Technologie wytwarzania warstw dyfuzyjnych. · 2018-04-09 · T. Wierzchoń, E. Czarnowska, D....

Technologie wytwarzania

warstw dyfuzyjnych.

Powłoki i napoiny ochronne.

Fizyczne podstawy kształtowania warstw

Rodzaje i budowa warstw dyfuzyjnych

Technologia nanoszenia warstw i powłok

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Nowych Technologii i Chemii

KATEDRA ZAAWANSOWANYCH MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII

Opracował: dr inż. Radosław Łyszkowski

W 6:

1. T. Burakowski, T. Wierzchoń, „Inżynieria powierzchni metali”, WNT, Warszawa 1995

2. P. Kula, „Inżynieria warstwy wierzchniej”, Wyd. Politechniki Łódzkiej, 2000

3. J. Łaskawiec, „Fizykochemia powierzchni ciała stałego”, Wyd. Politechniki Śląskiej,

Gliwice 2000

4. A. Nakonieczny, „Powierzchniowe obróbki wyrobów metalowych”, Wyd. IMP,

Warszawa 2000

5. J. Głuszek, „Tlenkowe powłoki ochronne otrzymywane metodą sol-gel”,

Oficyna Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1998

6. B. Major, „Ablacja i osadzanie laserem impulsowym”, Wyd. Akapit, Kraków 2002;

7. T. Wierzchoń, E. Czarnowska, D. Krupa, „Inżynieria powierzchni w wytwarzaniu

biomateriałów tytanowych”, Oficyna Wyd. Polit. Warszawskiej, Warszawa 2000

8. Praca zbiorowa, „Ćwiczenia laboratoryjne z inżynierii powierzchni”, Oficyna Wyd.

Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000

9. T. Wiestek,S. Sękowski, „Ochrona przed korozją – metody badań powłok

metalowych”, WNT, Warszawa 1973

10. W. Babul, H. Ziencik, T. Babul, Z. Ziółkowski, „Powłoki impulsowo–gazotermiczne”,

Wyd. ITWL Warszawa 1996

11. H. Dyja, A. Maranda, R. Trębiński, „Technologie wybuchowe w inżynierii

materiałowej”, Wyd. Politechniki Częstochowskiej Częstochowa 2001.

2 Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT

Literatura

uszlachetnianie i zmiana

właściwości

w WW materiałów

Surface Engineering Society – afiliowane przy The Welding Institute

(Abington) – aspekty spawalnictwa i natryskiwania cieplnego

Wolfson Institute for Surface Engineering (Birmingham)

obróbki dyfuzyjne w powiązaniu z techniką próżni Surface Engineering (kwartalnik 1985 o profilu n-t) – wydany przez Wolfson

Institute for Surface Engineering i Surface Engineering Society

– technologie natryskiwania cieplnego, w tym PVD, CVD

– utwardzanie (laserowe, elektronowe)

– implantacja jonów

– stopowanie powierzchniowe (zwykłe, jarzeniowe)


V Międzynarodowy Kongres Obróbki Cieplnej Materiałów – (Budapeszt X.1986)

Zmiana nazwy

Międzynarodowe Stowarzyszenie Obróbki

Cieplnej Materiałów

na

Międzynarodowe Stowarzyszenie Obróbki Cieplnej Materiałów i Inżynierii Powierzchni

(International Federation on the Heat Treatment of Materials and Surface Engineering)

• 1986 IMP (W-wa) – wykłady z Inżynierii Powierzchni (prowadzone do dzisiaj)

• 1991 Sekcja „Plazmowej Inż. Powierzchni” przy „Polskim Komitecie Techniki Próżni i

Technologii Elektronowych”

• 1991 PAN (W-wa) – międzysekcyjny Zespół Inżynierii Powierzchni

• 1992 PW (W-wa) – Wydział Inżynierii Materiałowej (Zakład Inż. Powierzchni)

PŚląs. (Gliwice) – Zakład Korozji i Inż. Powierzchni

PCz (Częstochowa) – Zakład Inż. Powierzchni


Inżynieria powierzchni w Polsce

W 1994 KBN (W-wa) – inżynieria powierzchni jako dyscyplina naukowa obejmuje

całokształt działań naukowych i technicznych mających na celu:

- projektowanie

- wytwarzanie

- badanie

- eksploatowanie

warstw powierzchniowych

(powłok i WW)

o innych - lepszych niż rdzeń

(podłoże) właściwościach

- antykorozyjnych - magnetycznych

- antyzmęczeniowych - adhezyjnych

- antyściernych - ablacyjnych

- dekoracyjnych - pasywacyjnych

- optycznych - inhibitujących

- termofizycznych - katalitycznych

- elektrycznych - dyfuzyjnych

- biokompatybilnych - innych ???

