Stan badań technologii powłok odpornych na zużycie metodą natrysku cieplnego

1. Aktualny stan badań powłok metalowych

Powłoki metalowe natryskiwane cieplnie są jednymi z najwcześniej badanych i stosowanych powłok odpornych na zużycie. Powszechnie stosowane materiały to metale (Mo, Ni), stal węglowa, stal niskostopowa, stal nierdzewna oraz powłoki z serii stopów Ni-Cr. Techniki takie jak natrysk płomieniowy, natrysk łukowy, natrysk plazmowy, HVOF (wysokowydajny natrysk tlenowo-paliwowy) oraz natrysk detonacyjny są zazwyczaj stosowane.

Przy użyciu technologii natrysku plazmowego z stopami na bazie aluminium do pokrywania pierścieni tłokowych, pierścieni synchronizatora i cylindrów, powłoki wykazują dobrą odporność na zużycie, wysoką siłę wiązania oraz doskonałe właściwości przeciwprzylepne. W warunkach smarowania wykazują również dobrą odporność na zatarcie i zarysowania. Wysokowęglowe druty stalowe oraz druty ze stali nierdzewnej (typ Cr13, typ 18-8 itp.) są powszechnie stosowane jako materiały natryskowe odporne na zużycie i korozję. Materiały te charakteryzują się wysoką wytrzymałością, dobrą odpornością na zużycie, szeroką dostępnością i niskim kosztem. Powłoki NiCr oferują dobrą odporność na ciepło, odporność na korozję oraz odporność na erozję, co czyni je odpowiednimi jako powłoki ochronne dla rur supergrzewaczy i przegrzewaczy w kotłach elektrowni. Metody natrysku płomieniowego i plazmowego mogą być stosowane do przygotowania metalowych powłok odpornych na zużycie NiCr o różnych mikrostrukturach, chociaż powłoki te mają tendencję do wyższej porowatości i zawartości tlenków.

2. Aktualny stan badań nad powłokami ceramicznymi

Ceramika proszków do natrysku termicznego obejmuje tlenki, węgliki, borany, azotki i silikony, które są związkami krystalicznymi lub amorficznymi składającymi się z elementów metalicznych i niemetalicznych. Powłoki ceramiczne znane są z wysokich temperatur topnienia, dużej twardości oraz doskonałej odporności na zużycie, odporności na korozję i stabilności w wysokich temperaturach. Jednak proces natrysku powłok ceramicznych jest skomplikowany i kosztowny, a powłoki są podatne na pęknięcia powierzchniowe i mają gorszą odporność na zmęczenie cieplne w porównaniu do powłok metalowych. Dodatkowo, powłoki ceramiczne mają słabą wytrzymałość i są nieodpowiednie do zastosowań związanych z dużymi obciążeniami udarowymi. Powszechnie stosowane powłoki ceramiczne to Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, WC, TiC, Cr3C2 i TiB2, zazwyczaj przygotowywane przy użyciu technik natrysku plazmowego, natrysku płomieniowego, HVOF i natrysku detonacyjnego.

Ren Jingri i in. badali właściwości tarcia ślizgowego i zużycia powłok ceramicznych z proszków Al2O3-40%TiO2 i Cr2O3 natryskiwanych plazmowo. Stwierdzili, że powłoki Cr2O3 wykazują wyższą odporność na zużycie niż powłoki Al2O3-40%TiO2. Mechanizm zużycia powłok Cr2O3 to głównie zużycie ścierne, z cechami kruchych pęknięć pod wyższymi obciążeniami. W przeciwieństwie do tego, mechanizm zużycia powłok Al2O3-40%TiO2 to głównie deformacja plastyczna i delaminacja. Chen Chuanzhong i in. badali kompozytowe powłoki ceramiczne Al2O3-TiO2-NiCrAlY, zauważając, że topnienie TiO2 i Al2O3 tworzy pewien stopień wzajemnej rozpuszczalności, co zmniejsza porowatość powłoki i dodatkowo zwiększa jej wytrzymałość, twardość i odporność na zużycie.

