Методы термического напыления — это процессы нанесения покрытий , в которых расплавленные (или нагретые) материалы распыляются на поверхность. «Исходное сырье» (прекурсор покрытия) нагревается электрическим (плазма или дуга) или химическим способом (пламенем горения).
Термическое напыление может обеспечить толстые покрытия (приблизительный диапазон толщины составляет от 20 микрон до нескольких мм, в зависимости от процесса и исходного сырья) на большой площади с высокой скоростью осаждения по сравнению с другими процессами нанесения покрытий, такими как гальванопокрытие , физическое и химическое осаждение из паровой фазы. Материалы покрытия, доступные для термического напыления, включают металлы, сплавы, керамику, пластмассы и композиты. Они подаются в виде порошка или проволоки, нагреваются до расплавленного или полурасплавленного состояния и ускоряются по направлению к подложкам в виде частиц микрометрового размера. В качестве источника энергии для термического напыления обычно используется горение или электрический дуговой разряд. Полученные покрытия изготавливаются путем накопления многочисленных распыленных частиц. Поверхность может не нагреваться значительно, что позволяет наносить покрытие на легковоспламеняющиеся вещества.
Качество покрытия обычно оценивается путем измерения его пористости , содержания оксидов , макро- и микротвердости , прочности связи и шероховатости поверхности . Как правило, качество покрытия повышается с увеличением скорости частиц.
Различают несколько разновидностей термического напыления:
В классических (разработанных между 1910 и 1920 годами), но все еще широко используемых процессах, таких как пламенное напыление и напыление проволочной дугой, скорости частиц, как правило, низкие (<150 м/с), и сырье должно быть расплавлено для нанесения. Плазменное напыление, разработанное в 1970-х годах, использует высокотемпературную плазменную струю, генерируемую дуговым разрядом с типичными температурами >15 000 К, что позволяет распылять тугоплавкие материалы, такие как оксиды, молибден и т. д. [1]
Типичная система термического напыления состоит из следующих компонентов:
Детонационная пушка состоит из длинного водоохлаждаемого ствола с впускными клапанами для газов и порошка. Кислород и топливо (чаще всего ацетилен) подаются в ствол вместе с зарядом порошка. Искра используется для воспламенения газовой смеси, и полученная детонация нагревает и ускоряет порошок до сверхзвуковой скорости через ствол. Импульс азота используется для продувки ствола после каждой детонации. Этот процесс повторяется много раз в секунду. Высокая кинетическая энергия горячих частиц порошка при ударе о подложку приводит к образованию очень плотного и прочного покрытия. Покрытие прилипает посредством механической связи, возникающей в результате деформации базовой подложки, обволакивающей распыляемые частицы после высокоскоростного удара.
В процессе плазменного напыления осаждаемый материал (исходное сырье) — обычно в виде порошка , иногда в виде жидкости [2] , суспензии [3] или проволоки — вводится в плазменную струю, исходящую из плазменной горелки . В струе, где температура составляет порядка 10 000 К, материал расплавляется и продвигается к подложке. Там расплавленные капли сплющиваются, быстро затвердевают и образуют осадок. Обычно осадки остаются прикрепленными к подложке в виде покрытий; отдельно стоящие детали также могут быть получены путем удаления подложки. Существует большое количество технологических параметров, которые влияют на взаимодействие частиц с плазменной струей и подложкой и, следовательно, на свойства осадка. Эти параметры включают тип исходного сырья, состав и расход плазменного газа, подводимую энергию, расстояние смещения горелки, охлаждение подложки и т. д.
Отложения состоят из множества блинообразных «брызг», называемых ламелями , образованных путем сплющивания капель жидкости. Поскольку исходные порошки обычно имеют размеры от микрометров до более 100 микрометров, ламели имеют толщину в микрометровом диапазоне и поперечный размер от нескольких до сотен микрометров. Между этими ламелями имеются небольшие пустоты, такие как поры, трещины и области неполного сцепления. В результате этой уникальной структуры отложения могут иметь свойства, значительно отличающиеся от свойств объемных материалов. Это, как правило, механические свойства, такие как более низкая прочность и модуль , более высокая устойчивость к деформации и более низкая тепло- и электропроводность . Кроме того, из-за быстрого затвердевания в отложениях могут присутствовать метастабильные фазы .
