Termisk sprøyting - Thermal spraying

Plasma sprøyting oppsett - en variant av termisk sprøyting
Partikkeltemperatur og hastighet for forskjellige termiske sprøytingsprosesser

Termiske sprøyteteknikker er beleggingsprosesser der smeltede (eller oppvarmede) materialer sprøytes på en overflate. "Råmaterialet" (beleggforløper) varmes opp med elektriske (plasma eller lysbue) eller kjemiske midler (forbrenningsflamme).

Termisk sprøyting kan gi tykke belegg (ca. tykkelsesområde er 20 mikron til flere mm, avhengig av prosess og råstoff), over et stort område med høy avsetningshastighet sammenlignet med andre beleggingsprosesser som galvanisering , fysisk og kjemisk dampavsetning . Belegningsmaterialer som er tilgjengelige for termisk sprøyting inkluderer metaller, legeringer, keramikk, plast og kompositter. De mates i pulver- eller trådform, oppvarmes til en smeltet eller halvsmelt tilstand og akselereres mot substrater i form av partikler i mikrometerstørrelse. Forbrenning eller elektrisk lysbueutladning brukes vanligvis som energikilde for termisk sprøyting. Resulterende belegg lages ved opphopning av mange sprayede partikler. Overflaten kan ikke varme opp nevneverdig, slik at belegg av brannfarlige stoffer tillates.

Belegningskvaliteten vurderes vanligvis ved å måle dens porøsitet , oksydinnhold , makro- og mikrohardhet , bindingsstyrke og overflateruhet . Vanligvis øker belegningskvaliteten med økende partikkelhastigheter.

Variasjoner

Flere varianter av termisk sprøyting skiller seg ut:

  • Plasmasprøyting
  • Detonasjonssprøyting
  • Wire arc spraying
  • Flammesprøyting
  • Høyhastighets oksybrenselbeleggsprøyting (HVOF)
  • Høyhastighets luftdrivstoff (HVAF)
  • Varm sprøyting
  • Kaldsprøyting
  • Spray og sikring

I klassisk (utviklet mellom 1910 og 1920), men fremdeles mye brukte prosesser som flammesprøyting og trådbue -sprøyting, er partikkelhastighetene generelt lave (<150 m/s), og råvarer må smeltes for å bli avsatt. Plasmasprøyting, utviklet på 1970-tallet, bruker en høytemperatur plasmastråle generert av lysbueutladning med typiske temperaturer> 15 000 K, noe som gjør det mulig å sprøyte ildfaste materialer som oksider, molybden , etc.

Systemoversikt

Et typisk termisk sprøytesystem består av følgende:

  • Sprøytebrenner (eller sprøytepistol) - kjerneenheten som utfører smelting og akselerasjon av partiklene som skal deponeres
  • Mater - for tilførsel av pulver , ledning eller væske til brenneren gjennom rør.
  • Medietilførsel - gasser eller væsker for generering av flammen eller plasmastråle, gasser for å transportere pulveret , etc.
  • Robot/Labor - for å manipulere brenneren eller underlaget som skal belegges
  • Strømforsyning - ofte frittstående for fakkelen
  • Kontrollkonsoll (er) - enten integrert eller individuelt for alle de ovennevnte

Detonasjon termisk sprøytingsprosess

Detonasjonspistolen består av en lang vannkjølt fat med innløpsventiler for gasser og pulver. Oksygen og drivstoff (acetylen vanligst) mates inn i fatet sammen med en ladning med pulver. En gnist brukes til å tenne gassblandingen, og den resulterende detonasjonen varmer opp og akselererer pulveret til supersonisk hastighet gjennom fatet. En puls av nitrogen brukes til å rense fatet etter hver detonasjon. Denne prosessen gjentas mange ganger i sekundet. Den høye kinetiske energien til de varme pulverpartiklene ved støt mot underlaget resulterer i en oppbygging av et veldig tett og sterkt belegg. Belegget fester seg gjennom en mekanisk binding som følge av deformasjonen av basesubstratet som vikles rundt de sprøytede partiklene etter høyhastighetspåvirkningen.

