Введение. Плазмохимическое модифицирование широкого спектра материалов – стекла, керамики, бетона и различных композиционных материалов показали возможности технологий плазменного получения покрытий как оплавлением лицевой поверхности, так и порошковым или стержневым напылением [1–3].
При кратковременном высокотемпературном воздействии плазмы обрабатываемый материал может прогреваться на глубину до 3000–4000 мкм, а температура расплава на поверхности может достигать 2000 °С [4–6]. Такие температуры значительно интенсифицируют процессы плавления кристаллической фазы [7].
Для оптимизации технологических плазменных процессов ряд исследователей разрабатывали методики расчёта температурных полей и напряжений в оплавленных плазмой слоях бетона и различных композиционных материалах [8–10]. Однако они не учитывали послойного изменения химического состава покрытия, которые были вызваны испарением наиболее летучих оксидов и диффузией компонентов в сторону высоких температур [11].
Декорирующий слой на бетоне и композиционных материалах в зависимости от состава и структуры в значительной степени может изменить кинетику нагрева, оплавленного плазмой многослойного защитно-декоративного покрытия [12–14]. Плазменная отделка с различным многокомпонентным декорирующем слоем позволить улучшить их тепловые, коррозионные, физико-механические и эстетические свойства [15–16].
Однако открытыми остаются вопросы формирования ликваций в многослойном оплавленном плазмой покрытии. В недостаточной степени изучены процессы термодиффузии и испарения компонентов при плазмохимическом модифицировании бетона и различных облицовочных композиционных материалов.
Методология. Оплавление производили при скорости прохождения плазменной струи по лицевой поверхности 10 мм/с на электродуговом плазмотроне «Горыныч». Температура плазменной струи в точке контакта с лицевой поверхностью составляла 6000 °С.
Затем образцы испытывали на прочность сцепления покрытия с основой. После отрыва от подложки микроструктуру оплавленного защитно-декоративного покрытия исследовали на электронном микроскопе TESCAN MIRA 3 LMU. По всей толщине покрытия определялась концентрация оксидов CaO, SiO2, Al2O3.
Основная часть. Высокие температуры плазменной струи вызывают в оплавленном слое термодиффузию и испарение оксидов в поверхностном слое защитно-декоративного покрытия облицовочного композиционного материала. Для изучения этих процессов предварительно производили оплавление облицовочного композиционного материала с защитно-декоративным покрытием из смеси боя высокоглнозёмистого огнеупора фракционного состава 0,63–0,8 мм с жидким стеклом. На рисунке 1 показано, что в защитно-декоративном покрытии концентрация оксида кальция уменьшалась, а оксидов кремния и алюминия возрастала, что способствует увеличению значения микротвёрдости защитно-декоративного покрытия. Содержание вышеуказанных оксидов была исследована в зонах 1–5.
|
|
|
Рис. 1. Микроструктура защитно-декоративного покрытия:
1–5 – исследуемые зоны по толщине покрытия; 6 – газовые включения; 7 – трещины
Экспериментально установленная закономерность изменения концентрации по толщине защитно-декоративного покрытия представлена в таблице 1 и на рисунке 2.
Механизм формирования многослойной структуры защитно-декоративного покрытия на основе боя высокоглиноземистого огнеупора с добавлением жидкого стекла в количестве 5 % значительно отличается. Содержание оксида натрия, поступающего в покрытие вместе с жидким стеклом в условиях перегретого расплава при плазмохимическом модифицировании снижает его вязкость, интенсифицируются процессы термодиффузии. Наиболее подвижным диффундирующим элементом является катион натрия.
Из стеклокристаллического слоя катионы натрия диффундировали в сторону высоких температур. На лицевой поверхности образовался аморфный слой, обогащенный оксидом натрия с образованием областей ликвации. Низкая вязкость расплава обеспечивала интенсивный выход газовых включений. В стеклокристаллической зоне, обогащенной оксидом алюминия, происходила кристаллизация α-Al2O3 (рисунок 3).
В поверхностном аморфном слое А (зона 2) имеются области ликвации с содержанием катионов Na+ 8,57 %. На глубине 250 мкм содержание Na+ составляет 7,69 % (зона 1). На границе между аморфным слоем и стеклокристаллическим слоем (зона 3) Na+ составляет 5,7 %. В центре стеклокристаллического слоя на глубине 650 мкм содержание Na+ составляет 4,2 %. В дегидратационном слое, где температура прогрева не превышает 400 °С, натрия содержится 8,2 % (зона 7).
Таблица 1
Распределение концентрации элементов по толщине защитно-декоративного покрытия
|
№ п/п |
Толщина (глубина) покрытий, мкм |
Вес, % |
||
|
Ca |
Si |
Al |
||
|
1 |
55,6 |
0,60 |
3,61 |
52,50 |
|
2 |
291,6 |
1,27 |
3,52 |
52,07 |
|
3 |
555,6 |
1,29 |
2,73 |
51,43 |
|
4 |
777,8 |
1,52 |
2,11 |
50,86 |
|
5 |
1013,8 |
1,91 |
1,49 |
50,30 |
Особе6нности строения стеклокристаллического слоя представлены на рисунке 4. В этом слое имеются области с кристаллами α-Al2O3, а также незакристаллизованные участки, содержащие аморфную зону, имеющую в своем составе Na2O.
|
а) |
|
б) |
|
|
|
в) |
|
|||
Рис. 2. График зависимости изменения содержания отдельных элементов по толщине оплавленного слоя:
а – Ca; б – Si; в – Al
|
|
|
Рис. 3. Микроструктура аморфного (А) стеклокристаллического (Б) и дегидратационного слоя (В)
Рис. 4. Стеклокристаллический слой:
1 – кристаллы α-Al2O3; 2 – аморфная фаза
Выводы. Установлено, что за весьма короткие промежутки времени, при быстром охлаждении расплава и увеличении его вязкости, процессы гомогенизации расплава и кристаллизации остаются незавершенными. Вследствие этого в стеклокристаллическом слое имеются как закристаллизованные участки, так участки с аморфной фазой.
Проведенные исследования позволили сделать вывод, что защитно-декоративные покрытия, частично закристаллизованные, будут обладать повышенными эксплуатационными показателями за счет наличия кристаллической фазы и отсутствия микротрещин.
Установлено, что под действием высоких температур плазменной струи происходит огненная полировка лицевой поверхности стеклокристаллического композиционного материала.
Источник финансирования. Грант Президента для научных школ НШ-2724.2018.8.
