1.3. Поверхневі фізико-хімічні процеси.

Лекція 1.3.9. Поверхневі фізико-хімічні процеси при формуванні газотермічних покриттів.

Удар частинок. Внаслідок взаємодії з високотемпературним потоком частинки матеріалу, який призначений для утворення покриття, нагріваються та прискорюються. Стикаючись з основою, множина нагрітих (розплавлених) частинок деформується, розтікається і твердіє, утворюючи покриття.

Першим етапом взаємодії частинок матеріалу з основою і вже твердими попередніми частинками, які зчепилися з основою, є удар. Фізичний контакт, який супроводжує удар, створюється до хімічної взаємодії і практично визначає фактичну площу контакту, на якій формуються міцні зв'язки.

У загальному випадку для газотермічного напилення характерні співудари кількох видів, передусім удари частинок напилюваного матеріалу об поверхню твердого тіла розрізняються за станом частинок. Можна виділити повністю рідкі (Т_ч > Т_пл), частково розплавлені і тверді (Т_ч < Т_пл) частинки матеріалу, Для всіх цих частинок, незалежно від їх стану при ударі об тверду поверхню, можна розглядати два етапи.

Під час першого з них (активного) контактна сила зростає, відбувається деформація, утворення і розширення площі контакту частинки з основою. Центри інерції тіл зближуються. Під час другого етапу (пасивного) проходить розвантаження тіл, тобто зняття пружних деформацій, і відстань між центрами інерції тіл, які співударяються, збільшується.

Крім того, удари можуть розрізнятися за характером розтікання матеріалу. Це удари із стабільним розтіканням розплаву в радіальному від точки удару напрямку, а також співудари, коли після удару відбувається коронарне розбризкування матеріалу або втрачається стабільність границі розплаву при радіальному розтіканні.

На рис. 11 наведено модель співудару рідкої частинки і гладкої поверхні. Згідно з цією моделлю в початковий момент співудару частинка деформується дуже слабо, потім утворюється плоска ділянка контакту, яка надалі весь час розширюється. Внаслідок стабільного розтікання на поверхні основи утворюється плоска частинка – диск циліндричної форми. До закінчення розтікання верхня частина "не відчуває" деформації її нижньої частини на основі, зберігаючи над нею сфероподібну частину поверхні. Процес удару і деформації частинок супроводжується їх твердінням. Після повного твердіння частинка зберігає форму, яка утворилась після розтікання.

Існують й інші моделі стабільного розтікання. Згідно з однією з них при ударі у випадку низької швидкості рідка крапля після удару об гладку поверхню розтікається в плоский диск, який потім може знову стягуватися, утворюючи в центрі сфероподібну поверхню, та знову розтікатися, переходячи внаслідок таких коливань до деякої кінцевої рівноважної форми. Для крапель рідини кінцева рівноважна форма буде визначатися лише силами поверхневого натягу, тоді як для розплаву процес може бути обмежений твердінням матеріалу.

При розгляді удару зі стабільним радіальним розтіканням матеріалу можуть бути виділені три характерні стадії (рис. 13).

На першій стадії утворюється зона ударного стиснення, яка приєднана до твердої поверхні. На цій стадії матеріал, спочатку локалізований в об'ємі ОВВ, стискається і переноситься в середину об'єму ВСВ. Формується плоска контактна поверхня ВВ, і ударна хвиля з точки О переміщується в середину частинки, стискуючи матеріал. Зона ударного стиснення приєднана до твердої поверхні, вільна межа не деформована.

На другій стадії починається розвантаження області стиснення внаслідок деформації вільної поверхні. Початкове стиснений матеріал позаду фронту ударної хвилі переміщується в радіальному напрямку з області стиснення – розвивається радіальна течія, швидкість якої може перевищувати w_ч. Можлива поява кавітаційних порожнин внаслідок відбивання ударних хвиль від вільної поверхні. Тиск знижується до напірного, або динамічного, тиску р_д.

На третій стадії реалізується напірне стаціонарне розтікання з тиском порядку р_д і нижче.

