Forschungsstand der thermischen Spritztechnologie für verschleißbeständige Beschichtungen

1. Aktueller Forschungsstand von Metallbeschichtungen

Thermisch gespritzte Metallbeschichtungen zählen zu den frühesten untersuchten und angewandten verschleißbeständigen Beschichtungen. Häufig verwendete Materialien umfassen Metalle (Mo, Ni), Kohlenstoffstahl, niedriglegierten Stahl, rostfreien Stahl und Nickel-Chrom-Legierungsschichten. Verfahren wie Flammensprühen, Bögensprühen, Plasmasprühen, HVOF (High-Velocity Oxygen Fuel) und Detonationsprühen werden generell eingesetzt.<br>

Wenn Plasmastrahlschweistechnologie mit Aluminiumlegierungen zur Beschichtung von Kolbenringen, Synchronisationsringen und Zylindern verwendet wird, zeigen die Beschichtungen eine gute Verschleißbeständigkeit, hohe Haftfestigkeit und ausgezeichnete Eigenschaften gegen klebenden Verschleiß. Unter Schmierbedingungen zeigen sie auch eine gute Eigenschaft gegen Verklettung und Schabfestigkeit. Hochkarbonstahlseile und Edelstahl (Cr13-Typ, 18-8-Typ usw.) Legierungsdraht werden häufig als verschleiß- und korrosionsbeständige Sprühmaterialien verwendet. Diese Materialien zeichnen sich durch hohe Festigkeit, guten Verschleißwiderstand, weite Verfügbarkeit und niedrige Kosten aus. NiCr-Beschichtungen bieten einen guten Wärme- und Korrosionsschutz sowie einen hohen Erosionsverschleißwiderstand, wodurch sie als Schutzbeschichtungen für Dampfrohre und Wiedererhitungsrohre in Kraftwerkskesseln geeignet sind. Flammenspritzen- und Plasmastrahlspritzverfahren können verwendet werden, um NiCr-Metallverschleißbeschichtungen mit unterschiedlicher Mikrostruktur herzustellen, obwohl diese Beschichtungen tendenziell eine höhere Porosität und ein höheres Oxidgehalt aufweisen.

2. Aktueller Forschungsstand von keramischen Beschichtungen

Thermosprühpulver für Keramik umfasst Oxide, Carbide, Boride, Nitride und Silicide, die kristalline oder amorphe Verbindungen aus metallischen und nichtmetallischen Elementen sind. Keramische Beschichtungen zeichnen sich durch ihre hohen Schmelzpunkte, hohe Härte und ausgezeichnete Verschleißbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturstabilität aus. Dennoch ist der Sprühprozess für keramische Beschichtungen komplex und kostspielig, und die Beschichtungen neigen zu Oberflächenrissen und weisen im Vergleich zu Metallbeschichtungen eine geringere Wärmeermüdungswiderstand. Zudem haben keramische Beschichtungen eine geringe Zähigkeit und eignen sich nicht für Anwendungen mit erheblichen Stoßbelastungen. Häufig verwendete keramische Beschichtungen umfassen Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, WC, TiC, Cr3C2 und TiB2, die in der Regel mittels Plasmasprühung, Flammensprühung, HVOF und Detonationsprühung hergestellt werden.

Ren Jingri et al. untersuchten die Schmierreibung und Verschleißmerkmale von plasmaspritzgelegten Al2O3-40%TiO2 und Cr2O3-Keramikpulverbeschichtungen. Sie stellten fest, dass Cr2O3-Beschichtungen einen höheren Verschleißwiderstand aufweisen als Al2O3-40%TiO2-Beschichtungen. Der Verschleißmechanismus von Cr2O3-Beschichtungen ist hauptsächlich abrasiver Verschleiß, mit spröden Bruchmerkmalen bei höheren Lasten. Im Gegensatz dazu ist der Verschleißmechanismus von Al2O3-40%TiO2-Beschichtungen vor allem plastische Verformung und Abblätterung. Chen Chuanzhong et al. untersuchten Al2O3-TiO2-NiCrAlY-Verbundkeramikbeschichtungen und stellten fest, dass das Schmelzen von TiO2 und Al2O3 eine bestimmte Grad an Wechselwirkung bildet, wodurch die Porosität der Beschichtung reduziert wird und ihre Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit weiter verbessert werden.

Andere Studien haben die Schmierreibung und Verschleißcharakteristiken von plasmagesprühten mehrschichtigen Metall- und Keramikbeschichtungen untersucht. <br>Die Sprühfolge umfasst initially das Aufbringen eines NiCr-Bindesystems auf dem Substrat, gefolgt von Übergangsschichten mit variierenden Verhältnissen von NiCr-Cr2O3, und schließlich eine 100%ige Cr2O3-Oberflächenschicht. Es wurde festgestellt, dass ein angemessenes Verhältnis von Metall zu Keramik in der Übergangsschicht die Verschleißbeständigkeit der Beschichtung verbessern kann. Die Hauptverschleißmechanismen umfassen spröde Bruch, abrasiven Verschleiß, Adhäsion und oxidativen Verschleiß.

