Forskningsstatus för värmesprutning av slitagebeständiga beläggningarsteknik

1. Aktuell forskningsstatus för metallbeläggningar

Termisk sprutade metallbeläggningar är bland de tidigast studerade och tillämpade slitageskyddande beläggningarna. Vanligt använda material inkluderar metaller (Mo, Ni), kolstål, låglegerat stål, rostfritt stål och Ni-Cr legeringsserier. Tekniker som flammsprutning, bågsprutning, plasmasprutning, HVOF (Höghastighets syrebränsle) och detonationssprutning används vanligtvis. Dessa beläggningar uppvisar hög bindningsstyrka med substratet, tillsammans med utmärkt slit- och korrosionsbeständighet, vilket gör dem lämpliga för reparation av slitna delar och bearbetning av överdimensionerade komponenter.

När man använder plasmasprutningsteknik med aluminiumbaserade legeringar för att belägga kolvringar, synkroniseringsringar och cylindrar, visar beläggningarna god slitstyrka, hög bindningsstyrka och utmärkta anti-klebegenskaper. Under smörjda förhållanden uppvisar de också goda anti-fastkörnings- och anti-skrapegenskaper. Högkolhaltiga ståltrådar och rostfritt stål (Cr13-typ, 18-8-typ, etc.) legeringstrådar används vanligtvis som slit- och korrosionsbeständiga sprutmaterial. Dessa material kännetecknas av hög styrka, god slitstyrka, bred tillgång och låg kostnad. NiCr-beläggningar erbjuder god värmebeständighet, korrosionsbeständighet och erosion slitstyrka, vilket gör dem lämpliga som skyddande beläggningar för överhettare och eftervärmare rör i kraftverkskedlar. Flamma- och plasmasprutningsmetoder kan användas för att förbereda NiCr metall slitstarka beläggningar med olika mikrostrukturer, även om dessa beläggningar tenderar att ha högre porositet och oxidinnehåll.

2. Aktuell forskningsstatus för keramiska beläggningar

Termiska sprutkeramiska pulver inkluderar oxider, karbider, borider, nitrider och silikider, som är kristallina eller amorfa föreningar bestående av metalliska och icke-metalliska element. Keramiska beläggningar är kända för sina höga smältpunkter, hög hårdhet och utmärkta slitstyrka, korrosionsbeständighet och högtemperaturstabilitet. Men processen att spruta keramiska beläggningar är komplex och kostsam, och beläggningarna är benägna att ytförändringar och har sämre termisk trötthetsbeständighet jämfört med metallbeläggningar. Dessutom har keramiska beläggningar dålig seghet och är olämpliga för tillämpningar som involverar betydande stötbelastningar. Vanligt använda keramiska beläggningar inkluderar Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, WC, TiC, Cr3C2 och TiB2, som vanligtvis bereds med hjälp av plasmasprutning, flammsprutning, HVOF och detonationssprutningstekniker.

Ren Jingri et al. studerade glidfriktion och slitagemekanismer för plasma-sprutade Al2O3-40%TiO2 och Cr2O3 keramiska pulverbeläggningar. De fann att Cr2O3-beläggningar uppvisar högre slitstyrka än Al2O3-40%TiO2-beläggningar. Slitagemekanismen för Cr2O3-beläggningar är främst abrasiv slitage, med spröda brottsegenskaper under högre laster. I kontrast är slitagemekanismen för Al2O3-40%TiO2-beläggningar huvudsakligen plastisk deformation och delaminering. Chen Chuanzhong et al. studerade Al2O3-TiO2-NiCrAlY kompositkeramiska beläggningar och noterade att smältningen av TiO2 och Al2O3 bildar en viss grad av ömsesidig löslighet, vilket minskar porositeten i beläggningen och ytterligare förbättrar dess styrka, seghet och slitstyrka.

Andra studier har undersökt glidfriktionen och slitagetegenskaperna hos plasmasprutade flerlagers metall- och keramikbeläggningar. Sprutsekvensen innebär att man först applicerar en NiCr-bindbeläggning på substratet, följt av övergångslager med varierande proportioner av NiCr-Cr2O3, och slutligen ett 100% Cr2O3 ytskikt. Det har visat sig att en lämplig förhållande mellan metall och keramik i övergångslagret kan förbättra slitstyrkan hos beläggningen. De huvudsakliga slitage mekanismerna inkluderar spröd brott, abrasivt slitage, vidhäftning och oxidativt slitage.