Взагалі, згідно з першою моделлю в зоні співудару виникає тиск р, який може бути поданий у вигляді двох складових – напірного, або динамічного, тиску р_д, і ударного, або імпульсного, тиску р_і.

Спочатку крапля рідини пружно деформується, і лише через проміжок часу t = 10^–11 – 10^–9 с у місці удару утворюється тонкий плоский шар. Його виникнення пояснюється пружним стисненням частинки в місці удару. Потім під дією імпульсного тиску р_і стиснута рідина інтенсивно розтікається по поверхні.

Ударний тиск виникає внаслідок руху пружних хвиль стиснення, які поширюються в частинці, починаючи з моменту її зіткнення з поверхнею основи. Максимальний тиск можна оцінити з виразу

де μ – коефіцієнт жорсткості частинки, який враховує релаксаційну здатність рідини залежно від швидкості і форми краплі; ρ_р.ч. і а_р.ч. – густина рідкої частинки і швидкість звуку в ній. Для розплавів металів а_р.ч. = (2–5)10³ м/с. Коефіцієнт μ/2 наближається до нуля при малих w_ч, і μ/2 = 1 при w_ч > 100 м/с.

Напірний тиск р_д розраховується за рівнянням Бернуллі. Можна вважати, що розмір ділянки поверхні контакту, до якої прикладений тиск р_д, близький до діаметра частинки до удару. Якщо основу вважати абсолютно жорстким твердим тілом, а розплав матеріалу – ідеальною рідиною, то отримаємо найпростіший випадок удару, при якому динамічний тиск розраховується за формулою

Якщо вважати, що висота частинки на її осі під час удару рівномірно зменшується від d_ч до h_ч зі швидкістю руху частинки до удару w_ч, то тривалість дії динамічного тиску на всі частинки становитиме t = (d_ч – h_ч)/w_ч, тобто буде визначатися часом, необхідним для змикання фронту кристалізації з вільною поверхнею частинки.

Тривалість дії динамічного тиску буде зменшуватися в міру віддалення від осі внаслідок того, що спочатку форма краплі була близькою до сферичної.

Стійкість радіального розтікання матеріалу краплі при ударі може порушуватися. Першою причиною цього можуть бути низькі швидкості w_ч, коли частинки матеріалу деформуються слабо і майже не розтікаються при попаданні на поверхню твердого тіла. Внаслідок цього контактні процеси взаємодії матеріалів частинки і основи порушуються. Деформації розплавленої частинки, яка рухається з малою швидкістю, перешкоджає сила поверхневого натягу, під дією якої частинка набуває сферичної форми і зберігає її, а також отримує визначену жорсткість. Чим менший діаметр частинок, тим більше зусилля необхідно прикласти для їх деформації. Якщо припустити, що вся кінетична енергія руху частинки витрачається на збільшення її поверхні при зміні форми із сферичної у плоский диск, вираз для мінімальної швидкості w_ч min, за якої ще можлива деформація частинки при ударі об плоску поверхню, матиме вигляд

де  – поверхневий натяг матеріалу розплавленої частинки; ρ_ч – густина матеріалу частинки; d_ч – діаметр частинки до удару; h_ч – висота застиглої частинки або висота умовного циліндра, на який перетворилась частинка після розтікання і кристалізації.

Виходячи з експериментальних даних про деформацію частинок (h_ч/d_ч) при напиленні, можна оцінити мінімальну швидкість частинок w_ч min. Так, у випадку створення покриття металевими частинками діаметром d_ч = 10^–4 м при  ≈ 1 Дж/м² і ρ_ч = 10⁴ кг/м³ маємо w_ч min = 5–8 м/с, а для оксидів із d_ч = 0,5 · 10^–4 м і  ≈ 0,7 Дж/м² при ρ_ч = 4 · 10³ кг/м³ – w_ч min = 9-–15 м/с.

