ANALÝZA TECHNOLÓGIÍ TVORBY ŽIAROVOSTRIEKANÝCH KERAMICKÝCH POVLAKOV

Prepis

1 APLIKÁCIA KERAMICKÝCH POVLAKOV TECHNOLÓGIOU ŽIAROVÉHO NANÁŠANIA Doc. Ing. Daniel Jankura, PhD. Ing. Dagmar Draganovská, PhD. Technická univerzita v Košiciach Strojnícka fakulta Katedra technológií a materiálov Mäsiarska 74, Košice daniel.jankura@tuke.sk Abstract The contribution analyzes the technology of thermal sprayed coatings by plasma spraying device. For the detection of structures and adhesive properties of coatings were used materials based on ceramic, doped by plastic and metal component. The coatings based on doped powder source materials showed to improve adhesion to substrates, particularly strongly in the metal doped component Key words: ceramic coating, plasma spraying, adhesion, structure ÚVOD Technológia plazmového striekania patrí k najprogresívnejším procesom tvorby povlakov, umožňujúcim nanášanie ťažkotaviteľných materiálov v tvare drôtu alebo prášku. Tento materiál sa privádza do plazmového stĺpca, kde sa intenzívne nahrieva, taví, rozstrekuje a pri vzájomnom pôsobení s povliekaným povrchom súčiastky vytvára povlak. Zvlášť významnú úlohu v tejto oblasti zohrávajú keramické materiály, ktorých aplikačné rozšírenie bolo umožnené práve vývojom plazmových zariadení s plynnou resp. vodnou stabilizáciou oblúka. Vlastnosti žiarovo striekaných povlakov vo všeobecnosti sú určované fyzikálnochemickými procesmi, ktoré prebiehajú v časticiach pri striekaní, ďalej procesmi, prebiehajúcimi medzi základným materiálom a striekanými časticami ako i medzi samotnými časticami v povlaku pri ich deformácii a tuhnutí. Kinetika a mechanizmus kontaktného vzájomného pôsobenia častíc ako i procesy v samotných časticiach určujú základné vlastnosti a pracovnú schopnosť povlaku. Princíp technológie plazmového striekania Za účelom dosiahnutia žiaruvzdornosti je potrebné nanášať povlaky vysokej hustoty s dobrou tepelnou vodivosťou. Okolitá atmosféra nemá prenikať do týchto povlakov. Naproti tomu za účelom dosiahnutia dobrých tepelno-izolačných vlastností je nevyhnutné získavať pórovité povlaky s nízkou tepelnou vodivosťou. Najrozšírenejším materiálom pre žiarové striekanie plazmou je oxidová keramika. Ide o materiál tvorený úplne alebo prevažne jediným žiaruvzdorným oxidom. Niektoré základné látky a suroviny sa vyskytujú už v prírode v podobe oxidov, iné sa pripravujú chemickou cestou či tepelným rozkladom. Vlastnosti povlakov sa podstatne líšia od vlastností východzieho materiálu. Je to spôsobené radom faktorov, ktoré vstupujú do deja jednak v priebehu letu striekanej čiastočky plazmovým lúčom, jednak v procese tvorby povlaku. Pre zvýšenie niektorých vlastností žiarovo striekaných povlakov sa používajú k základnej zložke, najčastejšie oxidickej, rôzne dopanty napr. plastové, kovové ale aj keramické. Niektorými povlakmi uvedeného typu môže prenikať okolitá atmosféra až k povrchu základného materiálu. Dôsledkom je potom oxidácia základu a v náväznosti na ňu porušenie spoja povlak základ. Preto pre získanie žiaruvzdorných a tepelno-izolačných povlakov sa nanáša medzivrstva z materiálov, ktoré vytvárajú bariéru medzi povlakom a základom. Plazmové striekanie patrí medzi moderné a produktívne technológie žiarového striekania. Je charakterizované veľmi vysokou koncentráciou tepla a vysokou pracovnou teplotou. Pre striekanie práškových materiálov sa vo svete používa veľké množstvo rozmanitých