Термическое напыление - Thermal spraying

Установка плазменного напыления - вариант термического напыления

Температура и скорость частиц для различных процессов термического напыления^[1]

Термическое напыление методы покрытие процессы, при которых расплавленные (или нагретые) материалы распыляются на поверхность. «Сырье» (предшественник покрытия) нагревается электрическими (плазма или дуга) или химическими средствами (пламя горения).

Термическое напыление может обеспечить толстые покрытия (приблизительный диапазон толщины от 20 микрон до нескольких мм, в зависимости от процесса и сырья) на большой площади при высокой скорости осаждения по сравнению с другими процессами нанесения покрытия, такими как гальваника, физический и химическое осаждение из паровой фазы. Материалы покрытия, доступные для термического напыления, включают металлы, сплавы, керамику, пластмассы и композиты. Их подают в виде порошка или проволоки, нагревают до расплавленного или полурасплавленного состояния и ускоряют по направлению к субстратам в виде частиц микрометрового размера. Горение или электрический разряд дуги обычно используются в качестве источника энергии для термического напыления. Получаемые покрытия образуются за счет скопления множества распыленных частиц. Поверхность может не сильно нагреваться, что может привести к покрытию легковоспламеняющимися веществами.

Качество покрытия обычно оценивается путем измерения его пористость, окись контент, макро и микро-твердость, прочность сцепления и шероховатость поверхности. Как правило, качество покрытия повышается с увеличением скорости частиц.

Вариации

Выделяют несколько разновидностей термического напыления:

• Плазменное напыление
• Детонационное распыление
• Дуговое напыление проволоки
• Распыление пламенем
• Высокоскоростное напыление кислородно-топливного покрытия (HVOF)
• Воздушное топливо с высокой скоростью (HVAF)
• Теплое опрыскивание
• Холодное напыление
• Спрей и предохранитель

В классических (разработанных между 1910 и 1920 гг.), Но все еще широко используемых процессах, таких как напыление пламенем и напыление дуги проволокой, скорость частиц обычно невысока (<150 м / с), и сырье должно быть расплавлено для осаждения. Плазменное напыление, разработанное в 1970-х годах, использует высокотемпературную плазменную струю, создаваемую дуговым разрядом с типичными температурами> 15000 К, что позволяет распылять тугоплавкие материалы, такие как оксиды, молибден, так далее.^[1]

Системный Обзор

Типичная система термического напыления состоит из следующего:

• Горелка для распыления (или пистолет-распылитель) - основное устройство, выполняющее плавление и ускорение осаждаемых частиц.
• Питатель - для подачи пудра, провод или же жидкость к горелке через трубки.
• Поставка СМИ - газы или же жидкости для генерации пламени или плазменной струи, газы для переноса пудра, так далее.
• Робот - для манипулирования резаком или покрываемыми материалами.
• Источник питания - часто автономный для горелки
• Консоль (и) управления - встроенная или индивидуальная для всего вышеперечисленного

Процесс детонационного термического напыления

Детонационная пушка состоит из длинного водоохлаждаемого ствола с впускными клапанами для газов и пороха. Кислород и топливо (чаще всего ацетилен) подаются в ствол вместе с зарядом пороха. Для воспламенения газовой смеси используется искра, и возникающая в результате детонация нагревает и разгоняет порох до сверхзвуковой скорости через ствол. Пульс азота используется для продувки ствола после каждого взрыва. Этот процесс повторяется много раз в секунду. Высокая кинетическая энергия частиц горячего порошка при ударе о подложку приводит к образованию очень плотного и прочного покрытия.

