Появление технологии термического напыления относится к началу 20 века. Технология относится к методам поверхностной инженерии, которые включают осаждение твердого, полурасплавленного или расплавленного сырья на целевые подложки при чрезвычайно высоких скоростях и повышенных температурах для создания однородного покрытия. Микроструктура термически напыленных покрытий содержит последовательные пластинчатые слои. Формирование покрытий при напылении предполагает чрезвычайно высокие скорости закалки, порядка миллиона градусов в секунду. Технология термонапыления находит применение для защиты поверхностей деталей техники от абразивного износа, высокотемпературного окисления и коррозии, термических напряжений, тепло- и электроизоляции и т. д. Металлические, керамические, композитные и полимерные покрытия могут наноситься различными способами.
Принципы работы технологии термического напыления
Тепловая энергия электрического или газового источника тепла плавит сырье. Затем распылительная горелка ускоряется и направляет расплавленный распыляемый материал к чистой и подготовленной целевой поверхности. Частицы сплющиваются и охлаждаются при ударе и в конечном итоге затвердевают в виде слоя покрытия на этой поверхности.
Типы технологий термического напыления
В зависимости от типа источника тепла, типа сырья, температуры и скорости транспортной среды, а также энергии распыляемых частиц процессы термического напыления подразделяются на разные классификации. В качестве исходного материала могут использоваться как проволоки, так и порошки. С помощью технологий термического напыления можно наносить широкий спектр материалов, таких как оксиды, карбиды, чистые металлы, самофлюсующиеся сплавы и т. д. К известным технологиям термического напыления относятся:
- Газопламенное напыление: сырье подается в любое кислородно-топливное пламя, где оно плавится, распыляется сжатым воздухом и направляется на подложку. Чаще всего ацетилен или пропан используются в сочетании с кислородом.
- Электродуговое напыление: оно включает в себя контакт двух противоположно заряженных металлических проволок. Генерируется электрическая дуга, которая плавит исходную проволоку. Сжатый воздух распыляет расплав, который распыляется на целевую подложку.
- Плазменное напыление: Чрезвычайно горячий плазменный факел генерируется за счет ионизации плазмообразующей газовой смеси (Ar, H2, He, N2) при ее пропускании между анодом и катодом. Эта плазма плавит порошок и ускоряет расплавленные частицы по направлению к подложке.
- Высокоскоростное газокислородное напыление: замкнутое горение используется для создания сверхзвукового потока газа, при котором сырье ускоряется до очень высоких скоростей. В типичных конфигурациях используется комбинация пропана/керосина/водорода и кислорода.
Из-за различных параметров процесса, таких как температура пламени и скорость распыления, свойства покрытия, такие как твердость, пористость, толщина и прочность связи, различаются в зависимости от технологии термического напыления.
Преимущества и приложения
По сравнению с традиционными процессами нанесения покрытий, такими как гальванизация, CVD и PVD, технология термического напыления позволяет наносить покрытия сложной геометрии на большие площади различной толщины и характеристик. Технология термического напыления позволяет создавать покрытия толщиной от нескольких микрон до более 1000 микрон с заданной пористостью и фазовым составом. Тщательный выбор параметров процесса и исходного сырья оптимальной формы и размера может помочь получить покрытия с желаемыми свойствами, такими как превосходная теплопроводность, улучшенное тепловое расширение и износостойкость.
Технология термического напыления находит разнообразные применения в таких отраслях, как авиация, производство стали, медицинские имплантаты, компоненты текстильного оборудования, электроника, производство бумаги, полиграфическая промышленность, компоненты двигателей и коробок передач для автомобилей.
Проблемы
Двумя распространенными микроструктурными дефектами, связанными с термически напыленными покрытиями, являются пористость и оксидные включения. Пористость зависит от параметров процесса, таких как скорость удара частиц, температура и размер. Он образуется, когда последующие слои покрытия не полностью соответствуют предыдущим. Оксидные включения образуются вследствие окисления частиц расплавленного металла на воздухе при их приближении к подложке. Дефекты обычно вредны для покрытий, поскольку они могут изменить желаемые свойства покрытия. Однако образование оксидов можно предотвратить в инертных атмосферных условиях. Технология термического напыления также требует тщательной подготовки подложки для обеспечения прочного сцепления между покрытием и подложкой.