Термическое напыление

Установка плазменного напыления - вариант термического напыления

Температура и скорость частиц для различных процессов термического напыления ^[1]

Методы термического напыления - это процессы нанесения покрытия, при которых расплавленные (или нагретые) материалы напыляются на поверхность. «Сырье» (предшественник покрытия) нагревается электрическими (плазма или дуга) или химическими средствами (пламя горения).

Термическое напыление может обеспечить толстые покрытия (приблизительный диапазон толщины от 20 микрон до нескольких мм, в зависимости от процесса и сырья) на большой площади при высокой скорости осаждения по сравнению с другими процессами нанесения покрытий, такими как гальваника , физическое и химическое осаждение из паровой фазы.. Материалы покрытия, доступные для термического напыления, включают металлы, сплавы, керамику, пластмассы и композиты. Их подают в виде порошка или проволоки, нагревают до расплавленного или полурасплавленного состояния и ускоряют по направлению к субстратам в виде частиц микрометрового размера. Горение или электрический дуговой разряд обычно используется в качестве источника энергии для термического напыления. Получающиеся покрытия образуются за счет скопления множества распыленных частиц. Поверхность может не сильно нагреваться, что приведет к покрытию легковоспламеняющимися веществами.

Покрытие качества обычно оцениваются путем измерения его пористости , оксид содержания, макро- и микро- твердости , прочность соединения и шероховатость поверхности . Как правило, качество покрытия повышается с увеличением скорости частиц.

Варианты [ править ]

Выделяют несколько разновидностей термического напыления:

• Плазменное напыление
• Детонационное распыление
• Проволочно-дуговое напыление
• Распыление пламенем
• Высокоскоростное напыление кислородно-топливного покрытия (HVOF)
• Топливо с высокоскоростным воздушным потоком (HVAF)
• Тёплое опрыскивание
• Холодное напыление
• Спрей и предохранитель

В классических (разработанных между 1910 и 1920 гг.), Но все еще широко используемых процессах, таких как напыление пламенем и напыление дуги проволокой, скорость частиц обычно невысока (<150 м / с), и сырье должно быть расплавлено для осаждения. В плазменном напылении, разработанном в 1970-х годах, используется высокотемпературная плазменная струя, генерируемая дуговым разрядом с типичными температурами> 15 000 К, что позволяет распылять тугоплавкие материалы, такие как оксиды, молибден и т. Д. ^[1]

Обзор системы [ править ]

Типичная система термического напыления состоит из следующего:

• Горелка для распыления (или пистолет-распылитель) - основное устройство, выполняющее плавление и ускорение осаждаемых частиц.
• Питатель - для подачи порошка , проволоки или жидкости в горелку по трубкам.
• Подача среды - газы или жидкости для генерации пламени или плазменной струи, газы для переноса порошка и т. Д.
• Робот - для манипулирования резаком или покрываемыми материалами.
• Источник питания - часто автономный для горелки
• Консоль (и) управления - встроенная или индивидуальная для всего вышеперечисленного

Процесс термического напыления детонации [ править ]

Детонационная пушка состоит из длинного водоохлаждаемого ствола с впускными клапанами для газов и пороха. Кислород и топливо (чаще всего ацетилен) подаются в ствол вместе с зарядом пороха. Искра используется для воспламенения газовой смеси, и возникающая в результате детонация нагревает и разгоняет порох до сверхзвуковой скорости через ствол. Пульс азота используется для продувки ствола после каждого взрыва. Этот процесс повторяется много раз в секунду. Высокая кинетическая энергия частиц горячего порошка при ударе о подложку приводит к образованию очень плотного и прочного покрытия.

