Исследовательская работа по технологии термической напыления износостойкого покрытия

1. Текущий статус исследований металлических покрытий

Металлические покрытия, полученные методом термического распыления, являются одними из первых изученных и применяемых износостойких покрытий. Обычно используемые материалы включают металлы (Mo, Ni), углеродную сталь, низколегированную сталь, нержавеющую сталь и покрытия на основе сплавов Ni-Cr. Обычно применяются такие технологии, как пламенное распыление, дуговое распыление, плазменное распыление, HVOF (распыление с высокой скоростью кислородного топлива) и детонационное распыление. Эти покрытия обладают высокой прочностью сцепления с подложкой, а также отличной износостойкостью и коррозионной стойкостью, что делает их подходящими для ремонта изношенных деталей и обработки крупногабаритных компонентов.

При использовании технологии плазменного распыления с алюминиевыми сплавами для покрытия поршневых колец, колец синхронизатора и цилиндров, покрытия демонстрируют хорошую износостойкость, высокую прочность сцепления и отличные свойства противодействия адгезионному износу.

2. Текущий статус исследований керамических покрытий

Термальные распыляемые керамические порошки включают оксиды, карбиды, бориды, нитриды и силициды, которые являются кристаллическими или аморфными соединениями, состоящими из металлических и неметаллических элементов. Керамические покрытия известны своими высокими температурами плавления, высокой твердостью и отличной износостойкостью, коррозионной стойкостью и стабильностью при высоких температурах. Однако процесс распыления керамических покрытий сложен и дорогостоящ, а покрытия подвержены образованию трещин на поверхности и имеют худшую термическую усталостную стойкость по сравнению с металлическими покрытиями. Кроме того, керамические покрытия имеют плохую прочность на удар и не подходят для применения в условиях значительных ударных нагрузок. Обычно используемые керамические покрытия включают Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, WC, TiC, Cr3C2 и TiB2, которые обычно готовятся с использованием технологий плазменного распыления, огненного распыления, HVOF и детонационного распыления.

Рен Цзинри и др. изучали характеристики скольжения, трения и износа керамических порошковых покрытий Al2O3-40%TiO2 и Cr2O3, полученных плазменным распылением. Они обнаружили, что покрытия Cr2O3 обладают более высокой стойкостью к износу, чем покрытия Al2O3-40%TiO2. Механизм износа покрытий Cr2O3 в основном представляет собой абразивный износ, с характеристиками хрупкого разрушения при более высоких нагрузках. В отличие от этого, механизм износа покрытий Al2O3-40%TiO2 в основном заключается в пластической деформации и деламинации. Чэнь Чуанчжун и др. изучали композитные керамические покрытия Al2O3-TiO2-NiCrAlY, отметив, что плавление TiO2 и Al2O3 образует определенную степень взаиморастворимости, уменьшая пористость покрытия и дополнительно повышая его прочность, вязкость и стойкость к износу.

Другие исследования изучали характеристики скольжения, трения и износа многослойных металлических и керамических покрытий, напыленных плазмой. Последовательность напыления включает сначала нанесение связующего слоя NiCr на подложку, затем переходные слои с различными пропорциями NiCr-Cr2O3, и, наконец, 100% слой поверхности Cr2O3. Было установлено, что подходящее соотношение металла и керамики в переходном слое может улучшить износостойкость покрытия. Основные механизмы износа включают хрупкое разрушение, абразивный износ, адгезию и окислительный износ.

3. Текущий статус исследований металлическо-керамических покрытий

Металлы и керамика имеют уникальные преимущества и различные слабые стороны в производительности. Сочетание выгодных свойств обоих материалов является давним направлением исследований в области материаловедения и инженерии. Технология металлическо-керамических композитных покрытий, которая включает равномерное распределение керамических частиц подходящей формы и размера в пластичной матрице, успешно сочетает прочность и ударную вязкость металлов с жаропрочностью, износостойкостью и коррозионной стойкостью керамики. Это значительно расширяет диапазон применения как металлических, так и керамических материалов, с успешными применениями в аэрокосмической, химической, механической и энергетической отраслях. Наиболее широко используемыми металлическо-керамическими покрытиями в промышленности являются Cr3C2-NiCr и WC-Co, которые обычно готовят с использованием технологий HVOF, плазменного и детонационного распыления.

Металло-керамические покрытия Cr3C2-NiCr состоят из огнеупорной твердой фазы карбида хрома и пластичной фазы сплава никеля и хрома.

Металло-керамические покрытия на основе WC обычно используются в условиях абразивного и эрозионного износа при температурах ниже 450°C. Сюй Сяньян и др. изучили механизм фреттинг-износа плазменно-напыленных покрытий WC/18Co. Результаты показали, что на начальном этапе фреттинг-износа доминирует адгезионный износ, при этом высокая твердость покрытия и сильные антиприлипающие свойства приводят к минимальному износу. На стабильном этапе основными механизмами износа становятся усталостное деламинирование и хрупкое растрескивание, при этом хрупкость покрытия и низкая прочность межчастичного соединения приводят к увеличению износа. Оксидные включения в покрытии являются основной причиной недостаточной стойкости к фреттинг-износу.

4. Текущий статус исследований аморфных покрытий

Аморфные материалы характеризуются дальнодействующим беспорядком и краткодействующим порядком. Они часто демонстрируют превосходные физические и химические свойства по сравнению с их кристаллическими аналогами, включая высокую прочность, стойкость, твердость, коррозионную стойкость и мягкие магнитные свойства, что делает их многообещающим новым классом металлических материалов. Термосплавные аморфные сплавные покрытия недавно стали новой областью исследований в материаловедении. Техники термосплавления, как один из методов подготовки аморфных покрытий большой площади, начали привлекать широкое внимание. Общие методы включают плазменное распыление, HVOF и детонационное распыление.

Сян Синьхуа и др. использовали плазменное распыление для подготовки аморфных сплавных покрытий на основе Fe (содержащих Si, B, Cr, Ni и др.). Покрытия продемонстрировали однородную микроструктуру, высокую плотность, низкую пористость, минимальное содержание оксидов и высокую твердость, с микроhardness в диапазоне от 530 до 790 HV0.1. Покрытия также показали хорошую адгезию с подложкой.

Другие исследования изучали микроструктуру и износостойкость покрытий из сплавов Fe-Cr-B, полученных методом детонационного распыления. Результаты показали, что покрытия обладают отличной износостойкостью и коррозионной стойкостью. Во время скользящего износа динамически генерируемая аморфная поверхностная пленка значительно улучшила износостойкость и снизила коэффициент трения.

В заключение, использование HVOF, плазменного распыления, дугового распыления и детонационного распыления для нанесения металлических, керамических, металлокерамических и аморфных износостойких покрытий может эффективно повысить износостойкость субстратных материалов.