Nauki współtworzące


Inżynieria powierzchni (Inż. Pow.) – najwięcej wspólnego ma z Inżynierią

materiałową, której wytwór (materiał) stanowi przedmiot działań Inż. Pow., zmieniając

jego właściwości użytkowe wykorzystywane w budowie i eksploatacji maszyn.

- odporności na utlenianie i inne rodzaje korozji (w wys. T i w środowiskach o

różnej agresywności)

- odporności na zużycie ślizgowe, ścierne i erozyjne

- wzrostu wytrzymałości statycznej i dynamicznej (zmęczeniowej)

- walorów dekoracyjnych

- nadanie powierzchni specjalnych właściwości fizycznych (np.

polepszających przewodność elektryczną)

- ułatwienie wykonywania następnych operacji procesu technologicznego

Dążenia w inż. powierzchni

Rozwojowi materiałów konstrukcyjnych metalowych towarzyszy dążenie do

zapewnienia najlepszych właściwości powierzchni:


1. wykorzystania różnych zjawisk fizycznych, chemicznych, cieplnych -

jednostkowych lub złożonych

2. wykorzystanie różnych materiałów i ich kompozycji:

- metali i stopów

- niemetali (C, N, B)

- związków międzymetalicznych

- krzemianów (ceramiki)

- materiałów malarskich

- tworzyw sztucznych

- olejów, smarów, wosku, parafiny, gumy, kauczuku, smoły, bitumitów, itp.

Realizacja wyżej przedstawionych dążeń wymaga:

Epoka kamienna: 700 tys. p.n.e. – gładzone sztucznie narzędzia kamienne (Azja)

Epoka brązu: 500 p.n.e. – kucie na zimno Cu, Ag, Au, Fe (meteorytowe)

– platerowanie złotem drewnianych rzeźb, statuetek z brązu

Epoka żelaza: rozwój hutnictwa żelaza i technologii obr. plastycznej na zimno i gorąco

– kucie, walcowanie, ciągnienie, tłoczenie

– odlewnictwo: metoda traconego modelu (Egipt), rzeźby, monety, biżuteria (Grecja)

1792 Anglia – żeliwiak na koks

1824 USA – I. urządzenie do odlewania ciągłego, 1838 - ciśnieniowego

1890 - odlewanie stopów cynku i aluminium

1940 – technologia odlewania precyzyjnego oraz do form skorupowych.

Historia rozwoju Inżynierii Powierzchni


Obróbka skrawaniem

5000 p.n.e. – świdry smyczkowe, piły kamienne

3000 p.n.e. – pilniki, dłuta, noże, wiertła (kościane, krzemienne, z brązu, żelaza, żeliwa

1500 p.n.e. – I. prymitywne obrabiarki z napędem strunowym (wiertarki, tokarki)

koniec XVIII w. – obrabiarki z napędem mechanicznym (do obr. drewna, cylindrów)

Narzędzia maszynowe

do 1900 – ze stali węglowej

od 1900 – ze stali szybkotnącej

od 1926 – z węglików spiekanych

od 1932 – ze spiekanych tlenków metali

Obróbka cieplna

700 p.n.e. – hartowanie pocisków opisane przez Homera w „Odysei”

120 p.n.e. – hartowanie stali, nawęglanie, azotowanie (Chiny)

415 n.e. – żelazna kolumna w DELHI (nie korodowała) – 1500 lat później stwierdzono

cieniutką warstewkę azotków żelaza na jej powierzchni

Historia rozwoju Inżynierii Powierzchni


Amoniak z odchodów zwierzęcych + Subtropikalny

klimat azotowanie

1400 n.e. – twarda i sprężysta stal damasceńska (Persja) - zgrzewanie kuźnicze

splecionych prętów stalowych (1.2-1.8% C), wyżarzanie, wielokrotne przekuwanie

1871 – nawęglanie stali w proszkach (Kruk) Polska

1924 – azotowanie na skalę przemysłową (Niemcy)

Techniki malarskie

do końca XIX w. – głównie jako powłoki dekoracyjne, od XX w. – powłoki ochronne

1856 – Perkin (Anglia) – barwniki syntetyczne

w starożytności – farby ziemne i wodne (wapienne, kazeinowe, akwarelowe,

krzemianowe, tempera, później – nitroceluloza, żywice alkidowe i polimerowe, PVC

Techniki Inżynierii Powierzchni

1789 – przepływ prądu przez elektrolit powoduje osadzanie zawartego w nim

pierwiastka na powierzchni metalu (Włochy)

1956 – I. detonacyjne natryskanie cząstek proszku na podłoże metalowe

XX w. – łuk elektryczny, metalizacja zanurzeniowa

High technology – obróbki wiązką jonów, fotonów, elektronów

Technologiczne – wytwarzane w wyniku stosowania różnych technologii:

mechaniczne, cieplno-mechaniczne, cieplne, cieplno-chemiczne,

elektrochemiczne i chemiczne, fizyczne - i na różne sposoby, w zależności od

właściwości, grubości i przeznaczenia, w postaci monowarstw lub kompozycji

hybrydowych.