Плазменное напыление [ править ]

В процессе плазменного напыления наносимый материал (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 плавится и продвигается к подложке. Здесь расплавленные капли сплющиваются, быстро затвердевают и образуют осадок. Обычно отложения остаются прилипшими к субстрату в виде покрытий; Отдельно стоящие детали также можно изготавливать, удаляя подложку. Существует большое количество технологических параметров, которые влияют на взаимодействие частиц с плазменной струей и подложкой и, следовательно, на свойства осадка. Эти параметры включают тип сырья, состав и расход плазменного газа, подвод энергии, расстояние смещения горелки, охлаждение подложки и т. Д.

Свойства депозита [ править ]

Отложения состоят из множества блиноподобных «пятен», называемых ламелями , образованных в результате сплющивания капель жидкости. Поскольку порошки исходного материала обычно имеют размер от микрометров до более 100 микрометров, ламели имеют толщину в диапазоне микрометров и поперечный размер от нескольких до сотен микрометров. Между этими ламелями есть небольшие пустоты, такие как поры, трещины и участки неполного соединения. Благодаря этой уникальной структуре отложения могут иметь свойства, значительно отличающиеся от свойств сыпучих материалов. Обычно это механические свойства, такие как более низкая прочность и модуль , более высокая устойчивость к деформации и более низкая теплопроводность и электрическая проводимость.. Кроме того , в связи с быстрым затвердеванием , метастабильные фазы могут присутствовать в отложениях.

Приложения [ править ]

Этот метод в основном используется для нанесения покрытий на конструкционные материалы. Такие покрытия обеспечивают защиту от высоких температур (например, термобарьерные покрытия для отвода тепла от выхлопных газов ), коррозии , эрозии , износа.; они также могут изменять внешний вид, электрические или трибологические свойства поверхности, заменять изношенный материал и т. д. При напылении на подложки различной формы и удалении можно изготавливать отдельно стоящие детали в виде пластин, трубок, кожухов и т. д. . Его также можно использовать для обработки порошков (сфероидизация, гомогенизация, химическая модификация и т. Д.). В этом случае подложка для осаждения отсутствует, и частицы затвердевают во время полета или в контролируемой среде (например, в воде). Этот метод с вариациями может также использоваться для создания пористых структур, подходящих для прорастания кости, 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 химического состава поверхности полимеров.

Варианты [ править ]

Системы плазменного напыления можно разделить на несколько категорий.

Генерация плазменной струи:

• постоянный ток (плазма постоянного тока), при котором энергия передается плазменной струе постоянным током, мощная электрическая дуга
• индукционная плазма или высокочастотная плазма, в которой энергия передается за счет индукции от катушки вокруг плазменной струи, через которую проходит переменный радиочастотный ток

Плазмообразующая среда:

• газостабилизированная плазма (ГСП), где плазма образуется из газа; обычно аргон , водород , гелий или их смеси
• водостабилизированная плазма (WSP), где плазма образуется из воды (в результате испарения, диссоциации и ионизации) или другой подходящей жидкости
• гибридная плазма - с комбинированной стабилизацией газа и жидкости, обычно аргона и воды

Среда распыления:

• атмосферное плазменное напыление (APS), выполняемое в окружающем воздухе
• Плазменное напыление в контролируемой атмосфере (CAPS), обычно выполняемое в закрытой камере, заполненной инертным газом или откачанной
• варианты CAPS: плазменное напыление под высоким давлением (HPPS), плазменное напыление под низким давлением (LPPS), крайним случаем которых является вакуумно- плазменное напыление (VPS, см. ниже)
• подводное плазменное напыление

Другой вариант состоит в использовании жидкого сырья вместо твердого порошка для плавления, этот метод известен как плазменное распыление прекурсора раствора.

Вакуумно-плазменное напыление [ править ]

Вакуумно-плазменное напыление (VPS) - это технология травления и модификации поверхности для создания пористых слоев с высокой воспроизводимостью, а также для очистки и обработки поверхности пластмасс, каучуков и натуральных волокон, а также для замены CFC для очистки металлических компонентов. Такая инженерия поверхности может улучшить такие свойства, как фрикционные свойства, термостойкость , поверхностную электрическую проводимость , смазывающую способность , когезионную прочность пленок или диэлектрическую постоянную , или может сделать материалы гидрофильными или гидрофобными .

