สถานะการวิจัยของเทคโนโลยีการเคลือบที่ทนต่อการสึกหรอด้วยการพ่นความร้อน

1. สถานะการวิจัยปัจจุบันของการเคลือบโลหะ

การเคลือบโลหะด้วยการพ่นความร้อนเป็นหนึ่งในการเคลือบที่ทนต่อการสึกหรอที่ได้รับการศึกษาและนำไปใช้ตั้งแต่แรก วัสดุที่ใช้ทั่วไป ได้แก่ โลหะ (Mo, Ni), เหล็กกล้าคาร์บอน, เหล็กกล้าต่ำอัลลอย, เหล็กกล้าไร้สนิม และการเคลือบโลหะผสม Ni-Cr เทคนิคที่ใช้ทั่วไป ได้แก่ การพ่นด้วยเปลวไฟ, การพ่นด้วยอาร์ค, การพ่นด้วยพลาสมา, HVOF (เชื้อเพลิงออกซิเจนความเร็วสูง) และการพ่นด้วยการระเบิด การเคลือบเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความแข็งแรงในการยึดเกาะสูงกับพื้นผิว รวมถึงความต้านทานต่อการสึกหรอและการกัดกร่อนที่ยอดเยี่ยม ทำให้เหมาะสำหรับการซ่อมแซมชิ้นส่วนที่สึกหรอและการกลึงชิ้นส่วนที่มีขนาดเกินกำหนด

เมื่อใช้เทคโนโลยีการพ่นพลาสมาที่มีอัลลอยด์ที่มีอลูมิเนียมเป็นส่วนประกอบในการเคลือบแหวนลูกสูบ แหวนซิงโครไนเซอร์ และกระบอกสูบ เคลือบเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความต้านทานการสึกหรอที่ดี ความแข็งแรงในการยึดเกาะสูง และคุณสมบัติการต้านทานการติดแน่นที่ยอดเยี่ยม ในสภาวะที่มีการหล่อลื่น พวกเขายังแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพในการต้านทานการติดและการขูดขีดที่ดี ลวดเหล็กคาร์บอนสูงและลวดอัลลอยสแตนเลส (ประเภท Cr13, ประเภท 18-8 เป็นต้น) มักถูกใช้เป็นวัสดุพ่นที่ทนต่อการสึกหรอและการกัดกร่อน วัสดุเหล่านี้มีลักษณะเด่นคือความแข็งแรงสูง ความต้านทานการสึกหรอดี ความพร้อมใช้งานกว้างขวาง และต้นทุนต่ำ เคลือบ NiCr มีความต้านทานความร้อนที่ดี ความต้านทานการกัดกร่อน และความต้านทานการสึกหรอจากการกัดเซาะ ทำให้เหมาะสมเป็นเคลือบป้องกันสำหรับท่อซุปเปอร์ฮีตเตอร์และรีฮีตเตอร์ในหม้อไอน้ำของโรงไฟฟ้า วิธีการพ่นเปลวไฟและพลาสมาสามารถใช้ในการเตรียมเคลือบโลหะ NiCr ที่ทนต่อการสึกหรอด้วยโครงสร้างจุลภาคที่แตกต่างกัน แม้ว่าเคลือบเหล่านี้มักมีความพรุนและปริมาณออกไซด์สูงกว่า

สถานะการวิจัยปัจจุบันของการเคลือบเซรามิก

ผงเซรามิกสำหรับการพ่นความร้อนประกอบด้วยออกไซด์ คาร์ไบด์ โบรไลด์ ไนไตรด์ และซิลิไซด์ ซึ่งเป็นสารประกอบผลึกหรืออะมอร์ฟัสที่ประกอบด้วยธาตุโลหะและธาตุที่ไม่ใช่โลหะ การเคลือบเซรามิกมีชื่อเสียงในด้านจุดหลอมเหลวสูง ความแข็งสูง และความต้านทานการสึกหรอที่ยอดเยี่ยม ความต้านทานการกัดกร่อน และความเสถียรที่อุณหภูมิสูง อย่างไรก็ตาม กระบวนการพ่นการเคลือบเซรามิกมีความซับซ้อนและมีค่าใช้จ่ายสูง และการเคลือบมีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตกที่พื้นผิวและมีความต้านทานต่อความเมื่อยล้าทางความร้อนที่ด้อยกว่าการเคลือบโลหะ นอกจากนี้ การเคลือบเซรามิกมีความทนทานต่ำและไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับแรงกระแทกที่สำคัญ การเคลือบเซรามิกที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, WC, TiC, Cr3C2 และ TiB2 ซึ่งมักเตรียมโดยใช้เทคนิคการพ่นพลาสมา การพ่นเปลวไฟ HVOF และการพ่นระเบิด

