وضعیت تحقیق در مورد فناوری پوشش مقاوم در برابر سایش اسپری حرارتی

1. وضعیت تحقیق فعلی پوشش‌های فلزی

پوشش‌های فلزی اسپری حرارتی از جمله اولین پوشش‌های مقاوم در برابر سایش هستند که مورد مطالعه و استفاده قرار گرفته‌اند.

هنگام استفاده از فناوری پاشش پلاسما با آلیاژهای مبتنی بر آلومینیوم برای پوشش دادن حلقه‌های پیستون، حلقه‌های همزمان‌ساز و سیلندرها، پوشش‌ها مقاومت سایشی خوبی، استحکام پیوند بالا و خواص عالی ضد ساییدگی چسبنده را نشان می‌دهند. در شرایط روانکاری شده، آنها همچنین عملکرد خوبی در برابر قفل شدن و ساییدگی نشان می‌دهند.

2. وضعیت تحقیقاتی فعلی پوشش‌های سرامیکی

پودرهای سرامیکی اسپری حرارتی شامل اکسیدها، کاربیدها، بوریدها، نیتریدها و سیلیسیدها هستند که ترکیبات بلوری یا آمورف متشکل از عناصر فلزی و غیر فلزی می‌باشند. پوشش‌های سرامیکی به خاطر نقاط ذوب بالا، سختی بالا و مقاومت عالی در برابر سایش، مقاومت در برابر خوردگی و پایداری در دماهای بالا شناخته شده‌اند. با این حال، فرآیند اسپری کردن پوشش‌های سرامیکی پیچیده و پرهزینه است و این پوشش‌ها مستعد ترک‌های سطحی هستند و نسبت به پوشش‌های فلزی مقاومت حرارتی کمتری دارند. علاوه بر این، پوشش‌های سرامیکی دارای تافنس ضعیفی هستند و برای کاربردهایی که بارهای ضربه‌ای قابل توجهی دارند، مناسب نیستند. پوشش‌های سرامیکی معمولاً استفاده شده شامل Al2O3، TiO2، Cr2O3، ZrO2، WC، TiC، Cr3C2 و TiB2 هستند که معمولاً با استفاده از تکنیک‌های اسپری پلاسما، اسپری شعله، HVOF و اسپری انفجاری تهیه می‌شوند.

رن جینگری و همکارانش ویژگی‌های اصطکاک لغزشی و سایش پوشش‌های پودری سرامیکی Al2O3-40%TiO2 و Cr2O3 را مطالعه کردند. آنها دریافتند که پوشش‌های Cr2O3 مقاومت سایش بالاتری نسبت به پوشش‌های Al2O3-40%TiO2 دارند. مکانیزم سایش پوشش‌های Cr2O3 عمدتاً سایش سایشی است، با ویژگی‌های شکست ترد تحت بارهای بالاتر. در مقابل، مکانیزم سایش پوشش‌های Al2O3-40%TiO2 عمدتاً تغییر شکل پلاستیک و لایه‌لایه شدن است. چن چوانژونگ و همکارانش پوشش‌های سرامیکی کامپوزیتی Al2O3-TiO2-NiCrAlY را مطالعه کردند و اشاره کردند که ذوب TiO2 و Al2O3 درجه‌ای از حل‌پذیری متقابل را تشکیل می‌دهد که تخلخل پوشش را کاهش داده و به تقویت استحکام، انعطاف‌پذیری و مقاومت سایش آن کمک می‌کند.

مطالعات دیگری به بررسی اصطکاک لغزشی و ویژگی‌های سایش پوشش‌های چندلایه فلزی و سرامیکی پاشیده شده با پلاسما پرداخته‌اند. توالی پاشش شامل اعمال یک لایه پیوند NiCr بر روی زیرلایه، به دنبال آن لایه‌های انتقال با نسبت‌های مختلف NiCr-Cr2O3 و در نهایت یک لایه سطحی 100% Cr2O3 است. مشخص شد که نسبت مناسب فلز به سرامیک در لایه انتقال می‌تواند مقاومت سایش پوشش را بهبود بخشد. مکانیزم‌های اصلی سایش شامل شکست ترد، سایش سایشی، چسبندگی و سایش اکسیداتیو است.