Обычно процесс осуществляется при температуре 39–120 ° C, чтобы избежать теплового повреждения. Он может вызывать нетермически активируемые поверхностные реакции, вызывая поверхностные изменения, которые не могут происходить с молекулярной химией при атмосферном давлении. Плазменная обработка проводится в контролируемой среде внутри герметичной камеры при среднем вакууме около 13–65 Па . Газ или смесь газов , находится под напряжением с помощью электрического поля от DC до СВЧ частот, как правило , 1-500 Вт при 50 В. Обработанные компоненты обычно электрически изолированы. Летучие побочные продукты плазмы удаляются из камеры с помощью вакуумного насоса и при необходимости могут быть нейтрализованы в скруббере для выхлопных газов .

В отличие от молекулярной химии, в плазме используются:

• Молекулярные, атомные, метастабильные и свободные радикалы для химического воздействия .
• Положительные ионы и электроны для кинетических эффектов .

Плазма также генерирует электромагнитное излучение в виде вакуумных УФ-фотонов, проникающих в объемные полимеры на глубину около 10 мкм. Это может вызвать разрыв цепи и образование поперечных связей.

Плазма влияет 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 влияние. В качестве простого показателя поверхностной энергии и, следовательно, адгезии или смачиваемости часто используется испытание угла смачивания каплями воды . Чем меньше краевой угол, тем выше поверхностная энергия и более гидрофильный материал.

Изменение эффектов с помощью плазмы [ править ]

При более высоких энергиях чаще происходит ионизация, чем химическая диссоциация . В типичном реактивном газе 1 из 100 молекул образует свободные радикалы, тогда как только 1 из 10 ⁶ ионизируется. Преобладающий эффект здесь - образование свободных радикалов. Ионные эффекты могут преобладать при выборе параметров процесса и при необходимости использования благородных газов.

Проволочно-дуговое напыление [ править ]

Проволочно-дуговое напыление - это форма термического напыления, при которой две расходуемые металлические проволоки независимо подаются в распылительный пистолет. Затем эти провода заряжаются, и между ними возникает дуга. Тепло от этой дуги плавит входящую проволоку, которая затем уносится воздушной струей из пистолета. Это унесенное расплавленное сырье затем осаждается на подложку с помощью сжатого воздуха. Этот процесс обычно используется для металлических толстых покрытий. ^[1]

Плазменная проволочная дуга [ править ]

Плазменная проволочная дуга (PTWA) - это еще одна форма струйной дуги, при которой покрытие наносится на внутреннюю поверхность цилиндра или на внешнюю поверхность детали любой геометрии. Он в основном известен тем, что используется для покрытия отверстий цилиндров двигателя, что позволяет использовать алюминиевые блоки цилиндров без необходимости использования тяжелых чугунных гильз. Одиночный проводящий провод используется в качестве «сырья» для системы. Сверхзвуковая плазменная струя плавит проволоку, распыляет ее и выталкивает на подложку. Плазменная струя образуется дугой, переносимой между неплавящимся катодом и проволокой. После распыления нагнетаемый воздух переносит струю расплавленных капель на стенку отверстия. Частицы сплющиваются, когда они ударяются о поверхность подложки, из-за высокой кинетической энергии.При контакте частицы быстро затвердевают. Уложенные друг на друга частицы образуют покрытие с высокой износостойкостью. В процессе термического напыления PTWA в качестве исходного материала используется одиночная проволока. Все токопроводящие проволоки диаметром до 0,0625 дюйма (1,6 мм) могут использоваться в качестве исходного материала, включая «порошковые» проволоки. PTWA может использоваться для нанесения покрытия на изнашиваемую поверхность компонентов двигателя или трансмиссии для замены втулки или подшипника. Например, при использовании PTWA, чтобы покрыть несущую поверхность соединительного стержня предлагает ряд преимуществ, в том числе сокращения веса, стоимости, трение потенциала, и напряжения в соединительной тяге.6 мм) может использоваться как исходный материал, в том числе и «порошковая» проволока. PTWA можно использовать для нанесения покрытия на изнашиваемую поверхность компонентов двигателя или трансмиссии для замены втулки или подшипника. Например, при использовании PTWA, чтобы покрыть несущую поверхность соединительного стержня предлагает ряд преимуществ, в том числе сокращения веса, стоимости, трение потенциала, и напряжения в соединительной тяге.6 мм) может использоваться как исходный материал, в том числе и «порошковая» проволока. PTWA можно использовать для нанесения покрытия на изнашиваемую поверхность компонентов двигателя или трансмиссии для замены втулки или подшипника. Например, при использовании PTWA, чтобы покрыть несущую поверхность соединительного стержня предлагает ряд преимуществ, в том числе сокращения веса, стоимости, трение потенциала, и напряжения в соединительной тяге.