zariadení. Plazmové striekacie zariadenie tvorí komplex jednotlivých prístrojov a zariadení, pričom výkonnou striekacou jednotkou je plazmový horák. Podľa stabilizačného média môžu byť plazmové horáky s plynnou a vodnou stabilizáciou oblúka. Pri horákoch s plynnou stabilizáciou je vplyv parametrov striekania oveľa zložitejší. Okrem intenzity prúdu, napätia a rýchlosti plazmového lúča tu zohráva dôležitú úlohu aj množstvo privádzaného plazmového, fokusačného a ochranného plynu, tvar a prevedenie hubice, trysiek a priemer wolfrámovej elektródy. Výsledné vlastnosti generovaného plazmového lúča sú silne závislé na použitom prúde. Pre efektívny práškový ohrev je rozhodujúca entalpia, t.j. obsah energie v plazme. Ušľachtilé plyny majú relatívne vysokú teplotu pri pomerne malej entalpii, molekulové plyny H 2 a N 2 majú naopak podstatne vyššiu entalpiu. Tým je možné i pri výrazne nižšej teplote týchto plynov dosiahnuť plazmu bohatú na energiu, umožňujúcu dostatočný ohrev prášku [8]. 63

2 V závislosti od použitého plazmového plynu teplota plynnej plazmy dosahuje ºK, v prípade hélia až ºK [1,2]. Komerčne vyrábaný vodou stabilizovaný plazmový horák pozostáva so špeciálne tvarovanej oblúkovej komory, rotačnej chladenej medenej anódy a grafitovej katódy. Mechanizmus tvorby oblúkovej plazmy spočíva v odparovaní vnútornej valcovej steny vodného víru, obklopujúceho oblúkový stĺpec. Odparovanie je indukované absorbciou časti joulovho tepla oblúka. Para neprúdi a jej ohriatie vytvára pretlak vo vnútri oblúkovej komory, čím je plazma urýchľovaná k ústiu hubice. Vlastnosti oblúka sú teda riadené procesmi, ovplyvňujúcimi odparovanie zo steny a radiálnym transportom energie zo stredu oblúka k stenám (vnútorný povrch víru vody). Výsledné vlastnosti generovaného plazmového lúča sú silne závislé na použitom prúde. Teplota plazmového oblúka s vodnou stabilizáciou dosahuje ºK a viac [3,4]. Výhody a nevýhody systémov s vodnou (LP) a plynnou (GP) stabilizáciou plazmy je možné stručne zhrnúť nasledovne: GP systém - vhodný pre získanie vysoko kvalitných malých plôch s aplikáciou špeciálnych a, alebo drahých striekaných materiálov. Nevýhodou je vysoká cena plazmových plynov a nižší výkon striekania. LP systém - vysoká intenzita striekania (kg/kw.hod) umožňuje povrchovo upraviť veľké plochy ako aj výrobu samonosných prvkov. Nevýhodou je nižšia účinnosť a zložitosť konštrukcie zariadenia. Hlavným cieľom v oblasti vývoja povlakov je zvyšovanie úžitkových vlastností výrobkov, úspora materiálov, hlavne kovových a deficitných a predĺženie životnosti výrobkov. Klasické materiály sú aj napriek neustálemu hľadaniu ciest a možností zvyšovania ich vlastností na hranici použiteľnosti. Preto sa intenzívne vyvíjajú nové materiálové kombinácie, ktoré by umožnili úspešne pokryť náročné požiadavky, vedúce k splneniu týchto cieľov. V prípade keramických povlakov prichádzajú do úvahy kompozitné materiály keramika - plast a keramika - kov. Nanášanie keramických práškov s prísadou polymérov bolo doposiaľ dokumentované pri ich aplikácii metódou plazmového striekania s plynnou stabilizáciou oblúka [8]. Teplota plazmy u zariadenia s vodnou stabilizáciou oblúka dosahuje však až dvojnásobok teploty plynnej plazmy (30 000ºK), takže je tu opodstatnená otázka, ako sa budú správať rôzne dopanty vo východzom prášku na báze keramiky v procese striekania a tvorby povlaku, ako aj ich vplyv na funkčné vlastnosti už