Keramiske aluminiumoxidbelægninger, der er værdsat for deres høje hårdhed, høje-temperaturbestandighed, korrosionsbestandighed og elektriske isolering, er blevet uundværlige overfladebeskyttelsesmaterialer under ekstreme forhold på tværs af områder som rumfart, petrokemikalier og mekanisk elektronik. Især med udviklingen af høj-udstyr mod højere belastninger, hastigheder og temperaturer bliver de omfattende ydeevnekrav til aluminiumoxidbelægninger stadig strengere. En kerneudfordring har dog længe plaget forberedelsen og påføringen af aluminiumoxidbelægninger: deres iboende skørhed, følsomhed over for spændingskoncentration og uoverensstemmelse mellem termisk udvidelseskoefficient og metalsubstrater. Sammen med de hurtige smeltnings- og størkningsegenskaber ved termiske sprøjteprocesser fører disse faktorer let til resterende trækspænding i belægningen, hvilket gør den meget tilbøjelig til at revne og dermed forringe dens beskyttende ydeevne. Mere kritisk, under termisk chok eller mekanisk belastning, kan mikrorevner forplante sig og forbinde, hvilket i sidste ende forårsager belægningsspallering og svigt.
Derfor er undertrykkelse af revneinitiering og opnåelse af hærdning af aluminiumoxidbelægninger ikke kun et centralt emne inden for termisk sprayteknologiforskning, men også en vigtig forudsætning for at muliggøre deres anvendelse i endnu mere krævende miljøer. Denne artikel introducerer metoder til at undgå revner og opnå sejhed i aluminiumoxidbelægninger fra fire dimensioner: sprøjtepulveregenskaber, design af belægningssammensætning, optimering af sprøjteprocesser og styring af belægningsstruktur.
I. Spraypulveregenskaber: Kilden til defektkontrol
Som "råmaterialet" til belægningen bestemmer sprøjtepulverets fysisk-kemiske egenskaber fundamentalt belægningens mikrostruktur og defektdannelsestendens. Derfor skal revnedæmpning begynde med udvælgelsen og optimeringen af pulveret.
01 Kontrol og optimering af partikelstørrelse
Generelt kan mindre aluminiumoxidpartikler bedre fylde belægningsporerne under sprøjtning, hvilket reducerer porøsiteten og favoriserer tættere belægninger med relativt høj slidstyrke og mekaniske egenskaber. Derfor er finere aluminiumoxid i nano-størrelse at foretrække med hensyn til partikeldimensioner. Men alt for fine partikler giver to hovedproblemer: For det første er inertien af nanopulver meget lav; ved påvirkning af substratet mangler de tilstrækkelig kinetisk energi til at klæbe effektivt, hvilket resulterer i meget lav afsætningseffektivitet. For det andet har nanopulvere et stort specifikt overfladeareal og høj overfladeenergi, hvilket gør dem tilbøjelige til agglomeration. Dette fører til dårlig flydeevne, vanskelig levering og ujævn sprøjtning, hvilket potentielt forårsager lokal utilstrækkelig hårdhed eller slidstyrke eller skaber spændingskoncentrationsområder, der påvirker belægningens generelle ydeevne.
Derfor kan en "sekundær granuleringsproces" anvendes ved brug af nanopulvere til sprøjtning. Dette involverer at bruge et bindemiddel til at danne større partikler med en specifik størrelsesfordeling og form, forbedre flydeevnen, lette pulvertransport og aflejring under sprøjtning og forbedre afsætningseffektiviteten.
02 Morfologivalg
Kugleformede aluminiumoxidpulvere med regelmæssige former og god flydeevne kan spredes ensartet under sprøjtning og danner tætte belægningsstrukturer med glatte overflader, lav porøsitet og fremragende beskyttende ydeevne. I modsætning hertil har uregelmæssige aluminiumoxidpulvere en tendens til at pakkes mere løst, hvilket potentielt fører til højere porøsitet og påvirker belægningens tæthed og integritet. På grund af ujævn spredning kan uregelmæssige pulvere desuden skabe stresskoncentrationspunkter i belægningen, hvilket fører til partikelløsnelse under slid og reducerer slidstyrken. Til praktiske anvendelser bør sfæriske eller næsten-sfæriske pulvere med god flydeevne og høj tilsyneladende tæthed derfor prioriteres.
03 Fasesammensætning Indflydelse
Aluminiumoxid har op til 12 polymorfer, med almindelige, herunder -Al2O3, -Al2O3, -Al2O3 og θ-Al2O3. Blandt disse er -Al2O3, der tilhører det trigonale krystalsystem, den mest stabile struktur blandt de forskellige polymorfer. De andre er overgangsfaser af aluminiumoxid, som er krystallinske-lavtemperaturformer. Generelt udviser belægninger, der primært består af -Al2O3-fasen, god styrke og slidstyrke.