У реальних умовах частинки з малою швидкістю можуть утворюватися в несучому потоці, коли потрапляють на його периферію, де вони менш інтенсивно прискорюються на початку руху і сильніше гальмуються в міру віддалення від зрізу сопла розпилювача.

Інша ситуація виникає при збільшенні швидкості повністю розплавлених частинок.

При перевищенні w_ч min при даних  і d_ч порушується умова стійкого переміщення межі частинки, яка розтікається, і проходить диспергування матеріалу.

Критерієм, який визначає умови диспергування, є критерій Вебера:

Для плазмового напилення, наприклад, We приблизно дорівнює (2,5–90)10³ для металевих частинок і (0,71–25,71)10³ – для керамічних. Якщо взяти до уваги, що умовою диспергування матеріалу краплі є We  80, то можна говорити про високу імовірність диспергування повністю розплавлених частинок у високотемпературному потоці. Це підтверджується на практиці. Крупні частинки мають більшу схильність до розбризкування при деформуванні, ніж дрібні. Фактично дрібні частинки при помірних швидкостях співудару на мають значного потенціалу диспергування. Для дрібних частинок вищі, ніж для крупних, швидкості w_ч min , при яких порушується перша умова стабільного радіального розтікання матеріалу.

При ударі кінетична енергія, яку набуває частинка матеріалу в несучому потоці газу, тільки частково витрачається на деформацію. Рівняння балансу енергії має вигляд:

де Q – кількість теплоти, яка може виділятися як в об’ємі частинки, так і в поверхневому шарі матеріалу основи; E_S – зміна поверхневої енергії частинки, яка складає 4πr_ч²(2r_ч/h_ч–1); E_V – енергія пружних коливань, яку можна взяти рівною 0.

Тоді .

При значному ступені деформації частинок 2r_ч  h_ч. Використовуючи вираз для Q, можна оцінити величину додаткового підігрівання частинок:

Температура контакту. Одним із факторів, який визначає міцність з'єднання частинки з основою, є контактна температура в області дотику частинки і основи.

Розглянемо задачу з такими умовами:

1. основа є напівбезмежним тілом зі сталою початковою температурою T₀ і має відмінну від нуля теплопровідність лише в напрямку, перпендикулярному до площини основи. У цьому випадку теплопровідність дорівнює теплопровідності матеріалу основи;

2. частинка є розплавлена, і її початкова температура дорівнює температурі плавлення T_пл, а теплопровідність не дорівнює нулю лише в напрямку, перпендикулярному до площини контакту. У цьому напрямку теплопровідність дорівнює теплопровідності твердого матеріалу частинки. Тверда фаза нерухома відносно площини контакту, і під нею протягом усього часу твердіння існує прошарок рідини;

3. контакт частинки з основою ідеальний, а їх вільні поверхні теплоізольовані.

Термічний цикл T_к(t) сферичної частинки, яка деформується внаслідок удару і твердіє на основі, можна подати як суму двох етапів:

• твердіння частинки, в процесі якого контактна температура Т_к залишається сталою, а над рухомим фронтом кристалізації знаходиться рідина;

• охолодження частинки, яка стала вже твердою, до температури основи.

Рівень T₀, від якого ведуть відлік температури в розрахунках, відповідає температурі підігрівання поверхні основи в різних точках плями напилення. Якщо основу підігрівати, тобто збільшувати Т₀, то можна збільшити температуру частинок у контакті Т_к і інтенсифікувати їх приварювання до основи.

На стадії твердіння частинки в контакті підтримується стала температура:

де – критерій теплової активності частинки відносно основи; ₁ і ₂ – коефіцієнти теплопровідності; а₁ і а₂ – відповідно коефіцієнти температуропровідності частинки і основи; Ф() – функція інтеграла імовірності; =(K_ε, K_L) – корінь рівняння K_ε + Ф() = (K_Lе – ²)/; K_L – критерій, який оцінює приховану теплоту плавлення L_ч матеріалу частинки: K_L=с_чТ_пл/(1,77L_ч); с_ч, Т_пл – теплоємність і температура плавлення матеріалу частинки.