Распыление кислородного топлива с высокой скоростью (HVOF) [ править ]

В 1980-х годах был разработан класс процессов термического напыления, называемый высокоскоростным газокислородным напылением. Смесь газообразного или жидкого топлива и кислорода подается в камеру сгорания , где они непрерывно воспламеняются и сгорают. Образующийся горячий газ под давлением, близким к 1 МПа, выходит через сужающееся-расширяющееся сопло и проходит по прямолинейному участку. В качестве топлива могут использоваться 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) превышаетскорость звука . Порошковая смесь вводится в поток газа, который разгоняет 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 иметь толщину до 12 мм (1/2 дюйма). Обычно они используются для нанесения износостойких и коррозионно- стойких покрытий на такие материалы, как керамические и металлические слои. Обычные порошки включают WC- Co, карбид хрома , MCrAlY и оксида алюминия . Этот процесс был наиболее успешным для нанесения металлокерамических материалов (WC-Co и т.д.) и другие коррозионно-стойкие сплавы ( нержавеющие стали , сплавы на основе никеля, алюминия, гидроксиапатит для медицинских имплантатов , и т.д.). ^[1]

Высокоскоростное воздушное топливо (HVAF) [ править ]

Технология покрытия HVAF - это сжигание пропана в потоке сжатого воздуха. Как и HVOF, это создает однородную высокоскоростную струю. HVAF отличается тем, что включает в себя тепловую заслонку для дополнительной стабилизации механизмов термического напыления. Материал впрыскивается в воздушно-топливный поток, и частицы покрытия продвигаются к детали. ^[4]HVAF имеет максимальную температуру пламени от 3560 ° до 3650 ° F и среднюю скорость частиц 3300 футов / сек. Поскольку максимальная температура пламени относительно близка к температуре плавления большинства напыляемых материалов, HVAF приводит к более однородному и пластичному покрытию. Это также позволяет использовать типичную толщину покрытия 0,002-0,050 дюйма. Покрытия HVAF также имеют механическую прочность сцепления более 12000 фунтов на квадратный дюйм. Общие материалы покрытия HVAF включают, но не ограничиваются ими, карбид вольфрама, карбид хрома, нержавеющую сталь , хастеллой. , и инконель . Благодаря своей пластичной природе покрытия HVAF могут помочь противостоять кавитационным повреждениям. ^[5]

Спрей и предохранитель [ править ]

При распылении и плавлении используется высокая температура для усиления связи между покрытием, нанесенным термическим напылением, и основой детали. В отличие от других типов термического напыления, спрей и плавкий предохранитель создают металлургическую связь между покрытием и поверхностью. Это означает, что вместо того, чтобы полагаться на трение для адгезии покрытия, он объединяет поверхность и материал покрытия в один материал. Распыление и плавление сводятся к разнице между адгезией и когезией.