Плазменное напыление

Газовое напыление проволоки

В плазма процесс напыления, наносимый материал (сырье) - обычно в виде пудра, иногда как жидкость,^[2] приостановка ^[3] или проволока - вводится в плазменную струю, исходящую из плазменная горелка. В струе, где температура составляет порядка 10 000 К, материал плавится и выталкивается к подложке. Здесь расплавленные капли сплющиваются, быстро затвердевают и образуют осадок. Обычно отложения остаются прикрепленными к субстрату в виде покрытий; Отдельно стоящие детали также могут быть изготовлены путем удаления подложки. Существует большое количество технологических параметров, которые влияют на взаимодействие частиц с плазменной струей и подложкой и, следовательно, на свойства осадка. Эти параметры включают тип сырья, состав и расход плазменного газа, подвод энергии, расстояние смещения горелки, охлаждение подложки и т. Д.

Свойства депозита

Отложения состоят из множества блинов, которые называются ламели, образованный сплющиванием капель жидкости. Поскольку порошки исходного материала обычно имеют размер от микрометров до более 100 микрометров, ламели имеют толщину в диапазоне микрометров и поперечный размер от нескольких до сотен микрометров. Между этими ламелями есть небольшие пустоты, такие как поры, трещины и участки неполного соединения. Благодаря этой уникальной структуре отложения могут иметь свойства, значительно отличающиеся от свойств сыпучих материалов. Обычно это механические свойства, например более низкие сила и модуль, выше напряжение толерантность и ниже тепловой и электрическая проводимость. Также из-за быстрое затвердевание, метастабильные фазы могут присутствовать в депозитах.

Приложения

Этот метод в основном используется для нанесения покрытий на конструкционные материалы. Такие покрытия обеспечивают защиту от высоких температур (например, термобарьерные покрытия за управление вытяжным теплом ), коррозия, эрозия, носить; они также могут изменять внешний вид, электрические или трибологические свойства поверхности, заменять изношенный материал и т. д. При напылении на подложки различной формы и удалении можно изготавливать отдельно стоящие детали в виде пластин, трубок, кожухов и т. д. . Его также можно использовать для обработки порошков (сфероидизация, гомогенизация, модификация химии и т. Д.). В этом случае подложка для осаждения отсутствует, а частицы затвердевают во время полета или в контролируемой среде (например, в воде). Этот метод с вариациями может также использоваться для создания пористых структур, подходящих для прорастания кости, в качестве покрытия для медицинских имплантатов. Аэрозоль полимерной дисперсии может быть введен в плазменный разряд для создания прививки этого полимера на поверхности подложки. .^[3] Это приложение в основном используется для изменения химического состава поверхности полимеров.

Вариации

Системы плазменного напыления можно разделить на несколько категорий.

Генерация плазменной струи:

• постоянный ток (Плазма постоянного тока), где энергия передается плазменной струе постоянным током, мощная электрическая дуга
• индукционная плазма или высокочастотная плазма, в которой энергия передается за счет индукции от катушка вокруг плазменной струи, через которую чередование, радиочастотный ток проходит

Плазмообразующая среда:

• газостабилизированная плазма (ГСП), где плазма образуется из газа; обычно аргон, водород, гелий или их смеси
• водостабилизированная плазма (WSP), где плазма образуется из воды (путем испарения, диссоциации и ионизации) или другой подходящей жидкости
• гибридная плазма - с комбинированной стабилизацией газа и жидкости, обычно аргона и воды

Среда распыления:

• атмосферное плазменное напыление (APS), выполняемое при комнатной температуре. воздуха
• плазменное напыление в контролируемой атмосфере (CAPS), обычно выполняемое в закрытой камере, либо заполненной инертный газ или эвакуированы
• разновидности CAPS: плазменное напыление под высоким давлением (HPPS), плазменное напыление под низким давлением (LPPS), крайним случаем которых является вакуум плазменное напыление (VPS, см. ниже)
• подводное плазменное напыление

Другой вариант состоит в использовании жидкого сырья вместо твердого порошка для плавления, этот метод известен как Плазменный спрей прекурсора раствора

Вакуумно-плазменное напыление

Вакуумно-плазменное напыление

Вакуумно-плазменное напыление (VPS) - это технология травления и модификация поверхности создавать пористый слои с высокой воспроизводимостью и для очистки и обработки поверхности пластмасс, каучуков и натуральных волокон, а также для замены ХФУ для очистки металлических деталей. Эта обработка поверхности может улучшить такие свойства, как фрикционные свойства, термостойкость, поверхность электрическая проводимость, смазывающая способность, когезионная прочность пленок, или диэлектрическая постоянная, или он может делать материалы гидрофильный или же гидрофобный.

