Výzkumný stav tepelného napájení odolného proti opotřebení

1. Aktuální stav výzkumu kovových povlaků

Kovové povlaky pomocí termálního nástřiku patří mezi nejdříve studované a aplikované povlaky odolné proti opotřebení. Mezi běžně používané materiály patří kovy (Mo, Ni), uhlíková ocel, nízkolegovaná ocel, nerezová ocel a povlaky ze slitin Ni-Cr. Obvykle se používají techniky jako plamenový nástřik, obloukový nástřik, plazmový nástřik, HVOF (nástřik vysokorychlostním kyslíkovým palivem) a detonativní nástřik. Tyto povlaky vykazují vysokou adhezní sílu k substrátu, spolu s vynikající odolností proti opotřebení a korozi, což je činí vhodnými pro opravy opotřebovaných dílů a obrábění nadměrně velkých komponentů.

Při použití technologie plasma stříkání s hliníkovými slitinami k povrchovému pokrytí pístních kroužků, synchronizačních kroužků a válců, vykazují povlaky dobrou odolnost proti opotřebení, vysokou pevnost v adhezi a vynikající vlastnosti proti přilnavosti. Za mazacích podmínek také vykazují dobrou odolnost proti zablokování a proti poškrábání. Dráty z vysokouhlíkové oceli a dráty ze nerezové oceli (typ Cr13, typ 18-8 atd.) se běžně používají jako materiály odolné proti opotřebení a korozi. Tyto materiály se vyznačují vysokou pevností, dobrou odolností proti opotřebení, širokou dostupností a nízkými náklady. Povlaky NiCr nabízejí dobrou odolnost vůči teplu, odolnost proti korozi a odolnost proti erozi, což je činí vhodnými jako ochranné povlaky pro trubky superohřívačů a přehřívačů v kotlích elektráren. Metody plamenového a plasma stříkání mohou být použity k přípravě kovových povlaků NiCr odolných proti opotřebení s různými mikrostrukturami, i když tyto povlaky mají tendenci mít vyšší poréznost a obsah oxidů.

2. Aktuální stav výzkumu keramických povlaků

Termální stříkané keramické prášky zahrnují oxidy, karbidy, boridy, nitridy a silicidy, které jsou krystalické nebo amorfní sloučeniny složené z kovových a nekovových prvků. Keramické povlaky jsou známé svými vysokými teplotami tání, vysokou tvrdostí a vynikající odolností proti opotřebení, odolností proti korozi a stabilitou při vysokých teplotách. Nicméně proces stříkání keramických povlaků je složitý a nákladný, a povlaky jsou náchylné k povrchovým prasklinám a mají horší odolnost proti tepelnému únavě ve srovnání s kovovými povlaky. Kromě toho mají keramické povlaky špatnou houževnatost a nejsou vhodné pro aplikace zahrnující významné nárazové zatížení. Běžně používané keramické povlaky zahrnují Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, WC, TiC, Cr3C2 a TiB2, které se obvykle připravují pomocí technik plazmového stříkání, plamenového stříkání, HVOF a detonativního stříkání.

Ren Jingri a kol. studovali kluznou tření a opotřebovací charakteristiky keramických povlaků z plasma-stříkaného Al2O3-40%TiO2 a Cr2O3. Zjistili, že povlaky Cr2O3 vykazují vyšší odolnost proti opotřebení než povlaky Al2O3-40%TiO2. Mechanismus opotřebení povlaků Cr2O3 je převážně abrazivní opotřebení, s křehkými zlomy při vyšších zatíženích. Naopak mechanismus opotřebení povlaků Al2O3-40%TiO2 je převážně plastická deformace a delaminace. Chen Chuanzhong a kol. studovali kompozitní keramické povlaky Al2O3-TiO2-NiCrAlY a poznamenali, že tavení TiO2 a Al2O3 vytváří určitou míru vzájemné rozpustnosti, což snižuje poréznost povlaku a dále zvyšuje jeho pevnost, houževnatost a odolnost proti opotřebení.

Jiné studie zkoumaly kluznou tření a opotřebovací charakteristiky plazmově stříkaných vícestupňových kovových a keramických povlaků. Sekvence stříkání zahrnuje nejprve aplikaci NiCr spojovacího povlaku na substrát, následovanou přechodnými vrstvami s různými poměry NiCr-Cr2O3, a nakonec 100% Cr2O3 povrchovou vrstvu. Bylo zjištěno, že vhodný poměr kovu k keramice v přechodné vrstvě může zlepšit odolnost povlaku proti opotřebení. Hlavními mechanismy opotřebení jsou křehké zlomení, abrazivní opotřebení, adheze a oxidační opotřebení.