3. Aktuell forskningsstatus för metall-keramikbeläggningar

Metaller och keramer har var och en unika fördelar och distinkta prestandasvagheter.

Cr3C2-NiCr metall-keramiska beläggningar består av en refraktär kromkarbid hård fas och en duktil nickel-krom legering fas. De uppvisar hög högtemperaturhårdhet, utmärkt högtemperaturslitstyrka, korrosionsbeständighet, oxidationsbeständighet och hög bindningsstyrka. Dessa beläggningar används i stor utsträckning i komponenter som arbetar under högtemperatur (530–900°C) abrasiv slitage, korrosivt slitage och erosivt slitage, såsom ugnsvalsar i kontinuerliga glödgningslinjer, kärnvalsar i stålverks kontinuerliga produktionslinjer och cylinderkolvringar och foder. TiB2-baserade metall-keramiska beläggningar, med sin höga smältpunkt, höga hårdhet, goda elektriska och magnetiska egenskaper, och hög korrosionsbeständighet, är ett potentiellt alternativ till Cr3C2 för högtemperatur, slitstarka tillämpningar. De erbjuder högre slitstyrka än Al2O3, Cr3C2-NiCr och WC-Co.

WC-baserade metall-keramiska beläggningar används vanligtvis i abrasiva och erosiva slitageförhållanden under 450°C. Xu Xiangyang et al. studerade fretting-slitage mekanismen för plasma-sprutade WC/18Co-beläggningar. Resultaten visade att det initiala stadiet av fretting-slitage domineras av adhesivt slitage, med beläggningens höga hårdhet och starka anti-adhesions egenskaper som resulterar i minimalt slitage. I det stabila stadiet blir trötthetsdelaminering och spröd sprickbildning de huvudsakliga slitage mekanismerna, med beläggningens sprödhet och låga inter-partikel bindningsstyrka som leder till ökat slitage. Oxidinklusioner inom beläggningen är den primära orsaken till otillräcklig fretting-slitage motstånd.

4. Aktuellt forskningsläge för amorfa beläggningar

Amorfiska material kännetecknas av långdistans oordning och kortdistans ordning. De uppvisar ofta överlägsna fysiska och kemiska egenskaper jämfört med sina kristallina motsvarigheter, inklusive hög styrka, seghet, hårdhet, korrosionsbeständighet och mjuka magnetiska egenskaper, vilket gör dem till en lovande ny klass av metalliska material. Termisk sprutning av amorfa legeringsbeläggningar har nyligen framträtt som ett nytt forskningsområde inom materialvetenskap. Termiska sprutningstekniker, som en av metoderna för att förbereda stora amorfa beläggningar, har börjat få stort intresse. Vanliga metoder inkluderar plasmasprutning, HVOF och detonationssprutning.

Xiang Xinghua et al. använde plasma-sprutning för att förbereda Fe-baserade amorfa legeringsbeläggningar (som innehåller Si, B, Cr, Ni, etc.). Beläggningarna uppvisade en enhetlig mikrostruktur, hög densitet, låg porositet, minimal oxidhalt och hög hårdhet, med mikrohårdhet som varierade från 530 till 790 HV0.1. Beläggningarna visade också god vidhäftning med substratet.

Andra studier har undersökt mikrostrukturen och slitstyrkan hos detonationssprutade Fe-Cr-B legeringsbeläggningar. Resultaten indikerade att beläggningarna har utmärkt slit- och korrosionsbeständighet. Under glidande slitage förbättrade en dynamiskt genererad amorf ytskikt avsevärt slitstyrkan och minskade friktionskoefficienten.

Sammanfattningsvis kan användningen av HVOF, plasmasprutning, bågsprutning och detonationssprutning för att applicera metall, keramik, metall-keramik och amorfa slitstarka beläggningar effektivt förbättra slitstyrkan hos substratmaterial. Djupgående forskning om slitmekanismerna för termiska sprutbeläggningar och påverkan av beläggningens mikrostruktur på slitkarakteristika ger en teoretisk grund för att förbättra beläggningsstrukturer, optimera sprutprocesser och utveckla nya slitstarka beläggningar.