Estat de la recerca de la tecnologia d'endugaments termo-spray antidesgastables

1. Estat actual de la recerca dels revestiments metàl·lics

Les revestiments metàl·lics per esprai térmic són entre els primers revestiments anticorrosius estudats i aplicats. Materials comúment utilitzats inclouen metalls (Mo, Ni), acer carbonífer, acer d'alleig baix, acer inoxidable i revestiments de la sèrie d'alegats Ni-Cr. Tècniques com l'esprai flamatge, l'esprai arc, l'esprai plasmàtic, HVOF (High-Velocity Oxygen Fuel) i l'esprai detonació s'empleen generalment. Aquests revestiments mostren una gran fortaça d'unió amb el substrat, acompanyada d'una excel·lent resistència al desgast i a la corrosió, fent-los adequats per a reparar peças desgastades i maquinar components de dimensions excessives.

Quan s'usa la tecnologia d'esquitxado plasmàtic amb alloys basats en alúmina per a revestir anells de pistó, anells sincronitzadors i cilindres, els revestiments mostren una bona resistència a l'usurt, una alta forta de pegament i excel·lents propietats anti-adhesives. Sota condicions lubrificades, també mostren un bon comportament anti-bloqueig i anti-escorxat. Sols d'acer de carbò alt i d'acer inoxidable (tipus Cr13, tipus 18-8, etc.) són comunment utilitzats com a materials d'esquitxat resistents a l'usurt i a la corrosió. Aquests materials es caracteritzen per la seva alta resistència, bona resistència a l'usurt, amplia disponibilitat i baix cost. Els revestiments NiCr ofereixen una bona resistència a la calor, a la corrosió i a l'usurt per erosió, fent-los adequats com a revestiments protectors per a tubs de supercalentador i recalentador en calderes d'usines elèctriques. Es poden utilitzar mètodes d'esquitxat de flama i plasmàtic per preparar revestiments metàlics NiCr resistents a l'usurt amb diferents microestructures, encara que aquests revestiments tendeixen a tenir una major porositat i contingut d'òxid.

2. Estat actual de la recerca dels revestiments ceràmics

Les pòmdres ceràmiques per a projecció tèrmica inclouen òxids, carbúrids, borurs, nitrurs i silicurs, que són compostos cristal·lins o amorfs formats per elements metàl·lics i no metàl·lics. Els revestiments ceràmics són coneguts per els seus punts d'escalfament elevats, alta duresa i excel·lent resistència al desgast, a la corrosió i a la stabilitat a temperatures elevades. No obstant això, el procés de projecció de revestiments ceràmics és complex i costós, i els revestiments són propens a creves superficiales i tenen una inferior resistència a la fatiga tèrmica en comparació amb els revestiments metàl·lics. A més, els revestiments ceràmics tenen una baixa tenacitat i no són adequats per a aplicacions que impliquen càrregues d'impacte significatives. Entre els revestiments ceràmics més utilitzats es troben Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, WC, TiC, Cr3C2 i TiB2, que normalment es preparen utilitzant tècniques de projecció plasmàtica, projecció flamental, HVOF i projecció d'explosió.

Ren Jingri et al. van estudiar les característiques de fricció i desgaste de revestiments de pols ceràmic d'Al2O3-40%TiO2 i Cr2O3 espraiats per plasma. Vauen trobar que els revestiments de Cr2O3 mostren una major resistència al desgaste que els revestiments d'Al2O3-40%TiO2. El mecanisme de desgaste dels revestiments de Cr2O3 és principalment d'usura abrasiva, amb característiques de fractura britànica sota càrregues més elevades. En contrast, el mecanisme de desgaste dels revestiments d'Al2O3-40%TiO2 és principalment deformació plàstica i deslamination. Chen Chuanzhong et al. van estudiar revestiments ceràmics compostos d'Al2O3-TiO2-NiCrAlY, notant que el fusió de TiO2 i Al2O3 forma un cert grau de solubilitat mútua, reduint la porositat del revestiment i millorant-ne la seva força, tenacitat i resistència al desgaste.

Altres estudis han investigat les característiques de fricció i desgast de les revestiments metàl·lics i ceràmics multicapa espraiats per plasma. La seqüència d'espraiat implica primer aplicar una capa d'unió de NiCr al substrat, seguit per capes de transició amb proporcions variables de NiCr-Cr2O3, i finalment una capa superficial del 100% de Cr2O3. Es va trobar que una raó adequada de metall a ceràmic a la capa de transició pot millorar la resistència al desgast del recobriment. Les principals mecanismes de desgast inclouen fractura britànica, desgast abrasiu, adhesió i desgast oxidatiu.

