Керамичните покрития от алуминиев оксид, ценени заради високата си твърдост, устойчивост на високи -температури, устойчивост на корозия и електрическа изолация, се превърнаха в незаменими материали за повърхностна защита при екстремни условия в области като космическата промишленост, нефтохимията и механичната електроника. Особено с развитието на-оборудване от висок клас за по-високи натоварвания, скорости и температури, всеобхватните изисквания за ефективност на покритията от алуминиев оксид стават все по-строги. Въпреки това, едно основно предизвикателство отдавна измъчва подготовката и нанасянето на покрития от алуминиев оксид: тяхната присъща крехкост, чувствителност към концентрация на напрежение и несъответствие на коефициента на термично разширение с метални субстрати. В съчетание с характеристиките на бързото топене и втвърдяване на процесите на термично пръскане, тези фактори лесно водят до остатъчно напрежение на опън в покритието, което го прави силно предразположено към напукване и следователно влошава защитните му характеристики. По-критично е, че при термичен шок или механично натоварване, микропукнатините могат да се разпространят и да се свържат, като в крайна сметка причиняват счупване и повреда на покритието.
Следователно, потискането на образуването на пукнатини и постигането на заздравяване на покритията от алуминиев оксид е не само централна тема в изследванията на технологиите за термично пръскане, но и ключова предпоставка за позволяване на тяхното приложение в още по-взискателни среди. Тази статия въвежда методи за избягване на пукнатини и постигане на устойчивост на покрития от алуминиев оксид от четири измерения: свойства на напръскан прах, дизайн на състава на покритието, оптимизиране на процеса на пръскане и контрол на структурата на покритието.
I. Свойства на спрей праха: източникът на контрол на дефектите
Като "суровина" за покритието, физикохимичните свойства на праха за пръскане основно определят микроструктурата на покритието и склонността към образуване на дефекти. Следователно, потискането на пукнатини трябва да започне с избора и оптимизирането на праха.
01 Контрол и оптимизиране на размера на частиците
Като цяло, по-малките частици алуминиев оксид могат по-добре да запълнят порите на покритието по време на пръскане, намалявайки порьозността и благоприятствайки по-плътните покрития с относително висока устойчивост на износване и механични свойства. По този начин алуминиевият оксид с по-фини нано-размери е за предпочитане по отношение на размерите на частиците. Прекомерно фините частици обаче представляват два основни проблема: Първо, инерцията на нанопраховете е много ниска; при удар върху субстрата им липсва достатъчно кинетична енергия, за да се залепят ефективно, което води до много ниска ефективност на отлагане. Второ, нанопраховете имат голяма специфична повърхност и висока повърхностна енергия, което ги прави склонни към агломерация. Това води до лоша течливост, затруднено доставяне и неравномерно пръскане, потенциално причинявайки локализирана недостатъчна твърдост или устойчивост на износване, или създавайки зони с концентрация на напрежение, които влияят на цялостното представяне на покритието.
Следователно, когато се използват нанопрахове за пръскане, може да се използва процес на "вторично гранулиране". Това включва използване на свързващо вещество за образуване на по-големи частици със специфично разпределение на размера и форма, подобряване на течливостта, улесняване на транспортирането и отлагането на прах по време на пръскане и повишаване на ефективността на отлагане.
02 Избор на морфология
Сферичните прахове от двуалуминиев оксид с правилни форми и добра течливост могат да се разпространяват равномерно по време на пръскане, образувайки плътни покривни структури с гладки повърхности, ниска порьозност и отлични защитни характеристики. Обратно, праховете от неправилен двуалуминиев оксид са склонни да се опаковат по-свободно, което потенциално води до по-голяма порьозност и засяга плътността и целостта на покритието. Освен това, поради неравномерна дисперсия, неравномерните прахове могат да създадат точки на концентрация на напрежение в покритието, което води до отделяне на частици по време на износване и намаляване на устойчивостта на износване. Следователно, за практически приложения трябва да се даде приоритет на сферични или почти -сферични прахове с добра течливост и висока привидна плътност.
03 Влияние на фазовия състав
Двуалуминиевият оксид има до 12 полиморфа, като общите включват -Al2O3, -Al2O3, -Al2O3 и θ-Al2O3. Сред тях -Al2O3, принадлежащ към тригоналната кристална система, е най-стабилната структура сред различните полиморфи. Другите са преходни фази на двуалуминиевия оксид, които са кристални форми при ниска-температура. Като цяло покритията, съставени основно от фазата -Al2O3, показват добра якост и устойчивост на износване.
II. Coating Design: Achieving a 1+1>2 Втвърдяващ ефект
Присъщата крехкост на едно покритие от двуалуминиев оксид е неговата присъща слабост. Чрез въвеждане на втора фаза в алуминиевата матрица, добавяне на следи от модифициращи елементи или оптимизиране на структурата на покритието, състоянието на напрежение и поведението на счупване на покритието може да бъде значително променено, постигайки ефект на заздравяване, когато "1+1 > 2".