Ren Jingri และคณะได้ศึกษาลักษณะการเสียดสีและการสึกหรอของการเคลือบผงเซรามิก Al2O3-40%TiO2 และ Cr2O3 ที่พ่นด้วยพลาสมา พวกเขาพบว่าการเคลือบ Cr2O3 แสดงความต้านทานการสึกหรอที่สูงกว่าการเคลือบ Al2O3-40%TiO2 กลไกการสึกหรอของการเคลือบ Cr2O3 เป็นการสึกหรอแบบขัดถูเป็นหลัก โดยมีลักษณะการแตกหักที่เปราะบางภายใต้ภาระที่สูงกว่า ในทางตรงกันข้าม กลไกการสึกหรอของการเคลือบ Al2O3-40%TiO2 ส่วนใหญ่เป็นการเปลี่ยนรูปพลาสติกและการแยกชั้น Chen Chuanzhong และคณะได้ศึกษาการเคลือบเซรามิกผสม Al2O3-TiO2-NiCrAlY โดยสังเกตว่าการหลอมละลายของ TiO2 และ Al2O3 สร้างความสามารถในการละลายซึ่งกันและกันในระดับหนึ่ง ลดความพรุนของการเคลือบและเพิ่มความแข็งแรง ความทนทาน และความต้านทานการสึกหรอเพิ่มเติม

การศึกษาอื่น ๆ ได้ตรวจสอบลักษณะการเสียดสีและการสึกหรอของการเคลือบโลหะและเซรามิกแบบหลายชั้นที่พ่นด้วยพลาสมา ลำดับการพ่นเริ่มจากการใช้ชั้นยึด NiCr บนพื้นผิวรอง จากนั้นตามด้วยชั้นการเปลี่ยนผ่านที่มีสัดส่วนของ NiCr-Cr2O3 ที่แตกต่างกัน และสุดท้ายคือชั้นผิว Cr2O3 100% พบว่าการมีสัดส่วนที่เหมาะสมระหว่างโลหะกับเซรามิกในชั้นการเปลี่ยนผ่านสามารถปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอของการเคลือบได้ กลไกการสึกหรอหลัก ๆ ได้แก่ การแตกหักแบบเปราะ, การสึกหรอจากการขัดถู, การยึดติด, และการสึกหรอจากออกซิเดชัน

สถานะการวิจัยปัจจุบันของการเคลือบโลหะ-เซรามิก

โลหะและเซรามิกแต่ละชนิดมีข้อดีที่เป็นเอกลักษณ์และจุดอ่อนในการทำงานที่แตกต่างกัน การรวมคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ของทั้งสองวัสดุเป็นทิศทางการวิจัยที่ยาวนานในวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ เทคโนโลยีการเคลือบผสมโลหะ-เซรามิก ซึ่งเกี่ยวข้องกับการกระจายอนุภาคเซรามิกที่มีรูปร่างและขนาดที่เหมาะสมอย่างสม่ำเสมอภายในแมทริกซ์พลาสติก สามารถรวมความแข็งแรงและความทนทานของโลหะเข้ากับความต้านทานอุณหภูมิสูง ความต้านทานการสึกหรอ และความต้านทานการกัดกร่อนของเซรามิกได้อย่างสำเร็จ สิ่งนี้ช่วยขยายขอบเขตการใช้งานของวัสดุโลหะและเซรามิกอย่างมีนัยสำคัญ โดยมีการใช้งานที่ประสบความสำเร็จในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ เคมี กลศาสตร์ และพลังงาน เคลือบโลหะ-เซรามิกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในอุตสาหกรรมคือ Cr3C2-NiCr และ WC-Co ซึ่งมักเตรียมโดยใช้เทคนิคการพ่น HVOF พลาสมา และการระเบิด