Обычно процесс осуществляется при температуре 39–120 ° C, чтобы избежать теплового повреждения. Он может вызывать нетермически активируемые поверхностные реакции, вызывая поверхностные изменения, которые не могут произойти с молекулярной химией при атмосферном давлении. Плазменная обработка выполняется в контролируемой среде внутри герметичной камеры при среднем вакууме, около 13–65 Па. газ или смесь газов возбуждается электрическим полем от ОКРУГ КОЛУМБИЯ к микроволновая печь частоты, обычно 1–500 Вт при 50 В. Обрабатываемые компоненты обычно гальванически изолированы. Летучие побочные продукты плазмы удаляются из камеры с помощью вакуумный насос, а при необходимости нейтрализуется в выхлопе скруббер.

В отличие от молекулярной химии, в плазме используются:

• Молекулярные, атомные, метастабильные и свободнорадикальные формы для химические эффекты.
• Положительные ионы и электроны для кинетические эффекты.

Плазма также генерирует электромагнитное излучение в виде вакуумных УФ-фотонов для проникновения в объемные полимеры на глубину около 10 мкм. Это может вызвать разрыв цепи и образование поперечных связей.

Плазма влияет на материалы на атомарном уровне. Такие методы, как Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и сканирующая электронная микроскопия используются для анализа поверхности, чтобы определить необходимые процессы и оценить их влияние. Как простое указание на поверхностная энергия, и поэтому адгезия или смачиваемость, часто испытание угла смачивания капли воды Чем меньше краевой угол, тем выше поверхностная энергия и гидрофильнее материал.

Изменение эффектов с помощью плазмы

При более высоких энергиях ионизация имеет тенденцию происходить более чем химическая диссоциация. В типичном реактивном газе 1 молекула из 100 образует свободные радикалы тогда как только 1 из 10⁶ ионизирует. Преобладающий эффект здесь - образование свободных радикалов.Ионные эффекты может преобладать при выборе параметров процесса и при необходимости использования благородных газов.

Спрей для проволоки

Проволочно-дуговое напыление - это форма термического напыления, при которой две расходуемые металлические проволоки независимо подаются в распылительный пистолет. Затем эти провода заряжаются, и между ними возникает дуга. Тепло от этой дуги плавит входящую проволоку, которая затем уносится воздушной струей из пистолета. Это унесенное расплавленное сырье затем осаждается на подложку с помощью сжатого воздуха. Этот процесс обычно используется для металлических толстых покрытий.^[1]

Плазменная проволочная дуга

Плазменная проволочная дуга (PTWA) - это еще одна форма струйной дуги, при которой покрытие наносится на внутреннюю поверхность цилиндра или на внешнюю поверхность детали любой геометрии. Он в основном известен своим использованием для покрытия отверстий цилиндров двигателя, что позволяет использовать алюминиевые блоки цилиндров без необходимости использования тяжелых чугунных гильз. Одиночный проводящий провод используется в качестве «сырья» для системы. Сверхзвуковая плазменная струя плавит проволоку, распыляет ее и толкает на подложку. Плазменная струя образуется дугой, переносимой между неплавящимся катодом и проволокой. После распыления нагнетаемый воздух переносит струю расплавленных капель на стенку отверстия. Частицы сплющиваются, когда они ударяются о поверхность подложки из-за высокой кинетической энергии. При контакте частицы быстро затвердевают. Уложенные друг на друга частицы образуют покрытие с высокой износостойкостью. В процессе термического напыления PTWA в качестве исходного материала используется одна проволока. Все токопроводящие проволоки диаметром до 0,0625 дюйма (1,6 мм) могут использоваться в качестве исходного материала, включая «порошковые» проволоки. PTWA можно использовать для нанесения покрытия на изнашиваемую поверхность компонентов двигателя или трансмиссии для замены втулки или подшипника. Например, при использовании PTWA, чтобы покрыть несущую поверхность соединительного стержня предлагает ряд преимуществ, в том числе сокращения веса, стоимости, трение потенциала, и напряжения в соединительной тяге.

