Получение керамического покрытия на металлической подложке может органично сочетать характеристики керамических материалов с характеристиками металлических материалов для получения структур и изделий из композитных материалов, что становится важной отраслью высокотехнологичной области современных композитных материалов и изделий. Благодаря гибкости процесса и широкому спектру распыляемых материалов технология термического напыления находит все большее применение во все большем количестве областей, таких как аэрокосмическая, нефтехимическая, электронная и электрическая, автомобильная, медицинская, судостроительная, горнодобывающая и т. д. 
Технология термического напыления представляет собой метод использования источника тепла для нагрева напыляемого материала до состояния расплава или полурасплава, а также его распыления и нанесения на предварительно обработанную подложку с определенной скоростью для формирования покрытия с целью придания поверхности подложки специальных функций.
Нанесение термического напыления керамического покрытия
Керамика — это кристаллическое или аморфное соединение, состоящее из металлических и неметаллических элементов. Вместе с металлическими материалами и высокомолекулярными полимерными материалами она составляет три столпа твердых конструкционных материалов. Современные материалы классифицировали металлокерамику и другие неорганические неметаллические материалы в категорию керамики, что делает ее большим семейством материалов со многими разновидностями и функциями. Вообще говоря, любой материал, который может быть расплавлен или пластичен после нагревания, может быть использован в качестве материала покрытия для термического напыления. В дополнение к металлическим материалам, керамика также может быть использована для термического напыления антикоррозионных покрытий. Обычно используемые керамические материалы для термического напыления в основном представляют собой оксидные керамические материалы, такие как Al2O3, TiO2, Cr2O3 и ZrO2. Неоксидная керамика, такая как карбиды, обычно готовится в керамические композитные материалы на основе металла с использованием металлических сплавов в качестве связующих. Поскольку нитриды очень хрупкие и имеют плохую стойкость к окислению, они используются редко.
Напыляемые керамические покрытия можно разделить на несколько категорий в зависимости от области их применения: износостойкие керамические покрытия, коррозионно-стойкие керамические покрытия, термобарьерные керамические покрытия, биокерамические покрытия и пьезоэлектрические керамические покрытия.
1. Износостойкие покрытия
Статистика показывает, что потери, вызванные износом и коррозией, составляют около 3%-5% ВВП развитых стран, в то время как в развивающихся странах этот показатель достигает 10%, что приводит к снижению производительности деталей и, в конечном итоге, к выходу их из строя в процессе обработки и производства. Технология термического напыления всегда использовалась как важнейший метод эффективного снижения износа и защиты от коррозии. Потери энергии и материалов, вызванные трением и износом, происходят из поверхности материала. Поэтому различные технологии поверхностной инженерии стали важным методом улучшения снижения трения и износостойкости материалов компонентов. Технология термического напыления является одной из наиболее широко используемых технологий поверхностной инженерии. В настоящее время покрытия, полученные с помощью технологии термического напыления, широко используются в механическом оборудовании. Износостойкость покрытий, полученных с помощью технологии термического напыления, в основном зависит от состава покрытия, фазового состава, размера и содержания частиц, а также связана с такими факторами, как прочность сцепления покрытия, твердость, пористость и размер частиц покрытия. Покрытия с высокой прочностью сцепления, высокой твердостью и низкой пористостью обладают лучшей эрозионной и износостойкостью. В настоящее время наиболее часто используемые износостойкие покрытия включают: слой Al2O3, покрытие Al2O3+TiO2, покрытие Cr2O3 и покрытие WC-Co.
Только путем выбора соответствующих материалов покрытия и соответствующих процессов термического напыления можно получить антифрикционные и противоизносные покрытия, соответствующие условиям работы. В связи с быстрым развитием промышленности и технологий условия работы механического оборудования становятся все более и более требовательными, и необходимо разрабатывать антифрикционные и противоизносные покрытия с лучшими характеристиками. С одной стороны, исходя из компонентов материала покрытия, можно разработать новую систему материалов с высокой прочностью, твердостью или функцией самосмазывания, например, путем добавления смазочной фазы с эффектом самосмазывания (например, графита, дисульфида молибдена, полимерных материалов и т. д.) к твердому керамическому покрытию или металлокерамическому покрытию для улучшения характеристик снижения трения покрытия. В настоящее время большинство исследований предлагают только добавлять смазочную фазу для улучшения снижения трения и износостойкости покрытия и не исследовали подробно оптимальное соотношение сырья и другие условия. С другой стороны, параметры процесса являются одним из важных факторов, влияющих на качество покрытий термического напыления. Начиная с оптимизации процесса термического напыления, можно изучить оптимальные параметры процесса нанесения покрытий различных систем, чтобы заложить основу для последующих исследовательских работ.