nastriekaných povlakov [5,6,7 ]. EXPERIMENTÁLNA ČASŤ Pre experimentálnu analýzu stavby a adhéznych vlastností plazmovo striekaných povlakov boli použité povlaky na báze Al 2 O 3 bez použitia a s použitím kovového a plastového dopantu. Východzím povlakovacím materiálom v práškovom stave bol: korund Al 2 O 3, korund Al 2 O 3 s 3% TiO 2, korund s obsahom polytetrafluóretylénu Al 2 O % TiO % PTFE a korund s kovovým dopantom Al 2 O % kovového prášku na báze Ni (C - max 0,1%, Si - max 3,5 %, B - max 2,5%, Cr - max 2,5%, Fe - max 0,5 %, Ni - zvyšok). Pre zistenie vplyvu medzivrstvy na priľnavosť povlaku sa aplikovali NiCr medzivrstvy. Povlaky boli vytvorené striekaním na čelné plochy valcových kotúčikov materiálu oceľ plazmovým zariadením s vodnou stabilizáciou oblúka - horák PAL 160 Aquacentrum. Skúšobné vzorky mali tvar valcových kotúčikov o priemere 50 mm, s deliacou drážkou na prerezanie povlaku na priemer 30 mm a pre každý druh povlaku boli vyhodnocované 3 vzorky. Hrúbky povlakov, merané hrúbkomerom Mitutoyo Digi-Derm, sa pohybovali v intervale µm, v prípade použitia medzivrstvy bola jej hrúbka cca 60 až 80 µm. Vzhľadom k nevyhnutnej podmienke adhézie povlaku k základu ale aj k protikusu boli ich povrchy predupravené tryskaním, pričom sa vychádzalo z doterajších poznatkov [8]. Na základe týchto výsledkov výskumu boli zvolené nasledovné parametre: ostrohranný tryskací prostriedok korundová drvina o rozmere zrna 1,0 až 1,2 mm, rýchlosť letu zrna 80 m.s -1, nutné množstvo tryskacieho prostriedku 50 kg.m -2, tryskacie laboratórne zariadenie s metacími kolesami typu Di 2. Pre získanie exaktných výsledkov priľnavosti povlaku k základu bola v rámci tejto práce použitá deštruktívna skúška mechanická odtrhávacou metódou, obr. 1, kde priľnavosť sa vyjadruje napätím, pôsobiacim v smere kolmom k povrchu základného materiálu, ktoré je nutné prekonať pre odtrhnutie povlaku od základu. Výsledné spriemerované hodnoty adhéznej pevnosti jednotlivých povlakov po skúške priľnavosti odtrhávacou metódou sú graficky spracované na obr.2. 64

3 Obr. 1 Spôsob uchytenia a tvar skúšobnej vzorky 1 prípravok s držiakom, 2 skúšobná vzorka, 3 povlak, 4 lepený spoj, 5 protikus Obr. 2 Spôsob uchytenia a tvar skúšobnej vzorky 1 prípravok s držiakom, 2 skúšobná vzorka, 3 povlak, 4 lepený spoj, 5 protikus Z obr.2 možno konštatovať, že bol jednoznačne preukázaný pozitívny vplyv kovovej medzivrstvy NiCr. Najvýraznejšie zvýšenie priľnavosti bolo zaznamenané u keramického povlaku Al 2 O 3, viac ako 100% oproti povlaku Al 2 O 3 bez medzivrstvy. U keramického povlaku Al 2 O 3 s 3% TiO 2 a kompozitného Al 2 O 3 + 3% TiO 2 +plast (10 % PTFE) došlo k zvýšeniu cca o 20 %. Najvyššie hodnoty priľnavosti boli zistené u kompozitného povlaku Al 2 O 3 s kovovou zložkou na báze Ni v koncentrácii 12 %, pričom z dôvodu prítomnosti kovovej zložky v povlaku sa nepoužila medzivrstva. Výskum stavby povlakov bol realizovaný mikroskopickou analýzou elektrónovým rastrovacím mikroskopom JEOL JSM 7000 F Obr. 3, 4, 5 dokumentujú stavbu troch typov povlakov. Zatiaľ čo keramický a kompozitný povlak keramika + kov vykazujú obdobnú stavbu, kompozit keramika + plast sa mierne od nich odlišuje. Kompozitný povlak keramika + kov má typickú lamelárnu štruktúru, podobnú keramickému povlaku, tvoreného korundom (Al 2 O 3 ), obr. 3, 4. Splaty na báze niklu (biele oblasti), sú v porovnaní s diskami Al 2 O 3 oveľa tenšie, a keďže nikel je plastický, dokonale ich kopírujú. Tieto niklové splaty vytvárajú medzivrstvu medzi niektorými splatmi Al 2 O 3 a tým zväčšujú ich súdržnosť. Uvedená skutočnosť pravdepodobne zvyšuje kohéznu pevnosť kompozitného povlaku ako aj adhéziu k oceľovému substrátu. U kompozitného povlaku keramika + plast (obr.5) je možné pozorovať odlišné charaktery 65

