סטטוס מחקר של טכנולוגיית ציפוי עמיד בפני שחיקה בתרסיס תרמי

1. מצב המחקר הנוכחי של ציפויים מתכתיים

ציפויים מתכתיים בריסוס תרמי הם בין הציפויים העמידים בפני שחיקה שנחקרו ויושמו לראשונה. חומרים בשימוש נפוץ כוללים מתכות (Mo, Ni), פלדת פחמן, פלדה בעלת סגסוגת נמוכה, פלדה אל חלד, וסדרות ציפויים של סגסוגת Ni-Cr. טכניקות כמו ריסוס בעירה, ריסוס קשת, ריסוס פלזמה, HVOF (דלק חמצן במהירות גבוהה), וריסוס פיצוץ משמשות בדרך כלל. ציפויים אלה מציגים חוזק הידבקות גבוה עם התשתית, יחד עם עמידות מצוינת בפני שחיקה וקורוזיה, מה שהופך אותם מתאימים לתיקון חלקים שחוקים ולעיבוד רכיבים גדולים מדי.

כאשר משתמשים בטכנולוגיית ריסוס פלזמה עם סגסוגות מבוססות אלומיניום לציפוי טבעות פיסטון, טבעות סנכרון וצילינדרים, הציפויים מראים עמידות טובה בפני שחיקה, חוזק הידבקות גבוה ותכונות מצוינות נגד שחיקה דביקה. בתנאים משומנים, הם גם מציגים ביצועים טובים נגד תפיסה ונגד חיכוך. חוטי פלדה פחמנית גבוהה וחוטי סגסוגת פלדה אל חלד (סוג Cr13, סוג 18-8 וכו') משמשים בדרך כלל כחומרי ריסוס עמידים בפני שחיקה וקורוזיה. חומרים אלה מאופיינים בחוזק גבוה, עמידות טובה בפני שחיקה, זמינות רחבה ועלות נמוכה. ציפויי NiCr מציעים עמידות טובה לחום, עמידות בפני קורוזיה ועמידות בפני שחיקה כתוצאה מהסחף, מה שהופך אותם מתאימים כציפויים מגנים לצינורות מחממים וצינורות חימום חוזר במפעלי חשמל. שיטות ריסוס בעירה ופלזמה יכולות לשמש להכנת ציפויי מתכת NiCr עמידים בפני שחיקה עם מבנים מיקרו שונים, אם כי ציפויים אלה נוטים להיות בעלי פורוזיות גבוהה יותר ותוכן חמצן גבוה.

2. מצב המחקר הנוכחי של ציפויי קרמיקה

אבקות קרמיקה לה喷ה תרמית כוללות חמצנים, פחמנים, בורידים, ניטרידים וסיליקידים, שהם תרכובות גבישיות או אמורפיות המורכבות מאלמנטים מתכתיים ולא מתכתיים. ציפויי קרמיקה ידועים בנקודות ההתכה הגבוהות שלהם, הקשיחות הגבוהה, ועמידות מצוינת בפני שחיקה, עמידות בפני קורוזיה, ויציבות בטמפרטורות גבוהות. עם זאת, תהליך ריסוס ציפויי קרמיקה הוא מורכב ויקר, והציפויים נוטים לסדקים על פני השטח ויש להם עמידות תרמית נמוכה יותר בהשוואה לציפויים מתכתיים. בנוסף, לציפויי קרמיקה יש קשיחות ירודה והם אינם מתאימים ליישומים המעורבים בעומסי השפעה משמעותיים. ציפויי קרמיקה בשימוש נפוץ כוללים Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, WC, TiC, Cr3C2, ו-TiB2, המוכנים בדרך כלל באמצעות טכניקות ריסוס פלזמה, ריסוס בעירה, HVOF, וטכניקות ריסוס פיצוץ.

רן ג'ינגרי ואחרים חקרו את תכונות החיכוך והבלאי של ציפויי אבקת קרמיקה של Al2O3-40%TiO2 ו-Cr2O3 שהותזו בפלזמה. הם מצאו שציפויי Cr2O3 מציגים עמידות בלאי גבוהה יותר מאשר ציפויי Al2O3-40%TiO2. מנגנון הבלאי של ציפויי Cr2O3 הוא בעיקר בלאי שוחק, עם תכונות שבר שבירות תחת עומסים גבוהים. בניגוד לכך, מנגנון הבלאי של ציפויי Al2O3-40%TiO2 הוא בעיקר דפורמציה פלסטית ודלמינציה. צ'ן צ'ואנזונג ואחרים חקרו ציפויי קרמיקה קומפוזיטיים של Al2O3-TiO2-NiCrAlY, וציינו שהמסת TiO2 ו-Al2O3 יוצרת מידה מסוימת של מסיסות הדדית, מה שמפחית את הנקבוביות של הציפוי ומחזק עוד יותר את עמידותו, גמישותו ועמידותו בבלאי.

