Термическое напыление

Установка плазменного напыления – вариант термического напыления.

Температура и скорость частиц для различных процессов термического напыления

термического напыления Методы — это процессы нанесения покрытий , при которых расплавленные (или нагретые) материалы распыляются на поверхность. «Сырье» (предшественник покрытия) нагревается электрическими (плазмой или дугой) или химическими средствами (пламенем горения).

Термическое напыление может обеспечить толстые покрытия (приблизительный диапазон толщины составляет от 20 микрон до нескольких мм, в зависимости от процесса и сырья) на большой площади с высокой скоростью осаждения по сравнению с другими процессами нанесения покрытий, такими как гальваника , физическое 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 подложкам в виде частиц микрометрового размера. В качестве источника энергии для термического напыления обычно используется горение или электрический дуговой разряд. Полученные покрытия образуются путем накопления многочисленных распыленных частиц. Поверхность не может сильно нагреваться, что позволяет наносить на нее легковоспламеняющиеся вещества.

Качество покрытия обычно оценивают путем измерения его пористости , содержания оксидов , макро- и микротвердости , прочности сцепления и шероховатости поверхности . Как правило, качество покрытия увеличивается с увеличением скорости частиц.

Вариации

Выделяют несколько разновидностей термического напыления:

• Плазменное напыление
• Детонационное напыление
• Проволочно-дуговое напыление
• Пламя напыления
• Высокоскоростное газокислородное напыление покрытия (HVOF)
• Высокоскоростное воздушное топливо (HVAF)
• Теплое опрыскивание
• Холодное напыление
• Спрей и предохранитель

В классических (разработанных между 1910 и 1920 годами), но до сих пор широко используемых процессах, таких как газопламенное напыление и проволочно-дуговое напыление, скорости частиц обычно низкие (< 150 м/с), и для осаждения сырье необходимо расплавить. Плазменное напыление, разработанное в 1970-х годах, используетвысокотемпературная плазменная струя, генерируемая дуговым разрядомс типичными температурами >15 000 К, что делает еговозможно распыление огнеупорных материалов, таких как оксиды, молибден и т. д.

Обзор системы

Типичная система термического напыления состоит из следующего:

• Распылительная горелка (или распылитель) – основное устройство, осуществляющее плавление и ускорение наносимых частиц.
• Питатель – для подачи порошка , проволоки или жидкости к горелке через трубки.
• Подача среды – газы или жидкости для генерации пламени или плазменной струи, газы для переноса порошка и т. д.
• Робот/рабочая сила – для управления горелкой или подложками, на которые будет нанесено покрытие.
• Источник питания – часто автономный для фонаря.
• 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. Искра используется для воспламенения газовой смеси, а возникающая в результате детонация нагревает и ускоряет порох до сверхзвуковой скорости через ствол. Импульс 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. Покрытие прилипает за счет механической связи, возникающей в результате деформации базовой подложки, обертывающей распыляемые частицы после высокоскоростного удара.

Плазменное напыление

Проволока для газопламенного напыления

В процессе плазменного напыления наносимый материал (исходное сырье) — обычно в виде порошка , иногда в виде жидкости , приостановка или проволока — вводится в плазменную струю, исходящую от плазмотрона . В струе, температура которой составляет порядка 10 000 К, материал плавится и продвигается к подложке. Там расплавленные капли сплющиваются, быстро затвердевают и образуют осадок. Обычно отложения остаются прилипшими к основе в виде покрытий; Отдельно стоящие детали также можно изготовить путем удаления подложки. Существует большое количество технологических параметров, влияющих на взаимодействие частиц с плазменной струей и подложкой и, следовательно, на свойства покрытия. Эти параметры включают тип сырья, состав и скорость потока плазменного газа, потребляемую энергию, расстояние смещения резака, охлаждение подложки и т. д.