Plasmasprøyting

Wire flamme sprøyting

I plasmasprøytningsprosessen blir materialet som skal deponeres (råmateriale) - vanligvis som et pulver , noen ganger som en væske , suspensjon eller tråd - innført i plasmastrålen, som kommer fra en plasmabrenner . I strålen, der temperaturen er i størrelsesorden 10 000 K, smeltes materialet og drives frem mot et underlag. Der flater de smeltede dråpene, størkner raskt og danner et avsetning. Vanligvis forblir avsetningene vedheftende til underlaget som belegg; frittstående deler kan også produseres ved å fjerne underlaget. Det er et stort antall teknologiske parametere som påvirker samspillet mellom partiklene med plasmastrålen og substratet og derfor avleiringsegenskapene. Disse parametrene inkluderer råmaterialetype, plasmagassammensetning og strømningshastighet, energiinngang, fakkelforskyvningsavstand, substratkjøling, etc.

Sett inn eiendommer

Forekomstene består av et mangfold av pannekake-lignende "splats" kalt lameller , dannet ved utflating av væskedråpene. Ettersom råmaterialpulverne vanligvis har størrelser fra mikrometer til over 100 mikrometer, har lamellene tykkelse i mikrometerområdet og lateral dimensjon fra flere til hundrevis av mikrometer. Mellom disse lamellene er det små hulrom, for eksempel porer, sprekker og områder med ufullstendig binding. Som et resultat av denne unike strukturen kan avsetningene ha egenskaper som er vesentlig forskjellige fra bulkmaterialer. Dette er generelt mekaniske egenskaper, for eksempel lavere styrke og modul , høyere belastningstoleranse og lavere termisk og elektrisk ledningsevne . Også på grunn av den hurtige størkning , metastabile faser kan være tilstede i forekomstene.

applikasjoner

Denne teknikken brukes mest til å produsere belegg på strukturelle materialer. Slike belegg gir beskyttelse mot høye temperaturer (for eksempel termiske barrierebelegg for håndtering av eksosvarme ), korrosjon , erosjon , slitasje ; de kan også endre overflatenes utseende, elektriske eller tribologiske egenskaper, erstatte slitt materiale etc. Når de sprayes på underlag av forskjellige former og fjernes, kan frittstående deler i form av plater, rør, skall, etc. produseres . Det kan også brukes til pulverbehandling (sfæroidisering, homogenisering, modifikasjon av kjemi, etc.). I dette tilfellet er substratet for avsetning fraværende og partiklene størkner under flyging eller i et kontrollert miljø (f.eks. Vann). Denne teknikken med variasjon kan også brukes til å lage porøse strukturer, egnet for beinvekst, som et belegg for medisinske implantater. En polymerdispersjonsaerosol kan injiseres i plasmautladningen for å skape en podning av denne polymeren på en substratoverflate. Denne applikasjonen brukes hovedsakelig for å modifisere overflatekjemien til polymerer.

Variasjoner

Plasmasprøytesystemer kan kategoriseres etter flere kriterier.

Plasmastrålegenerering:

  • likestrøm (DC-plasma), hvor energien overføres til plasmastrålen med en likestrøm, høyeffekt elektrisk lysbue
  • induksjonsplasma eller RF-plasma, hvor energien overføres ved induksjon fra en spole rundt plasmastrålen, gjennom hvilken en vekslende , radiofrekvent strøm passerer

Plasmadannende medium:

  • gassstabilisert plasma (GSP), hvor plasmaet dannes fra en gass; typisk argon , hydrogen , helium eller deres blandinger
  • vannstabilisert plasma (WSP), hvor plasma dannes fra vann (ved fordampning, dissosiasjon og ionisering) eller annen egnet væske
  • hybridplasma - med kombinert gass- og væskestabilisering, typisk argon og vann

Sprøytemiljø:

  • atmosfærisk plasmasprøyting (APS), utføres i omgivende luft
  • kontrollert atmosfære plasmasprøyting (CAPS), vanligvis utført i et lukket kammer, enten fylt med inert gass eller evakuert
  • variasjoner av CAPS: høytrykks-plasmasprøyting (Huskatter), lavtrykksplasmasprøyting (LPPS), den ekstremt tilfelle av hvilken er vakuumplasmasprøyting (VPS, se nedenfor)
  • undersjøisk plasmasprøyting

