Изследователски статус на технологията за термично пръскане на износоустойчиви покрития

1. Текущ статус на изследванията на метални покрития

Металните покрития за термично пръскане са сред най-ранно изследваните и приложени износоустойчиви покрития. Обичайно използваните материали включват метали (Mo, Ni), въглеродна стомана, нисколегирана стомана, неръждаема стомана и покрития от Ni-Cr сплави. Техники като пламъчно пръскане, дъгово пръскане, плазмено пръскане, HVOF (високоскоростно кислородно гориво) и детонационно пръскане обикновено се използват. Тези покрития показват висока якост на свързване с основата, заедно с отлична износоустойчивост и корозионна устойчивост, което ги прави подходящи за ремонт на износени части и обработка на свръхразмерни компоненти.

При използване на технология за плазмено пръскане с алуминиеви сплави за покритие на бутални пръстени, синхронизаторни пръстени и цилиндри, покритията демонстрират добра устойчивост на износване, висока якост на свързване и отлични свойства против залепване. При смазочни условия те също показват добра устойчивост на засядане и против надраскване. Високовъглеродни стоманени жици и неръждаеми стоманени (тип Cr13, тип 18-8 и др.) сплавни жици обикновено се използват като материали за пръскане, устойчиви на износване и корозия. Тези материали се характеризират с висока якост, добра устойчивост на износване, широка наличност и ниска цена. Покритията NiCr предлагат добра термична устойчивост, устойчивост на корозия и устойчивост на ерозионно износване, което ги прави подходящи като защитни покрития за тръби на супернагреватели и повторни нагреватели в котли на електрически станции. Методи за пламено и плазмено пръскане могат да се използват за приготвяне на метални износоустойчиви покрития NiCr с различни микроструктури, въпреки че тези покрития обикновено имат по-висока порьозност и съдържание на оксиди.

2. Текущо изследователско състояние на керамичните покрития

Термално пръсканите керамични прахове включват оксиди, карбиди, бориди, нитриди и силициди, които са кристални или аморфни съединения, съставени от метални и неметални елементи. Керамичните покрития са известни със своите високи температури на топене, висока твърдост и отлична устойчивост на износване, корозионна устойчивост и стабилност при високи температури. Въпреки това, процесът на пръскане на керамични покрития е сложен и скъп, а покритията са склонни към повърхностни пукнатини и имат по-ниска устойчивост на термична умора в сравнение с металните покрития. Освен това, керамичните покрития имат лоша здравина и не са подходящи за приложения, свързани със значителни ударни натоварвания. Обичайно използваните керамични покрития включват Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, WC, TiC, Cr3C2 и TiB2, които обикновено се приготвят с помощта на техники за плазмено пръскане, пръскане с пламък, HVOF и детонационно пръскане.

Рен Дзинри и др. изследваха плъзгащото триене и износването на плазмено напрашени покрития от керамичен прах Al2O3-40%TiO2 и Cr2O3. Те установиха, че покритията от Cr2O3 показват по-висока устойчивост на износване в сравнение с покритията от Al2O3-40%TiO2. Механизмът на износване на покритията от Cr2O3 е предимно абразивно износване, с характеристики на крехко счупване при по-високи натоварвания. В контекста, механизмът на износване на покритията от Al2O3-40%TiO2 е основно пластична деформация и деламинация. Чен Чуанжонг и др. изследваха композитни керамични покрития Al2O3-TiO2-NiCrAlY, отбелязвайки, че топенето на TiO2 и Al2O3 образува определена степен на взаимна разтворимост, намалявайки порьозността на покритието и допълнително увеличавайки неговата якост, здравина и устойчивост на износване.

Други изследвания са проучили плъзгащото триене и износването на плазмено напластени многослойни метални и керамични покрития. Последователността на напластяване включва първо нанасяне на NiCr свързващ слой върху субстрата, последвано от преходни слоеве с променливи пропорции на NiCr-Cr2O3, и накрая 100% Cr2O3 повърхностен слой. Установено е, че подходящото съотношение на метал към керамика в преходния слой може да подобри износоустойчивостта на покритието. Основните механизми на износване включват крехко счупване, абразивно износване, адхезия и оксидативно износване.

3. Текущо изследователско състояние на метално-керамични покрития

Металите и керамиката имат уникални предимства и различни слабости в производителността.

Cr3C2-NiCr металокерамичните покрития се състоят от рефрактерна хромова карбидна твърда фаза и дюктилирана никел-хромова сплавна фаза. Те показват висока твърдост при високи температури, отлична устойчивост на износване при високи температури, устойчивост на корозия, устойчивост на окисление и висока якост на свързване. Тези покрития се използват широко в компоненти, работещи при условия на висока температура (530–900°C) абразивно износване, корозионно износване и ерозионно износване, като валци на пещи в непрекъснати линии за отгряване, основни валци в непрекъснати производствени линии на стоманодобивни заводи и цилиндрични бутални пръстени и обшивки. Покритията на основата на TiB2, с тяхната висока температура на топене, висока твърдост, добри електрически и магнитни свойства и висока устойчивост на корозия, са потенциална алтернатива на Cr3C2 за приложения, устойчиви на износване при високи температури. Те предлагат по-висока устойчивост на износване от Al2O3, Cr3C2-NiCr и WC-Co.

WC-базирани метално-церамични покрития обикновено се използват в условия на абразивно и ерозионно износване под 450°C. Xu Xiangyang и др. проучиха механизма на триене на плазмено напрашени WC/18Co покрития. Резултатите показаха, че началният етап на триенето е доминиран от адхезионно износване, като високата твърдост на покритието и силните му антиадхезионни свойства водят до минимално износване. В стабилния етап, умората, деламинацията и чупливото напукване стават основни механизми на износване, като чупливостта на покритието и ниската сила на свързване между частиците водят до увеличено износване. Оксидните включвания в покритието са основната причина за недостатъчната устойчивост на триене.

4. Текущо изследователско състояние на аморфни покрития

Аморфните материали се характеризират с дългосрочен безред и краткосрочен ред. Те често показват превъзходни физически и химически свойства в сравнение с кристалните си аналози, включително висока якост, здравина, твърдост, устойчивост на корозия и меки магнитни свойства, което ги прави обещаваща нова класа метални материали.

Сянг Синхуа и др. използваха плазмено пръскане за приготвяне на Fe-базирани аморфни сплавни покрития (съдържащи Si, B, Cr, Ni и др.). Покритията показаха равномерна микроструктура, висока плътност, ниска порьозност, минимално съдържание на оксиди и висока твърдост, с микро твърдост в диапазона от 530 до 790 HV0.1. Покритията също показаха добро свързване с подложката.

Други изследвания разгледаха микроструктурата и износоустойчивостта на покрития от Fe-Cr-B сплав, пръскани с детонация. Резултатите показаха, че покритията имат отлична износоустойчивост и корозионна устойчивост. По време на плъзгащо износване, динамично генерираният аморфен повърхностен филм значително подобри износоустойчивостта и намали коефициента на триене.

В обобщение, използването на HVOF, плазмено пръскане, арково пръскане и детонационно пръскане за нанасяне на метални, керамични, метално-керамични и аморфни износоустойчиви покрития може ефективно да подобри износоустойчивостта на субстратните материали. Дълбочинното изследване на механизмите на износване на термичните спрей покрития и влиянието на микроструктурата на покритията върху характеристиките на износване предоставя теоретична основа за подобряване на структурите на покритията, оптимизиране на процесите на пръскане и разработване на нови износоустойчиви покрития.