Tepelné stříkání - Thermal spraying
Tepelné postřikové techniky jsou procesy nanášení, při nichž se roztavené (nebo zahřáté) materiály stříkají na povrch. „Surovina“ (prekurzor povlaku) se ohřívá elektrickými (plazmovými nebo obloukovými) nebo chemickými prostředky (spalovací plamen).
Tepelné stříkání může poskytnout silné povlaky (rozsah přibližně tloušťky je 20 mikronů až několik mm, v závislosti na procesu a surovině), na velké ploše při vysoké rychlosti nanášení ve srovnání s jinými procesy nanášení, jako je galvanické pokovování , fyzikální a chemické napařování . Nátěrové materiály dostupné pro tepelné stříkání zahrnují kovy, slitiny, keramiku, plasty a kompozity. Jsou přiváděny ve formě prášku nebo drátu, zahřívány do roztaveného nebo polotaveného stavu a urychlovány směrem k substrátům ve formě částic velikosti mikrometru. Jako zdroj energie pro tepelné stříkání se obvykle používá spalování nebo elektrický obloukový výboj. Výsledné povlaky jsou vytvořeny nahromaděním mnoha stříkaných částic. Povrch se nemusí výrazně zahřívat, což umožňuje povlékání hořlavých látek.
Kvalita nátěru se obvykle posuzuje měřením jeho pórovitosti , obsahu oxidů , makro a mikrotvrdosti , pevnosti spoje a drsnosti povrchu . Obecně se kvalita povlaku zvyšuje se zvyšujícími se rychlostmi částic.
Variace
Rozlišuje se několik variant tepelného stříkání:
- Plazmové stříkání
- Detonační postřik
- Postřik elektrickým obloukem
- Postřik plamenem
- Vysokorychlostní stříkání kyslíkovým palivem (HVOF)
- Vysokorychlostní vzduchové palivo (HVAF)
- Teplý postřik
- Postřik za studena
- Postřik a pojistka
V klasických (vyvinutých v letech 1910 až 1920), ale stále široce používaných procesech, jako je stříkání plamenem a stříkání elektrickým obloukem, jsou rychlosti částic obecně nízké (<150 m/s) a suroviny musí být roztaveny, aby se mohly ukládat. Plazmové stříkání, vyvinuté v 70. letech minulého století, využívá vysokoteplotní plazmový paprsek generovaný obloukovým výbojem s typickými teplotami> 15 000 K, což umožňuje stříkat žáruvzdorné materiály, jako jsou oxidy, molybden atd.
Přehled systému
Typický tepelný stříkací systém se skládá z následujících:
- Stříkací hořák (nebo stříkací pistole) - základní zařízení provádějící tavení a zrychlování ukládaných částic
- Podavač - pro dodávání prášku , drátu nebo kapaliny do hořáku trubkami.
- Dodávka médií - plyny nebo kapaliny pro vytváření plamene nebo plazmového paprsku, plyny pro přenášení prášku atd.
- Robot/Práce - pro manipulaci s hořákem nebo substráty, které mají být potaženy
- Napájení - často samostatné pro pochodeň
- Ovládací konzoly - integrované nebo individuální pro všechny výše uvedené
Proces detonačního tepelného postřiku
Detonační pistole se skládá z dlouhé vodou chlazené hlavně se vstupními ventily pro plyny a prášek. Kyslík a palivo (nejběžnější acetylen) jsou přiváděny do sudu spolu se vsázkou prášku. K zapálení plynné směsi se používá jiskra a výsledná detonace zahřívá a zrychluje prach barelem na nadzvukovou rychlost. Po každé detonaci se k očištění hlavně použije puls dusíku. Tento proces se opakuje mnohokrát za sekundu. Vysoká kinetická energie částic horkého prášku při nárazu na substrát má za následek nahromadění velmi hustého a silného povlaku. Povlak ulpívá na mechanickém spojení, které je důsledkem deformace základního substrátu obalujícího rozstřikované částice po vysokorychlostním nárazu.