En annen variant består av å ha et flytende råmateriale i stedet for et fast pulver for smelting, denne teknikken er kjent som Solution precursor plasma spray

Vakuumplasmasprøyting

Vakuumplasmasprøyting

Vakuumplasmasprøyting (VPS) er en teknologi for etsing og overflatemodifisering for å lage porøse lag med høy reproduserbarhet og for rengjøring og overflateteknikk av plast, gummi og naturlige fibre samt for å erstatte CFC for rengjøring av metallkomponenter. Denne overflateteknikk kan forbedre egenskaper som friksjonsatferd, varmebestandighet , elektrisk ledningsevne på overflaten , smøring , filmers kohesive styrke eller dielektrisk konstant , eller det kan gjøre materialer hydrofile eller hydrofobe .

Prosessen opererer vanligvis ved 39–120 ° C for å unngå termisk skade. Det kan indusere ikke-termisk aktiverte overflatereaksjoner, forårsake overflateendringer som ikke kan forekomme med molekylær kjemi ved atmosfærisk trykk. Plasmabehandlings utføres i et kontrollert miljø inne i et lukket kammer ved en middels vakuum, omkring 13 til 65 Pa . Den gass eller blanding av gasser som energiseres av et elektrisk felt fra DC til mikrobølge -frekvenser, typisk 1-500 W ved 50 V. Den behandlede komponenter er vanligvis elektrisk isolert. De flyktige plasma-biproduktene evakueres fra kammeret av vakuumpumpen , og kan om nødvendig nøytraliseres i en eksosskrubber .

I motsetning til molekylær kjemi bruker plasmaer:

Plasma genererer også elektromagnetisk stråling i form av vakuum UV -fotoner for å trenge inn i bulkpolymerer til en dybde på omtrent 10 mikrometer. Dette kan forårsake kjedespredning og kryssbinding.

Plasma påvirker materialer på atomnivå. Teknikker som røntgenfotoelektronspektroskopi og skanningelektronmikroskopi brukes til overflateanalyse for å identifisere prosessene som kreves og for å bedømme effekten. Som en enkel indikasjon på overflatenergi , og dermed vedheft eller fuktighet, brukes ofte en vanndråpe -kontaktvinkeltest . Jo lavere kontaktvinkel, jo høyere overflatenergi og mer hydrofilt er materialet.

Endring av effekter med plasma

Ved høyere energier har ionisering en tendens til å forekomme mer enn kjemiske dissosiasjoner . I en typisk reaktiv gass danner 1 av 100 molekyler frie radikaler mens bare 1 av 10 6 ioniserer. Den dominerende effekten her er dannelse av frie radikaler. Ioniske effekter kan dominere ved valg av prosessparametere og om nødvendig bruk av edelgasser.

Wire arc spray

Wire arc spray er en form for termisk sprøyting der to forbrukbare metalltråder mates uavhengig av hverandre i sprøytepistolen. Disse ledningene blir deretter ladet og en bue genereres mellom dem. Varmen fra denne lysbuen smelter den innkommende ledningen, som deretter blir innblandet i en luftstråle fra pistolen. Dette medfølgende smeltede råmaterialet blir deretter avsatt på et underlag ved hjelp av trykkluft. Denne prosessen brukes ofte for metalliske, tunge belegg.