Inne badania badały tarcie ślizgowe i właściwości zużycia wielowarstwowych powłok metalowych i ceramicznych natryskiwanych plazmowo. Sekwencja natryskiwania polega na najpierw nałożeniu powłoki wiążącej NiCr na podłożu, a następnie na warstwach przejściowych o różnych proporcjach NiCr-Cr2O3, a na końcu na 100% warstwie powierzchniowej Cr2O3. Stwierdzono, że odpowiedni stosunek metalu do ceramiki w warstwie przejściowej może poprawić odporność na zużycie powłoki. Główne mechanizmy zużycia obejmują pęknięcia kruche, zużycie ścierne, adhezję i zużycie oksydacyjne.

3. Aktualny stan badań powłok metalowo-ceramicznych

Metale i ceramika mają unikalne zalety oraz wyraźne słabości w wydajności.

Powłoki metalowo-ceramiczne Cr3C2-NiCr składają się z twardej fazy węglika chromu o wysokiej temperaturze topnienia oraz fazy stopu niklu i chromu o dużej plastyczności.

Powłoki metalowo-ceramiczne na bazie WC są powszechnie stosowane w warunkach zużycia ściernego i erozyjnego poniżej 450°C. Xu Xiangyang i in. badali mechanizm zużycia fretting powłok WC/18Co natryskiwanych plazmowo. Wyniki pokazały, że początkowy etap zużycia fretting jest zdominowany przez zużycie adhezyjne, a wysoka twardość powłoki i silne właściwości przeciwadhezyjne skutkują minimalnym zużyciem. W etapie stabilnym, delaminacja zmęczeniowa i łuszczenie się w wyniku pękania kruchego stają się głównymi mechanizmami zużycia, a kruchość powłoki i niska siła wiązania międzycząsteczkowego prowadzą do zwiększonego zużycia. Wtrącenia tlenkowe w powłoce są główną przyczyną niewystarczającej odporności na zużycie fretting.

4. Aktualny stan badań nad powłokami amorficznymi

Materiały amorficzne charakteryzują się długozasięgowym nieporządkiem i krótkozasięgowym porządkiem. Często wykazują lepsze właściwości fizyczne i chemiczne w porównaniu do swoich krystalicznych odpowiedników, w tym wysoką wytrzymałość, twardość, odporność na korozję oraz miękkie właściwości magnetyczne, co czyni je obiecującą nową klasą materiałów metalowych. Powłoki z amorficznych stopów nanoszone metodą natrysku cieplnego pojawiły się ostatnio jako nowy obszar badań w naukach materiałowych. Techniki natrysku cieplnego, jako jedna z metod przygotowywania dużopowierzchniowych powłok amorficznych, zaczęły przyciągać szeroką uwagę. Powszechne metody to natrysk plazmowy, HVOF i natrysk detonacyjny.

Xiang Xinghua i in. użyli natrysku plazmowego do przygotowania powłok z amorficznego stopu na bazie Fe (zawierających Si, B, Cr, Ni itp.). Powłoki wykazywały jednorodną mikrostrukturę, wysoką gęstość, niską porowatość, minimalną zawartość tlenków oraz wysoką twardość, z mikro twardością w zakresie od 530 do 790 HV0.1. Powłoki wykazywały również dobrą adhezję do podłoża.

Inne badania badały mikrostrukturę i odporność na zużycie powłok stopów Fe-Cr-B natryskiwanych detonacyjnie. Wyniki wskazały, że powłoki mają doskonałą odporność na zużycie i korozję. Podczas zużycia ślizgowego, dynamicznie generowana amorficzna warstwa powierzchniowa znacznie poprawiła odporność na zużycie i zmniejszyła współczynnik tarcia.

Podsumowując, zastosowanie HVOF, natrysku plazmowego, natrysku łukowego i natrysku detonacyjnego do aplikacji metalowych, ceramicznych, metalowo-ceramicznych i amorficznych powłok odpornych na zużycie może skutecznie zwiększyć odporność na zużycie materiałów podłoża.