2. Керамическое покрытие, устойчивое к коррозии
Сталь, используемая в суровых условиях (например, в условиях морской соленой воды и т. д.), подвержена коррозии и износу, а также потере точности компонентов. Традиционный процесс обработки поверхности в основном заключается в гальваническом покрытии твердым хромом, то есть шестивалентный хромат осаждается на катоде для формирования износостойкого и коррозионно-стойкого покрытия с высокой твердостью, которое характеризуется простым процессом и низкой стоимостью. Однако процесс гальванического хромирования вызовет серьезное загрязнение окружающей среды и ограничен во многих промышленных областях. Кроме того, во время процесса гальванического хромирования будет происходить водородное охрупчивание подложки, что значительно снизит механические свойства подложки. Поэтому необходимо срочно найти эффективный альтернативный процесс. Термические напылительные покрытия начали использоваться в области защиты от коррозии из-за их высокой эффективности, защиты окружающей среды и хорошей химической стабильности. Материалы для антикоррозионных покрытий в основном делятся на алюминий, цинк и их сплавы, сплавы на основе никеля, материалы из нержавеющей стали и композитные керамические материалы. 
3. Теплоизоляционные керамические покрытия
Тепловые барьерные покрытия (TBC) часто используются на поверхности лопаток турбин авиационных двигателей для отделения высокотемпературных компонентов реактивного двигателя от высокотемпературного газа для улучшения условий эксплуатации высокотемпературных компонентов. С одной стороны, это может увеличить срок службы лопаток турбины, а с другой стороны, это может сэкономить топливо. Для того чтобы керамическое тепловое барьерное покрытие и металлическая подложка имели хорошие теплоизоляционные характеристики, керамическое тепловое барьерное покрытие должно обладать следующими свойствами:
① Низкая теплопроводность;
② Коэффициент теплового расширения соответствует металлической подложке;
③ Поддерживать хорошую фазовую стабильность при высокой температуре. Керамические материалы на основе ZrO2 с низкой теплопроводностью обычно выбираются в качестве материалов рабочего слоя теплозащитных покрытий. Основные технологии подготовки керамических теплозащитных покрытий включают плазменное напыление, электронно-лучевое физическое осаждение из паровой фазы, лазерную наплавку, высокоскоростное пламенное напыление и взрывное напыление. Два наиболее часто используемых метода подготовки - плазменное напыление (PS) и электронно-лучевое физическое осаждение из паровой фазы (EB-PVD). Организационные характеристики плазменных напыляемых покрытий - большое количество пор и микротрещин, которые могут снимать термические напряжения и улучшать термическую усталостную долговечность покрытия.
4. Биокерамические покрытия
Титан и его сплавы, кобальт-хром-молибденовые сплавы и нержавеющая сталь являются широко используемыми металлическими костными имплантатами в клинической практике. Металлические материалы, используемые в клинической практике, не являются биологически активными и нуждаются в улучшении в сочетании с костной тканью. Поверхностная модификация металлических имплантатов является необходимым способом улучшения их биологических свойств. Технология термического напыления является одним из широко используемых методов поверхностной модификации. Биомедицинские покрытия, полученные с ее помощью, в основном включают покрытия из оксидов металлов (Al2O3, ZrO2, TiO2 и т. д.), покрытия из биоактивного гидроксиапатита (ГА) и т. д. Покрытия из титана и гидроксиапатита широко используются в клинической практике. В последние годы внимание людей также привлекают исследования биокерамических покрытий из силиката кальция.
5. Пьезоэлектрические керамические покрытия
Пьезоэлектрическая керамика — это тип сегнетоэлектрика с превосходным пьезоэлектричеством. Это информационные функциональные керамические материалы, которые преобразуют механические свойства и электрическую энергию друг в друга. В дополнение к пьезоэлектрическому эффекту пьезоэлектрическая керамика также обладает диэлектрическими свойствами и сегнетоэлектрическими свойствами. Она широко используется в различных областях, таких как медицинская визуализация, акустические датчики, акустические преобразователи, ультразвуковые двигатели и устройства отображения. В последние годы получение пьезоэлектрических керамических покрытий с применением технологии напыления постепенно привлекает внимание.
Делиться:
MIM 4605 против MIM 4140
Поток процедур MIM