מחקרים אחרים חקרו את תכונות החיכוך והבלאי של ציפויים רב-שכבתיים ממתכת ומקרמיקה שהוחלו באמצעות התזה פלזמתית. רצף ההשקיה כולל תחילה יישום שכבת קישור NiCr על המצע, ולאחר מכן שכבות מעבר עם פרופורציות משתנות של NiCr-Cr2O3, ולבסוף שכבת שטח של 100% Cr2O3. נמצא כי יחס מתאים של מתכת למקרמיקה בשכבת המעבר יכול לשפר את עמידות הבלאי של הציפוי. מנגנוני הבלאי העיקריים כוללים שבר שביר, בלאי שוחק, הידבקות ובלאי חמצוני.

3. מצב המחקר הנוכחי של ציפויי מתכת-קרמיקה

מתכות וקרמיקה כל אחת מהן יש יתרונות ייחודיים וחולשות ביצועים שונות.

ציפויים מתכתיים-קרמיים Cr3C2-NiCr consist of a refractory chromium carbide hard phase and a ductile nickel-chromium alloy phase.

ציפויים מתכתיים-קרמיים מבוססי WC משמשים בדרך כלל בתנאי שחיקה אברסיביים ואירוזיביים מתחת ל-450°C. שו שיונגיאנג ואחרים חקרו את מנגנון השחיקה של ציפויי WC/18Co שהוטזו בפלזמה. התוצאות הראו כי השלב הראשוני של שחיקת חיכוך נשלט על ידי שחיקה דבקית, כאשר הקשיחות הגבוהה של הציפוי ותכונות ההתנגדות הגבוהות שלו לדבקות מביאות לשחיקה מינימלית. בשלב היציב, דלמינציה עייפה וסדקים שבירים הופכים למנגנוני השחיקה העיקריים, כאשר השבריריות של הציפוי וחוזק הקישור הנמוך בין חלקיקים מובילים לשחיקה מוגברת. הכללות חמצן בתוך הציפוי הן הסיבה העיקרית לחוסר ההתנגדות לשחיקת חיכוך.

4. מצב המחקר הנוכחי של ציפויים אמורפיים

חומרים אמורפיים מאופיינים על ידי חוסר סדר בטווח ארוך וסדר בטווח קצר. הם לעיתים קרובות מציגים תכונות פיזיקליות וכימיות superiores בהשוואה לקטגוריות הגבישיות שלהם, כולל חוזק גבוה, קשיחות, קושי, עמידות בפני קורוזיה ותכונות מגנטיות רכות, מה שהופך אותם לקבוצה חדשה ומבטיחה של חומרים מתכתיים. ציפויי סגסוגת אמורפית בהזרקת חום צצו לאחרונה כאזור מחקר חדש במדע החומרים. טכניקות הזרקת חום, כאחת השיטות להכנת ציפויים אמורפיים בשטח גדול, החלו למשוך תשומת לב רחבה. שיטות נפוצות כוללות הזרקת פלזמה, HVOF והזרקת פיצוץ.

שיאנג שינגחואה ואחרים השתמשו בהספגת פלזמה כדי להכין ציפויי סגסוגת אמורפית מבוססת ברזל (כוללים סיליקון, בורון, כרום, ניקל וכו'). הציפויים הציגו מבנה מיקרו אחיד, צפיפות גבוהה, פורוזיות נמוכה, תוכן מינימלי של חמצן, וקושי גבוה, עם מיקרו קושי הנע בין 530 ל-790 HV0.1. הציפויים גם הראו הידבקות טובה עם התשתית.

מחקרים אחרים חקרו את המבנה המיקרו ואת עמידות השחיקה של ציפויי סגסוגת Fe-Cr-B שהוספגו בהתפוצצות. התוצאות הצביעו על כך שהציפויים מציגים עמידות מצוינת לשחיקה ולקורוזיה. במהלך שחיקת החלקה, סרט שטח אמורפי שנוצר באופן דינמי שיפר באופן משמעותי את עמידות השחיקה והפחית את מקדם החיכוך.

לסיכום, השימוש ב-HVOF, ריסוס פלזמה, ריסוס קשת וריסוס פיצוץ כדי להחיל ציפויים מתכתיים, קרמיים, מתכת-קרמית וציפויים אמורפיים עמידים בפני שחיקה יכול לשפר באופן יעיל את עמידות השחיקה של חומרים תת-בסיסיים.