Материалы, использующиеся в методе плазменного напыления

Материалы, использующиеся в методе плазменного напыления

Виноградов А. М.

Виноградов Антон Михайлович / Vinahradau Anton Mihajlovich - магистрант, факультет энергомашиностроения,

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, г. Москва

Аннотация: в статье рассматриваются материалы, использующиеся в плазменном напылении, и их особенности. Внимание уделяется оксидам, боридам, карбидам, керамике и алмазоподобным покрытиям. Abstract: in this article the materials that are sprayed with plasma and their features are reviewed. Attention is paid to oxides, borides, carbides, ceramics and diamond-like coatings.

Ключевые слова: плазма, нанесение покрытий, напыление, обработка поверхности, оксид, борид, керамика, алмазоподобное покрытие, карбид.

Keywords: plasma, coating, spraying, surface treatment, oxide, boride, ceramics, diamond-like coating, carbide.

Исходными технологическими материалами плазменного напыления являются порошки металлов (W, Fe, Мо и его сплавы с Fe, Ti, Si), оксидов, композиционных материалов. Также широко используется напыление боридов, карбидов и алмазоподобных покрытий.

К керамике обычно относят такие соединения, как окислы металлов, бориды, нитриды, силициды, карбиды и др. Керамика является тугоплавким материалом. Наиболее широко используют для напыления окись алюминия, двуокись циркония, карбиды вольфрама, хрома и титана.

Покрытия из оксида алюминия (Al2O3) теплоустойчивы при высоких температурах, обладают теплоизоляционными и электроизоляционными свойствами. Такие покрытия обладают высокой твердостью, износостойкостью и модулем упругости, низким коэффициентом трения и химической устойчивостью. Материал отличается высокой коррозионной стойкостью, устойчив к воздействию большинства органических и неорганических кислот и солей. Негативная сторона комплекса физико-механических свойств A12O3 - самая низкая трещиностойкость в ряду производимых конструкционных керамик [4].

Покрытия из диоксида циркония (ZrO2) устойчивы при тепловых ударах, обладают теплоизоляционными свойствами. Для них характерны высокая жаростойкость и очень низкая теплопроводность. Эти покрытия химически неактивны.

Диоксид циркония - тугоплавкое соединение с преимущественно ионной межатомной связью, существующее в трех кристаллических модификациях - кубической, тетрагональной и моноклинной. Высокие прочность и трещиностойкость диоксида циркония обусловлены трансформационным переходом (полиморфным превращением) метастабильной тетрагональной модификации в стабильную моноклинную [4].

Порошок диоксида титана (TiO2) в напыляемой смеси является легкоплавкой составляющей. Он обладает высокой плотностью, не имеет сквозных пор, чем определяет свои коррозионностойкие свойства. Из-за большой разницы в коэффициентах термического расширения может возникнуть отслаивание покрытия от основы. Для предотвращения этого к оксидам добавляют порошки металлов, например, меди. В практике часто используют смеси порошков окислов с металлами.

Большой интерес представляет возможность применения плазменных оксидных покрытий для защиты деталей машин от абразивного изнашивания, кавитации и коррозионного воздействия агрессивных сред. Однако необходимо пропитывать такие покрытия различными лаками, полимерами для уменьшения пористости.

Бориды тугоплавких металлов имеют высокую температуру плавления и обладают значительной твердостью, однако в окислительной среде при 1573-1773 °К нестойки. В нейтральной и восстановительной атмосферах, а также в вакууме бориды используют как жаропрочные материалы.

Температура плавления карбидов металлов значительно выше температуры плавления самих металлов. Большинство из карбидов обладают высокой жаростойкостью. Даже при высоких температурах их механические характеристики изменяются незначительно. Почти все карбиды обладают хорошей тепло- и электропроводностью. Карбиды бора, кремния, титана, хрома и вольфрама характеризуются высокой твердостью. Их широко используют в качестве износостойких материалов. Карбид вольфрама обладает очень высокой твердостью. Из чистого WC трудно получить покрытие, так как при напылении он легко разлагается. Поэтому используют смесь WC с металлами типа кобальта или порошок WC, плакированный Со (Ni). Карбид вольфрама вводят в самофлюсующиеся сплавы (от 30 до 80 %) [5].