3. Aktueller Forschungsstand von Metall-Keramik-Beschichtungen

Metalle und Keramiken haben jeweils einzigartige Vorteile und unterschiedliche Leistungs schwächen. Die Kombination der vorteilhaften Eigenschaften beider Materialien ist seit langem eine Forschungsrichtung in der Materialwissenschaft und -technik. Die Metall-Keramik-Schichttechnologie, die das gleichmäßige Verteilen keramischer Partikel geeigneter Form und Größe innerhalb einer plastischen Matrix beinhaltet, kombiniert erfolgreich die Festigkeit und Zähigkeit von Metallen mit der Hochtemperaturbeständigkeit, Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Keramiken. Dies erweitert den Anwendungsbereich sowohl von metallischen als auch keramischen Materialien erheblich, mit erfolgreichen Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, Chemie-, Maschinen- und Energieindustrie. Die am häufigsten verwendeten Metall-Keramik-Beschichtungen in der Industrie sind Cr3C2-NiCr und WC-Co, die typischerweise unter Verwendung von HVOF-, Plasma- und Sprengstoffspritztechniken hergestellt werden.

Cr3C2-NiCr Metall-Keramik-Beschichtungen bestehen aus einer feuerfesten Chromcarbid-Hartphasen und einer ductilen Nickel-Chrom-Legierungsphase. Sie weisen eine hohe Hochtemperaturhärte, eine ausgezeichnete Hochtemperatur-Abnutzungsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und eine hohe Bindungskraft auf. Diese Beschichtungen werden weit verbreitet in Komponenten eingesetzt, die unter Hochtemperatur (530–900°C) schneidendem Verschleiß, korrosivem Verschleiß und erosivem Verschleiß arbeiten, wie Ofenwalzen in kontinuierlichen Annealinanlagen, Kernwalzen in Stahlwerk-Kontinuierlichproduktionslinien und Zylinderkolbenringe und -halterungen. TiB2-basierte Metall-Keramik-Beschichtungen, mit ihrem hohen Schmelzpunkt, hoher Härte, guten elektrischen und magnetischen Eigenschaften und hoher Korrosionsbeständigkeit, bieten ein potenzielles Alternativ zu Cr3C2 für hochtemperatur-festen, verschleißbeständigen Anwendungen. Sie bieten höhere Verschleißbeständigkeit als Al2O3, Cr3C2-NiCr und WC-Co.

WC-basierte Metall-Keramik-Beschichtungen werden häufig bei abrasivem und erosivem Verschleiß unter 450°C eingesetzt. Xu Xiangyang et al. untersuchten den Frettverschleiß-Mechanismus von plasmagespritzten WC/18Co-Beschichtungen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Anfangsphase des Frettverschleißes durch haftenden Verschleiß dominiert wird, wobei die hohe Härte der Beschichtung und ihre starke haftungsfeindlichen Eigenschaften zu minimalem Verschleiß führen. In der stabilen Phase werden Ermüdungsablösung und brüchige Rissbildung die Hauptverschleißmechanismen, wobei die Brüchigkeit der Beschichtung und die geringe Bindungskraft zwischen den Partikeln zu erhöhtem Verschleiß führen. Oxidische Einlagerungen innerhalb der Beschichtung sind die Hauptursache für unzureichende Frettverschleißfestigkeit.

4. Aktueller Forschungsstand von amorphen Beschichtungen

Amorphe Materialien sind durch langreichweitige Unordnung und kurzzreichweitige Ordnung gekennzeichnet. Sie weisen oft überlegene physikalische und chemische Eigenschaften im Vergleich zu ihren kristallinen Gegenstücken auf, einschließlich hoher Festigkeit, Zähigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit und weicher magnetischer Eigenschaften, was sie zu einer vielversprechenden neuen Klasse metallischer Materialien macht. <br>Thermalsprayschichtungen aus amorphen Legierungen sind kürzlich als ein neues Forschungsgebiet in der Materialwissenschaft hervorgetreten. Thermalspritztechniken, als eine der Methoden zur Herstellung von großflächigen amorphen Schichten, haben begonnen, weit verbreitete Aufmerksamkeit zu erregen. Zu den gängigen Methoden zählen Plasmaspritzverfahren, HVOF und Sprengspritzverfahren.

Xiang Xinghua et al. nutzten Plasmastrahlung, um fehbasierte amorphe Legierungsschichten (enthaltend Si, B, Cr, Ni usw.) herzustellen. Die Schichten zeigten eine gleichmäßige Mikrostruktur, hohe Dichte, niedrige Porosität, minimales Oxidgehalt und hohe Härte, wobei die Mikrohärte von 530 bis 790 HV0.1 reicht. Die Schichten zeigten zudem eine gute Verbindung mit dem Substrat.

Andere Studien untersuchten die Mikrostruktur und die Verschleißbeständigkeit von Sprengflammsprühere Fe-Cr-B-Legierungsschichten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Schichten eine ausgezeichnete Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Während des Gleitverschleißes verbessert ein dynamisch gebildeter amorpher Oberflächenfilm erheblich die Verschleißbeständigkeit und reduziert den Reibkoeffizienten.

Zusammengefasst kann die Verwendung von HVOF, Plasma-Spritzverfahren, Bogenstrahlspritzen und Detonationssprühen zur Aufbringung von metallischen, keramischen, metall-keramischen und amorphen verschleißbeständigen Beschichtungen die Verschleißbeständigkeit von Substratmaterialien effektiv verbessern. Tiefergehende Forschungen zu den Verschleißmechanismen von thermisch gespritzten Beschichtungen und dem Einfluss der Beschichtungsmikrostruktur auf die Verschleißeigenschaften bieten eine theoretische Grundlage für die Verbesserung von Beschichtungsstrukturen, die Optimierung von Spritzprozessen und die Entwicklung neuer verschleißbeständiger Beschichtungen.