Plazmové stříkání
Při procesu plazmového postřiku se do plazmového paprsku zavádí nanesený materiál (surovina) - typicky jako prášek , někdy jako kapalina , suspenze nebo drát, vycházející z plazmového hořáku . V paprsku, kde je teplota řádově 10 000 K, se materiál roztaví a pohání směrem k substrátu. Roztavené kapičky se tam zplošťují, rychle tuhnou a tvoří nános. Usazeniny obvykle zůstávají přilnavé k podkladu jako povlaky; Volně stojící části lze také vyrobit odstraněním podkladu. Existuje velké množství technologických parametrů, které ovlivňují interakci částic s plazmovým paprskem a substrátem, a tedy vlastnosti ukládání. Mezi tyto parametry patří typ suroviny, složení plazmatického plynu a průtok, vstup energie, vzdálenost odsazení hořáku, chlazení substrátu atd.
Vlastnosti vkladu
Ložiska se skládají z množství palačinkovitých „výronků“ zvaných lamely , vytvořených zploštěním kapiček kapaliny. Protože práškové suroviny mají typicky velikosti od mikrometrů do více než 100 mikrometrů, mají lamely tloušťku v mikrometrovém rozsahu a boční rozměr od několika do stovek mikrometrů. Mezi těmito lamelami jsou malé dutiny, jako jsou póry, praskliny a oblasti neúplného spojení. V důsledku této jedinečné struktury mohou mít usazeniny vlastnosti výrazně odlišné od sypkých materiálů. Obvykle se jedná o mechanické vlastnosti, jako je nižší pevnost a modul , vyšší tolerance deformace a nižší tepelná a elektrická vodivost . Také vzhledem k rychlému tuhnutí , metastabilní fáze mohou být přítomny na ložiskách.
Aplikace
Tato technika se většinou používá k výrobě povlaků na konstrukčních materiálech. Takové povlaky poskytují ochranu před vysokými teplotami (například termální bariérové povlaky pro odvod tepla z výfuku ), korozi , erozi , opotřebení ; mohou také měnit vzhled, elektrické nebo tribologické vlastnosti povrchu, nahrazovat opotřebovaný materiál atd. Při nástřiku na podklady různých tvarů a odstraňování je možné vyrábět volně stojící části ve formě desek, trubek, skořepin atd. . Může být také použit pro zpracování prášku (sféroidizace, homogenizace, modifikace chemie atd.). V tomto případě substrát pro depozici chybí a částice tuhnou během letu nebo v kontrolovaném prostředí (např. Ve vodě). Tuto techniku s různými obměnami lze také použít k vytvoření porézních struktur, vhodných pro kostní vrůstání, jako povlak pro lékařské implantáty. Polymerní disperzní aerosol může být injikován do plazmového výboje za účelem vytvoření roubování tohoto polymeru na povrch substrátu. Tato aplikace se používá hlavně k úpravě povrchové chemie polymerů.
Variace
Plazmové stříkací systémy lze kategorizovat podle několika kritérií.
Generování plazmového paprsku:
- stejnosměrný proud (DC plasma), kde je energie přenášena do plazmového paprsku stejnosměrným, vysoce výkonným elektrickým obloukem
- indukční plazma nebo RF plazma, kde je energie přenášena indukcí z cívky kolem plazmového paprsku, kterým prochází střídavý vysokofrekvenční proud
Plazmatické médium:
- plazma stabilizovaná plynem (GSP), kde se plazma tvoří z plynu; typicky argon , vodík , helium nebo jejich směsi
- ve vodě stabilizované plazma (WSP), kde se plazma tvoří z vody (odpařováním, disociací a ionizací) nebo jiné vhodné kapaliny
- hybridní plazma - s kombinovanou stabilizací plynu a kapaliny, typicky argon a voda
Postřik prostředí:
- atmosférické plazmové stříkání (APS), prováděné v okolním vzduchu
- plazmové stříkání s řízenou atmosférou (CAPS), obvykle prováděné v uzavřené komoře, buď naplněné inertním plynem, nebo evakuované
- variace CAPS: vysokotlaké plazmové stříkání (HPPS), nízkotlaké plazmové stříkání (LPPS), extrémním případem je vakuové plazmové stříkání (VPS, viz níže)
- plazmové stříkání pod vodou
Další variace spočívá v tom, že místo pevného prášku pro tavení je použita kapalná surovina, tato technika je známá jako plazmatický sprej pro prekurzor roztoku
Vakuové plazmové stříkání
Vakuové plazmové stříkání (VPS) je technologie pro leptání a povrchové úpravy pro vytváření porézních vrstev s vysokou reprodukovatelností a pro čištění a povrchovou úpravu plastů, kaučuků a přírodních vláken, jakož i pro výměnu freonů pro čištění kovových součástí. Toto povrchové inženýrství může zlepšit vlastnosti, jako je třecí chování, tepelná odolnost , povrchová elektrická vodivost , mazací schopnost , soudržná pevnost filmů nebo dielektrická konstanta , nebo může z materiálů dělat hydrofilní nebo hydrofobní materiály .