เคลือบโลหะ-เซรามิก Cr3C2-NiCr ประกอบด้วยเฟสแข็งของคาร์ไบด์โครเมียมที่ทนไฟและเฟสดักติเชล-โครเมียมที่มีความเหนียว พวกเขามีความแข็งที่อุณหภูมิสูง ความต้านทานการสึกหรอที่ดีเยี่ยมที่อุณหภูมิสูง ความต้านทานการกัดกร่อน ความต้านทานการออกซิเดชัน และความแข็งแรงในการยึดเกาะสูง เคลือบเหล่านี้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในชิ้นส่วนที่ทำงานภายใต้สภาวะการสึกหรอจากการขัดถูที่อุณหภูมิสูง (530–900°C) การสึกหรอจากการกัดกร่อน และการสึกหรอจากการกัดเซาะ เช่น โรลล์เตาในสายการอบรีดต่อเนื่อง โรลล์แกนในสายการผลิตเหล็กที่ต่อเนื่อง และแหวนลูกสูบและไลเนอร์ของกระบอกสูบ เคลือบโลหะ-เซรามิกที่มีพื้นฐานจาก TiB2 ซึ่งมีจุดหลอมเหลวสูง ความแข็งสูง คุณสมบัติทางไฟฟ้าและแม่เหล็กที่ดี และความต้านทานการกัดกร่อนสูง เป็นทางเลือกที่มีศักยภาพแทน Cr3C2 สำหรับการใช้งานที่ทนต่อการสึกหรอที่อุณหภูมิสูง พวกเขามีความต้านทานการสึกหรอที่สูงกว่าทั้ง Al2O3, Cr3C2-NiCr และ WC-Co

การเคลือบโลหะ-เซรามิกที่มี WC เป็นพื้นฐานมักถูกใช้ในสภาวะการสึกหรอที่มีการขัดถูและการกัดกร่อนที่ต่ำกว่า 450°C. Xu Xiangyang และคณะได้ศึกษากลไกการสึกหรอแบบ fretting ของการเคลือบ WC/18Co ที่พ่นด้วยพลาสมา. ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าช่วงเริ่มต้นของการสึกหรอแบบ fretting ถูกควบคุมโดยการสึกหรอแบบยึดติด โดยความแข็งสูงและคุณสมบัติต้านการยึดติดที่แข็งแกร่งของการเคลือบทำให้เกิดการสึกหรอที่น้อยที่สุด. ในช่วงที่เสถียร การแยกชั้นจากความเมื่อยล้าและการแตกหักแบบเปราะกลายเป็นกลไกการสึกหรอหลัก โดยความเปราะบางของการเคลือบและความแข็งแรงในการยึดติดระหว่างอนุภาคที่ต่ำทำให้เกิดการสึกหรอที่เพิ่มขึ้น. การรวมออกไซด์ภายในการเคลือบเป็นสาเหตุหลักของความต้านทานการสึกหรอแบบ fretting ที่ไม่เพียงพอ.

สถานะการวิจัยปัจจุบันของการเคลือบแบบไม่มีรูปแบบ

วัสดุที่ไม่มีรูปแบบจะมีลักษณะเฉพาะโดยความไม่เป็นระเบียบในระยะยาวและความเป็นระเบียบในระยะสั้น

เซียง ซิงฮัว และคณะ ใช้การพ่นพลาสม่าเพื่อเตรียมเคลือบโลหะผสมที่ไม่มีรูปผลึกบนพื้นฐานเหล็ก (ประกอบด้วย ซิลิคอน, โบรอน, โครเมียม, นิกเกิล, ฯลฯ) เคลือบมีโครงสร้างจุลภาคที่สม่ำเสมอ ความหนาแน่นสูง ความพรุนต่ำ ปริมาณออกไซด์น้อยที่สุด และความแข็งสูง โดยมีความแข็งจุลภาคอยู่ในช่วง 530 ถึง 790 HV0.1 เคลือบยังแสดงการยึดเกาะที่ดีเยี่ยมกับพื้นผิวรองรับ

การศึกษาอื่น ๆ ได้ตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคและความต้านทานการสึกหรอของเคลือบโลหะผสม Fe-Cr-B ที่พ่นด้วยการระเบิด ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าเคลือบมีความต้านทานการสึกหรอและการกัดกร่อนที่ยอดเยี่ยม ในระหว่างการสึกหรอแบบเลื่อน ฟิล์มผิวที่ไม่มีรูปผลึกที่เกิดขึ้นแบบพลศาสตร์ช่วยปรับปรุงความต้านทานการสึกหรออย่างมีนัยสำคัญและลดสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน

โดยสรุป การใช้ HVOF, การพ่นพลาสมา, การพ่นอาร์ค, และการพ่นระเบิดเพื่อใช้โลหะ, เซรามิก, โลหะ-เซรามิก, และการเคลือบที่ทนต่อการสึกหรอแบบอะมอร์ฟัสสามารถเพิ่มความต้านทานต่อการสึกหรอของวัสดุพื้นฐานได้อย่างมีประสิทธิภาพ การวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับกลไกการสึกหรอของการเคลือบพ่นความร้อนและอิทธิพลของไมโครสตรัคเจอร์ของการเคลือบต่อคุณลักษณะการสึกหรอให้พื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการปรับปรุงโครงสร้างการเคลือบ, การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการพ่น, และการพัฒนาการเคลือบที่ทนต่อการสึกหรอใหม่