Керамические покрытия из глинозема, ценящиеся за свою высокую твердость, -стойкость к высоким температурам, коррозионную стойкость и электроизоляцию, стали незаменимыми материалами для защиты поверхности в экстремальных условиях в таких областях, как аэрокосмическая, нефтехимическая и механическая электроника. В частности, с развитием высокотехнологичного-оборудования, рассчитанного на более высокие нагрузки, скорости и температуры, комплексные требования к эксплуатационным характеристикам покрытий из оксида алюминия становятся все более строгими. Однако при подготовке и нанесении покрытий из оксида алюминия уже давно существует основная проблема: присущая им хрупкость, чувствительность к концентрации напряжений и несоответствие коэффициента теплового расширения металлическим подложкам. В сочетании с характеристиками быстрого плавления и затвердевания в процессах термического напыления эти факторы легко приводят к остаточным растягивающим напряжениям внутри покрытия, что делает его очень склонным к растрескиванию и, как следствие, ухудшает его защитные характеристики. Что еще более важно, при термическом ударе или механической нагрузке микротрещины могут распространяться и соединяться, что в конечном итоге приводит к растрескиванию и разрушению покрытия.
Таким образом, подавление возникновения трещин и повышение ударной вязкости покрытий из оксида алюминия является не только центральной темой исследований в области технологий термического напыления, но и ключевым условием для возможности их применения в еще более сложных условиях. В этой статье представлены методы предотвращения трещин и повышения ударной вязкости покрытий из оксида алюминия с четырех сторон: свойства напыляемого порошка, разработка состава покрытия, оптимизация процесса напыления и контроль структуры покрытия.
I. Свойства распыляемого порошка: источник контроля дефектов
Физико-химические свойства напыляемого порошка, являющегося «сырьем» для покрытия, фундаментально определяют микроструктуру покрытия и склонность к образованию дефектов. Поэтому подавление трещин необходимо начинать с выбора и оптимизации порошка.
01 Контроль и оптимизация размера частиц
Как правило, более мелкие частицы оксида алюминия могут лучше заполнять поры покрытия во время напыления, уменьшая пористость и создавая более плотные покрытия с относительно высокой износостойкостью и механическими свойствами. Таким образом, с точки зрения размеров частиц предпочтительным является более мелкий нано-оксид алюминия. Однако слишком мелкие частицы создают две основные проблемы: во-первых, инерция нанопорошков очень мала; при ударе о подложку им не хватает кинетической энергии для эффективного прилипания, что приводит к очень низкой эффективности осаждения. Во-вторых, нанопорошки имеют большую удельную поверхность и высокую поверхностную энергию, что делает их склонными к агломерации. Это приводит к плохой текучести, затрудненной доставке и неравномерному распылению, что потенциально может привести к локальной недостаточной твердости или износостойкости или к созданию зон концентрации напряжений, которые влияют на общие характеристики покрытия.
Поэтому при использовании нанопорошков для распыления можно использовать процесс «вторичной грануляции». Это предполагает использование связующего для формирования более крупных частиц с определенным распределением размеров и формы, улучшения сыпучести, облегчения транспортировки и осаждения порошка во время распыления, а также повышения эффективности осаждения.
02 Выбор морфологии
Сферические порошки оксида алюминия правильной формы и хорошей сыпучести могут равномерно распределяться во время распыления, образуя плотные структуры покрытия с гладкой поверхностью, низкой пористостью и отличными защитными характеристиками. Напротив, порошки оксида алюминия неправильной формы имеют тенденцию упаковываться более рыхло, что потенциально приводит к более высокой пористости и влияет на плотность и целостность покрытия. Кроме того, из-за неравномерного распределения порошки неправильной формы могут создавать точки концентрации напряжений внутри покрытия, что приводит к отслоению частиц во время износа и снижению износостойкости. Поэтому для практического применения следует отдавать предпочтение сферическим или близким к -сферическим порошкам с хорошей сыпучестью и высокой кажущейся плотностью.
03 Влияние фазового состава
Глинозем имеет до 12 полиморфов, наиболее распространенными из которых являются -Al2O3, -Al2O3, -Al2O3 и θ-Al2O3. Среди них -Al2O3, принадлежащий к тригональной кристаллической системе, является наиболее стабильной структурой среди различных полиморфных модификаций. Остальные представляют собой переходные фазы оксида алюминия, которые представляют собой низкотемпературные кристаллические формы. Как правило, покрытия, состоящие в основном из фазы -Al2O3, обладают хорошей прочностью и износостойкостью.