Proces obvykle probíhá při teplotě 39–120 ° C, aby se zabránilo tepelnému poškození. Může vyvolat tepelně neaktivované povrchové reakce, což způsobuje povrchové změny, ke kterým u molekulárních chemií při atmosférickém tlaku nemůže dojít. Plazmové zpracování se provádí v kontrolovaném prostředí uvnitř uzavřené komory při středním vakuu, kolem 13–65 Pa . Plyn nebo směs plynů je napájen prostřednictvím elektrického pole od DC do mikrovlnné kmitočty, typicky 1 až 500 W při 50 V. působí komponenty jsou obvykle elektricky izolovány. Těkavé vedlejší produkty plazmy jsou evakuovány z komory vakuovou pumpou a v případě potřeby mohou být neutralizovány ve výfukové pračce .
Na rozdíl od molekulární chemie používají plazmy:
- Molekulární, atomové, metastabilní a volné radikály pro chemické efekty .
- Kladné ionty a elektrony pro kinetické efekty .
Plazma také generuje elektromagnetické záření ve formě vakuových UV fotonů, které pronikají hromadnými polymery do hloubky asi 10 μm. To může způsobit řetězové štěpení a křížové propojení.
Plazma ovlivňuje materiály na atomové úrovni. Techniky jako rentgenová fotoelektronová spektroskopie a rastrovací elektronová mikroskopie se používají k povrchové analýze k identifikaci požadovaných procesů a k posouzení jejich účinků. Jako jednoduchá indikace povrchové energie , a tedy adheze nebo smáčivosti, se často používá test kontaktního úhlu kapičky vody . Čím je kontaktní úhel nižší, tím je povrchová energie vyšší a materiál je hydrofilnější.
Měnící se efekty s plazmou
Při vyšších energiích se ionizace obvykle vyskytuje více než chemické disociace . V typickém reaktivním plynem, 1 v 100 molekuly tvoří volné radikály , zatímco pouze 1 z 10 6 ionizuje. Převládajícím efektem je zde tvorba volných radikálů. Iontové efekty mohou převládat s volbou parametrů procesu a v případě potřeby s použitím vzácných plynů.
Postřik elektrickým obloukem
Drátový obloukový sprej je forma tepelného stříkání, kdy jsou do stříkací pistole nezávisle přiváděny dva spotřební kovové dráty. Tyto dráty se poté nabijí a vytvoří se mezi nimi oblouk. Teplo z tohoto oblouku roztaví příchozí drát, který je poté stržen proudem vzduchu z pistole. Tato stržená roztavená surovina je poté pomocí stlačeného vzduchu nanesena na substrát. Tento proces se běžně používá pro kovové, těžké nátěry.
Plazmový přenesený drátový oblouk
Plazmově přenesený drátový oblouk (PTWA) je další formou elektrického obloukového spreje, který nanáší povlak na vnitřní povrch válce nebo na vnější povrch části jakékoli geometrie. Je známý především pro použití při potahování otvorů válců motoru, což umožňuje použití hliníkových bloků motoru bez nutnosti použití těžkých litinových pouzder. Jediný vodivý drát se používá jako „vstupní surovina“ pro systém. Nadzvukový plazmový paprsek roztaví drát, atomizuje ho a pohne jej na substrát. Plazmový paprsek je tvořen přeneseným obloukem mezi nespotřebovatelnou katodou a typem drátu. Po atomizaci nucený vzduch transportuje proud roztavených kapiček na stěnu vrtu. Částice se zplošťují, když narážejí na povrch substrátu, kvůli vysoké kinetické energii. Částice při kontaktu rychle ztuhnou. Skládané částice tvoří povlak odolný proti opotřebení. Proces tepelného stříkání PTWA využívá jako surovinu jediný drát. Všechny vodivé dráty do 1,6 mm včetně mohou být použity jako výchozí materiál, včetně „jádrových“ drátů. PTWA lze použít k nanesení povlaku na opotřebitelný povrch součástí motoru nebo převodovky za účelem výměny pouzdra nebo ložiska. Například použití PTWA k potažení dosedací plochy ojnice nabízí řadu výhod včetně snížení hmotnosti, nákladů, třecího potenciálu a napětí v ojnici.