Plasmaoverført trådbue

Hovedartikkel: Plasmaoverført trådbue

Plasmaoverført trådbue (PTWA) er en annen form for trådbuespray som avsetter et belegg på den indre overflaten av en sylinder, eller på den ytre overflaten av en del av en hvilken som helst geometri. Det er hovedsakelig kjent for bruk ved belegging av sylinderhullene på en motor, noe som gjør det mulig å bruke aluminiumsblokker uten behov for tunge støpejernshylser. En enkelt ledende ledning brukes som "råmateriale" for systemet. En supersonisk plasmastråle smelter tråden, atomiserer den og driver den på underlaget. Plasmastråle dannes av en overført bue mellom en ikke-forbrukbar katode og typen av ledning. Etter forstøvning transporterer tvungen luft strømmen av smeltede dråper til boreveggen. Partiklene flater når de rammer overflaten av substratet på grunn av den høye kinetiske energien. Partiklene størkner raskt ved kontakt. De stablede partiklene utgjør et slitesterkt belegg. PTWA termisk sprøyteprosess bruker en enkelt ledning som råmateriale. Alle ledende ledninger opp til og med 0,0625 "(1,6 mm) kan brukes som råmateriale, inkludert" kjernede "ledninger. PTWA kan brukes til å påføre et belegg på slitasjeoverflaten på motor eller overføringskomponenter for å erstatte en gjennomføring eller lager. For eksempel gir bruk av PTWA for å belegge lageroverflaten til en vevstang en rekke fordeler, inkludert reduksjoner i vekt, kostnad, friksjonspotensial og spenning i forbindelsesstangen.

Høyhastighets oksygen drivstoff sprøyting (HVOF)

HVOF skjematisk

I løpet av 1980-årene ble det utviklet en klasse med termiske sprøyteprosesser kalt høyhastighets oksybrensel. En blanding av gassformig eller flytende drivstoff og oksygen mates inn i et forbrenningskammer , hvor de antennes og forbrennes kontinuerlig. Den resulterende varme gassen ved et trykk nær 1 MPa kommer gjennom en konvergerende divergerende dyse og beveger seg gjennom en rett seksjon. Drivstoffene kan være gasser ( hydrogen , metan , propan , propylen , acetylen , naturgass , etc.) eller væsker ( parafin , etc.). Strålehastigheten ved tønnens utgang (> 1000 m/s) overstiger lydhastigheten . Et pulvermateriale injiseres i gassstrømmen, noe som akselererer pulveret opp til 800 m/s. Strømmen av varm gass og pulver er rettet mot overflaten som skal belegges. Pulveret smelter delvis i strømmen og avsettes på underlaget. Det resulterende belegget har lav porøsitet og høy bindingsstyrke .

HVOF -belegg kan være så tykke som 12 mm (1/2 "). Det brukes vanligvis til å avsette slitasje- og korrosjonsbestandige belegg på materialer, for eksempel keramiske og metalliske lag. Vanlige pulvere inkluderer WC -Co, kromkarbid , MCrAlY og aluminiumoksyd . prosessen har vært mest vellykket for avsetning av cermet- materialer (WC-Co, etc.) og andre korrosjonsbestandige legeringer ( rustfritt stål , nikkel-baserte legeringer, aluminium, hydroksyapatitt for medisinske implantater , etc.).

Høyhastighets luftdrivstoff (HVAF)

HVAF beleggsteknologi er forbrenning av propan i en trykkluftstrøm. Som HVOF produserer dette en jevn høyhastighetsstråle. HVAF skiller seg ut ved å inkludere en varmebaffel for ytterligere å stabilisere de termiske sprøytemekanismene. Materialet injiseres i luft-drivstoffstrømmen og beleggpartikler drives frem mot delen. HVAF har en maksimal flammetemperatur på 3560 ° til 3650 ° F og en gjennomsnittlig partikkelhastighet på 3300 fot/sek. Siden den maksimale flammetemperaturen er relativt nær smeltepunktet for de fleste spraymaterialer, resulterer HVAF i et mer jevnt, duktilt belegg. Dette gir også mulighet for en typisk beleggstykkelse på 0,002-0,050 ". HVAF-belegg har også en mekanisk bindingsstyrke som er større enn 12 000 psi. Vanlige HVAF-beleggsmaterialer inkluderer, men er ikke begrenset til; wolframkarbid , kromkarbid, rustfritt stål , hastelloy og Inconel . på grunn av den duktile natur hvaf belegg kan bidra til å motstå kavitasjon skade.