4 lomu: priečny lom štiepneho charakteru, prebiehajúci pretavenými časticami sendvičovej štruktúry povlaku splatmi, ktoré sú charakterizované nepravidelnými a ostrými okrajmi na hraniciach lomu, a lom prebiehajúci po hraniciach nepretavených častíc sférického tvaru, ktorý odkrýva hladký povrch týchto častíc. Boli identifikované amorfné štruktúry v lomovej ploche, vykazujúce tvárne vlastnosti. Ide o blanovité útvary veľmi malej hrúbky (menej ako 1 µm) v porovnaní s hrúbkou iných splatov, s nerovnomernými a nepravidelne formovanými okrajmi, ktoré vystupujú z lomovej plochy bez zreteľného kopírovania častíc ležiacich pod nimi. Túto skutočnosť je možné vysvetliť prítomnosťou polymérnej zložky v kompozitnom povlaku, ktorá sa pri zaťažovaní porušuje prevažne tvárne. ZÁVER Štúdiom stavby a adhézie povlakov, získaných technológiou žiarového striekania plazmou s vodnou stabilizáciou elektrického oblúka možno konštatovať, že: Obr.3 Lomová plocha keramického povlaku Al 2 O 3 (SEM) 20 µm Obr.4 Lomová plocha kompozitného povlaku Al 2 O 3 + kov (SEM) z hľadiska adhéznych a kohéznych vlastností boli dosiahnuté najvyššie hodnoty u povlakov keramických s kovovým dopantom. Aj plastová zložka v keramickom základe spôsobuje zvýšenie týchto vlastností, avšak nie až v takej miere, štúdium stavby povlakov, realizované na lomových plochách, preukázalo typickú sendvičovú štruktúru, najvýraznejšiu u keramických povlakov. U kompozitných povlakov s kovovou zložkou niklové splaty vytvárajú medzivrstvu medzi niektorými splatmi Al 2 O 3, čím zväčšujú ich súdržnosť a v konečnom dôsledku aj adhéziu. Obdobne pôsobí plastová zložka u kompozitného povlaku s plastom, kde boli identifikované amorfné štruktúry v lomovej ploche, vykazujúce tvárne vlastnosti. Na základe realizovaných experimentálnych prác je možné konštatovať, že dopovaním keramických materiálov kovovou alebo plastovou zložkou sa zvyšujú ich úžitkové - funkčné vlastnosti. Príspevok je riešený v rámci riešenia grantového vedeckého projektu MŠ SR VEGA č.1/0144/08. Obr.5 Lomová plocha kompozitného povlaku Al 2 O 3 + plast (SEM) Literatúra [1] SOLOLENKO, O.P.: Thermal plasma torches and technologies. Cambridge international science publishing, Cambridge, [2] KRÖMMER, W. - HEINRICH, P.: In.: Progresívní technologie povrchových úprav. Eds.: Fakulta strojní, ČVUT Praha, Praha, 2000 [3] AUBRECHT, V.: Technické aplikace plazmatu. Vutium, Brno, [4] CHRÁSKA, P. - HRABOVSKÝ, M.: In.: Proc. Int. Thermal Spray Conf. & Exposition

5 Eds.: Berndt, C.C. Materials Park, OH, ASM Int [5] DUBSKÝ, J. - KOLMAN, B. - FORMAN, J.: In.: I. národní konference o plazmových a žárových nástřicích. Eds.: Brno, 1994 [6] JAKUBOV, M.: Analýza procesov tvorby keramických povlakov technológiou žiarového striekania plazmou. [PhD. Thesis] ]. Košice, SjF TU Košice 2003 [7] POĽAK, J.: Štúdium tvorby a vlastností nových kompozitných žiarovo striekaných materiálov [PhD. Thesis]. Košice, SjF TU Košice [8] PAPCUN, P.: Výskum tvorby a vybraných vlastností keramických plazmovo striekaných povlakov. [PhD. Thesis] ]. Košice, SjF TU Košice