Депозитная недвижимость

Отложения состоят из множества блинообразных «пятен», называемых пластинками , образующихся в результате сплющивания капель жидкости. Поскольку порошки исходного сырья обычно имеют размеры от микрометров до более 100 микрометров, ламели имеют толщину в диапазоне микрометров и поперечный размер от нескольких до сотен микрометров. Между этими ламелями имеются небольшие пустоты, такие как поры, трещины и участки неполного соединения. Благодаря такому уникальному строению отложения могут иметь свойства, существенно отличающиеся от сыпучих материалов. Обычно это механические свойства, такие как более низкая прочность и модуль упругости , более высокая устойчивость к деформации и более низкая тепло- и электропроводность . Также из-за быстрого затвердевания в отложениях метастабильные фазы могут присутствовать .

Приложения

Этот метод чаще всего используется для получения покрытий на конструкционных материалах. Такие покрытия обеспечивают защиту от высоких температур (например, термобарьерные покрытия для управления теплом выхлопных газов ), коррозии , эрозии , износа ; 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 получать отдельно стоящие детали в виде пластин, трубок, оболочек и т. д. . Его также можно использовать для обработки порошков (сфероидизация, гомогенизация, химическая модификация и т. д.). В этом случае подложка для осаждения отсутствует и частицы затвердевают во время полета или в контролируемой среде (например, в воде). Эту технику с вариациями можно также использовать для создания пористых структур, пригодных для врастания кости, в качестве покрытия для медицинских имплантатов.В плазменный разряд может быть введен аэрозоль полимерной дисперсии для создания прививки этого полимера к поверхности подложки. Это приложение в основном используется для изменения химического состава поверхности полимеров.

Вариации

Системы плазменного напыления можно классифицировать по нескольким критериям.

Генерация плазменной струи:

• постоянный ток ( плазма постоянного тока ), где энергия передается плазменной струе постоянным током, электрической дугой большой мощности
• индукционная плазма или радиочастотная плазма, где энергия передается за счет индукции от катушки вокруг плазменной струи, через которую проходит переменный радиочастотный ток.

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:

• атмосферно-плазменное напыление (АПС), выполняемое на окружающем воздухе
• Плазменное напыление в контролируемой атмосфере (CAPS), обычно выполняемое в закрытой камере, заполненной инертным газом или откачанной.
• варианты КАПС: плазменное напыление высокого давления (ПВД), плазменное напыление низкого давления (ЛНПС), крайним случаем которого является вакуумно- плазменное напыление (ВПС, см. ниже)
• подводное плазменное напыление

Другой вариант заключается в использовании жидкого сырья вместо твердого порошка для плавления. Этот метод известен как плазменное напыление прекурсора раствора.

Вакуумно-плазменное напыление

Вакуумно-плазменное напыление

Вакуумно-плазменное напыление (ВПС) — это технология травления и модификации поверхности для создания пористых слоев с высокой воспроизводимостью, а также для очистки и поверхностной обработки пластмасс, каучуков и натуральных волокон, а также для замены ХФУ для очистки металлических компонентов. Такая обработка поверхности может улучшить такие свойства, как фрикционные свойства, термостойкость , поверхностная электропроводность , смазывающая способность , прочность сцепления пленок или диэлектрическая проницаемость , а также может сделать материалы гидрофильными или гидрофобными .

Процесс обычно проводится при температуре 39–120 ° C, чтобы избежать термического повреждения. Он может вызывать нетермически активируемые поверхностные реакции, вызывая поверхностные изменения, которые не могут произойти при молекулярной химии при атмосферном давлении. Плазменная обработка проводится в контролируемой среде внутри герметичной камеры при среднем вакууме около 13–65 Па .Газ диапазона, обычно мощностью или смесь газов возбуждается электрическим полем от постоянного до микроволнового 1–500 Вт при напряжении 50 В. Обрабатываемые компоненты обычно электрически изолированы. Летучие побочные продукты плазмы откачиваются из камеры вакуумным насосом и при необходимости могут быть нейтрализованы в скруббере .

В отличие от молекулярной химии, в плазме используются:

• Молекулярные, атомные, метастабильные и свободные радикалы для химического воздействия .
• Положительные ионы и электроны для кинетических эффектов .

Плазма также генерирует электромагнитное излучение в виде вакуумных УФ-фотонов, проникающих в объемные полимеры на глубину около 10 мкм. Это может привести к разрыву цепи и образованию поперечных связей.