3. Aktuální stav výzkumu kovově-keramických povlaků

Kovy a keramika mají každé své jedinečné výhody a odlišné výkonnostní slabiny. Kombinování výhodných vlastností obou materiálů je dlouhodobým směrem výzkumu v oblasti materiálové vědy a inženýrství. Technologie kovokeramických kompozitních povlaků, která zahrnuje rovnoměrné rozložení keramických částic vhodného tvaru a velikosti v plastové matrici, úspěšně kombinuje pevnost a houževnatost kovů s odolností proti vysokým teplotám, odolností proti opotřebení a odolností proti korozi keramiky. To výrazně rozšiřuje aplikační rozsah jak kovových, tak keramických materiálů, s úspěšnými aplikacemi v letectví, chemickém, strojírenském a energetickém průmyslu. Nejčastěji používané kovokeramické povlaky v průmyslu jsou Cr3C2-NiCr a WC-Co, obvykle připravované pomocí technik HVOF, plazmového a detonativního stříkání.

Metal-keramické povlaky Cr3C2-NiCr se skládají z refrakterní tvrdé fáze chromového karbidu a duktilní fáze nikl-chromové slitiny. Vykazují vysokou tvrdost při vysokých teplotách, vynikající odolnost proti opotřebení při vysokých teplotách, odolnost proti korozi, odolnost proti oxidaci a vysokou pevnost v adhezi. Tyto povlaky se široce používají v komponentách pracujících za podmínek vysokoteplotního (530–900 °C) abrazivního opotřebení, korozivního opotřebení a erozivního opotřebení, jako jsou válce pecí v kontinuálních žíhacích linkách, jádrové válce v kontinuálních výrobních linkách oceláren a pístní kroužky a vložky válců.

Kovové-keramické povlaky na bázi WC se běžně používají v podmínkách abrazivního a erozivního opotřebení pod 450 °C. Xu Xiangyang a kol. studovali mechanismus třecího opotřebení plazmově stříkaných WC/18Co povlaků. Výsledky ukázaly, že počáteční fáze třecího opotřebení je dominována adhezivním opotřebením, přičemž vysoká tvrdost povlaku a silné protilepivé vlastnosti vedou k minimálnímu opotřebení. Ve stabilní fázi se hlavními mechanismy opotřebení stávají únavové delaminace a křehké praskání, přičemž křehkost povlaku a nízká mezivrstvá pevnost vedou k zvýšenému opotřebení. Oxidové inkluze v povlaku jsou hlavní příčinou nedostatečné odolnosti proti třecímu opotřebení.

4. Aktuální stav výzkumu amorfních povlaků

Amorfní materiály se vyznačují dlouhodobým neuspořádáním a krátkodobým uspořádáním. Často vykazují vynikající fyzikální a chemické vlastnosti ve srovnání se svými krystalickými protějšky, včetně vysoké pevnosti, houževnatosti, tvrdosti, odolnosti proti korozi a měkkých magnetických vlastností, což z nich činí slibnou novou třídu kovových materiálů.

Xiang Xinghua a kol. použili plazmové stříkání k přípravě Fe-založených amorfních slitinových povlaků (obsahujících Si, B, Cr, Ni atd.). Povlaky vykazovaly homogenní mikrostrukturu, vysokou hustotu, nízkou poréznost, minimální obsah oxidů a vysokou tvrdost, přičemž mikrohardost se pohybovala od 530 do 790 HV0.1. Povlaky také vykazovaly dobrou adhezi k substrátu.

Jiné studie zkoumaly mikrostrukturu a odolnost proti opotřebení povlaků ze slitin Fe-Cr-B stříkaných detonací. Výsledky naznačily, že povlaky mají vynikající odolnost proti opotřebení a korozi. Během kluzného opotřebení dynamicky generovaný amorfní povrchový film výrazně zlepšil odolnost proti opotřebení a snížil koeficient tření.

V souhrnu, použití HVOF, plasma stříkání, obloukové stříkání a detonace stříkání k aplikaci kovových, keramických, metalokeramických a amorfních povlaků odolných proti opotřebení může účinně zvýšit odolnost proti opotřebení substrátových materiálů. Hluboký výzkum mechanismů opotřebení tepelně stříkaných povlaků a vlivu mikrostruktury povlaku na vlastnosti opotřebení poskytuje teoretický základ pro zlepšení struktur povlaků, optimalizaci stříkacích procesů a vývoj nových povlaků odolných proti opotřebení.