Status Penelitian Teknologi Pelapis Tahan Aus Semprot Termal

1. Status Penelitian Terkini tentang Lapisan Logam

Lapisan logam semprot panas merupakan salah satu lapisan tahan aus yang paling awal diteliti dan diterapkan. Bahan yang umum digunakan meliputi logam (Mo, Ni), baja karbon, baja paduan rendah, baja tahan karat, dan lapisan seri paduan Ni-Cr. Teknik seperti penyemprotan api, penyemprotan busur, penyemprotan plasma, HVOF (High-Velocity Oxygen Fuel), dan penyemprotan ledakan biasanya digunakan. Lapisan-lapisan ini menunjukkan kekuatan ikatan yang tinggi dengan substrat, bersama dengan ketahanan aus dan korosi yang sangat baik, sehingga cocok untuk memperbaiki bagian yang aus dan memproses komponen oversized.

Ketika menggunakan teknologi penyemprotan plasma dengan paduan berbasis aluminium untuk melapisi cincin piston, cincin sinkronisator, dan silinder, lapisan-lapisan tersebut menunjukkan ketahanan aus yang baik, kekuatan ikatan yang tinggi, dan sifat anti-aulas adhesi yang sangat baik. Dalam kondisi berlumutan, mereka juga menunjukkan kinerja anti-penyitaan dan anti-scratching yang baik. Kabel baja karbon tinggi dan baja tahan karat (tipe Cr13, tipe 18-8, dll.) kawat paduan biasanya digunakan sebagai bahan penyemprotan yang tahan aus dan korosi. Bahan-bahan ini ditandai dengan kekuatan tinggi, ketahanan aus yang baik, ketersediaan luas, dan biaya rendah. Lapisan NiCr menawarkan ketahanan terhadap panas, korosi, dan aus abrasi yang baik, sehingga cocok sebagai lapisan pelindung untuk tabung superheater dan reheater di boiler pembangkit listrik. Metode penyemprotan api dan plasma dapat digunakan untuk menyiapkan lapisan tahan aus logam NiCr dengan struktur mikro yang berbeda, meskipun lapisan-lapisan ini cenderung memiliki porositas yang lebih tinggi dan kandungan oksida.

2. Status Penelitian Terkini tentang Pelapis Keramik

Serbuk keramik semprot termal mencakup oksida, karbida, borida, nitrida, dan silisida, yang merupakan senyawa kristalin atau amorfa yang terdiri dari elemen logam dan non-logam. Pelapis keramik dikenal karena titik lebur tinggi, kekerasan tinggi, serta ketahanan aus, korosi, dan stabilitas suhu tinggi yang sangat baik. Namun, proses penyemprotan pelapis keramik kompleks dan mahal, dan pelapis tersebut cenderung mengalami retak permukaan dan memiliki ketahanan lelah termal yang lebih buruk dibandingkan pelapis logam. Selain itu, pelapis keramik memiliki ketangguhan yang buruk dan tidak cocok untuk aplikasi yang melibatkan beban dampak signifikan. Pelapis keramik yang umum digunakan meliputi Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, WC, TiC, Cr3C2, dan TiB2, biasanya dipersiapkan menggunakan teknik semprot plasma, semprot api, HVOF, dan semprot detonasi.

Ren Jingri dkk. mempelajari karakteristik gesekan dan aus lapisan keramik bubuk Al2O3-40%TiO2 dan Cr2O3 yang disemprot plasma. Mereka menemukan bahwa lapisan Cr2O3 menunjukkan ketahanan aus yang lebih tinggi dibandingkan lapisan Al2O3-40%TiO2. Mekanisme aus lapisan Cr2O3 terutama adalah aus abrasif, dengan karakteristik pecah rapuh di bawah beban yang lebih tinggi. Sebaliknya, mekanisme aus lapisan Al2O3-40%TiO2 terutama adalah deformasi plastik dan pelapisan. Chen Chuanzhong dkk. mempelajari lapisan keramik komposit Al2O3-TiO2-NiCrAlY, mencatat bahwa lelehan TiO2 dan Al2O3 membentuk tingkat tertentu kelarutan saling, mengurangi porositas lapisan dan lebih jauh meningkatkan kekuatannya, ketangguhannya, dan ketahanan ausnya.

Studi lain telah menyelidiki karakteristik gesekan dan aus lapisan logam dan keramik multilapis yang disemprot plasma. Urutan penyemprotan melibatkan penerapan lapisan ikat NiCr pada substrat terlebih dahulu, diikuti oleh lapisan transisi dengan proporsi NiCr-Cr2O3 yang bervariasi, dan akhirnya lapisan permukaan 100% Cr2O3. Ditemukan bahwa rasio logam ke keramik yang tepat dalam lapisan transisi dapat meningkatkan ketahanan aus pelapis. Mekanisme aus utama mencakup fraktur rapuh, aus abrasif, adhesi, dan aus oksidatif.

