Starea cercetării tehnologiei de protecție împotriva uzurii prin proiecție termică

1. Starea actuală a cercetării acoperirilor metalice

Acoperirile metalice prin pulverizare termică sunt printre cele mai devreme studiate și aplicate acoperiri rezistente la uzură. Materialele utilizate frecvent includ metale (Mo, Ni), oțel carbon, oțel cu conținut scăzut de aliaje, oțel inoxidabil și serii de acoperiri Ni-Cr. Tehnici precum pulverizarea cu flacără, pulverizarea cu arc, pulverizarea cu plasmă, HVOF (combustibil cu oxigen de mare viteză) și pulverizarea prin detonație sunt în general utilizate. Aceste acoperiri prezintă o aderență ridicată la substrat, împreună cu o excelentă rezistență la uzură și coroziune, făcându-le potrivite pentru repararea pieselor uzate și prelucrarea componentelor supradimensionate.

Atunci când se utilizează tehnologia de pulverizare cu plasmă cu aliaje pe bază de aluminiu pentru a acoperi inelele de piston, inelele de sincronizare și cilindrii, acoperirile demonstrează o bună rezistență la uzură, o forță de legătură ridicată și proprietăți excelente de uzură anti-adezivă. În condiții lubrifiate, acestea prezintă, de asemenea, o bună performanță anti-blocare și anti-zgâriere. Firele de oțel cu carbon ridicat și firele de oțel inoxidabil (tip Cr13, tip 18-8 etc.) sunt utilizate frecvent ca materiale de pulverizare rezistente la uzură și coroziune. Aceste materiale se caracterizează printr-o rezistență ridicată, o bună rezistență la uzură, o disponibilitate largă și un cost scăzut. Acoperirile NiCr oferă o bună rezistență la căldură, rezistență la coroziune și rezistență la uzură prin eroziune, făcându-le potrivite ca acoperiri de protecție pentru tuburile de superîncălzitor și reîncălzitor în cazanele centralelor electrice. Metodele de pulverizare cu flacără și plasmă pot fi utilizate pentru a pregăti acoperiri metalice NiCr rezistente la uzură cu diferite microstructuri, deși aceste acoperiri tind să aibă o porozitate și un conținut de oxid mai ridicate.

2. Starea actuală a cercetării în domeniul acoperirilor ceramice

Pulberile ceramice pentru pulverizare termică includ oxizi, carburi, boruri, nitruri și siliciuri, care sunt compuși cristalini sau amorfi compuși din elemente metalice și nemetalice. Acoperirile ceramice sunt cunoscute pentru punctele lor de topire ridicate, duritatea mare și rezistența excelentă la uzură, rezistența la coroziune și stabilitatea la temperaturi ridicate. Cu toate acestea, procesul de pulverizare a acoperirilor ceramice este complex și costisitor, iar acoperirile sunt predispuse la crăpături de suprafață și au o rezistență la oboseală termică inferioară în comparație cu acoperirile metalice. În plus, acoperirile ceramice au o tenacitate slabă și nu sunt potrivite pentru aplicații care implică sarcini de impact semnificative. Acoperirile ceramice utilizate frecvent includ Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, WC, TiC, Cr3C2 și TiB2, pregătite de obicei folosind tehnici de pulverizare cu plasmă, pulverizare cu flacără, HVOF și pulverizare prin detonație.

Ren Jingri și colab. au studiat caracteristicile de frecare și uzură ale acoperirilor de pulbere ceramică Al2O3-40%TiO2 și Cr2O3, aplicate prin pulverizare cu plasmă. Au constatat că acoperirile Cr2O3 prezintă o rezistență la uzură mai mare decât acoperirile Al2O3-40%TiO2. Mecanismul de uzură al acoperirilor Cr2O3 este în principal uzura abrazivă, cu caracteristici de fractură fragilă sub sarcini mai mari. În contrast, mecanismul de uzură al acoperirilor Al2O3-40%TiO2 este în principal deformarea plastică și delaminarea. Chen Chuanzhong și colab. au studiat acoperirile ceramice compozite Al2O3-TiO2-NiCrAlY, observând că topirea TiO2 și Al2O3 formează un anumit grad de solubilitate reciprocă, reducând porozitatea acoperirii și îmbunătățind în continuare rezistența, duritatea și rezistența la uzură.