Vysokorychlostní kyslíkové stříkání paliva (HVOF)
V 80. letech byla vyvinuta třída tepelných postřikových procesů nazývaná vysokorychlostní kyslíkovo-palivové postřiky. Směs plynného nebo kapalného paliva a kyslíku se přivádí do spalovací komory , kde se zapalují a nepřetržitě spalují. Výsledný horký plyn při tlaku blízkém 1 MPa vychází z konvergující a rozbíhající se trysky a prochází přímým úsekem. Palivem mohou být plyny ( vodík , metan , propan , propylen , acetylen , zemní plyn atd.) Nebo kapaliny ( petrolej atd.). Rychlost paprsku na výstupu z hlavně (> 1000 m/s) překračuje rychlost zvuku . Do proudu plynu se vstřikuje prášková surovina, která prášek zrychluje až na 800 m/s. Proud horkého plynu a prášku je směrován k povrchu, který má být potažen. Prášek se částečně roztaví v proudu a usazuje se na substrátu. Výsledný povlak má nízkou pórovitost a vysokou pevnost spoje .
Nátěry HVOF mohou mít tloušťku až 12 mm (1/2 "). Obvykle se používá k nanášení povlaků odolných proti opotřebení a korozi na materiály, jako jsou keramické a kovové vrstvy. Běžné prášky zahrnují WC -Co, karbid chromu , MCrAlY a oxid hlinitý . Tento proces byl nejúspěšnější pro ukládání cermetových materiálů (WC – Co atd.) a dalších slitin odolných proti korozi ( nerezové oceli , slitiny na bázi niklu, hliník, hydroxyapatit pro lékařské implantáty atd.).
Vysokorychlostní vzduchové palivo (HVAF)
Technologie nanášení HVAF je spalování propanu v proudu stlačeného vzduchu. Stejně jako HVOF, toto produkuje rovnoměrný vysokorychlostní paprsek. HVAF se liší zahrnutím tepelné přepážky pro další stabilizaci mechanismů tepelného stříkání. Materiál je vstřikován do proudu vzduchu a paliva a částice povlaku jsou poháněny směrem k dílu. HVAF má maximální teplotu plamene 3560 ° až 3650 ° F a průměrnou rychlost částic 3300 ft/s. Protože je maximální teplota plamene relativně blízko bodu tání většiny stříkaných materiálů, vede HVAF k rovnoměrnějšímu, tvárnému povlaku. To také umožňuje typickou tloušťku povlaku 0,002-0,050 ". Povlaky HVAF mají také mechanickou pevnost vazby větší než 12 000 psi. Běžné povlakové materiály HVAF zahrnují, ale nejsou omezeny na; karbid wolframu, karbid chromu, nerezová ocel , hastelloy a inconel . Vzhledem ke své tvárné přírody hvaf povlaky mohou pomoci odolat kavitační škody.
Postřik a pojistka
Postřik a pojistka používají vysoké teplo ke zvýšení vazby mezi tepelným nástřikem a substrátem součásti. Na rozdíl od jiných typů tepelných nástřiků vytváří sprej a pojistka metalurgické spojení mezi povlakem a povrchem. To znamená, že místo spoléhání se na tření při přilnavosti povlaku roztaví povrch a potahový materiál do jednoho materiálu. Postřik a pojistka přináší rozdíl mezi přilnavostí a soudržností.