Таблица 1 .Функциональное назначение покрытий [1]

Материал покрытий Характеристика поверхностного слоя, улучшаемая нанесением покрытий

Al2O3, Al-Ni, Cr-B-Ni-Si, Ni-Ti, Mo, СГ2О3, Cr, WC, MgAl2O4 Износостойкость

Al, Al2O3,Cr, Ti, Zn, Cr2O3, Al2O3-TiO2 Коррозионная стойкость

Al2O3,ZrO2, Al-Ni, Mo, ZnB, MgAl2O4 Термостойкость

ZrO2, WC-CO, TiC, &2O3, Cr-B-Ni Эрозионная стойкость

W, Mo, WC, Cr-Ni, MoSi2, MgAl2O4 Жаропрочность

Al-Ni, Ti-Ni, Al2O3, ZrO2 Антисхватывание подвижных узлов

Al2O3,NiSi2, Al-Ni, ZrO2 Теплоизоляция

A^O3, BaTiO3, SiO2, MgO- Al2O3 Электроизоляция

Mo, Ti-Ni, Al, Ni Герметичность соединений

В настоящее время алмазоподобные покрытия (DLC) хорошо зарекомендовали себя во многих областях промышленности. Такие покрытия можно получать при различных температурах на различных материалах (на металлах, керамике, стекле, пластических материалах). Но они довольно сильно подвержены хрупкому разрушению. Это происходит вследствие возникновения внутренних напряжений. С ними следует использовать охлаждающие жидкости, так как их верхний предел рабочей температуры составляет приблизительно всего 250 °С.

Основные свойства покрытий:

о высокая твердость до 60 ГПа, в среднем 20-50 ГПа; о низкий коэффициент трения 0,07-0,3 (для АПП, легированного титаном); о высокая износоустойчивость (интенсивность изнашивания менее 10-9); о плотность 3.4 - 3.6 г/см3.

Получаемые свойства покрытий во многом зависят от выбранного материала для напыления. Из всего спектра доступных материалов особый интерес представляют собой керамические порошковые материалы, такие как А1203, ZrO2, TiO2 и др обладающие низкой электропроводностью и теплопроводностью и значительной механической прочностью при высоких температурах.

Серьезным предметом интереса являются покрытия, полученные на основе керамического порошка из диоксида циркония. Выделяют несколько видов данного порошка [1]:

1. Диоксид циркония моноклинный.

Моноклинный диоксид циркония предназначен для изготовления порошковых композиций, огнеупорных керамических материалов, пьезокерамики, металлических лигатур методами восстановления и др. Выпускается по ТУ 95 2782-2001.

2. Диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия.

Диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, предназначен для изготовления технической керамики, термопокрытий и др. Выпускается по ТУ 344-2000.

3. Порошок для плазменного напыления.

Данный порошок предназначен для нанесения теплозащитных покрытий в авиационной и ракетнокосмической технике, энергоустановок. Выпускается по ТУ 342-2000.

4. Карбонат циркония основной предназначен для производства ацетата циркония и других целей. Кроме возможности получения покрытия из различных материалов - металлов, сплавов, окислов,

карбидов и т. д., плазменное напыление позволяет формировать покрытие из сочетаний материалов, которых трудно добиться другими способами, например: графит-металл, керамика-металл. Если смешиваются металлы и сплавы, то покрытия называются псевдосплавами, если смешиваются окислы (керамика) с металлами, то покрытия имеют название керметов.

Применение таких смесей существенно повышает работоспособность покрытий - термостойкость, ударную вязкость, коррозионную стойкость, износостойкость и т.д. [5].

Литература

1. Цырлин М. И., Родченко Д. А. Концепция комплексного моделирования процесса плазменного напыления покрытий на основе порошковых полимерных материалов. / Новые технологии в машиностроении и вычислительной технике: Труды НТК. Брест: Брестский политехн. ин-т, 1998. С. 73-76.

2. Плазменная обработка материалов: методическое руководство к лабораторным и практическим занятиям по дисциплине «Технология конструкционных материалов и материаловедение» для студентов специальностей 170400, 150200, 230100, 311300, 311400 всех форм обучения: самост. учеб. электрон. изд. / СЛИ; И. В. Боровушкин. - Электрон. дан. (1 файл в формате pdf: 1,2 Мб). - Сыктывкар: СЛИ, 2010. -Режим доступа: http://lib.sfi.komi.com.

3. Атмосферное плазменное напыление. [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL:

http://www.sabaros.ru/sulzermetco/processes/plasma-spray/atmospheric. (Дата обращения: 10.09.2014).

4. Диоксид циркония, оксид алюминия и их соединения. [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL: http://www.virial.ru/materials/95/. (Дата обращения: 10.09.2014).

5. Плазменное напыление. [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL:

http://profdetal.ru/?Tehnologii_XXI:Plazmennoe_napylenie. (Дата обращения: 10.09.2014).

6. Плазменное напыление порошковых покрытий НПФ «Плазмацентр». [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL: http://www.plasmacentre.ru/technology/17.php. (Дата обращения: 14.09.2014).

7. Порошки на основе диоксида циркония. [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL:

http://www.chmz.net/product/keramika. (Дата обращения: 05.09.2014).