Этот процесс обычно включает распыление порошкообразного материала на компонент с последующим использованием ацетиленовой горелки. Горелка расплавляет материал покрытия и верхний слой материала компонента; соединяя их вместе. Из-за высокой температуры распыления и плавкого предохранителя может произойти некоторое тепловое искажение, и необходимо принять меры, чтобы определить, является ли компонент подходящим кандидатом. Эти высокие температуры сродни тем, которые используются при сварке. Эта металлургическая связка создает чрезвычайно износостойкое и стойкое к истиранию покрытие. Распыление и предохранитель обеспечивают преимущества сварки твердым сплавом с легкостью термического напыления. ^[6]

Холодное напыление [ править ]

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 мишени, которая подвергалась воздействию двухфазного высокоскоростного потока мелкодисперсного порошка в аэродинамической трубе, ученые наблюдали случайное быстрое образование покрытий. ^[1]

При холодном напылении частицы ускоряются до очень высоких скоростей газом-носителем, проталкиваемым через сужающееся-расширяющееся сопло де Лаваля . При ударе твердые частицы с достаточной кинетической энергией пластически деформируются и механически связываются с подложкой, образуя покрытие. Критическая скорость, необходимая для образования соединения, зависит от свойств материала, размера порошка и температуры. Металлы , полимеры , керамика , композиционные материалы и нанокристаллические порошки можно наносить 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 порошков сплавов обычно низкая, а диапазон параметров процесса и подходящих размеров порошка узкий. Для ускорения порошков до более высоких скоростей используются более мелкие порошки (<20 микрометров). Можно ускорить частицы порошка до гораздо более высокой скорости, используя технологический газ, имеющий высокую скорость звука (гелий вместо азота). Однако гелий стоит дорого, и его расход и, следовательно, потребление выше. Для улучшения разгонной способности газообразный азот нагревают примерно до 900 ° C. В результате эффективность осаждения и предел прочности отложений повышаются. ^[1]

Теплое опрыскивание [ править ]

Теплое напыление представляет собой новую модификацию высокоскоростного газокислородного напыления, при котором температура дымовых газов понижается за счет смешивания азота с дымовыми газами, что приближает процесс к холодному напылению. Получающийся в результате газ содержит много водяного пара, непрореагировавших углеводородов и кислорода, поэтому он более грязный, чем при холодном распылении. Однако эффективность покрытия выше. С другой стороны, более низкие температуры теплого напыления уменьшают плавление и химические реакции подаваемого порошка по сравнению с HVOF. Эти преимущества особенно важны для таких материалов покрытия, как Ti, пластмассы и металлические стекла, которые быстро окисляются или разрушаются при высоких температурах. ^[1]

Приложения [ править ]

• Ремонт или кондиционирование коленчатого вала
• Защита от коррозии
• Защита от обрастания
• Изменение теплопроводности или электропроводности
• Контроль износа: наплавка (износостойкая) или истираемое покрытие
• Ремонт поврежденных поверхностей
• Защита от температуры / окисления (термобарьерные покрытия)
• Медицинские имплантаты
• Производство функционально классифицированных материалов (для любого из вышеперечисленных приложений)

Ограничения [ править ]

Термическое напыление - это процесс, который находится в поле зрения, а механизм склеивания в основном механический. Нанесение термическим распылением несовместимо с субстратом, если область, на которую он наносится, сложна или заблокирована другими телами. ^[8]

Безопасность [ править ]