3. Estat actual de la recerca dels revestiments metàl·lics-ceràmics

Els metalls i les ceràmiques tenen cada un avantatges únics i debilitats de rendiment distintives. Combinar les propietats avantageuses dels dos materials ha estat una direcció de recerca constant en la ciència i l'enginyeria dels materials. La tecnologia de revestiments compostos metàl·lics-ceràmics, que consisteix a distribuir uniformement partícules ceràmiques de forma i mida adequades dins d'una matriu plàstica, combina amb èxit la resistència i la tenacitat dels metalls amb la resistència a temperatures elevades, al desgast i a la corrosió de les ceràmiques. Això amplia significativament el camp d'aplicació tant dels materials metàl·lics com ceràmics, amb aplicacions exitoses en els sectors aerospacial, químic, mecànic i energètic. Els revestiments metàl·lics-ceràmics més utilitzats en l'indústria són Cr3C2-NiCr i WC-Co, preparats típicament mitjançant tècniques de projecció HVOF, plasma i detonació.

Les revestiments metàl·lics-cèramics de Cr3C2-NiCr consisteixen en una fase dura de carbúrid de crom refectori i una fase d'aleació ductil de níquel-i-crom. Mostren duresa aalta-temperatura elevada, excel·lent resistència al desgast a alta temperatura, resistència a la corrosió, resistència a l'oxidació i alta fortaça d'unió. Aquests revestiments s'utilitzen àmpliament en components que operen sota condicions de desgast abrasiu a alta temperatura (530–900°C), desgast corrosiu i desgast erosiu, com els roldatges del forn en les línies contínues d'anellot, els roldatges centrals en les línies de producció contínua d'aceries, i anells i carteres de pistons cilíndrics.

Les revestiments metàl·lics-cèramics basats en WC s'utilitzen comunment en condicions d'usura abrasiva i erosiva inferior a 450°C. Xu Xiangyang et al. van estudiar el mecanisme d'usura per fretting dels revestiments de WC/18Co espritzats per plasma. Els resultats van mostrar que l'estadi inicial d'usura per fretting està dominat per l'usura adhesiva, amb la alta duresa del revestiment i les fortes propietats antiadhesives que resultant en una usura mínima. En l'estadi estable, la deslligament per fatiga i l'esquemada fràgil es converteixen en els principals mecanismes d'usura, amb la fragilitat del revestiment i la baixa força d'unió interpartícules que duu a un augment de l'usura. Les inclusions d'òxids dins del revestiment són la principal causa de l'insuficient resistència a l'usura per fretting.

4. Estat actual de la recerca dels revestiments amorfs

Els materials amorfs estan caracteritzats per desordre a llarg terme i ordre a curte distància. Sovint mostren propietats físiques i químiques superiors en comparació amb els seus homòlegs cristallins, inclosa la gran resistència, tenacitat, duresa, resistència a la corrosió i propietats magnètiques molles, fent-los una prometedora nova classe de materials metàl·lics. Les revestiments d'alegacions amorfs per aspersió tèrmica han emergit recentment com a una nova àrea de recerca en la ciència dels materials. Les tècniques d'aspersió tèrmica, com un dels mètodes per preparar revestiments amorfs de gran àrea, han començat a atrair atenció generalitzada.

Xiang Xinghua et al. van utilitzar la projecció de plasma per preparar revestiments d'alegats amorfs basats en ferro (contenint Si, B, Cr, Ni, etc.). Els revestiments mostraren una microestructura uniforme, alta densitat, baixa porositat, contingut d'òxids mínim i alta duresa, amb microduresa que va de 530 a 790 HV0.1. Els revestiments també mostraren una bona adhesió amb el substrat.

Altres estudis han investigat la microestructura i la resistència a l'usura dels revestiments d'alegats Fe-Cr-B espraiats per detonació. Els resultats indicaren que els revestiments tenen una excel·lent resistència a l'usura i a la corrosió. Durant l'usura per lliscament, una pel·lícula superficial amorfa generada dinàmicament va millorar significativament la resistència a l'usura i va reduir el coeficient de fricció.

En resum, l'ús de HVOF, el boixot de plasmà, el boixot d'arc i el boixot d'explosió per aplicar revestiments metàl·lics, ceràmics, metàl·lico-ceràmics i amorfs resistents a l'us pot millorar eficacement la resistència a l'us dels materials substrat. La recerca en profunditat sobre els mecanismes d'us dels revestiments de boixot tèrmic i l'influència de la microestructura del revestiment sobre les característiques d'us proporciona una base teòrica per millorar les estructures de revestiment, optimitzar els processos de boixot i desenvolupar nous revestiments resistents a l'us.