Час t₀, протягом якого частинка твердіє, і в контакті підтримується температура Т_к, при Т_ч = Т_пл обчислюється за формулою

де h_ч – висота затверділої частинки.

Частинки повністю холонуть до температури основи приблизно за час 100 t₀. в основі під частинкою проходить інтенсивне нагрівання, і градієнти температури досягають 10⁷ К/м.

Розрахунки показують, що глибина зони термічного впливу під частинкою в кінці стадії твердіння (t = t₀) не перевищує кількох десятків мікрон. Тому процеси фізико-хімічної взаємодії при напиленні не мають відношення до основного об'єму матеріалу основи, а відбуваються в приповерхневому шарі.

При напиленні частинками, температура яких Т_ч вища за температуру їх плавлення Т_пл, відповідно збільшується і температура в контакті Т_к. Однак форма кривої термічного циклу при цьому не змінюється і залишається такою ж, як і при напиленні розплавленими і неперегрітими частинками.

В результаті деформації, розтікання і тверднення матеріалу при ударі частинки об тверду поверхню на ній утворюється та елементарна дискретна частинка, із множини яких при їх послідовному закріпленні в шарі і формується покриття. Можливі кілька варіантів структурних елементів, які є результатом взаємодії частинки і основи.

Першим варіантом є безпосередньо плоский диск, краї якого можуть мати різну форму залежно від змочування та інших умов формування покриття.

Другим варіантом структурного елемента є дископодібна частинка елемента, яка має в центрі виступ сферичної форми (так званого типу „сомбреро”). Такі частинки формуються у випадку, коли вихідна частинка твердіє раніше, ніж розтікання досягне такої стадії, коли сферична поверхня повністю зникає.

І, нарешті, якщо при розтіканні в диск порушуються умови стійкості, можуть утворюватися диски із розвиненими краями, частково або повністю дисперговані частинки, які закріпилися на основі – результат фрагментації вихідних крапель.

На рис. 14 схематично зображені перерізи найбільш характерних видів частинок.

Лекція 1.3.10. Характеристика явищ, які визначають трансформацію матеріалу основи та її поверхні, а також частинок дисперсної фази і несучого потоку поблизу неї в структуру і властивості покриттів. Утворення сил зчеплення покриттів з основою.

Умови з'єднання. Весь процес взаємодії матеріалів при газотермічному напиленні на кожній елементарній ділянці поверхні умовно поділяється на три стадії:

• зближення речовин, які з'єднуються, – утворення фізичного контакту;

• активація контактних поверхонь і хімічна взаємодія матеріалів на межі поділу фаз;

• об'ємна взаємодія.

Явища, які відбуваються на стадії утворення фізичного контакту речовин – при ударі частинок об тверду поверхню, розглянуті вище. Внаслідок деформації і розтікання частинок утворення фізичного контакту при газотермічному напиленні забезпечується для більшості розплавлених частинок, які рухаються в потоці (w_ч > w_ч min). На цій стадії важливу роль відіграють процеси електростатичної взаємодії поверхневих атомів.

У разі відсутності ерозії матеріалу основи, його перемішування з матеріалом, що напилюється, і підплавлення фізичний контакт утворюється внаслідок пластичної деформації поверхні в момент удару частинки.

Фізичний контакт передує хімічній взаємодії, при якій на фактичній площі контакту формуються міцні зв'язки.

У процесі ударної взаємодії на площі контакту забезпечується проходження фізичної адсорбції напилюваного матеріалу на поверхню твердого тіла. Водночас формування фактичної площі контакту, яка становить деяку частину площі фізичного контакту, пов'язане з хемосорбцією.

Для утворення міцних адгезійних зв'язків, які забезпечуються хемосорбцією, частинки напилюваного матеріалу при співударі з поверхнею основи повинні здійснити роботу, яка залежить від енергії кристалічної ґратки, структури і поверхневої енергії речовини, що наноситься. У випадку з'єднання чистих металів або твердих речовин процеси електронної взаємодії обмежуються колективізацією валентних електронів позитивними іонами, внаслідок чого між системою атомів, які утворюють кристалічну ґратку, виникає міцний металевий зв'язок. Особливістю цього зв'язку є відсутність насичення, яке визначається валентністю відповідних атомів.