II. Coating Design: Achieving a 1+1>2 Эффект ужесточения
Присущая одиночному покрытию оксида алюминия хрупкость является его внутренней слабостью. Вводя вторую фазу в матрицу оксида алюминия, добавляя следовые модифицирующие элементы или оптимизируя структуру покрытия, можно значительно изменить напряженное состояние и поведение покрытия при разрушении, достигая эффекта упрочнения, когда «1+1 > 2».
01 Дизайн состава покрытия
Помимо введения фазы -Al2O3, в зависимости от конкретных требований применения для приготовления композиционных покрытий можно добавлять и другие компоненты, не-оксид алюминия. Например, примечательные недавние примеры композитных покрытий на основе оксида алюминия включают системы Al2O3-TiO2 и Al2O3-ZrO2.
Более того, незначительные добавки редкоземельных элементов (таких как La2O3, CeO2) часто позволяют добиться значительного эффекта при минимальных количествах. В первую очередь они работают за счет улучшения микроструктуры покрытия, что может увеличить плотность покрытия и улучшить межфазное соединение. В конечном итоге это приводит к заметному улучшению механических свойств покрытия, таких как прочность, ударная вязкость и твердость, а также его практических характеристик с точки зрения износостойкости, коррозионной стойкости и термостойкости.
02 Проектирование структуры покрытия
Несоответствие коэффициентов теплового расширения керамических материалов и металлических подложек является основной причиной растрескивания покрытия во время эксплуатации. Разработка многослойных композиционных покрытий, состоящих из нескольких слоев с разными свойствами, или функционально градуированных покрытий, в которых состав материала, структура, плотность и функции непрерывно изменяются от подложки к поверхности покрытия, может снизить термическое напряжение, вызванное различиями в теплофизических свойствах материалов, тем самым снижая риск растрескивания.
III. Оптимизация процесса распыления: контроль процесса является ключевым моментом
Порошок претерпевает ряд сложных физических изменений в струе пламени, включая нагрев, ускорение, плавление, удар, сплющивание и затвердевание. Незначительные колебания параметров процесса могут привести к значительным изменениям качества покрытия.
01 Предварительная обработка основания
Перед распылением на поверхности подложки можно создать равномерную, чистую и высококлейкую микро/нано-структуру. Точный контроль шероховатости и профиля, а также отсутствие на поверхности подложки масла, оксидов и других примесей повышает прочность и консистенцию склеивания, снижая риск растрескивания.
02 Оптимизация параметров процесса
Параметры процесса распыления напрямую определяют температуру и скорость частиц порошка в струе пламени, что впоследствии влияет на морфологию сплющенных частиц и дефектов покрытия. Исследования показывают, что наиболее плотные покрытия достигаются, когда порошки полностью расплавляются без перегрева; полу-расплавленные или перегретые состояния имеют тенденцию увеличивать пористость и количество дефектов. Примечательно, что перегрев может привести к образованию продольных трещин, что является основной причиной ухудшения характеристик покрытия. Таким образом, параметры процесса, такие как мощность распыления, скорость потока первичного газа, скорость подачи порошка, расстояние распыления и скорость распыления, требуют постоянной экспериментальной корректировки, чтобы соответствовать распыляемому порошку и достигать идеального состояния «полностью расплавленного, но не перегретого». Кроме того, для точного управления процессом можно использовать онлайн-мониторинг-температуры и скорости частиц в полете.
03 Применение новых методов распыления
Помимо традиционного атмосферно-плазменного напыления (APS), новые технологии распыления открывают больше возможностей для изготовления более прочных покрытий. Например, детонационное напыление использует энергию взрыва горючих газов для получения очень плотных покрытий с низкой пористостью, прочной адгезией к подложке и гладкой поверхностью, пригодных для напыления металлокерамики, оксидов и специальных металлических сплавов. По сравнению с традиционным APS, сверхзвуковое плазменное напыление в атмосфере (SAPS) или плазменное напыление низкого- давления (LPPS) позволяет получить более плотные покрытия с более высокой прочностью сцепления и меньшим образованием трещин.
04 Сообщение-Методы лечения
Лазерный переплав — эффективный метод устранения дефектов покрытия. Использование высокоэнергетического лазерного луча для быстрого плавления и повторного затвердевания-напыленного покрытия позволяет гомогенизировать и уплотнить структуру покрытия, устранить слоистую морфологию, а также улучшить прочность сцепления и устойчивость к растрескиванию. Однако из-за различий в теплофизических свойствах материалов и большого градиента температуры в ванне расплава во время лазерного переплава оптимизация таких параметров, как мощность лазера и скорость сканирования, имеет решающее значение, чтобы избежать возникновения новых термических напряжений и трещин. Кроме того, герметизирующая обработка может заполнить поры и микротрещины внутри покрытия, повышая его плотность и непроницаемость, а также уменьшая возможность распространения трещин.