Keramičke prevlake od glinice, cijenjene zbog svoje visoke tvrdoće, otpornosti na visoke -temperature, otpornosti na koroziju i električne izolacije, postale su nezamjenjivi materijali za zaštitu površine u ekstremnim uvjetima u područjima poput zrakoplovstva, petrokemije i mehaničke elektronike. Osobito s razvojem vrhunske-opreme prema većim opterećenjima, brzinama i temperaturama, sveobuhvatni zahtjevi za performansama za premaze od glinice sve su stroži. Međutim, glavni izazov dugo je mučio pripremu i primjenu premaza od aluminijevog oksida: njihova inherentna krtost, osjetljivost na koncentraciju naprezanja i neusklađenost koeficijenta toplinske ekspanzije s metalnim podlogama. Zajedno s karakteristikama brzog taljenja i skrućivanja procesa termičkog raspršivanja, ovi čimbenici lako dovode do zaostalog vlačnog naprezanja unutar premaza, čineći ga vrlo sklonim pucanju i posljedično degradirajući njegovu zaštitnu izvedbu. Što je još kritičnije, pod toplinskim udarom ili mehaničkim opterećenjem, mikropukotine se mogu širiti i povezivati, u konačnici uzrokujući pucanje premaza i kvar.
Stoga, suzbijanje nastajanja pukotina i postizanje čvrstoće aluminijevih prevlaka nije samo središnja tema u istraživanju tehnologije termičkog raspršivanja, već i ključni preduvjet za omogućavanje njihove primjene u još zahtjevnijim okruženjima. Ovaj članak predstavlja metode za izbjegavanje pukotina i postizanje čvrstoće u prevlakama od aluminijevog oksida iz četiri dimenzije: svojstva raspršenog praha, dizajn sastava prevlake, optimizacija procesa raspršivanja i kontrola strukture prevlake.
I. Svojstva praha u spreju: izvor kontrole nedostataka
Kao "sirovina" za premaz, fizikalno-kemijska svojstva praha za prskanje temeljno određuju mikrostrukturu premaza i tendenciju stvaranja defekata. Stoga, suzbijanje pukotina mora započeti odabirom i optimizacijom praha.
01 Kontrola i optimizacija veličine čestica
Općenito, manje čestice glinice mogu bolje ispuniti pore premaza tijekom raspršivanja, smanjujući poroznost i favorizirajući gušće premaze s relativno visokom otpornošću na trošenje i mehaničkim svojstvima. Stoga je poželjnija finija glinica nano{1}}veličine u pogledu dimenzija čestica. Međutim, pretjerano fine čestice predstavljaju dva glavna problema: Prvo, inercija nanoprahova je vrlo niska; nakon udarca o podlogu, nedostaje im dovoljna kinetička energija za učinkovito prianjanje, što rezultira vrlo niskom učinkovitošću taloženja. Drugo, nanoprahovi imaju veliku specifičnu površinu i visoku površinsku energiju, što ih čini sklonima aglomeraciji. To dovodi do slabe tečnosti, otežane isporuke i neravnomjernog raspršivanja, potencijalno uzrokujući lokaliziranu nedovoljnu tvrdoću ili otpornost na habanje, ili stvarajući područja koncentracije naprezanja koja utječu na ukupnu izvedbu premaza.
Stoga, kada se koriste nanoprahovi za prskanje, može se primijeniti postupak "sekundarne granulacije". To uključuje korištenje veziva za formiranje većih čestica sa specifičnom raspodjelom veličine i oblika, poboljšavajući protočnost, olakšavajući transport praha i taloženje tijekom raspršivanja i povećavajući učinkovitost taloženja.
02 Odabir morfologije
Kuglasti prah aluminijevog oksida pravilnog oblika i dobre protočnosti može se ravnomjerno širiti tijekom raspršivanja, stvarajući guste strukture premaza s glatkim površinama, niskom poroznošću i izvrsnim zaštitnim svojstvima. Nasuprot tome, nepravilni prah aluminijevog oksida ima tendenciju labavijeg pakiranja, što potencijalno dovodi do veće poroznosti i utječe na gustoću i cjelovitost premaza. Nadalje, zbog neravnomjerne disperzije, nepravilni prahovi mogu stvoriti točke koncentracije naprezanja unutar premaza, što dovodi do odvajanja čestica tijekom trošenja i smanjenja otpornosti na habanje. Stoga, za praktične primjene, treba dati prednost sferičnom ili gotovo -sferičnom prahu s dobrom protočnošću i velikom prividnom gustoćom.
03 Utjecaj faznog sastava
Glinica ima do 12 polimorfa, a uobičajeni su -Al2O3, -Al2O3, -Al2O3 i θ-Al2O3. Među njima, -Al2O3, koji pripada trigonalnom kristalnom sustavu, najstabilnija je struktura među različitim polimorfima. Ostale su prijelazne faze aluminijevog oksida, koje su nisko{17}}temperaturni kristalni oblici. Općenito, premazi koji se prvenstveno sastoje od -Al2O3 faze pokazuju dobru čvrstoću i otpornost na trošenje.
II. Coating Design: Achieving a 1+1>2 Učinak otvrdnjavanja
Inherentna krtost pojedinačne prevlake od aluminijevog oksida je njena intrinzična slabost. Uvođenjem druge faze u matricu aluminijevog oksida, dodavanjem elemenata za modificiranje tragova ili optimiziranjem strukture premaza, stanje naprezanja i ponašanje premaza pri lomu mogu se značajno promijeniti, postižući učinak očvršćavanja gdje je "1+1 > 2".