Для здійснення хемосорбції на реальній поверхні потрібна енергія для активації цієї поверхні, тобто на одержання молекулою або атомом енергії активації. Фізично цей акт можна інтерпретувати як процес розривання насичених зв'язків на поверхні адсорбційного тіла, внаслідок якого з'являються неспарені електрони (радикали), які здатні брати участь у хімічній взаємодії.

Таким чином, для проходження в контакті процесів електронної взаємодії різних типів потрібна визначена енергія для активації стану поверхонь.

Для моделі взаємодії поодинокої сферичної частинки, яка внаслідок твердіння перетворюється в диск циліндричної форми, з умовою еквівалентного збудження всіх атомів частинки з боку основи, швидкість реакції визначається лише умовами активації атомів поверхні основи і може бути описана диференціальним рівнянням:

Одним із головних параметрів, необхідних для оцінки проходження хімічної реакції між матеріалом, що напилюється, і основою, є температура абсолютна температура контакту Т_к, яка встановлюється в контакті рідка частинка – тверда основа. Згідно з результатами досліджень Т_к лежить між значеннями температур основи і частинки. Для багатьох випадків Т_к відповідає твердому стану обох матеріалів (частинки і основи). Винятком є напилення тугоплавких матеріалів, які підплавляють поверхні менш тугоплавких основ у місці контакту.

Температура Т_к визначається:

• температурою частинок, які напилюються, і частково основи;

• швидкістю частинок у зв'язку з переходом частини їх кінетичної енергії в тепло при ударі;

• наявністю ендо- або екзотермічних реакцій при взаємодії напилюваного матеріалу і основи.

З підвищенням температури основи одночасно відбуваються два процеси: збільшення діаметра плями D, на якому частинка внаслідок взаємодії міцно закріплюється на основі, і збільшення міцності зчеплення частинки з основою в самій плямі D внаслідок збільшення кількості зон зчеплення в ньому. Міцне зчеплення частинки спостерігається лише при підігріванні основи до визначеної температури, яка відповідає заповненню контактної поверхні під зонами зчеплення на 40–70 %.

Перегрівання частинок вище від температури плавлення. Воно також підвищує їх міцність зчеплення з основою і збільшує площу плями хімічної взаємодії. Зростання міцності пояснюється тим, що при перегріванні частинок підвищується контактна температура і процес хімічної взаємодії різко прискорюється.

Принципово важливим є те, що лише спільна дія підвищення Т_к, деформації і тиску при ударі та розтіканні частинки на основі здатна привести до її міцного зчеплення з поверхнею.

Як було показано вище, Т_к збільшується при переході кінетичної енергії в теплову внаслідок співудару частинки з основою. З підвищенням швидкості частинок міцність зчеплення зростатиме.

Підвищення швидкості частинок і відповідно тиску в контакті істотно зменшує енергію активації Е_а. У цьому випадку розрив найбільш слабких зв'язків атомів у ґратці матеріалу основи надає поверхні більшої активності і забезпечує перебудову хімічних зв'язків між атомами частинки і основи в контакті, що приводить до утворення зон зчеплення і міцного приварювання частинок.

Роль деформації в процесі утворення міцного зв'язку пов'язана з тим, що напруження, які виникають у зоні удару частинки об поверхню, сприяють виходу дислокацій на контактну поверхню і її активації внаслідок розриву насичених зв'язків, що веде до утворення додаткових активних центрів.

Усі атоми на поверхні основи в полі пружних перекручень навкруги дислокації, енергія яких досягла або перевищила деякий потенціальний бар'єр, вступають у хімічну взаємодію.

Розрахунок показує, що для низьких швидкостей частинок матеріалу внаслідок пластичної деформації можна отримати не більше, ніж 0,1 частини контакту. У таких випадках головним фактором, який забезпечує міцне приварювання частинок, є термічна активація.