Spray og sikring

Spray og sikring bruker høy varme for å øke bindingen mellom det termiske spraybelegget og substratet til delen. I motsetning til andre typer termisk spray, skaper spray og sikring en metallurgisk binding mellom belegget og overflaten. Dette betyr at i stedet for å stole på friksjon for beleggadhesjon, smelter det overflaten og belegningsmaterialet til ett materiale. Spray og sikring kommer ned til forskjellen mellom vedheft og kohesjon.

Denne prosessen innebærer vanligvis sprøyting av et pulverisert materiale på komponenten og deretter med en acetylenbrenner. Fakkelen smelter belegningsmaterialet og det øverste laget av komponentmaterialet; smelter dem sammen. På grunn av den høye varmen i spray og sikring kan det oppstå noen varmeforvrengninger, og det må utvises forsiktighet for å avgjøre om en komponent er en god kandidat. Disse høye temperaturene er lik de som brukes i sveising. Denne metallurgiske bindingen skaper et ekstremt slitasje- og slitesterk belegg. Spray og sikring gir fordelene med hardface -sveising med enkel termisk spray.

Kaldsprøyting

Skjematisk kaldsprøyting

Kaldsprøyting (eller gassdynamisk kaldsprøyting) ble introdusert på markedet på 1990 -tallet. Metoden ble opprinnelig utviklet i Sovjetunionen-mens eksperimenterte med erosjonen av målet, som ble utsatt for en tofaset høyhastighets strøm av fint pulver i en vindtunnel, observerte forskere utilsiktet rask dannelse av belegg.

Ved kald sprøyting akselereres partikler til svært høye hastigheter av bærergassen som tvinges gjennom en konvergerende -divergerende dyse av typen Laval . Ved støt deformeres faste partikler med tilstrekkelig kinetisk energi plastisk og bindes mekanisk til underlaget for å danne et belegg. Den kritiske hastigheten som trengs for å danne binding avhenger av materialets egenskaper, pulverstørrelse og temperatur. Metaller , polymerer , keramikk , komposittmaterialer og nanokrystallinske pulver kan deponeres ved kaldsprøyting. Myke metaller som Cu og Al er best egnet for kaldsprøyting, men belegg av andre materialer (W, Ta, Ti, MCrAlY, WC – Co, etc.) ved kaldsprøyting er rapportert.

Avsetningseffektiviteten er vanligvis lav for legeringspulver, og vinduet med prosessparametere og passende pulverstørrelser er smalt. For å akselerere pulver til høyere hastighet, brukes finere pulver (<20 mikrometer). Det er mulig å akselerere pulverpartikler til mye høyere hastighet ved å bruke en prosessgass med høy lydhastighet (helium i stedet for nitrogen). Helium er imidlertid kostbart og strømningshastigheten, og dermed forbruket, er høyere. For å forbedre akselerasjonsevnen, oppvarmes nitrogengass til ca. 900 ° C. Som et resultat øker avsetningseffektiviteten og strekkfastheten til avleiringer.

Varm sprøyting

Varm sprøyting er en ny modifikasjon av høyhastighets oksybrensel-sprøyting, der temperaturen i forbrenningsgassen senkes ved å blande nitrogen med forbrenningsgassen, og dermed bringe prosessen nærmere kaldsprøytingen. Den resulterende gassen inneholder mye vanndamp, ureagerte hydrokarboner og oksygen, og er dermed skittenere enn kaldsprøyting. Beleggseffektiviteten er imidlertid høyere. På den annen side reduserer lavere temperaturer med varm sprøyting smelting og kjemiske reaksjoner av fôrpulveret, sammenlignet med HVOF. Disse fordelene er spesielt viktige for slike belegningsmaterialer som Ti, plast og metallglass, som raskt oksiderer eller forverres ved høye temperaturer.

applikasjoner

Plasmasprøytet keramisk belegg påført en del av et eksosanlegg for biler

Begrensninger

Termisk sprøyting er en siktlinje og bindemekanismen er hovedsakelig mekanisk. Termisk sprøyteapplikasjon er ikke kompatibel med underlaget hvis området det påføres er komplekst eller blokkert av andre legemer.