Плазма воздействует на материалы на атомном уровне. Такие методы, как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и сканирующая электронная микроскопия, используются для анализа поверхности, чтобы определить необходимые процессы и оценить их эффекты. В качестве простого показателя поверхностной энергии и, следовательно, адгезии или смачиваемости, часто тест на угол контакта капель воды используется .Чем меньше угол смачивания, тем выше поверхностная энергия и более гидрофильным является материал.

Изменение эффектов с помощью плазмы

При более высоких энергиях ионизация имеет тенденцию происходить больше, чем химическая диссоциация . В типичном химически активном газе 1 из 100 молекул образует свободные радикалы , тогда как только 1 из 10 ⁶ ионизирует. Преобладающим эффектом здесь является образование свободных радикалов. Ионные эффекты могут преобладать при выборе параметров процесса и при необходимости использовании благородных газов.

Проволочное дуговое напыление

Проволочно-дуговое напыление — это разновидность 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 расплавляет входящую проволоку, которая затем увлекается воздушной струей из пистолета. Это захваченное расплавленное сырье затем наносится на подложку с помощью сжатого воздуха. Этот процесс обычно используется для металлических, тяжелых покрытий.

Плазменная проволочная дуга

Основная статья: Проволочная дуга с переносом плазмы

Плазменная проволочная дуга (PTWA) — это еще одна форма проволочно-дугового напыления, при которой покрытие наносится на внутреннюю поверхность цилиндра или на внешнюю поверхность детали любой геометрии. В основном он известен тем, что используется для покрытия отверстий цилиндров двигателя, что позволяет использовать алюминиевые блоки цилиндров без необходимости использования тяжелых чугунных гильз. В качестве «сырья» для системы используется один проводящий провод. Сверхзвуковая струя плазмы плавит проволоку, распыляет ее и направляет на подложку. Плазменная струя формируется за счет переноса дуги между неплавящимся катодом и проволокой. После распыления принудительный воздух переносит поток расплавленных капель на стенку отверстия. Частицы сплющиваются при ударе о поверхность подложки из-за высокой кинетической энергии. Частицы быстро затвердевают при контакте. Наложенные друг на друга частицы образуют покрытие с высокой износостойкостью. В процессе термического напыления PTWA в качестве исходного материала используется одна проволока. В качестве исходного материала можно использовать все проводящие провода диаметром до 0,0625 дюйма (1,6 мм) включительно, включая «порошковые» провода. PTWA можно использовать для нанесения покрытия на изнашиваемую поверхность компонентов двигателя или трансмиссии для замены втулки или подшипника. Например, использование PTWA для покрытия несущей поверхности шатуна дает ряд преимуществ, включая снижение веса, стоимости, потенциала трения и напряжения в шатуне.

Высокоскоростное кислородное распыление топлива (HVOF)

Схема HVOF

В 1980-х годах был разработан класс процессов термического напыления, называемый высокоскоростным газокислородным распылением. Смесь газообразного или жидкого топлива и кислорода подается в камеру сгорания , где они воспламеняются и непрерывно сгорают. Образующийся горячий газ с давлением, близким к 1 МПа, выходит через сужающееся-расширяющееся сопло и проходит по прямолинейному участку. Топливом могут быть газы ( водород , метан , пропан , пропилен , ацетилен , природный газ и т. д.) или жидкости ( керосин и т. д.). Скорость струи на выходе из ствола (>1000 м/с) превышает скорость звука . Порошковое сырье впрыскивается в газовый поток, который разгоняет порошок до 800 м/с. Поток горячего газа и порошка направляется к окрашиваемой поверхности. Порошок частично плавится в потоке и осаждается на подложке. Полученное покрытие имеет низкую пористость и высокую прочность сцепления .

Покрытия HVOF могут иметь толщину до 12 мм (1/2 дюйма). Обычно они используются для нанесения устойчивых к износу и коррозии покрытий на такие материалы, как керамические и металлические слои. Обычные порошки включают WC -Co, карбид хрома , MCrAlY и оксид алюминия . Наиболее успешен этот процесс для нанесения металлокерамических материалов (WC–Co и т. д.) и других коррозионностойких сплавов ( нержавеющих сталей , сплавов на основе никеля, алюминия, гидроксиапатита для медицинских имплантатов и т. д.).