Распыление кислородного топлива с высокой скоростью (HVOF)

Схема HVOF

В 1980-х годах был разработан класс процессов термического напыления, называемый высокоскоростным газокислородным напылением. Смесь газообразной или жидкой топливо и кислород подается в камера сгорания, где они постоянно воспламеняются и сгорают. Образующийся горячий газ под давлением, близким к 1 МПа, выходит через сужающееся-расширяющееся сопло и проходит по прямолинейному участку. В качестве топлива могут использоваться газы (водород, метан, пропан, пропилен, ацетилен, натуральный газ и т. д.) или жидкости (керосин, так далее.). Скорость струи на выходе из ствола (> 1000 м / с) превышает скорость звука. Порошковая смесь вводится в поток газа, который разгоняет порошок до 800 м / с. Поток горячего газа и порошка направляется к покрываемой поверхности. Порошок частично плавится в потоке и осаждается на подложке. Полученное покрытие имеет низкую пористость и высокий прочность сцепления.^[1]

Покрытия HVOF могут иметь толщину до 12 мм (1/2 дюйма). Обычно его используют для нанесения носить и коррозия стойкие покрытия на материалах, таких как керамические и металлические слои. Общие порошки включают Туалет -Ко, карбид хрома, MCrAlY и глинозем. Процесс внесения депозита был наиболее успешным. металлокерамика материалы (WC – Co и др.) и другие коррозионно-стойкие сплавы (нержавеющая сталь, сплавы на основе никеля, алюминий, гидроксиапатит за медицинские имплантаты, так далее.).^[1]

Высокоскоростное воздушное топливо (HVAF)

Технология покрытия HVAF - это сжигание пропан в потоке сжатого воздуха. Как и HVOF, это создает однородную высокоскоростную струю. HVAF отличается тем, что включает тепловую заслонку для дополнительной стабилизации механизмов термического напыления. Материал впрыскивается в воздушно-топливный поток, и частицы покрытия продвигаются к детали. ^[4] HVAF имеет максимальную температуру пламени от 3560 ° до 3650 ° F и среднюю скорость частиц 3300 футов / сек. Поскольку максимальная температура пламени относительно близка к температуре плавления большинства напыляемых материалов, HVAF приводит к более однородному и пластичному покрытию. Это также позволяет использовать типичную толщину покрытия 0,002-0,050 дюйма. Покрытия HVAF также имеют механическую прочность сцепления, превышающую 12000 фунтов на квадратный дюйм. Общие материалы покрытия HVAF включают, но не ограничиваются ими; карбид вольфрама, карбид хрома, нержавеющая сталь, Hastelloy, и инконель. Из-за своего пластичный Покрытия Nature Hvaf могут помочь противостоять кавитация повреждать. ^[5]

Спрей и предохранитель

При распылении и плавлении используется высокая температура для улучшения связи между покрытием, нанесенным термическим напылением, и основой детали. В отличие от других типов термического напыления, спрей и плавкий предохранитель создают металлургическую связь между покрытием и поверхностью. Это означает, что вместо того, чтобы полагаться на трение для адгезии покрытия, он объединяет поверхность и материал покрытия в один материал. Распыление и плавление сводятся к разнице между адгезией и когезией.

