Onderzoeksstatus van thermische spuitslijtagecoatingtechnologie

1. Huidige onderzoeksstatus van metaal coatings

Thermische spuitmetaalcoatings behoren tot de vroegst onderzochte en toegepaste slijstbestendige coatings. Vaak gebruikte materialen omvatten metalen (Mo, Ni), koolstaal, lage legestaal, roestvast staal en nikkel-chroom legeringen coatings. Technieken zoals vlamspuiten, boogspuiten, plasmaspuiten, HVOF (High-Velocity Oxygen Fuel) en knalspuiten worden algemeen toegepast. Deze coatings tonen een hoge bindingsterkte met het substraat, samen met uitstekende slijtage- en corrosiebestendigheid, waardoor ze geschikt zijn voor het repareren van versleten delen en het bewerken van oversized componenten.

Bij het gebruik van plasmaspuittechnologie met aluminiumbasis legers om pistonringen, synchroniseringsschijven en cilinders te bekleden, tonen de coatings goede slijtagebestendigheid, hoge hechtingsterkte en uitstekende eigenschappen tegen plakverschijnselen. Onder gelubriceerde voorwaarden tonen zij ook goed gedrag tegen vastlopen en schuren. Hoogkoolstalaandraden en roestvast staal (Cr13 type, 18-8 type, etc.) legeringssnaren worden vaak gebruikt als slijtage- en corrosiebestendige spuitmaterialen. Deze materialen worden gekenmerkt door hoge sterkte, goede slijtagebestendigheid, breed beschikbaarheid en lage kosten. NiCr coatings bieden goede warmtebestendigheid, corrosiebestendigheid en erosieslijtagebestendigheid, waardoor ze geschikt zijn als beschermende coatings voor superheaters en herverzadigers in elektriciteitscentraleketels. Vlam en plasmaspuitmethodes kunnen worden gebruikt om NiCr metaalslijtagebestendige coatings met verschillende microstructuren te bereiden, hoewel deze coatings neigen tot hogere porosititeit en oxida gehalte.

2. Huidig Onderzoekstatus van Keramische Coatings

Thermisch gespoten keramische poeders omvatten oxiden, carbiden, boriden, nitriden en siliciden, die kristallijn of amorfe verbindingen zijn van metalen en niet-metalen elementen. Keramische coatings staan bekend om hun hoge smeltpunten, hoge hardheid, en uitstekende slijtagebestendigheid, corrosiebestendigheid en hoogtemperatuurstabiliteit. Echter, het proces van het spuiten van keramische coatings is complex en kostbaar, en de coatings zijn gevoelig voor oppervlakkige barsten en hebben een inferieure thermische vermoeidheidstitstand ten opzichte van metaalcoatings. Daarnaast hebben keramische coatings slechte taaiheid en zijn ze niet geschikt voor toepassingen met aanzienlijke inslagbelastingen. Vaak gebruikte keramische coatings omvatten Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, WC, TiC, Cr3C2, en TiB2, meestal bereid met technieken zoals plasmaspuiten, vlamspuiten, HVOF, en detonatiespuiten.

Ren Jingri et al. bestudeerden de schuifwrijving en slijmkarakteristieken van plasmageëxplodeerde Al2O3-40%TiO2 en Cr2O3 keramische poedercoating. Ze vonden dat Cr2O3 coatings een hogere slijtagebestendigheid vertonen dan Al2O3-40%TiO2 coatings. De slijmmechanisme van Cr2O3 coatings is voornamelijk abrasieve slijting, met brosheidsfractuurkenmerken onder hogere belastingen. In tegenstelling daarmee, het slijmmechanisme van Al2O3-40%TiO2 coatings is voornamelijk plastische vervorming en delaminatie. Chen Chuanzhong et al. bestudeerden Al2O3-TiO2-NiCrAlY compositiekeramische coatings, noteren dat het smelten van TiO2 en Al2O3 een bepaalde mate van wederzijdse oplosbaarheid vormt, verminderend de porosititeit van de coating en verder versterkend zijn sterkte, taaiheid en slijtagebestendigheid.

Andere studies hebben het schuifwrijving en slijmgedrag van meerverlaagse plasma-geëjecteerde metaal- en keramische coatings onderzocht. De spuitvolgorde omvat eerst een NiCr bindlaag op de substraat aan te brengen, gevolgd door overgangslagen met variërende verhoudingen van NiCr-Cr2O3, en ten slotte een 100% Cr2O3 opperste laag. Men vond dat een gepaste verhouding van metaal tot keramiek in de overgangslaag het slijtagevermogen van de coating kan verbeteren. De hoofd-slijmechanismen omvatten brosse fractuur, abrasieve slijting, adhesie, en oxidatieve slijting.

