Получение керамического покрытия на металлической подложке позволяет органично сочетать характеристики керамических материалов со свойствами металлических материалов для получения композитных структур и изделий, что становится важным направлением в высокотехнологичной области современных композитных материалов и продуктов. Благодаря гибкости процесса и широкому спектру напыляемых материалов, технология термического напыления находит все более широкое применение в таких областях, как аэрокосмическая промышленность, нефтехимия, электроника и электротехника, автомобилестроение, медицина, судостроение, горнодобывающая промышленность и др.
Технология термического напыления представляет собой метод использования источника тепла для нагрева напыляемого материала до состояния расплава или полурасплава, и распыления его на предварительно обработанную подложку с определенной скоростью для формирования покрытия с целью придания поверхности подложки особых функций.
Применение термонапыляемых керамических покрытий
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 инженерных материалов. Современные материалы классифицировали металлокерамику и другие неорганические неметаллические материалы в категорию керамики, что сделало ее обширным семейством материалов с множеством разновидностей и функций. В общем, любой материал, который может быть расплавлен или стать пластичным после нагрева, может быть использован в качестве материала покрытия для термического напыления. Помимо металлических материалов, керамика также может использоваться для термического напыления антикоррозионных покрытий. Обычно используемые керамические материалы для термического напыления — это в основном оксидные керамические материалы, такие как Al2O3, Cr2O3 и ZrO2. Неоксидные керамики, такие как карбиды, обычно готовят в виде металлокерамических композиционных материалов с использованием металлических сплавов в качестве связующих. Поскольку нитриды очень хрупки и обладают плохой стойкостью к окислению, они редко используются.
Напыляемые керамические покрытия можно разделить на несколько категорий в зависимости от области применения: износостойкие керамические покрытия, коррозионностойкие керамические покрытия, теплозащитные керамические покрытия, биокерамические покрытия и пьезокерамические покрытия.
1. Износостойкие покрытия
Статистика показывает, что потери, вызванные износом и коррозией, составляют около 3–5% ВВП развитых стран, а в развивающихся странах — до 10%, что приводит к снижению производительности деталей и их последующему выходу 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 на поверхности материала. Поэтому различные технологии обработки поверхности стали важным методом повышения износостойкости и снижения трения материалов компонентов. Технология термического напыления является одной из наиболее широко используемых технологий обработки поверхности. В настоящее время покрытия, полученные с помощью технологии термического напыления, широко применяются в механическом оборудовании. Износостойкость покрытий, нанесенных термическим напылением, 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 обычно используемые износостойкие покрытия включают: слой Al2O3, покрытие Cr2O3 и покрытие WC-Co.
Только путем выбора подходящих материалов для покрытия и соответствующих процессов термического напыления можно получить антифрикционные и износостойкие покрытия, отвечающие условиям эксплуатации. В условиях быстрого развития промышленности и технологий условия работы механического оборудования становятся все более требовательными, и необходимо разрабатывать антифрикционные и износостойкие покрытия с лучшими характеристиками. С одной стороны, исходя из компонентов материала покрытия, может быть разработана новая система материалов с высокой прочностью, твердостью или самосмазывающей функцией, например, добавление смазочной фазы с самосмазывающим эффектом (например, графита, дисульфида молибдена, полимерных материалов и т. д.) в твердое керамическое покрытие или металлокерамическое покрытие для улучшения антифрикционных свойств покрытия. В настоящее время большинство исследований предлагают только добавление смазочной фазы для улучшения антифрикционных и износостойких свойств покрытия, но не углублялись в оптимальное соотношение исходных материалов и другие условия. С другой стороны, параметры процесса являются одним из важных факторов, влияющих на качество покрытий, нанесенных термическим напылением. Начиная с оптимизации процесса термического напыления, можно изучить оптимальные параметры процесса для покрытий различных систем, чтобы заложить основу для последующих исследований.