Этот процесс обычно включает распыление порошкообразного материала на деталь с последующим использованием ацетиленовой горелки. Горелка расплавляет материал покрытия и верхний слой материала компонента; соединяя их вместе. Из-за высокой температуры распыления и плавкого предохранителя может произойти некоторое тепловое искажение, и необходимо принять меры, чтобы определить, является ли компонент подходящим кандидатом. Эти высокие температуры сродни тем, которые используются при сварке. Эта металлургическая связка создает чрезвычайно износостойкое и стойкое к истиранию покрытие. Распыление и предохранитель обеспечивают преимущества сварка твердого сплава с легкостью термического спрея.^[6]

Холодное напыление

Схема холодного напыления

Холодное напыление (или газодинамическое холодное напыление) было представлено на рынке в 1990-х годах. Первоначально метод был разработан в Советском Союзе - во время экспериментов с эрозией мишени, которая подвергалась воздействию двухфазного высокоскоростного потока мелкодисперсного порошка в аэродинамической трубе, ученые наблюдали случайное быстрое образование покрытий.^[1]

При холодном напылении частицы ускоряются до очень высоких скоростей газом-носителем, проталкиваемым через сходящийся-расходящийся сопло де Лаваля. При ударе твердые частицы с достаточной кинетической энергией пластически деформируются и механически связываются с подложкой, образуя покрытие. Критическая скорость, необходимая для образования соединения, зависит от свойств материала, размера порошка и температуры. Металлы, полимеры, керамика, композитные материалы и нанокристаллический порошки можно наносить холодным напылением.^[7]Мягкие металлы, такие как Cu и Al, лучше всего подходят для холодного напыления, но сообщалось о покрытии других материалов (W, Ta, Ti, MCrAlY, WC – Co и т. Д.) Холодным напылением.^[1]

Эффективность осаждения порошков сплавов обычно низкая, а диапазон параметров процесса и подходящих размеров порошка узкий. Для ускорения порошков до более высоких скоростей используются более мелкие порошки (<20 микрометров). Можно ускорить частицы порошка до гораздо более высокой скорости, используя технологический газ с высокой скорость звука (гелий вместо азота). Однако гелий стоит дорого, и его расход и, следовательно, потребление выше. Для улучшения разгонной способности газообразный азот нагревают примерно до 900 ° C. В результате эффективность осаждения и предел прочности отложений повышаются.^[1]

Теплое опрыскивание

Теплое напыление представляет собой новую модификацию высокоскоростного газокислородного напыления, при котором температура дымовых газов понижается за счет смешивания азота с дымовыми газами, что приближает процесс к холодному напылению. Получающийся в результате газ содержит много водяного пара, непрореагировавших углеводородов и кислорода, и поэтому он более грязный, чем при холодном распылении. Однако эффективность покрытия выше. С другой стороны, более низкие температуры теплого напыления уменьшают плавление и химические реакции подаваемого порошка по сравнению с HVOF. Эти преимущества особенно важны для таких материалов покрытия, как Ti, пластмассы и металлическое стекло, которые быстро окисляются или разрушаются при высоких температурах.^[1]

Приложения

Керамическое покрытие с плазменным напылением, нанесенное на часть автомобильной выхлопной системы

• Коленчатый вал восстановление или кондиционирование
• Коррозия защита
• Обрастание защита
• Изменение теплопроводность или же электрическая проводимость
• Контроль износа: либо наплавка (износостойкий) или истираемое покрытие
• Ремонт поврежденных поверхностей
• Защита от температуры / окисления (термобарьерные покрытия)
• Медицинские имплантаты
• Изготовление функционально классифицированные материалы (для любого из вышеуказанных приложений)

Ограничения

Термическое напыление - это процесс, который находится в поле зрения, а механизм склеивания в основном механический. Нанесение термическим распылением несовместимо с основанием, если область, на которую он наносится, сложна или заблокирована другими телами.^[8]