Tento proces obvykle zahrnuje nastříkání práškového materiálu na součást a poté následuje acetylenový hořák. Hořák roztaví potahový materiál a horní vrstvu materiálu součásti; spojit je dohromady. Kvůli vysokému teplu rozstřiku a pojistky může dojít k určitému tepelnému zkreslení a je třeba věnovat pozornost tomu, zda je součást dobrým kandidátem. Tyto vysoké teploty jsou podobné těm, které se používají při svařování. Toto metalurgické pojivo vytváří povlak extrémně odolný proti opotřebení a oděru. Postřik a pojistka přináší výhody svařování tvrdým povrchem se snadným tepelným stříkáním.
Postřik za studena
Postřik za studena (neboli plynové dynamické stříkání za studena) byl na trh uveden v 90. letech minulého století. Metoda byla původně vyvinuta v Sovětském svazu-při experimentech s erozí cíle, který byl vystaven dvoufázovému vysokorychlostnímu toku jemného prášku ve větrném tunelu, vědci pozorovali náhodné rychlé vytváření povlaků.
Při stříkání za studena jsou částice urychlovány na velmi vysoké rychlosti nosným plynem protlačeným konvergující a rozbíhající se tryskou de Lavalova typu . Při nárazu se pevné částice s dostatečnou kinetickou energií plasticky deformují a mechanicky se spojí se substrátem za vzniku povlaku. Kritická rychlost potřebná k vytvoření vazby závisí na vlastnostech materiálu, velikosti prášku a teplotě. Kovy , polymery , keramika , kompozitní materiály a nanokrystalické prášky lze nanášet za studena. Měkké kovy, jako je Cu a Al, jsou nejvhodnější pro stříkání za studena, ale bylo popsáno nanášení jiných materiálů (W, Ta, Ti, MCrAlY, WC – Co atd.) Stříkáním za studena.
Účinnost nanášení je u slitinových prášků obvykle nízká a okno parametrů procesu a vhodných velikostí prášku je úzké. K urychlení prášků na vyšší rychlost se používají jemnější prášky (<20 mikrometrů). Částice prášku je možné urychlit na mnohem vyšší rychlost pomocí zpracovatelského plynu s vysokou rychlostí zvuku (helium místo dusíku). Hélium je však nákladné a jeho průtok, a tedy i spotřeba, je vyšší. Aby se zlepšila schopnost akcelerace, je plynný dusík zahříván na přibližně 900 ° C. V důsledku toho se zvyšuje účinnost nanášení a pevnost v tahu usazenin.
Teplý postřik
Teplé stříkání je nová modifikace vysokorychlostního kyslíkovo-palivového postřiku, při kterém se teplota spalovacího plynu sníží smícháním dusíku se spalovacím plynem, čímž se proces přiblíží k studenému postřiku. Výsledný plyn obsahuje mnoho vodní páry, nezreagovaných uhlovodíků a kyslíku, a je tedy špinavější než stříkání za studena. Účinnost potahování je však vyšší. Na druhou stranu nižší teploty teplého postřiku ve srovnání s HVOF snižují tavicí a chemické reakce vstupního prášku. Tyto výhody jsou zvláště důležité pro takové potahové materiály, jako jsou Ti, plasty a kovová skla, které při vysokých teplotách rychle oxidují nebo se zhoršují.
Aplikace
- Rekonstrukce nebo klimatizace klikového hřídele
- Ochrana proti korozi
- Ochrana před znečištěním
- Změna tepelné vodivosti nebo elektrické vodivosti
- Ochrana proti opotřebení: buď navařování (odolný proti opotřebení) nebo obrusitelného povlaku
- Opravy poškozených povrchů
- Teplotní/oxidační ochrana (tepelné bariérové nátěry)
- Lékařské implantáty
- Výroba funkčně tříděných materiálů (pro jakoukoli z výše uvedených aplikací)
Omezení
Tepelné stříkání je proces přímého dohledu a spojovací mechanismus je primárně mechanický. Aplikace tepelným postřikem není kompatibilní se substrátem, pokud je oblast, na kterou je aplikován, složitá nebo zablokovaná jinými tělesy.