Высокоскоростное воздушное топливо (HVAF)

Технология нанесения покрытия HVAF представляет собой сжигание пропана в потоке сжатого воздуха. Как и HVOF, он создает однородную высокоскоростную струю. HVAF отличается наличием тепловой перегородки для дальнейшей стабилизации механизмов термического напыления. Материал впрыскивается в воздушно-топливный поток, и частицы покрытия продвигаются к детали. 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 распыляемых материалов, HVAF обеспечивает более однородное и пластичное покрытие. Это также позволяет получить типичную толщину покрытия 0,002–0,050 дюйма. Покрытия HVAF также имеют прочность механического соединения более 12 000 фунтов на квадратный дюйм. Общие материалы покрытия HVAF включают, помимо прочего: карбид вольфрама , карбид хрома, нержавеющую сталь , хастеллой. и инконель . Благодаря своей пластичной природе покрытия HVAF могут помочь противостоять кавитационным повреждениям.

Спрей и предохранитель

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

Этот процесс обычно включает напыление порошкового материала на компонент с последующим применением ацетиленовой горелки. Горелка расплавляет материал покрытия и верхний слой материала детали; соединяя их вместе. Из-за высокой температуры распыления и предохранителя может возникнуть некоторая тепловая деформация, поэтому необходимо позаботиться о том, чтобы определить, является ли компонент подходящим кандидатом. Эти высокие температуры аналогичны тем, которые используются при сварке. Эта металлургическая связка создает чрезвычайно износостойкое и устойчивое к истиранию покрытие. Распыление и плавкий предохранитель сочетают в себе преимущества сварки наплавленных поверхностей и простоту термического напыления.

Холодное напыление

Схема холодного напыления

Холодное напыление (или газодинамическое холодное напыление) появилось на рынке в 1990-х годах. Первоначально метод был разработан в Советском Союзе — экспериментируя с эрозией целевой подложки, которая подвергалась воздействию двухфазного высокоскоростного потока мелкодисперсного порошка в аэродинамической трубе, ученые наблюдали случайное быстрое образование покрытий.

При холодном распылении частицы разгоняются до очень высоких скоростей под действием газа-носителя, проходящего через сужающееся-расширяющееся сопло Лаваля . При ударе твердые частицы с достаточной кинетической энергией пластически деформируются и механически связываются с подложкой, образуя покрытие. Критическая скорость, необходимая для образования связи, зависит от свойств материала, размера порошка и температуры. Металлы , полимеры , керамика , композиционные материалы и нанокристаллические порошки могут наноситься методом холодного напыления. Мягкие металлы, такие как Cu и Al, лучше всего подходят для холодного распыления, но сообщалось о покрытии других материалов (W, Ta, Ti, MCrAlY, WC-Co и т. д.) холодным распылением.

Эффективность осаждения порошков сплавов обычно низкая, а диапазон параметров процесса и подходящих размеров порошка узок. Для ускорения порошков до более высокой скорости используются более мелкие порошки (<20 микрометров). Можно ускорить частицы порошка до гораздо более высокой скорости, используя технологический газ, обладающий высокой скоростью звука (гелий вместо азота).Однако гелий стоит дорого, а его скорость потока и, следовательно, потребление выше. Для улучшения ускорения газообразный азот нагревается примерно до 900 °C. В результате повышается эффективность осаждения и прочность отложений на разрыв.

Теплое опрыскивание

Теплое распыление — это новая модификация высокоскоростного газокислородного распыления, при которой температура дымового газа снижается за счет смешивания азота с дымовым газом, что приближает процесс к холодному распылению. Полученный газ содержит много водяного пара, непрореагировавших углеводородов и кислорода и поэтому более загрязнен, чем при холодном распылении. Однако эффективность покрытия выше. С другой стороны, более низкие температуры теплого распыления снижают плавление и химические реакции подаваемого порошка по сравнению с HVOF. Эти преимущества особенно важны для таких материалов покрытий, как титан, пластики и металлические стекла, которые быстро окисляются или разрушаются при высоких температурах.