Эта технология в основном используется для получения покрытий на конструкционных материалах. Такие покрытия обеспечивают защиту от высоких температур (например, тепловые барьерные покрытия для управления теплом отработавших газов ), коррозии , эрозии , износа ; они также могут изменять внешний вид, электрические или трибологические свойства поверхности, заменять изношенный материал и т. д. При распылении на подложки различной формы и удалении можно получать отдельно стоящие детали в виде пластин, трубок, оболочек и т. д. Ее также можно использовать для обработки порошков (сфероидизация, гомогенизация, изменение химии и т. д.). В этом случае подложка для осаждения отсутствует, а частицы затвердевают во время полета или в контролируемой среде (например, воде). Эта технология с вариациями может также использоваться для создания пористых структур, подходящих для врастания костей, в качестве покрытия для медицинских имплантатов. Аэрозоль полимерной дисперсии может быть введен в плазменный разряд для создания прививки этого полимера на поверхности подложки. [3] Это приложение в основном используется для изменения поверхностной химии полимеров.
Системы плазменного напыления можно классифицировать по нескольким критериям.
Генерация плазменной струи:
Плазмообразующая среда:
Среда распыления:
Другой вариант заключается в использовании жидкого сырья вместо твердого порошка для плавления, этот метод известен как плазменное распыление прекурсора раствора.
Вакуумное плазменное напыление (VPS) — это технология травления и модификации поверхности для создания пористых слоев с высокой воспроизводимостью, а также для очистки и поверхностной инженерии пластиков, резин и натуральных волокон, а также для замены CFC для очистки металлических компонентов. Эта поверхностная инженерия может улучшить такие свойства, как фрикционное поведение, термостойкость , поверхностная электропроводность , смазываемость , прочность сцепления пленок или диэлектрическая проницаемость , или может сделать материалы гидрофильными или гидрофобными .
Процесс обычно работает при температуре 39–120 °C, чтобы избежать термического повреждения. Он может вызывать нетермически активируемые поверхностные реакции, вызывая поверхностные изменения, которые не могут произойти с молекулярной химией при атмосферном давлении. Плазменная обработка выполняется в контролируемой среде внутри герметичной камеры при среднем вакууме, около 13–65 Па . Газ или смесь газов возбуждаются электрическим полем от постоянного тока до микроволновых частот, обычно 1–500 Вт при 50 В. Обрабатываемые компоненты обычно электрически изолированы. Летучие побочные продукты плазмы откачиваются из камеры вакуумным насосом и при необходимости могут быть нейтрализованы в выхлопном скруббере .
В отличие от молекулярной химии, плазма использует:
Плазма также генерирует электромагнитное излучение в виде вакуумных УФ-фотонов, которые проникают в объемные полимеры на глубину около 10 мкм. Это может вызвать разрывы цепей и сшивание.
Плазмы воздействуют на материалы на атомном уровне. Такие методы, как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и сканирующая электронная микроскопия, используются для анализа поверхности, чтобы определить необходимые процессы и оценить их эффекты. В качестве простого показателя поверхностной энергии , а следовательно, адгезии или смачиваемости, часто используется тест на контактный угол капли воды . Чем ниже контактный угол, тем выше поверхностная энергия и более гидрофилен материал.
При более высоких энергиях ионизация имеет тенденцию происходить чаще, чем химическая диссоциация . В типичном реактивном газе 1 из 100 молекул образует свободные радикалы , тогда как только 1 из 10 6 ионизируется. Преобладающим эффектом здесь является образование свободных радикалов. Ионные эффекты могут преобладать при выборе параметров процесса и, при необходимости, использовании благородных газов.
Напыление проволочной дугой — это форма термического напыления, при которой две расходуемые металлические проволоки подаются независимо в распылительный пистолет. Затем эти проволоки заряжаются, и между ними образуется дуга. Тепло от этой дуги расплавляет входящую проволоку, которая затем увлекается воздушной струей из пистолета. Затем это увлекаемое расплавленное сырье осаждается на подложку с помощью сжатого воздуха. Этот процесс обычно используется для металлических, толстых покрытий. [1]
Плазменная дуга с переносом проволоки (PTWA) — это еще одна форма напыления проволочной дугой, которая наносит покрытие на внутреннюю поверхность цилиндра или на внешнюю поверхность детали любой геометрии. Она в основном известна своим использованием для покрытия отверстий цилиндров двигателя, что позволяет использовать алюминиевые блоки двигателя без необходимости использования тяжелых чугунных гильз. В качестве «сырья» для системы используется один проводящий провод. Сверхзвуковая плазменная струя плавит провод, распыляет его и продвигает на подложку. Плазменная струя формируется переносной дугой между нерасходуемым катодом и типом проволоки. После распыления нагнетаемый воздух переносит поток расплавленных капель на стенку отверстия. Частицы сплющиваются, когда они ударяются о поверхность подложки из-за высокой кинетической энергии. Частицы быстро затвердевают при контакте. Сложенные друг на друга частицы образуют покрытие с высокой износостойкостью. Процесс термического напыления PTWA использует один провод в качестве исходного материала. В качестве исходного материала могут использоваться все токопроводящие провода диаметром до 0,0625" (1,6 мм), включая провода с «сердечником». PTWA можно использовать для нанесения покрытия на изнашиваемые поверхности деталей двигателя или трансмиссии для замены втулки или подшипника. Например, использование PTWA для покрытия опорной поверхности шатуна дает ряд преимуществ, включая снижение веса, стоимости, потенциала трения и напряжения в шатуне.