II. Coating Design: Achieving a 1+1>2 Forstærkende effekt
Den iboende skørhed af en enkelt aluminiumoxidbelægning er dens iboende svaghed. Ved at indføre en anden fase i aluminiumoxidmatricen, tilføje spormodificerende elementer eller optimere belægningsstrukturen, kan spændingstilstanden og brudadfærden af belægningen ændres væsentligt, hvilket opnår en hærdende effekt, hvor "1+1 > 2".
01 Coating Composition Design
Udover at introducere -Al2O3-fasen, kan andre ikke-aluminiumoxidkomponenter tilføjes baseret på specifikke anvendelseskrav til fremstilling af kompositbelægninger. For eksempel omfatter bemærkelsesværdige nylige eksempler på aluminiumoxidkompositbelægninger Al2O3-TiO2- og Al2O3-ZrO2-systemer.
Desuden kan sportilsætninger af sjældne jordarters grundstoffer (såsom La2O3, CeO2) ofte opnå betydelige effekter med minimale mængder. De virker primært ved at forbedre belægningens mikrostruktur, hvilket kan øge belægningsdensiteten og forbedre grænsefladebindingen. I sidste ende fører dette til mærkbare forbedringer i belægningens mekaniske egenskaber som styrke, sejhed og hårdhed, såvel som dens praktiske ydeevne med hensyn til slidstyrke, korrosionsbestandighed og termisk stødbestandighed.
02 Design af belægningsstruktur
Den termiske udvidelseskoefficient uoverensstemmelse mellem keramiske materialer og metalsubstrater er en primær årsag til, at belægningen revner under brug. Design af flerlags kompositbelægninger sammensat af flere lag med forskellige egenskaber, eller funktionelt graderede belægninger, hvor materialesammensætning, struktur, tæthed og funktion ændres kontinuerligt fra underlaget til belægningsoverfladen, kan afhjælpe den termiske spænding forårsaget af forskelle i termofysiske egenskaber mellem materialer og derved reducere risikoen for revner.
III. Sprøjteprocesoptimering: Proceskontrol er nøglen
Pulveret gennemgår en række komplekse fysiske ændringer i flammestrålen, herunder opvarmning, acceleration, smeltning, stød, udfladning og størkning. Mindre udsving i procesparametre kan føre til betydelige variationer i belægningskvaliteten.
01 Forbehandling af underlag
Før sprøjtning kan der skabes en almindelig, ren og stærkt klæbende mikro/nano-struktur på underlagets overflade. Præcis kontrol af ruheden og profilen og sikring af, at underlagets overflade er fri for olie, oxider og andre urenheder, forbedrer bindingsstyrken og konsistensen, hvilket reducerer risikoen for revner.
02 Procesparameteroptimering
Sprayprocesparametre bestemmer direkte temperaturen og hastigheden af pulverpartikler i flammestrålen, hvilket efterfølgende påvirker morfologien af fladtrykte partikler og belægningsfejl. Forskning viser, at de tætteste belægninger opnås, når pulvere smeltes fuldstændigt uden overophedning; semi-smeltede eller overophedede tilstande har en tendens til at øge porøsiteten og antallet af defekter. Især kan overophedning føre til dannelsen af langsgående revner, en primær årsag til forringelse af belægningens ydeevne. Derfor kræver procesparametre såsom sprøjteeffekt, primær gasstrømningshastighed, pulvertilførselshastighed, sprøjteafstand og sprøjtehastighed kontinuerlig eksperimentel justering for at matche sprøjtepulveret og opnå den ideelle "fuldstændig smeltet, men ikke overophedet" tilstand. Derudover kan onlineovervågning af-partikeltemperatur og -hastighed under flyvning bruges til præcis processtyring.
03 Anvendelse af nye sprøjteteknikker
Ud over traditionel atmosfærisk plasmasprøjtning (APS) tilbyder nye sprøjteteknologier flere muligheder for at forberede hærdede belægninger. For eksempel udnytter detonationssprøjtning den eksplosive energi fra brændbare gasser til at producere meget tætte belægninger med lav porøsitet, stærk substratadhæsion og glatte overflader, velegnet til sprøjtning af cermets, oxider og specielle metallegeringer. Sammenlignet med konventionel APS kan supersonisk atmosfærisk plasmasprøjtning (SAPS) eller lav-plasmasprøjtning (LPPS) give tættere belægninger med højere bindingsstyrke og reduceret revnedannelse.
04 Efter-behandlingsteknikker
Laseromsmeltning er en effektiv metode til at afbøde belægningsfejl. Brug af en høj-laserstråle til hurtigt at smelte og genstørkne den som-sprøjtede belægning kan homogenisere og fortætte belægningsstrukturen, eliminere den lagdelte morfologi og forbedre bindingsstyrken og revnemodstanden. På grund af forskelle i materialets termofysiske egenskaber og den store temperaturgradient i den smeltede pool under laseromsmeltning er optimering af parametre som lasereffekt og scanningshastighed afgørende for at undgå at generere nye termiske spændinger og revner. Derudover kan tætningsbehandlinger fylde porer og mikrorevner i belægningen, hvilket øger dens tæthed og uigennemtrængelighed og reducerer muligheden for sprækkeudbredelse.