Bezpečnost
Tepelné stříkání nemusí být nebezpečným procesem, pokud je se zařízením zacházeno opatrně a jsou dodržovány správné postupy stříkání. Jako u každého průmyslového procesu existuje řada nebezpečí, kterých by si měl provozovatel být vědom a proti nimž by měla být přijata zvláštní opatření. V ideálním případě by zařízení mělo být provozováno automaticky v pouzdrech speciálně navržených pro odsávání výparů, snížení hladiny hluku a zabránění přímému sledování stříkací hlavy. Takové techniky budou také produkovat povlaky, které jsou konzistentnější. Existují případy, kdy typ ošetřovaných součástí nebo jejich nízká úroveň výroby vyžadují ruční provoz zařízení. Za těchto podmínek se kromě těch, s nimiž se běžně setkáváme ve výrobním nebo zpracovatelském průmyslu, setkáváme s řadou nebezpečí, charakteristických pro tepelné stříkání.
Hluk
Kovová stříkací zařízení používají stlačené plyny, které vytvářejí hluk. Hladiny zvuku se liší podle typu stříkacího zařízení, stříkaného materiálu a provozních parametrů. Typické hladiny akustického tlaku se měří 1 metr za obloukem.
UV světlo
Spalovací stříkací zařízení produkuje intenzivní plamen, který může mít špičkovou teplotu více než 3100 ° C a je velmi jasný. Postřik elektrickým obloukem vytváří ultrafialové světlo, které může poškodit jemné tělesné tkáně. Plazma také generuje poměrně velké množství UV záření, snadno spálí odhalenou kůži a může také způsobit „bleskové popálení“ očí. Stříkací kabiny a kryty by měly být vybaveny ultrafialovým absorpčním tmavým sklem. Tam, kde to není možné, by operátoři a ostatní v okolí měli nosit ochranné brýle se zeleným sklem stupně BS 6. Kolem postřikových ploch by měly být umístěny neprůhledné clony. Na trysku obloukové pistole by se nikdy nemělo dívat přímo, pokud není jisté, že zařízení nemá k dispozici energii.
Prach a výpary
Atomizace roztavených materiálů produkuje velké množství prachu a zplodin tvořených velmi jemnými částicemi (asi 80–95% částic o počtu <100 nm). Správná extrakční zařízení jsou životně důležitá nejen pro osobní bezpečnost, ale také pro minimalizaci zachycení znovu zmrazených částic ve stříkaných povlacích. V případě, že zařízení nelze izolovat, důrazně doporučujeme použití respirátorů vybavených vhodnými filtry. Některé materiály nabízejí specifická známá nebezpečí:
- Jemně rozptýlené kovové částice jsou potenciálně pyroforické a škodlivé, pokud se hromadí v těle.
- Některé materiály, např. Hliník, zinek a jiné obecné kovy, mohou reagovat s vodou za vzniku vodíku. To je potenciálně výbušné a v zařízeních na odsávání zplodin jsou nutná zvláštní opatření.
- Výpary z určitých materiálů, zejména zinku a slitin mědi, mají nepříjemný zápach a mohou u některých jedinců způsobit reakci typu horečky (známá jako horečka kovových výparů ). K tomu může dojít nějakou dobu po postřiku a obvykle rychle odezní. Pokud tomu tak není, je nutné vyhledat lékařskou pomoc.
- Výpary reaktivních sloučenin se mohou disociovat a vytvářet škodlivé plyny. V těchto oblastech je třeba nosit respirátory a před odstraněním respirátorů použít plynoměry ke sledování vzduchu.
Teplo
Spalovací stříkací pistole používají kyslík a topné plyny. Palivové plyny jsou potenciálně výbušné. Zejména acetylen lze použít pouze za schválených podmínek. Kyslík, i když není výbušný, bude udržovat hoření a mnoho materiálů se samovolně vznítí, pokud jsou přítomny nadměrné hladiny kyslíku. Je třeba dbát na to, aby nedocházelo k úniku a izolovat přívody kyslíku a topného plynu, pokud se nepoužívají.
Nebezpečí šoku
Elektrická oblouková děla pracují při nízkém napětí (pod 45 V ss), ale při relativně vysokých proudech. Mohou být bezpečně drženy v ruce. Napájecí jednotky jsou připojeny ke zdrojům střídavého proudu 440 V a je třeba s nimi zacházet opatrně.