Приложения

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

• коленчатого вала Ремонт или кондиционирование
• от коррозии Защита
• от загрязнения Защита
• Изменение теплопроводности или электропроводности
• Контроль износа: наплавка (износостойкое) или истираемое покрытие.
• Ремонт поврежденных поверхностей
• Защита от температуры/оксидации (термобарьерные покрытия)
• Покрытия медицинских имплантатов (с использованием керамики на основе полимеров )
• Производство функционально классифицированных материалов (для любого из вышеперечисленных применений)

Ограничения

Термическое напыление — это процесс прямой видимости, и механизм соединения в основном механический. Нанесение термическим распылением несовместимо с основанием, если область, на которую оно наносится, сложная или заблокирована другими предметами.

Безопасность

Термическое напыление не должно быть опасным процессом, если с оборудованием обращаться бережно и соблюдать правильные методы распыления. Как и в любом промышленном процессе, существует ряд опасностей, о которых оператор должен знать и против которых следует принимать особые меры предосторожности. В идеале оборудование должно работать автоматически в кожухах, специально предназначенных для удаления паров, снижения уровня шума и предотвращения прямого наблюдения за распылительной головкой. Такие методы также позволяют получить более однородные покрытия. Бывают случаи, когда тип обрабатываемых компонентов или низкий уровень их производства требуют ручного управления оборудованием. В этих условиях возникает ряд опасностей, характерных для термического напыления, в дополнение к тем, которые обычно встречаются в производственной или перерабатывающей промышленности.

Шум

В оборудовании для напыления металла используются сжатые газы, которые создают шум. Уровни шума варьируются в зависимости от типа распылительного оборудования, распыляемого материала и рабочих параметров. Типичные уровни звукового давления измеряются на расстоянии 1 метра за дугой.

УФ-свет

Оборудование для распыления горением производит интенсивное пламя, пиковая температура которого может превышать 3100 °C, и оно очень яркое. Электродуговое напыление производит ультрафиолетовое излучение, которое может повредить нежные ткани тела. Плазма также генерирует довольно много УФ-излучения, легко обжигая открытые участки кожи, а также может вызвать «вспышечный ожог» глаз. Покрасочные камеры и ограждения должны быть оснащены темным стеклом, поглощающим ультрафиолетовые лучи. Если это невозможно, операторы и другие лица, находящиеся поблизости, должны носить защитные очки, содержащие зеленое стекло BS класса 6. Вокруг зон распыления следует установить непрозрачные экраны. На сопло дугового пистолета никогда не следует смотреть прямо, если нет уверенности в том, что к оборудованию не подается питание.

Пыль и дым

При распылении расплавленных материалов образуется большое количество пыли и дыма, состоящих из очень мелких частиц (около 80–95% частиц с числом <100 нм). Надлежащие вытяжные устройства жизненно важны не только для личной безопасности, но и для минимизации захвата повторно замороженных частиц напыленными покрытиями. Если оборудование невозможно изолировать, настоятельно рекомендуется использовать респираторы с подходящими фильтрами. Некоторые материалы представляют определенные известные опасности:

1. Мелкодисперсные металлические частицы потенциально пирофорны и вредны при накоплении в организме.
2. Некоторые материалы, например алюминий, цинк и другие недрагоценные металлы, могут вступать в реакцию 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 лихорадка паров металлов ). Это может произойти через некоторое время после опрыскивания и обычно быстро проходит. Если этого не происходит, необходимо обратиться за медицинской помощью.
4. Пары реактивных соединений могут диссоциировать и образовывать вредные газы. В этих зонах следует носить респираторы и использовать газовые счетчики для контроля воздуха перед снятием респираторов.

Нагревать

В пистолетах-распылителях сгорания используются кислород и топливные газы. Топливные газы потенциально взрывоопасны. В частности, ацетилен можно использовать только в утвержденных условиях. Кислород, хотя и не взрывоопасен, поддерживает горение, и многие материалы самопроизвольно воспламеняются при наличии чрезмерного уровня кислорода. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать утечек и изолировать источники кислорода и топливного газа, когда они не используются.

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 подключены к источникам переменного тока напряжением 440 В, поэтому с ними следует обращаться осторожно.

См. также

• Список методов нанесения покрытия
• Тонкая пленка