В 1980-х годах был разработан класс процессов термического напыления, называемых высокоскоростным кислородно-топливным напылением. Смесь газообразного или жидкого топлива и кислорода подается в камеру сгорания , где они воспламеняются и непрерывно сгорают. Полученный горячий газ под давлением, близким к 1 МПа, выходит через сходящееся-расходящееся сопло и проходит через прямой участок. Топливом могут быть газы ( водород , метан , пропан , пропилен , ацетилен , природный газ и т. д.) или жидкости ( керосин и т. д.). Скорость струи на выходе из ствола (>1000 м/с) превышает скорость звука . Исходное сырье порошка впрыскивается в газовый поток, который ускоряет порошок до 800 м/с. Поток горячего газа и порошка направляется к покрываемой поверхности. Порошок частично плавится в потоке и осаждается на подложке. Полученное покрытие имеет низкую пористость и высокую прочность сцепления . [1]
Покрытия HVOF могут быть толщиной до 12 мм (1/2"). Обычно они используются для нанесения износостойких и коррозионностойких покрытий на такие материалы, как керамические и металлические слои. Обычные порошки включают WC -Co, карбид хрома , MCrAlY и оксид алюминия . Процесс оказался наиболее успешным для нанесения металлокерамических материалов (WC–Co и т. д.) и других коррозионно-стойких сплавов ( нержавеющие стали , сплавы на основе никеля, алюминий, гидроксиапатит для медицинских имплантатов и т. д.). [1]
Технология покрытия HVAF представляет собой сжигание пропана в потоке сжатого воздуха. Как и HVOF, это создает равномерную высокоскоростную струю. HVAF отличается тем, что включает в себя тепловой экран для дальнейшей стабилизации механизмов термического напыления. Материал впрыскивается в поток воздуха и топлива, а частицы покрытия продвигаются к детали. [4] HVAF имеет максимальную температуру пламени от 3560° до 3650 °F и среднюю скорость частиц 3300 фут/сек. Поскольку максимальная температура пламени относительно близка к температуре плавления большинства распыляемых материалов, HVAF приводит к более равномерному, пластичному покрытию. Это также позволяет использовать типичную толщину покрытия 0,002–0,050". Покрытия HVAF также имеют механическую прочность связи более 12 000 фунтов на квадратный дюйм. Обычные материалы для покрытий HVAF включают, помимо прочего, карбид вольфрама , карбид хрома, нержавеющую сталь , хастеллой и инконель . Благодаря своей пластичной природе покрытия HVAF могут помочь противостоять кавитационным повреждениям. [5]
Распыление и плавление используют высокую температуру для увеличения связи между термическим напылением покрытия и подложкой детали. В отличие от других типов термического напыления, распыление и плавление создают металлургическую связь между покрытием и поверхностью. Это означает, что вместо того, чтобы полагаться на трение для адгезии покрытия, оно сплавляет поверхность и материал покрытия в один материал. Распыление и плавление сводится к разнице между адгезией и когезией.
Этот процесс обычно включает распыление порошкообразного материала на компонент, а затем ацетиленовую горелку. Горелка расплавляет материал покрытия и верхний слой материала компонента; сплавляя их вместе. Из-за высокой температуры распыления и плавления может возникнуть некоторая тепловая деформация, и необходимо соблюдать осторожность, чтобы определить, является ли компонент хорошим кандидатом. Эти высокие температуры сродни тем, которые используются при сварке. Эта металлургическая связь создает чрезвычайно износостойкое и стойкое к истиранию покрытие. Распыление и плавление обеспечивают преимущества твердосплавной сварки с легкостью термического напыления. [6]
Холодное напыление (или газодинамическое холодное напыление) было представлено на рынке в 1990-х годах. Первоначально метод был разработан в Советском Союзе – во время экспериментов с эрозией целевой подложки, которая подвергалась воздействию двухфазного высокоскоростного потока мелкодисперсного порошка в аэродинамической трубе, ученые наблюдали случайное быстрое образование покрытий. [1]
При холодном напылении частицы разгоняются до очень высоких скоростей с помощью газа-носителя, проталкиваемого через сходящееся-расходящееся сопло типа Де Лаваля . При ударе твердые частицы с достаточной кинетической энергией пластически деформируются и механически связываются с подложкой, образуя покрытие. Критическая скорость, необходимая для образования связи, зависит от свойств материала, размера порошка и температуры. Металлы , полимеры , керамика , композитные материалы и нанокристаллические порошки могут быть нанесены с помощью холодного напыления. [7] Мягкие металлы, такие как Cu и Al, лучше всего подходят для холодного напыления, но сообщалось о покрытии других материалов (W, Ta, Ti, MCrAlY, WC–Co и т. д.) холодным напылением. [1]
