На рис.1 приведены расчетные процентные соотношения компонентов в доноре в зависимости от температуры контакта, если в покрытии должно содержаться 50% меди и 50% алюминия.
Рисунок 1- Соотношение компонентов в доноре Cu-Al, от температуры контакта
Таким образом, на основании результатов исследования структуры поверхностей контактной зоны, использование представлений неравновесной термодинамики позволяет определить необходимый состав композиционного покрытия, наносимого механическим путем.
Литература
1. Завалищин А.Н. Структура и свойства стали после поверхностной пластической деформации с одновременным нанесением покрытия. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1998. №2. С. 28-31.
2. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. Ред. В.Е. Панин. – Новосибирск: “Наука“, Сибирское отделение РАН. 1990. 255 с.
3. Иванова В.С. Синергетика разрушения. Межвуз. сб. науч. тр. “Ресурс и прочность оборудования нефтеперерабатывающих заводов”. Изд-во УГНТУ. Уфа. 1989. С. 3-28.
4. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. – М.:Мир,1973.-280 с.