Alte studii au investigat caracteristicile de frecare și uzură ale acoperirilor metalice și ceramice multilayer aplicate prin pulverizare cu plasmă. Secvența de pulverizare implică mai întâi aplicarea unui strat de legătură NiCr pe substrat, urmat de straturi de tranziție cu proporții variate de NiCr-Cr2O3, și în final un strat de suprafață 100% Cr2O3. S-a constatat că un raport adecvat de metal la ceramică în stratul de tranziție poate îmbunătăți rezistența la uzură a acoperirii. Mecanismele principale de uzură includ fractura fragilă, uzura prin abraziune, aderența și uzura oxidativă.

3. Starea actuală a cercetării acoperirilor metal-ceramic

Metalele și ceramica au fiecare avantaje unice și slăbiciuni distincte de performanță.

Straturile metal-ceramice Cr3C2-NiCr constau dintr-o fază dură de carbura de crom refractar și o fază de aliaj ductil de nichel-crom. Ele prezintă o duritate ridicată la temperaturi înalte, o excelentă rezistență la uzură la temperaturi înalte, rezistență la coroziune, rezistență la oxidare și o forță de legătură ridicată. Aceste straturi sunt utilizate pe scară largă în componente care funcționează în condiții de uzură abrazivă la temperaturi ridicate (530–900°C), uzură corozivă și uzură erozivă, cum ar fi cilindrii de cuptor în liniile de recoacere continuă, cilindrii de bază în liniile de producție continuă a oțelului și inelele și căptușelile cilindrilor piston. Straturile metal-ceramice pe bază de TiB2, cu punctul lor de topire ridicat, duritate mare, proprietăți electrice și magnetice bune și rezistență ridicată la coroziune, reprezintă o alternativă potențială la Cr3C2 pentru aplicații rezistente la uzură la temperaturi ridicate. Ele oferă o rezistență la uzură mai mare decât Al2O3, Cr3C2-NiCr și WC-Co.

Straturile metal-ceramice pe bază de WC sunt utilizate frecvent în condiții de uzură abrazivă și erozivă sub 450°C. Xu Xiangyang et al. au studiat mecanismul de uzură prin frecare al straturilor WC/18Co aplicate prin pulverizare cu plasmă. Rezultatele au arătat că stadiul inițial al uzurii prin frecare este dominat de uzura adezivă, cu duritatea ridicată a stratului și proprietățile sale puternice de anti-adeziune rezultând într-o uzură minimă. În stadiul stabil, delaminarea prin oboseală și crăparea fragilă devin principalele mecanisme de uzură, cu fragilitatea stratului și forța scăzută de legătură între particule conducând la o uzură crescută. Incluziunile de oxid din interiorul stratului sunt cauza principală a rezistenței insuficiente la uzura prin frecare.

4. Starea actuală a cercetărilor privind straturile amorfe

Materialele amorfe sunt caracterizate prin dezordine pe termen lung și ordine pe termen scurt. Ele prezintă adesea proprietăți fizice și chimice superioare comparativ cu omologii lor cristalini, inclusiv rezistență mare, duritate, durabilitate, rezistență la coroziune și proprietăți magnetice moi, făcându-le o nouă clasă promițătoare de materiale metalice.

Xiang Xinghua și colab. au folosit pulverizarea cu plasmă pentru a pregăti straturi de aliaje amorfe pe bază de Fe (care conțin Si, B, Cr, Ni etc.). Straturile au prezentat o microstructură uniformă, densitate mare, porozitate scăzută, conținut minim de oxizi și duritate mare, cu microduritate variind între 530 și 790 HV0.1. Straturile au arătat, de asemenea, o bună aderență la substrat.

Alte studii au investigat microstructura și rezistența la uzură a straturilor de aliaje Fe-Cr-B pulverizate prin detonație. Rezultatele au indicat că straturile au o excelentă rezistență la uzură și coroziune. În timpul uzurii prin alunecare, un film de suprafață amorf generat dinamic a îmbunătățit semnificativ rezistența la uzură și a redus coeficientul de frecare.

În rezumat, utilizarea HVOF, pulverizării cu plasmă, pulverizării cu arc și pulverizării prin detonație pentru aplicarea de straturi rezistente la uzură din metal, ceramică, metal-ceramică și amorf poate îmbunătăți eficient rezistența la uzură a materialelor substrat. Cercetări aprofundate asupra mecanismelor de uzură ale straturilor pulverizate termic și influența microstructurii stratului asupra caracteristicilor de uzură oferă o bază teoretică pentru îmbunătățirea structurilor stratului, optimizarea proceselor de pulverizare și dezvoltarea de noi straturi rezistente la uzură.