3. Huidige Onderzoeksstatus van Metalen-Keramische Coatings

Metalen en keramiek hebben elk unieke voordelen en duidelijke presteringszwaktes. Het combineren van de gunstige eigenschappen van beide materialen is al lange tijd een onderzoeksrichting in de materiaalkunde en -techniek. De technologie van metalen-keramische compositiecoulages, die het uniform verdelen van keramische deeltjes van geschikte vorm en grootte binnen een plastische matrix omvat, combineert met succes de sterkte en taaiheid van metalen met de hoogtemperatuurweerstand, slijtstofweerstand en corrosieweerstand van keramiek.<br>

Cr3C2-NiCr metaal-ceramische coatings bestaan uit een refractair chroomcarbide hard fase en een ductiel nikkel-chroom legering fase. Ze tonen hoge hoogtemperatuur hardheid, uitstekende slijtagebestendigheid bij hoge temperaturen, corrosiebestendigheid, oxidatiebestendigheid en hoge bindingsterkte. Deze coatings worden breed toegepast in onderdelen die werken onder hoge temperatuur (530-900°C) slijtage door abrasie, corrosieve slijtage, en erosieve slijtage condities, zoals kachelpitten in continue backtrekkingslijnen, core rolls in staalfabriek continue productielijnen, en cilinder piston ringen en liners. TiB2-gebaseerde metaal-ceramische coatings, met hun hoge smeltpunt, hoge hardheid, goede elektrische en magnetische eigenschappen, en hoge corrosiebestendigheid, zijn een potentiële alternatief voor Cr3C2 voor toepassingen met hoge temperatuur en slijtagebestendigheid. Ze bieden hogere slijtagebestendigheid dan Al2O3, Cr3C2-NiCr, en WC-Co.

WC-gebaseerde metalen-ceramische coatings worden veel gebruikt bij slijtage door abrasie en erosie onder de 450°C. Xu Xiangyang et al. bestudeerden het mechanisme van frettingslijtage van plasma-gespoten WC/18Co coatings. De resultaten lieten zien dat het beginstadium van frettingslijtage gedomineerd wordt door hechtingslijtage, met de coating's hoge hardheid en sterke anti-hechtingseigenschappen resulterend in minimale slijtage. In het stabiele stadium worden vermoeidheiddelaminatie en brosheidscheuringen het hoofd slijtmechanisme, met de coating's brosheid en lage inter-deeltjesbindingsterkte leidend tot verhoogde slijtage. Oxide opnamen binnen de coating zijn de primaire oorzaak van ontoereikende frettingslijtweerstand.

4. Huidige Onderzoeksstatus van Amorfe Coatings

Amorfe materialen worden gekenmerkt door langwerpige wanorde en kortwerpige orde. Ze tonen vaak superieure fysieke en chemische eigenschappen ten opzichte van hun kristallijne tegenhangers, waaronder hoge sterkte, taaiheid, hardheid, corrosiebestendigheid en zachte magnetische eigenschappen, wat ervoor zorgt dat ze een veelbelovende nieuwe klasse metaalmaterialen vormen. Thermische spuittechnieken voor amorfe legeringsschichten zijn onlangs opgekomen als een nieuw onderzoeksgebied in de materiale wetenschap. Thermisch spuiten, als een van de methoden om grote oppervlakken amorfe coatings voor te bereiden, begint steeds meer aandacht te trekken. Gangbare methoden omvatten plasmaspuiten, HVOF en detonatiespuiten.

Xiang Xinghua et al. gebruikten plasma-spraying om ijzerbasis amorfe legeringscoatings (bevattend Si, B, Cr, Ni, etc.) voor te bereiden. De coatings toonden een uniforme microstructuur, hoge dichtheid, lage porosititeit, minimale oxide-inhoud, en hoge hardheid, met microhardheid reikend van 530 tot 790 HV0.1. De coatings toonden ook goed verankerd zijn aan het substraat.

Andere studies hebben de microstructuur en slijtagebestendigheid van detonerende gespoten Fe-Cr-B legeringscoatings onderzocht. De resultaten wezen uit dat de coatings uitstekende slijtage- en corrosiebestendigheid hebben. Tijdens schuivende slijtage, verbeterde een dynamisch gegenereerde amorf oppervlakfilm aanzienlijk de slijtagebestendigheid en verminderde de wrijvingscoëfficiënt.

Samenvattend kan het gebruik van HVOF, plasmaspuiten, boogspuiten en detonatiespuiten om metaal-, keramiek-, metaal-keramiek- en amorf slijtstucbestendige coatings aan te brengen, de slijtstucbestendigheid van de substraatmaterialen effectief verbeteren. Diepgaande onderzoek naar de slijmwerking van thermische spuitcoatings en het effect van de coating-microstructuur op de slijkenmerken biedt een theoretische basis voor het verbeteren van coatingstructuren, het optimaliseren van spuitprocessen en het ontwikkelen van nieuwe slijtstucbestendige coatings.