Безопасность

Термическое напыление не должно быть опасным процессом, если с оборудованием обращаются осторожно и соблюдаются правильные методы опрыскивания. Как и в случае любого промышленного процесса, существует ряд опасностей, о которых оператор должен знать и против которых следует принимать особые меры предосторожности. В идеале оборудование должно работать автоматически в помещениях, специально предназначенных для удаления дыма, снижения уровня шума и предотвращения прямого обзора распылительной головки. Такие методы также позволят получить более плотные покрытия. Бывают случаи, когда тип обрабатываемых компонентов или их низкий уровень производства требуют ручного управления оборудованием. В этих условиях возникает ряд опасностей, свойственных термическому напылению, в дополнение к опасностям, которые обычно встречаются в производственных или перерабатывающих отраслях.^[9]

Шум

В оборудовании для напыления металла используются сжатые газы, которые создают шум. Уровни шума зависят от типа распылительного оборудования, распыляемого материала и рабочих параметров. Типичные уровни звукового давления измеряются на расстоянии 1 метра от дуги.^[10]

УФ-излучение

Оборудование для опрыскивания пламенем создает интенсивное пламя, максимальная температура которого может превышать 3100 ° C, и очень яркое. Электродуговое напыление дает ультрафиолетовый свет, который может повредить нежные ткани тела. Плазма также генерирует довольно много ультрафиолетового излучения, легко обжигая открытые участки кожи, а также может вызвать «мгновенный ожог» глаз. Покрасочные камеры и корпуса должны быть оснащены темным стеклом, поглощающим ультрафиолетовое излучение. Если это невозможно, операторы и другие находящиеся поблизости лица должны носить защитные очки, содержащие зеленое стекло класса BS 6. Непрозрачные сетки следует размещать вокруг участков распыления. Сопло дугового пистолета никогда не следует смотреть прямо, если нет уверенности в том, что к оборудованию не подается питание.^[9]

Пыль и пары

При распылении расплавленных материалов образуется большое количество пыли и дыма, состоящих из очень мелких частиц (примерно 80–95% частиц размером <100 нм).^[11] Надлежащее оборудование для экстракции жизненно важно не только для личной безопасности, но и для минимизации улавливания повторно замороженных частиц в напыляемых покрытиях. Настоятельно рекомендуется использовать респираторы с подходящими фильтрами там, где невозможно изолировать оборудование.^[11]Некоторые материалы представляют определенные известные опасности:^[9]

1. Мелкодисперсные частицы металла потенциально пирофорны и вредны при накоплении в организме.
2. Некоторые материалы, например алюминий, цинк и другие неблагородные металлы могут реагировать с водой с выделением водорода. Это потенциально взрывоопасно, и при использовании оборудования для удаления дыма необходимы особые меры предосторожности.
3. Пары некоторых материалов, особенно сплавов цинка и меди, имеют неприятный запах и могут вызывать у некоторых людей реакцию типа лихорадки (известную как металлическая лихорадка ). Это может произойти через некоторое время после распыления и обычно быстро проходит. Если этого не произойдет, следует обратиться за медицинской помощью.
4. Пары химически активных соединений могут диссоциировать и создавать вредные газы. В этих местах следует носить респираторы и использовать газовые счетчики для контроля воздуха перед снятием респираторов.

Высокая температура

Пистолеты для опрыскивания используют кислород и горючие газы. Топливные газы потенциально взрывоопасны. В частности, ацетилен можно использовать только в утвержденных условиях. Кислород, хотя и не является взрывоопасным, будет поддерживать горение, и многие материалы будут самовоспламеняться при чрезмерном уровне кислорода. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать утечки и перекрыть источники кислорода и топливного газа, когда они не используются.^[9]

Опасность поражения электрическим током

Электродуговые пушки работают при низких напряжениях (ниже 45 В постоянного тока), но при относительно высоких токах. Их можно безопасно держать в руках. Блоки питания подключаются к источникам переменного тока 440 В и требуют осторожного обращения.^[9]

Смотрите также

• Список техник нанесения покрытия
• Тонкая пленка

Рекомендации