Sikkerhet

Termisk sprøyting trenger ikke være en farlig prosess hvis utstyret behandles forsiktig og korrekt sprøytemetode følges. Som med enhver industriell prosess, er det en rekke farer som operatøren bør være oppmerksom på og mot hvilke spesifikke forholdsregler det bør tas. Ideelt sett bør utstyret betjenes automatisk i skap som er spesielt designet for å trekke ut røyk, redusere støynivået og forhindre direkte visning av sprøytehodet. Slike teknikker vil også produsere belegg som er mer konsistente. Det er tilfeller hvor typen komponenter som behandles, eller deres lave produksjonsnivåer, krever manuell utstyrsbetjening. Under disse forholdene oppleves en rekke farer som er særegne for termisk sprøyting i tillegg til de som ofte oppstår i produksjons- eller prosessindustrien.

Bråk

Metallsprayutstyr bruker komprimerte gasser som skaper støy. Lydnivået varierer med typen sprøyteutstyr, materialet som sprøytes og driftsparametrene. Typiske lydtrykksnivåer måles til 1 meter bak buen.

UV -lys

Forbrenningssprøyteutstyr gir en intens flamme, som kan ha en topptemperatur over 3100 ° C og er veldig lys. Elektrisk lysbuesprøyting gir ultrafiolett lys som kan skade delikat kroppsvev. Plasma genererer også ganske mye UV -stråling, lett brennende eksponert hud og kan også forårsake "blitsforbrenning" i øynene. Sprayboder og skap skal utstyres med ultrafiolett absorberende mørkt glass. Når dette ikke er mulig, bør operatører og andre i nærheten bruke vernebriller som inneholder grønt glass av klasse 6. Ugjennomsiktige skjermer bør plasseres rundt sprøyteområder. Dysen til en lysbue -pistol skal aldri sees direkte med mindre det er sikkert at det ikke er strøm tilgjengelig for utstyret.

Støv og røyk

Forstøvningen av smeltede materialer gir en stor mengde støv og røyk som består av veldig fine partikler (ca. 80–95% av partiklene i antall <100 nm). Riktig ekstraksjonsanlegg er avgjørende ikke bare for personlig sikkerhet, men for å minimere fastklemning av gjenfrosne partikler i de sprøytede belegg. Bruk av respiratorer utstyrt med egnede filtre anbefales på det sterkeste der utstyr ikke kan isoleres. Enkelte materialer gir spesifikke kjente farer:

  1. Finfordelte metallpartikler er potensielt pyroforiske og skadelige når de akkumuleres i kroppen.
  2. Enkelte materialer, f.eks. Aluminium, sink og andre uedle metaller, kan reagere med vann for å utvikle hydrogen. Dette er potensielt eksplosivt, og spesielle forholdsregler er nødvendige for avtrekksutstyr.
  3. Røyk av visse materialer, særlig sink- og kobberlegeringer, har en ubehagelig lukt og kan forårsake feberreaksjon hos enkelte individer (kjent som metallgassfeber ). Dette kan skje en stund etter sprøyting og avtar vanligvis raskt. Hvis det ikke gjør det, må lege søkes.
  4. Røyk av reaktive forbindelser kan dissosiere og skape skadelige gasser. Åndedrettsvern må brukes på disse områdene, og gassmålere bør brukes til å overvåke luften før åndedrettsvern fjernes.

Varme

Forbrenningssprøytepistoler bruker oksygen og drivstoffgasser. Drivstoffgassene er potensielt eksplosive. Spesielt kan acetylen bare brukes under godkjente forhold. Oksygen, selv om det ikke er eksplosivt, vil opprettholde forbrenning, og mange materialer vil spontant antennes hvis det er for mye oksygen. Det må utvises forsiktighet for å unngå lekkasje og for å isolere oksygen- og drivstoffgassforsyninger når den ikke er i bruk.

Sjokkfare

Elektriske lysbuespistoler opererer ved lave spenninger (under 45 V DC), men med relativt høye strømmer. De kan være trygt håndholdt. Strømforsyningsenhetene er koblet til 440 V vekselstrømskilder, og må behandles med forsiktighet.

Se også

Referanser