3. وضعیت تحقیقاتی فعلی پوشش‌های فلزی-سرامیکی

فلزات و سرامیک‌ها هر کدام دارای مزایای منحصر به فرد و نقاط ضعف عملکردی خاصی هستند. ترکیب خواص مفید هر دو ماده، یک جهت‌گیری تحقیقاتی طولانی‌مدت در علم و مهندسی مواد بوده است. فناوری پوشش کامپوزیت فلز-سرامیک، که شامل توزیع یکنواخت ذرات سرامیکی با شکل و اندازه مناسب در یک ماتریس پلاستیکی است، به‌طور موفقیت‌آمیزی استحکام و سختی فلزات را با مقاومت در برابر دماهای بالا، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی سرامیک‌ها ترکیب می‌کند. این به‌طور قابل توجهی دامنه کاربرد هر دو ماده فلزی و سرامیکی را گسترش می‌دهد و کاربردهای موفقی در صنایع هوافضا، شیمیایی، مکانیکی و قدرت دارد. رایج‌ترین پوشش‌های فلز-سرامیک در صنعت، Cr3C2-NiCr و WC-Co هستند که معمولاً با استفاده از تکنیک‌های پاشش HVOF، پلاسما و انفجاری تهیه می‌شوند.

پوشش‌های فلزی-سرامیکی Cr3C2-NiCr از یک فاز سخت کاربید کروم نسوز و یک فاز آلیاژ نیکل-کروم انعطاف‌پذیر تشکیل شده‌اند.

پوشش‌های سرامیکی-فلزی مبتنی بر WC معمولاً در شرایط سایش سایشی و فرسایشی زیر 450 درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شوند. ژو شیانگ‌یانگ و همکارانش مکانیزم سایش فرسایشی پوشش‌های WC/18Co پاشش پلاسما را مطالعه کردند. نتایج نشان داد که مرحله اولیه سایش فرسایشی تحت تأثیر سایش چسبنده است، با سختی بالای پوشش و خواص قوی ضد چسبندگی که منجر به سایش حداقلی می‌شود. در مرحله پایدار، لایه‌برداری خستگی و ترک‌خوردگی شکننده به مکانیزم‌های اصلی سایش تبدیل می‌شوند، با شکنندگی پوشش و استحکام پایین پیوند بین ذرات که منجر به افزایش سایش می‌شود. گنجاندن اکسیدها درون پوشش علت اصلی مقاومت ناکافی در برابر سایش فرسایشی است.

4. وضعیت تحقیقاتی فعلی پوشش‌های آمورف

مواد آمورف با بی‌نظمی در مقیاس بزرگ و نظم در مقیاس کوچک مشخص می‌شوند.

شیانگ شینگ‌هوا و همکارانش از پاشش پلاسما برای تهیه پوشش‌های آلیاژ آمورف مبتنی بر آهن (شامل سیلیکون، بور، کروم، نیکل و غیره) استفاده کردند. پوشش‌ها میکروساختار یکنواخت، چگالی بالا، تخلخل کم، حداقل محتوای اکسید و سختی بالایی را نشان دادند، با میکرو سختی در محدوده ۵۳۰ تا ۷۹۰ HV0.1. پوشش‌ها همچنین پیوند خوبی با زیرلایه داشتند.

مطالعات دیگری به بررسی میکروساختار و مقاومت سایش پوشش‌های آلیاژ Fe-Cr-B پاشش شده با انفجار پرداخته‌اند. نتایج نشان داد که پوشش‌ها دارای مقاومت عالی در برابر سایش و خوردگی هستند. در حین سایش لغزشی، یک فیلم سطحی آمورف که به‌طور دینامیکی تولید شده بود، به‌طور قابل توجهی مقاومت سایش را بهبود بخشید و ضریب اصطکاک را کاهش داد.

به طور خلاصه، استفاده از HVOF، پاشش پلاسما، پاشش قوس و پاشش انفجاری برای اعمال پوشش‌های مقاوم در برابر سایش فلزی، سرامیکی، فلز-سرامیکی و آمورف می‌تواند به طور مؤثری مقاومت در برابر سایش مواد زیرلایه را افزایش دهد.