З підвищенням швидкості частинок (w_ч > 100–200 м/с) тиск, який діє в зоні контакту, може прискорювати приварювання як шляхом пластичної деформації, так і внаслідок пружного перекручування кристалічної ґратки основи в місці удару кожної частинки.

За інших однакових умов частинки матеріалу, які рухаються з вищою швидкістю, спричиняють більшу пластичну деформацію основи, що стимулює швидке проходження об'ємних процесів у приповерхневій області матеріалу основи і відповідно веде до міцнішого з'єднання. Це пояснює факт збільшення міцності зчеплення покриття з основою, який спостерігається при використанні надзвукових розпилювачів. Однак ця тенденція має обмеження, яке пов'язане з диспергуванням частинок матеріалу, що мають високі швидкості при ударі об основу.

Слід сказати, що з'єднання утворюється насамперед саме в місцях виходу дислокацій внаслідок їх здатності пересуватися з швидкістю, вищою від деякого граничного значення, необхідного для досить швидкої деформації, коли на поверхні утворюється шлейф розірваних зв'язків. Відповідно ці місця є центрами утворення зон зчеплення напилюваного матеріалу і основи.

За відсутності ерозії і плавлення матеріалу під частинкою розвиток об'ємної взаємодії, яка проходить в міру завершення топохімічної реакції і встановлення міцних хімічних зв'язків, зумовлений дифузійними процесами, У цьому випадку дифузійні процеси визначають розміри перехідної зони, яка утворюється між напиленим матеріалом і основою і, крім того, сприяє розширенню їх фактичної площі контакту. Останнє відбувається внаслідок поверхневої дифузії, коли перенесення речовини здійснюється по поверхні.

Разом із дифузійним механізмом об'ємне перемішування матеріалу, який напилюється, і основного матеріалу може бути зумовлене гідродинамічними і механічними причинами. До них слід віднести корозію матеріалу основи, а також затікання матеріалу, що напилюється, у мікротріщини і мікропорожнини, які є на поверхні матеріалу основи.

Формування шару покриття. Для традиційних варіантів плазмового, електродугового та газополуменевого способів справедливе припущення про незалежність розтікання і кристалізації окремих частинок. Але збільшення продуктивності істотно змінює механізм формування покриття, оскільки з'являється можливість взаємного термічного впливу частинок у період утворення покриття на основі. Міцність покриттів можна значно підвищити, якщо напилювати таким чином, щоб частинки, які наносяться, укладались на частинки попереднього шару, які ще не захолонули.

Такі частинки називають термічно активними, а період їх охолодження на основі до визначеної температури Т₀* (вищої, ніж температура основи Т₀) – часом термічної (або теплової) активності частинки t_а (рис. 15).

Як видно з рис. 15: оскільки Т₀* > Т₀, то і температура в контакті між частинкою, яка напилюється, і термічно активною частинкою (Т_к* > Т_к) буде вищою. Відповідно зростає міцність зчеплення з основою.

При нанесенні покриття імовірність теплової взаємодії напилюваних частинок з раніше напиленими, термічно активними частинками, може бути розрахована за формулою:

де ; G – продуктивність напилення; R — радіус розсіювання, який пов'язаний із коефіцієнтом зосередженості k питомого розподілу матеріалу на основі залежності R=k^–0,5; d_ч – діаметр напилюваних частинок;  – коефіцієнт використання матеріалу; ρ_ч – густина напилюваного матеріалу; r – радіус частинки, яка розтеклася на основі; h – висота затверділої частинки.

Якщо оцінити імовірність взаємного теплового впливу частинок, наприклад, для плазмового напилення сучасним серійним обладнанням, то отримаємо значення Р< 7,5 · 10^–2.

Таким чином, імовірність взаємного теплового впливу частинок на основі досить мала. Однак із підвищенням продуктивності ця імовірність збільшується і при продуктивності, яка перевищує 100 кг/год, прямує до одиниці.