3. Status Penelitian Terkini tentang Lapisan Logam-Keramik

Logam dan keramik masing-masing memiliki keunggulan unik dan kelemahan kinerja yang berbeda. Menggabungkan sifat-sifat unggul dari kedua bahan ini telah menjadi arah penelitian jangka panjang dalam ilmu material dan teknik. Teknologi lapisan komposit logam-keramik, yang melibatkan distribusi seragam partikel keramik dengan bentuk dan ukuran yang sesuai di dalam matriks plastik, berhasil menggabungkan kekuatan dan ketangguhan logam dengan ketahanan suhu tinggi, ketahanan aus, dan ketahanan korosi keramik. Ini secara signifikan memperluas rentang aplikasi bahan logam dan keramik, dengan aplikasi sukses di industri penerbangan, kimia, mesin, dan energi. Lapisan logam-keramik yang paling banyak digunakan di industri adalah Cr3C2-NiCr dan WC-Co, biasanya dipersiapkan menggunakan teknik penyemprotan HVOF, plasma, dan detonasi.

Pelapisan logam-keramik Cr3C2-NiCr terdiri dari fase keras karbida kromium refraktori dan fase paduan nikel-krom yang lentur. Mereka menunjukkan ketahanan suhu tinggi yang tinggi, ketahanan aus suhu tinggi yang sangat baik, ketahanan korosi, ketahanan oksidasi, dan kekuatan ikatan yang tinggi. Pelapisan ini digunakan secara luas pada komponen yang beroperasi dalam kondisi aus abrasif suhu tinggi (530–900°C), aus korosif, dan aus erosif, seperti gulungan tungku dalam lini pengilangan kontinu, gulungan inti dalam lini produksi kontinu pabrik baja, dan cincin piston silinder serta liner. Pelapisan logam-keramik berbasis TiB2, dengan titik lebur tinggi, kekerasan tinggi, sifat listrik dan magnet yang baik, serta ketahanan korosi yang tinggi, merupakan alternatif potensial untuk Cr3C2 pada aplikasi tahan aus suhu tinggi. Mereka menawarkan ketahanan aus yang lebih tinggi daripada Al2O3, Cr3C2-NiCr, dan WC-Co.

Lapisan logam-keramik berbasis WC umumnya digunakan dalam kondisi aus abrasif dan erosif di bawah 450°C. Xu Xiangyang dkk. mempelajari mekanisme aus getas pada lapisan WC/18Co yang disemprot plasma. Hasilnya menunjukkan bahwa tahap awal dari aus getas didominasi oleh aus lekat, dengan kekerasan tinggi lapisan dan sifat anti-lekat yang kuat menghasilkan aus minimal. Pada tahap stabil, pelupusan kelelahan dan spalling retak rapuh menjadi mekanisme aus utama, dengan kerapuhan lapisan dan kekuatan ikatan antar partikel yang rendah menyebabkan aus meningkat. Inklusi oksida di dalam lapisan adalah penyebab utama ketidakcukupan resistensi aus getas.

4. Status Penelitian Terkini tentang Lapisan Amorf

Bahan amorf ditandai oleh ketidakteraturan jangka panjang dan ketertiban jangka pendek. Mereka sering menunjukkan sifat fisik dan kimia yang lebih unggul dibandingkan dengan senyawanya yang kristalin, termasuk kekuatan tinggi, ketangguhan, kekerasan, ketahanan korosi, dan sifat magnet lunak, membuatnya menjadi kelas baru bahan logam yang menjanjikan. Pelapisan paduan amorf semprot panas baru-baru ini muncul sebagai area penelitian baru dalam ilmu bahan. Teknik penyemprotan panas, sebagai salah satu metode untuk menyiapkan lapisan amorf luas, mulai mendapat perhatian luas. Metode umum meliputi penyemprotan plasma, HVOF, dan penyemprotan detonasi.

Xiang Xinghua dkk. menggunakan penyemprotan plasma untuk menyiapkan lapisan paduan kaca Fe (mengandung Si, B, Cr, Ni, dll.). Lapisan tersebut menunjukkan struktur mikro yang seragam, kepadatan tinggi, porositas rendah, kandungan oksida minimal, dan kekerasan tinggi, dengan mikrokekaran berkisar dari 530 hingga 790 HV0.1. Lapisan juga menunjukkan ikatan yang baik dengan substrat.

Studi lain telah menyelidiki struktur mikro dan ketahanan aus dari lapisan paduan Fe-Cr-B yang disemprotkan ledakan. Hasilnya menunjukkan bahwa lapisan memiliki ketahanan aus dan korosi yang sangat baik. Selama aus geser, film permukaan kaca yang dihasilkan secara dinamis secara signifikan meningkatkan ketahanan aus dan mengurangi koefisien gesekan.

Singkatnya, penggunaan HVOF, penyemprotan plasma, penyemprotan busur, dan penyemprotan detonasi untuk menerapkan lapisan anti aus logam, keramik, logam-keramik, dan amorfa dapat secara efektif meningkatkan ketahanan aus material substrat. Penelitian mendalam tentang mekanisme aus pada lapisan semprot termal dan pengaruh mikrostruktur lapisan terhadap karakteristik aus memberikan dasar teoritis untuk memperbaiki struktur lapisan, mengoptimalkan proses penyemprotan, dan mengembangkan lapisan anti aus baru.