Термическое напыление не должно быть опасным процессом, если с оборудованием обращаются осторожно и соблюдаются правильные методы опрыскивания. Как и в случае любого промышленного процесса, существует ряд опасностей, о которых оператор должен знать и против которых следует принимать особые меры предосторожности. В идеале оборудование должно работать автоматически в помещениях, специально разработанных для удаления дыма, снижения уровня шума и предотвращения прямого обзора распылительной головки. Такие методы также позволят получить более плотные покрытия. Бывают случаи, когда тип обрабатываемых компонентов или их низкий уровень производства требуют ручного управления оборудованием. В этих условиях возникает ряд опасностей, свойственных термическому напылению, в дополнение к опасностям, которые обычно встречаются в производственных или перерабатывающих отраслях. ^[9]

Шум [ править ]

Оборудование для напыления металла использует сжатые газы, которые создают шум. Уровни шума зависят от типа распылительного оборудования, распыляемого материала и рабочих параметров. Типичные уровни звукового давления измеряются на расстоянии 1 метра от дуги. ^[10]

УФ-свет [ править ]

Оборудование для опрыскивания пламенем создает интенсивное пламя, максимальная температура которого может превышать 3100 ° C, и оно очень яркое. Электродуговое напыление излучает ультрафиолетовый свет, который может повредить нежные ткани тела. Плазма также генерирует довольно много ультрафиолетового излучения, легко обжигая открытые участки кожи, а также может вызвать «мгновенный ожог» глаз. Покрасочные камеры и камеры должны быть оснащены темным стеклом, абсорбирующим ультрафиолетовое излучение. Там, где это невозможно, операторы и другие лица, находящиеся поблизости, должны носить защитные очки, содержащие зеленое стекло класса BS 6. Вокруг зон распыления следует размещать непрозрачные сетки. Сопло дугового пистолета никогда не следует смотреть прямо, если нет уверенности в том, что к оборудованию не подается питание. ^[9]

Пыль и дым [ править ]

При распылении расплавленных материалов образуется большое количество пыли и дыма, состоящих из очень мелких частиц (примерно 80–95% частиц размером <100 нм). ^[11] Надлежащее оборудование для экстракции жизненно важно не только для личной безопасности, но и для сведения к минимуму улавливания повторно замороженных частиц в напыляемых покрытиях. В тех случаях, когда невозможно изолировать оборудование, настоятельно рекомендуется использовать респираторы с подходящими фильтрами. ^[11] Некоторые материалы представляют собой известные известные опасности: ^[9]

1. Мелкодисперсные металлические частицы потенциально пирофорны и вредны при накоплении в организме.
2. Некоторые материалы, например алюминий, цинк и другие неблагородные металлы, могут реагировать с водой с выделением водорода. Это потенциально взрывоопасно, и при использовании оборудования для удаления дыма необходимы особые меры предосторожности.
3. Пары некоторых материалов, особенно сплавов цинка и меди, имеют неприятный запах и могут вызывать у некоторых людей реакцию типа лихорадки (известную как лихорадка от дыма металла ). Это может произойти через некоторое время после распыления и обычно быстро проходит. В противном случае следует обратиться за медицинской помощью.
4. Пары химически активных соединений могут диссоциировать и создавать вредные газы. В этих местах следует носить респираторы и использовать газовые счетчики для контроля воздуха перед снятием респиратора.

Жара [ править ]

Пистолеты для опрыскивания пламенем используют кислород и горючие газы. Топливные газы потенциально взрывоопасны. В частности, ацетилен можно использовать только в утвержденных условиях. Кислород, хотя и не является взрывоопасным, будет поддерживать горение, и многие материалы будут самовоспламеняться, если присутствуют чрезмерные уровни кислорода. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать утечки и перекрыть источники кислорода и топливного газа, когда они не используются. ^[9]

Опасность поражения электрическим током [ править ]

Электродуговые пушки работают при низких напряжениях (ниже 45 В постоянного тока), но при относительно высоких токах. Их можно безопасно держать в руках. Блоки питания подключаются к источникам переменного тока 440 В и требуют осторожного обращения. ^[9]

См. Также [ править ]

• Список техник нанесения покрытий
• Тонкая пленка

Ссылки [ править ]