Эффективность осаждения обычно низкая для порошков сплавов, а окно параметров процесса и подходящих размеров порошка узкое. Для ускорения порошков до более высокой скорости используются более мелкие порошки (<20 микрометров). Можно ускорить частицы порошка до гораздо более высокой скорости, используя технологический газ с высокой скоростью звука (гелий вместо азота). Однако гелий дорог, а его расход и, следовательно, потребление выше. Для улучшения способности к ускорению газообразный азот нагревают примерно до 900 °C. В результате эффективность осаждения и прочность на разрыв отложений увеличиваются. [1]
Теплое напыление — это новая модификация высокоскоростного кислородно-топливного напыления, при котором температура горючего газа снижается путем смешивания азота с горючим газом, что приближает процесс к холодному напылению. Полученный газ содержит много водяного пара, непрореагировавших углеводородов и кислорода, и поэтому он более грязный, чем при холодном напылении. Однако эффективность покрытия выше. С другой стороны, более низкие температуры теплого напыления уменьшают плавление и химические реакции исходного порошка по сравнению с HVOF. Эти преимущества особенно важны для таких материалов покрытия, как Ti, пластики и металлические стекла, которые быстро окисляются или разрушаются при высоких температурах. [1]
Термическое напыление — это процесс прямой видимости, а механизм связи в основном механический. Термическое напыление несовместимо с субстратом, если область, на которую оно наносится, сложная или заблокирована другими телами. [9]
Термическое напыление не обязательно должно быть опасным процессом, если с оборудованием обращаться осторожно и соблюдать правильные методы распыления. Как и в любом промышленном процессе, существует ряд опасностей, о которых оператор должен знать и против которых следует принимать особые меры предосторожности. В идеале оборудование должно работать автоматически в кожухах, специально разработанных для удаления паров, снижения уровня шума и предотвращения прямого обзора распылительной головки. Такие методы также будут производить покрытия, которые будут более однородными. Бывают случаи, когда тип обрабатываемых компонентов или их низкие уровни производства требуют ручного управления оборудованием. В этих условиях возникает ряд опасностей, свойственных термическому напылению, в дополнение к тем, которые обычно встречаются в производственных или перерабатывающих отраслях. [10] [11]
Оборудование для распыления металла использует сжатые газы, которые создают шум. Уровень звука зависит от типа оборудования для распыления, распыляемого материала и рабочих параметров. Типичные уровни звукового давления измеряются на расстоянии 1 метра за дугой. [12]
Оборудование для распыления методом сжигания создает интенсивное пламя, которое может иметь пиковую температуру более 3100 °C и является очень ярким. Электродуговое распыление создает ультрафиолетовый свет, который может повредить нежные ткани тела. Плазма также генерирует довольно много ультрафиолетового излучения, легко обжигая открытую кожу, а также может вызвать «вспышку ожога» глаз. Покрасочные камеры и кожухи должны быть оснащены поглощающим ультрафиолет темным стеклом. Если это невозможно, операторы и другие лица, находящиеся поблизости, должны носить защитные очки, содержащие зеленое стекло BS класса 6. Вокруг зон распыления следует размещать непрозрачные экраны. Сопло дугового пистолета никогда не следует смотреть напрямую, если только нет уверенности в том, что оборудование не подключено к электросети. [10]
Распыление расплавленных материалов приводит к образованию большого количества пыли и паров, состоящих из очень мелких частиц (около 80–95% частиц размером <100 нм). [13] Надлежащие вытяжные устройства имеют жизненно важное значение не только для личной безопасности, но и для минимизации захвата повторно замороженных частиц в распыляемых покрытиях. Настоятельно рекомендуется использовать респираторы, оснащенные подходящими фильтрами, если оборудование невозможно изолировать. [13] Некоторые материалы представляют определенные известные опасности: [10]
Распылительные пистолеты с горением используют кислород и топливные газы. Топливные газы потенциально взрывоопасны. В частности, ацетилен можно использовать только при утвержденных условиях. Кислород, хотя и не взрывоопасен, будет поддерживать горение, и многие материалы будут самопроизвольно воспламеняться при наличии избыточного уровня кислорода. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать утечки и изолировать поставки кислорода и топливного газа, когда они не используются. [10]
Электродуговые пушки работают при низком напряжении (ниже 45 В постоянного тока), но при относительно высоком токе. Их можно безопасно держать в руках. Блоки питания подключаются к источникам переменного тока напряжением 440 В и требуют осторожного обращения. [10]