Неоднорідність умов завантаження високотемпературного потоку дисперсним матеріалом, а також його нагрівання і прискорення неминуче призводить до неоднорідності умов формування матеріалу покриття.

Як приклад, розглянемо напилення нерухомим розпилювачем на нерухому основу А1₂О₃. При цьому формується так звана фігура напилення. Дослідження, проведені для плазмового струменя, довели, що центр плями напилення – точка максимальної товщини фігури напилення, не збігається з центром струменя, а вісь каналу масоперенесення дисперсної фази не збігається з віссю несучого потоку (рис. 16). Кут між осями становить 1,2–2°.

У перерізі фігура напилення несиметрична відносно центра плями і її профіль, у загальному випадку, не описується нормальним гауссовим розподілом.

Дослідження структури напиленого матеріалу "в точку" доводять факт її неоднорідності по перерізу плями і залежно від положення "точки" відносно осі потоку.

На периферії плями розміщується матеріал, який містить у собі порівняно крупні зерна. Формування такого матеріалу пов'язане з наявністю значної частини непроплавлених (твердих, оплавлених із поверхні і рідких із твердим ядром) і вторинно затверділих (повністю або з поверхні при рідкому або газоподібному ядрі) частинок.

Тверді і повністю вторинно затверділі частинки можуть потрапляти в матеріал внаслідок слабкого самовільного закріплення, а також вторинного захоплювання при падінні на незакріплену тверду частинку рідкої краплі. Частинки, які мають розплавлене ядро або оболонку, зчеплюються з основою внаслідок рідкої фази.

При ударі частинки із вторинно затверділою оболонкою об поверхню основи затверділа зовнішня оболонка руйнується і рідкий метал розтікається, внаслідок чого і відбувається зчеплення.

При неповному проплавленні частинка до моменту співудару з основою складається з розплавленої рідкої оболонки і твердого ядра. Залежно від ступеня проплавлення рідка оболонка буває суцільною або несуцільною, а її товщина може становити 0,1 – 0,9 радіуса частинки.

При ударі таких частинок об поверхню основи теплової і кінетичної енергії, яку вони мають, недостатньо для їх повної деформації. Зчеплення частинок із поверхнею в цьому випадку відбувається внаслідок розплавленої оболонки. При ударі рідка оболонка може відокремлюватися – стікати з твердого ядра.

Численні експерименти переконують у тому, що участь у формуванні матеріалу не повністю проплавлених частинок, а також частинок із вторинно затверділою зовнішньою оболонкою, є типовим явищем при напиленні тугоплавких оксидів і металів.

Збільшення частки таких частинок відносно повністю проплавлених приводить до утворення структури з крупними порами. Порожнини, які утворюються між окремими частинками, можуть досягати характерних розмірів – 30–50 мкм. Матеріал, який формується, має зернисто-лускату структуру.

При переміщенні плями напилення і осі потоку в структурі матеріалу ближче до центру скорочується кількість крупних слабо закріплених елементів і зменшується характерний розмір пор.

В області, яка розміщена поблизу центру плями напилення і осі потоку, матеріал значною мірою формується з повністю проплавлених і перегрітих частинок. Він має характерну шарову структуру. Внаслідок удару об поверхню розплавлені частинки дуже деформуються і набувають форми луски з відношенням товщини до діаметра 1 : 20—1 : 15. Внутрішня структура багатьох елементів луски має вигляд стовпчастих кристалів, які орієнтовані в напрямку тепловідводу, а на їх поверхні спостерігається дендритна структура із сіткою мікронерівностей. Впадини дендритної структури мають клиноподібну форму.

Характерний розмір впадин із зовнішнього боку звичайно не перевищує 0,5 мкм. Товщина меж зчеплення між частинками визначається висотою всіх мікронерівностей і становить менше, ніж 0,3 мкм. У структурі, яка формується на цій ділянці, значно менше пор і слабо зчеплених елементів, характерних для попередніх ділянок. Зустрічаються лише окремі зчеплення ядра і порожнини.