Forskningsstatus for termisk spray med slipbestandige coatings teknologi

1. Nuværende Forskningsstatus for Metalbelægninger

Termisk sprøjtede metalbelægninger er blandt de tidligst studerede og anvendte slidbestandige belægninger. Almindeligt anvendte materialer inkluderer metaller (Mo, Ni), kulstofstål, lavlegeret stål, rustfrit stål og Ni-Cr legeringsserier. Teknikker som flamme sprøjtning, buesprøjtning, plasma sprøjtning, HVOF (Højhastigheds Oxygen Brændstof) og detonationssprøjtning anvendes generelt. Disse belægninger udviser høj bindingsstyrke med substratet, sammen med fremragende slid- og korrosionsbestandighed, hvilket gør dem velegnede til reparation af slidte dele og bearbejdning af overdimensionerede komponenter.

Når der anvendes plasma spray-teknologi med aluminium-baserede legeringer til at belægge stempelringe, synkroniseringsringe og cylindre, viser belægningerne god slidstyrke, høj bindingstyrke og fremragende anti-klistre slidegenskaber.

2. Nuværende forskningsstatus for keramiske belægninger

Termisk sprøjtede keramiske pulvere inkluderer oxider, carbider, borider, nitrider og silikider, som er krystallinske eller amorfe forbindelser sammensat af metalliske og ikke-metalliske elementer. Keramiske belægninger er kendt for deres høje smeltepunkter, høje hårdhed og fremragende slidstyrke, korrosionsbestandighed og højtemperaturstabilitet. Dog er processen med at sprøjte keramiske belægninger kompleks og kostbar, og belægningerne er tilbøjelige til overflade revner og har dårligere termisk træthedsmodstand sammenlignet med metalbelægninger. Derudover har keramiske belægninger dårlig sejhed og er uegnede til anvendelser, der involverer betydelige stødbelastninger. Almindeligt anvendte keramiske belægninger inkluderer Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, WC, TiC, Cr3C2 og TiB2, der typisk fremstilles ved hjælp af plasma sprøjtning, flamme sprøjtning, HVOF og detonationssprøjtningsteknikker.

Ren Jingri et al. undersøgte glidende friktion og slidkarakteristika for plasma-sprøjtede Al2O3-40%TiO2 og Cr2O3 keramiske pulverbelægninger. De fandt, at Cr2O3-belægninger udviser højere slidstyrke end Al2O3-40%TiO2-belægninger. Slidmekanismen for Cr2O3-belægninger er primært abrasiv slid, med sprødt brudkarakteristika under højere belastninger.

Andre undersøgelser har undersøgt glidende friktion og slidkarakteristika for plasma-sprøjtede multilags metal- og keramiske belægninger. Sprøjte sekvensen involverer først at påføre en NiCr binding belægning på substratet, efterfulgt af overgangslag med varierende proportioner af NiCr-Cr2O3, og endelig et 100% Cr2O3 overfladelag. Det blev fundet, at et passende forhold mellem metal og keramik i overgangslaget kan forbedre slidstyrken af belægningen. De vigtigste slidmekanismer inkluderer sprødt brud, abrasiv slid, vedhæftning og oxidativ slid.

3. Nuværende forskningsstatus for metal-keramiske belægninger

Metaller og keramik har hver deres unikke fordele og distinkte præstationssvagheder. At kombinere de fordelagtige egenskaber ved begge materialer har været en langvarig forskningsretning inden for materialeforskning og -teknik. Metal-keramiske kompositbelægningsteknologier, som involverer ensartet fordeling af keramiske partikler af passende form og størrelse inden for en plastmatrix, kombinerer med succes styrken og sejheden af metaller med højtemperaturmodstand, slidstyrke og korrosionsmodstand af keramik. Dette udvider betydeligt anvendelsesområdet for både metal- og keramiske materialer, med succesfulde anvendelser inden for luftfart, kemi, mekanik og energisektoren. De mest anvendte metal-keramiske belægninger i industrien er Cr3C2-NiCr og WC-Co, typisk forberedt ved hjælp af HVOF, plasma og detonationssprøjteteknikker.

Cr3C2-NiCr metal-keramiske belægninger består af en refraktær kromkarbid hård fase og en duktil nikkel-krom legeringsfase.

WC-baserede metal-keramiske belægninger anvendes almindeligvis i slidforhold med abrasiv og erosiv slitage under 450°C. Xu Xiangyang et al. undersøgte friktionsslidmekanismen for plasma-sprøjtede WC/18Co-belægninger. Resultaterne viste, at det indledende stadium af friktionsslid domineres af adhesiv slid, hvor belægningens høje hårdhed og stærke anti-adhæsionsegenskaber resulterer i minimal slid. I det stabile stadium bliver træthedsdelaminering og sprødt revnedannelse de vigtigste slidmekanismer, hvor belægningens sprødhed og lave inter-partikel bindingsstyrke fører til øget slid. Oxidinklusioner i belægningen er den primære årsag til utilstrækkelig friktionsslidmodstand.

4. Nuværende forskningsstatus for amorfe belægninger

Amorfiske materialer er kendetegnet ved langdistance uorden og kortdistance orden.

Xiang Xinghua et al. brugte plasma spray til at forberede Fe-baserede amorfe legeringsbelægninger (som indeholder Si, B, Cr, Ni osv.). Belægningerne viste en ensartet mikrostruktur, høj tæthed, lav porøsitet, minimal oxidindhold og høj hårdhed, med mikrohårdhed der spænder fra 530 til 790 HV0.1. Belægningerne viste også god binding til substratet.

Andre studier har undersøgt mikrostrukturen og slidstyrken af detonationssprøjtede Fe-Cr-B legeringsbelægninger. Resultaterne indikerede, at belægningerne har fremragende slid- og korrosionsmodstand. Under glidende slid forbedrede en dynamisk genereret amorf overfladefilm betydeligt slidstyrken og reducerede friktionskoefficienten.

Sammenfattende kan brugen af HVOF, plasma spray, lysbuespray og detonationsspray til at påføre metal, keramik, metal-keramik og amorfe slidstærke belægninger effektivt forbedre slidstyrken af substratmaterialer.