Дослідження процесів автовакуумування та сублімації в герметичних об’ємах при контакті різнорідних металів

Мета роботи: дослідити процес сублімації металів при нагріві в умовах автовакууму.

1.1 Короткі теоретичні відомості

Сублімація - один з видів фазових переходів першого роду, коли тверде тіло відразу ж перетворюється у пар, минаючи рідку фазу. Сублімація існує в певному інтервалі температур і тисків і супроводжується поглинанням теплоти (теплота сублімації). Кінетичною характеристикою сублімації служить її швидкість (маса речовини, що переходить із твердого стану в газоподібний за одиницю часу), що залежить від типу твердого тіла (метал, діелектрик), температури його поверхні, тиску його насиченого пару і швидкості відводу парів від поверхні. Сублімацію використовують для очищення твердого тіла від поверхневих плівок та для нанесення покриття у вакуумі.

При зварюванні в твердій фазі у початковий момент прикладання навантаження, внаслідок шорсткості поверхонь, сумарна площа контакту становить не більше 1-2 % від номінальної площі контакту. Тобто, протягом усього часу нагріву й утворення фізичного контакту, у стику перебувають мікрооб'єми та макрооб'єми, заповнені повітрям (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Схема контактування шорстких поверхонь при зварюванні в твердій фазі до утворення фізичного контакту

При нагріві зразків, що з'єднуються, у зоні контакту йдуть процеси розчинення газів повітря в металі й відбувається автовакуумування, тобто утворюється розрідження. В умовах автовакуумування, при визначеному температурно-часовому інтервалі попереднього підігріву, до утворення фізичного контакту при зварюванні різнорідних матеріалів відбувається сублімація одного з металів та його конденсація на поверхні іншого (рисунок 1.2).

Таким чином, внаслідок автовакуумування та сублімації, у стику відбувається утворення проміжних тонких прошарків з ультрадисперсних конденсатів, наявність яких прискорює дифузійні процеси і підвищує якість зварних з'єднань.

Покриття на металах, отримані сублімацією при нагріванні в умовах автовакууму, істотно відрізняються за структурою від вакуумних покриттів товщиною порядку 1 мкм. У таких покриттях переважає стовпчаста структура з наскрізними порами, а покриття товщиною порядку 1 мкм, отримані іонним методом, мають дрібнозернисту структуру без пор.

Рисунок 1.2 – Конденсат міді на хромі (злам) після відпалу 60 хвилин (зйомка на JSM-840)

1.2 Обладнання та матеріали

Муфельна піч, оптичний мікроскоп, струбцина, зразки міді, титану, хрому, молібдену та нержавіючої сталі.

1.3 Хід виконання роботи

1.3.1 Ознайомитись з питаннями техніки безпеки.

1.3.2 Підготувати зразок моделюючий герметичний об'єм (рисунок 1.3). Елементи 1 і 2 зразка виготовити з міді, а елемент 3 з Тi, Mo, Cr або Х18Н10Т.

1.3.3 Досліджувані поверхні пластин 1, 3 попередньо відполірувати й знежирити ацетоном.

1.3.4 За допомогою струбцини зібрати зразок. При цьому герметизація замкнутого об'єму, обмеженого елементами 1, 2, 3 досягається в результаті схоплювання контактуючих поверхонь при незначному зусиллі стиску зразка як у процесі зборки так і період нагріву.

1.3.5 Завантажити збірку у муфельну піч та витримати протягом 15 – 20 хвилин при температурі 800-830 °С (пара Сu-Ti), 950-980 °C (пара Сu-Mo, Cr або Х18Н10Т).

1.3.6 Після охолодження елементи зразка 1, 2, 3 відокремити один від одного й дослідити топографію й структуру внутрішніх поверхонь на оптичному мікроскопі.

1.3.7 Зробити аналіз процесів, що відбулись у герметичних об’ємах. Замалювати топографію поверхні конденсату.

1 – мідна пластини; 2 – кільце з міді; 3 – пластини з Ti, Cr, Mo або сталь Х18Н10Т; 4 – герметичний об'єм

Рисунок 1.3 – Зразок для дослідження сублімації

1.4 Зміст звіту

1.4.1 Назва роботи, мета і короткі теоретичні відомості.

1.4.2 Порядок виконання роботи.

1.4.3 Результати досліджень, аналіз отриманих даних, висновки по роботі.

1.5 Контрольні запитання

1.5.1 Дати визначення сублімації. Різниця між випаровуванням та сублімацією.

1.5.2 Механізм створення герметичних мікрооб’ємів при зварюванні в твердій фазі.

1.5.3 Охарактеризувати процес автовакуумування герметичних об’ємів.

1.5.4 Приклади використання автовакуумування.

1.5.5 Роль тонких прошарків при зварюванні в твердій фазі.

2 Лабораторна робота №2