01 Дизайн на състава на покритието
Освен въвеждането на фазата -Al2O3, други не-компоненти от алуминиев оксид могат да бъдат добавени въз основа на специфични изисквания за приложение за приготвяне на композитни покрития. Например, забележителни скорошни примери за композитни покрития от алуминиев оксид включват системите Al2O3-TiO2 и Al2O3-ZrO2.
Освен това добавянето на следи от редкоземни елементи (като La2O3, CeO2) често може да постигне значителни ефекти с минимални количества. Те работят предимно чрез подобряване на микроструктурата на покритието, което може да увеличи плътността на покритието и да подобри междуфазното свързване. В крайна сметка това води до забележими подобрения в механичните свойства на покритието като здравина, издръжливост и твърдост, както и практическото му представяне по отношение на устойчивост на износване, устойчивост на корозия и устойчивост на термичен удар.
02 Дизайн на структурата на покритието
Несъответствието на коефициента на топлинно разширение между керамичните материали и металните субстрати е основна причина за напукване на покритието по време на експлоатация. Проектирането на много-слойни композитни покрития, съставени от няколко слоя с различни свойства, или функционално степенувани покрития, при които съставът на материала, структурата, плътността и функцията се променят непрекъснато от субстрата до повърхността на покритието, може да облекчи топлинния стрес, причинен от разликите в термофизичните свойства между материалите, като по този начин намалява риска от напукване.
III. Оптимизиране на процеса на пръскане: Контролът на процеса е ключов
Прахът претърпява поредица от сложни физически промени в пламъчната струя, включително нагряване, ускорение, топене, удар, сплескване и втвърдяване. Незначителните колебания в параметрите на процеса могат да доведат до значителни промени в качеството на покритието.
01 Предварителна обработка на субстрата
Преди пръскане върху повърхността на субстрата може да се създаде правилна, чиста и силно залепваща микро/нано{0}}структура. Прецизното контролиране на грапавостта и профила и гарантирането, че повърхността на субстрата е без масло, оксиди и други примеси, подобрява здравината на свързване и консистенцията, намалявайки риска от напукване.
02 Оптимизиране на параметрите на процеса
Параметрите на процеса на пръскане директно определят температурата и скоростта на праховите частици в пламъчната струя, като впоследствие влияят върху морфологията на сплесканите частици и дефектите на покритието. Изследванията показват, че най-плътните покрития се постигат, когато праховете са напълно разтопени без прегряване; полу-разтопено или прегрято състояние има тенденция да увеличава порьозността и броя на дефектите. Трябва да се отбележи, че прегряването може да доведе до образуване на надлъжни пукнатини, основна причина за влошаване на характеристиките на покритието. Следователно, параметри на процеса, като мощност на пръскане, първичен газов поток, скорост на подаване на прах, разстояние на пръскане и скорост на пръскане се нуждаят от непрекъснато експериментално регулиране, за да съответстват на праха за пръскане и да се постигне идеалното състояние "напълно разтопено, но не прегрято". Освен това може да се използва онлайн мониторинг на-температурата и скоростта на частиците по време на полет за прецизен контрол на процеса.
03 Прилагане на нови техники за пръскане
Отвъд традиционното атмосферно плазмено пръскане (APS), нововъзникващите технологии за пръскане предлагат повече възможности за приготвяне на закалени покрития. Например, детонационното пръскане използва експлозивната енергия на горими газове за получаване на много плътни покрития с ниска порьозност, силна адхезия към субстрата и гладки повърхности, подходящи за пръскане на металокерамика, оксиди и специални метални сплави. В сравнение с конвенционалния APS, свръхзвуковото атмосферно плазмено пръскане (SAPS) или плазменото пръскане под ниско{2}}налягане (LPPS) може да доведе до по-плътни покрития с по-висока якост на свързване и намалено образуване на пукнатини.
04 Техники за след-лечение
Лазерното претопяване е ефективен метод за намаляване на дефектите на покритието. Използването на високо-енергиен лазерен лъч за бързо стопяване и повторно втвърдяване на -напръсканото покритие може да хомогенизира и уплътни структурата на покритието, да елиминира наслоената морфология и да подобри здравината на свързване и устойчивостта на напукване. Въпреки това, поради разликите в термофизичните свойства на материала и големия температурен градиент в разтопения басейн по време на лазерно претопяване, оптимизирането на параметри като лазерна мощност и скорост на сканиране е от решаващо значение, за да се избегне генерирането на нови топлинни напрежения и пукнатини. Освен това, запечатващите обработки могат да запълнят порите и микропукнатините в покритието, повишавайки неговата плътност и непропускливост и намалявайки възможността за разпространение на пукнатини.