2. Коррозионностойкое керамическое покрытие
Сталь, используемая в агрессивных средах (таких как морская соляная среда и т. д.), подвержена коррозии и износу, а также потере точности компонентов. Традиционный процесс обработки поверхности — это в основном гальваническое нанесение твердого хрома, то есть шестивалентный хромат осаждается на катоде для образования износостойкого и коррозионностойкого покрытия с высокой твердостью, характеризующегося простым процессом и низкой стоимостью. Однако процесс гальванического хромирования вызывает серьезное загрязнение окружающей среды и ограничен во многих промышленных областях. Кроме того, водородное охрупчивание подложки происходит во время процесса гальванического хромирования, что значительно снижает механические свойства подложки. Поэтому срочно необходимо найти эффективный альтернативный процесс. Покрытия, нанесенные термическим напылением, стали использоваться в области защиты от коррозии благодаря их высокой эффективности, экологичности и хорошей химической стабильности. Материалы антикоррозионных покрытий в основном делятся на алюминий, цинк и их сплавы, никелевые сплавы, нержавеющую сталь и композитные керамические материалы.
3. Теплозащитные керамические покрытия
Теплозащитные покрытия (TBCs) часто используются на поверхности лопаток турбин авиационных двигателей для отделения высокотемпературных компонентов реактивного двигателя от высокотемпературного газа, чтобы улучшить условия работы высокотемпературных компонентов. С одной стороны, это может увеличить срок службы лопаток турбин, а с другой — сэкономить топливо. Для того чтобы керамическое теплозащитное покрытие и металлическая подложка обладали хорошими теплоизоляционными свойствами, керамическое теплозащитное покрытие должно обладать следующими свойствами:
① Низкая теплопроводность;
② Коэффициент теплового расширения соответствует металлической подложке;
③ Сохранение хорошей фазовой стабильности при высокой температуре. В качестве материалов рабочего слоя теплозащитных покрытий обычно выбираются керамические материалы на основе ZrO2 с низкой теплопроводностью. Основные технологии получения керамических теплозащитных покрытий включают плазменное напыление, электронно-лучевое физическое осаждение, лазерную наплавку, высокоскоростное пламенное напыление и детонационное напыление. Два наиболее часто используемых метода получения — плазменное напыление (PS) и электронно-лучевое физическое осаждение (EB-PVD). Организационные особенности покрытий, нанесенных плазменным напылением, — это большое количество пор и микротрещин, которые могут снимать термические напряжения и улучшать термоусталостную долговечность покрытия.
4. Биокерамические покрытия
Титан и его сплавы, кобальт-хром-молибденовые сплавы и нержавеющая сталь — все это широко используемые металлические материалы для костных имплантатов в клинической практике. Металлические материалы, используемые в клинической практике, не обладают биологической активностью и нуждаются в улучшении в сочетании с костной тканью. Модификация поверхности металлических имплантатов — необходимый способ улучшения их биологических свойств. Технология термического напыления является одним из часто используемых методов модификации поверхности. Получаемые с ее помощью биомедицинские покрытия в основном включают покрытия из оксидов металлов (Al2O3, ZrO2 и т. д.), биоактивные покрытия из гидроксиапатита (HA) и т. д. Титановые и гидроксиапатитовые покрытия широко используются в клинической практике. В последние годы также привлекают внимание исследования биокерамических покрытий на основе силиката кальция.
5. Пьезокерамические покрытия
Пьезокерамика — это тип сегнетоэлектриков с превосходными пьезоэлектрическими свойствами. Это информационные функциональные керамические материалы, которые преобразуют механические свойства и электрическую энергию друг в друга. Помимо пьезоэлектрического эффекта, пьезокерамика также обладает диэлектрическими и сегнетоэлектрическими свойствами. Они широко используются в различных областях, таких как медицинская визуализация, акустические датчики, акустические преобразователи, ультразвуковые двигатели и дисплеи. В последние годы все больше внимания уделяется получению пьезокерамических покрытий с помощью технологии напыления.
Делиться:
MIM 4605 против MIM 4140
Поток процедур MIM