01 Dizajn sastava premaza
Osim uvođenja faze -Al2O3, druge komponente koje nisu-aluminijev oksid mogu se dodati na temelju specifičnih zahtjeva primjene za pripremu kompozitnih premaza. Na primjer, značajni nedavni primjeri kompozitnih premaza od aluminijevog oksida uključuju sustave Al2O3-TiO2 i Al2O3-ZrO2.
Nadalje, dodaci elemenata rijetke zemlje u tragovima (kao što su La2O3, CeO2) često mogu postići značajne učinke s minimalnim količinama. Oni prvenstveno djeluju poboljšavajući mikrostrukturu premaza, što može povećati gustoću premaza i poboljšati međupovršinsko spajanje. U konačnici, to dovodi do primjetnih poboljšanja mehaničkih svojstava premaza kao što su čvrstoća, žilavost i tvrdoća, kao i njegove praktične izvedbe u smislu otpornosti na trošenje, otpornosti na koroziju i otpornosti na toplinski udar.
02 Dizajn strukture premaza
Neusklađenost koeficijenta toplinske ekspanzije između keramičkih materijala i metalnih podloga primarni je razlog za pucanje premaza tijekom rada. Projektiranje više-slojnih kompozitnih premaza koji se sastoje od nekoliko slojeva s različitim svojstvima ili funkcionalno stupnjevanih premaza gdje se sastav materijala, struktura, gustoća i funkcija kontinuirano mijenjaju od podloge do površine premaza, može ublažiti toplinski stres uzrokovan razlikama u termofizičkim svojstvima između materijala, čime se smanjuje rizik od pucanja.
III. Optimizacija procesa prskanja: kontrola procesa je ključna
Prah prolazi niz složenih fizičkih promjena u plamenom mlazu, uključujući zagrijavanje, ubrzanje, taljenje, udar, spljoštenje i skrućivanje. Manje fluktuacije u procesnim parametrima mogu dovesti do značajnih varijacija u kvaliteti premaza.
01 Predtretman podloge
Prije raspršivanja, na površini podloge može se stvoriti pravilna, čista i visoko ljepljiva mikro/nano{0}}struktura. Precizna kontrola hrapavosti i profila, te osiguravanje da površina podloge ne sadrži ulje, okside i druge nečistoće, povećava snagu i postojanost lijepljenja, smanjujući rizik od pucanja.
02 Optimizacija parametara procesa
Parametri procesa raspršivanja izravno određuju temperaturu i brzinu čestica praha u plamenom mlazu, naknadno utječući na morfologiju spljoštenih čestica i oštećenja premaza. Istraživanja pokazuju da se najgušći premazi postižu kada se prah potpuno otopi bez pregrijavanja; polu-taljeno ili pregrijano stanje ima tendenciju povećanja poroznosti i broja nedostataka. Značajno je da pregrijavanje može dovesti do stvaranja uzdužnih pukotina, primarnog uzroka degradacije svojstava premaza. Stoga, procesni parametri kao što su snaga raspršivanja, brzina protoka primarnog plina, brzina dodavanja praha, udaljenost raspršivanja i brzina raspršivanja trebaju kontinuirano eksperimentalno prilagođavanje kako bi odgovarali prašku za raspršivanje i postiglo idealno stanje "potpuno otopljeno, ali ne pregrijano". Dodatno, online praćenje temperature i brzine čestica u-letu može se koristiti za preciznu kontrolu procesa.
03 Primjena novih tehnika prskanja
Osim tradicionalnog atmosferskog plazma raspršivanja (APS), nove tehnologije raspršivanja nude više mogućnosti za pripremu ojačanih premaza. Na primjer, detonacijsko raspršivanje koristi eksplozivnu energiju zapaljivih plinova za proizvodnju vrlo gustih premaza niske poroznosti, jakog prianjanja na podlogu i glatkih površina, pogodnih za raspršivanje kermeta, oksida i posebnih metalnih legura. U usporedbi s konvencionalnim APS-om, nadzvučno atmosfersko plazma raspršivanje (SAPS) ili nisko{2}}plazma raspršivanje (LPPS) može dati gušće premaze s većom čvrstoćom veze i smanjenim stvaranjem pukotina.
04 Post{1}}Tehnike liječenja
Lasersko pretaljivanje je učinkovita metoda za ublažavanje nedostataka premaza. Korištenje-laserske zrake visoke energije za brzo taljenje i ponovno stvrdnjavanje-naprskanog premaza može homogenizirati i zgusnuti strukturu premaza, eliminirati slojevitu morfologiju i poboljšati snagu veze i otpornost na pukotine. Međutim, zbog razlika u termofizičkim svojstvima materijala i velikog temperaturnog gradijenta u bazenu rastaljevine tijekom laserskog ponovnog taljenja, optimizacija parametara poput snage lasera i brzine skeniranja ključna je kako bi se izbjeglo stvaranje novih toplinskih naprezanja i pukotina. Dodatno, tretmani za brtvljenje mogu ispuniti pore i mikropukotine unutar premaza, povećavajući njegovu gustoću i nepropusnost te smanjujući mogućnost širenja pukotina.