Eksploatacyjne – powstające w wyniku użytkowania warstw technologicznych

w warunkach naturalnych lub sztucznych, które posiadają właściwości inne niż

warstwy wyjściowe wskutek zmiany tych właściwości w czasie ich eksploatacji.

Warstwy powierzchniowe

technologiczne warstwy

powierzchniowe +

czynniki zewnętrzne =

eksploatacyjne warstwy

powierzchniowe

temperatura naciski

(ciśnienie)

prędkość tarcia promieniowanie

rodzaj ośrodka


Warstwa powierzchniowa = powłoka + WW

Stan fizykochemicznego powierzchni

Badania powierzchni rzeczywistej rozpoczął na przełomie XIX i XX w. G Beilby

odkrywając na powierzchni ciała warstwę zniszczonych kryształów (naz. póź. WW).


Warstwa wierzchnia (WW) – warstwa materiału ograniczona rzeczywistą

powierzchnią przedmiotu, obejmująca tę powierzchnię oraz część materiału w głąb

od powierzchni rzeczywistej, która wykazuje zmienione cechy fizyczne (i niekiedy

chemiczne) w stosunku do cech tego materiału w głębi przedmiotu w wyniku

wymuszeń zewnętrznych: nacisku, temp., czynników chemicznych, elektrycznych, i

in. Jest to tzw. techniczna WW. Pozostała część materiału przedmiotu (poza WW),

to rdzeń.

wg - PN-73/M-04250 z 1958r.

Fizyczna WW, zwana przypowierzchniową (grubość ~80 Å), to warstwa najsilniej

zmieniających się cech fizycznych i chemicznych – stanowi strefę

zaadsorbowanych atomów i cząstek gazów, cieczy i ciał stałych z otoczenia. Zawiera

tlenki i inne związki materiału obrabianego oraz wykruszone cząstki sieci krystalicznej.

Powierzchnia to:

zbiór punktów (miejsc geometrycznych) wokół których można zbudować (niewielką)

sferę, która w przecięciu z tym zbiorem daje jedynie obiekty jednowymiarowe (krzywe),

zewnętrzna, górna, wierzchnia strona czegoś, posiadająca ograniczone rozmiary,

zbiór punktów lub prostych o określonych właściwościach.

Warstwa wierzchnia

Struktura WW – to elementy geometryczne powierzchni i cechy fizyczne materiału

stanowiącego WW. Posiada ona budowę strefową, które mogą się wzajemnie

przenikać, przechodząc jedna w drugą lub nakładać w objętości przedmiotu. Strefy

rozdzielone są granicami – teoretycznymi powierzchniami określającymi zakres

występowania danej cechy (np. mikrotwardość, naprężenia własne, rodzaj struktury,

rozkład stężenia dyfundowanego lub implantowanego pierwiastka).


grubość

WW

Gra

nic

a

ze

wn

.

Po

w.

rze

czyw

ista

Stę

że

nie

pie

rwia

stk

a

Na

prę

że

nia

wła

sn

e

Tw

ard

oś

ć

Warstwa Wierzchnia Rdzeń

Krzywe rozkładu

cech WW

odległość od pow.

rzeczywistej

Po

w.

um

ow

na

Gra

nic

a

wew

.

Grubość WW – wymiar w kierunku do

powierzchni przedmiotu, zawarty

między granicą określająca otoczenie

(powierzchnią rzeczywistą) a

rdzeniem (granicą wewnętrzną).

Wa

rstw

a w

ierz

ch

nia

I strefa – adsorbowanych na pow. i ciała cząstek polarnych pochodzenia

organicznego (tłuszcze, smary, pot)

Rd

ze

ń


II strefa – adsorpcja cząstek H2O (z pary)

III strefa – adsorpcja gazów (N, Si, P)

Strefy I–III – wywierają w czasie eksploatacji istotny wpływ na przebieg

tarcia, a ich istnienie przeciwdziała powstawaniu tarcia technicznie

suchego współpracujących niesmarowanych części maszyn. Struktura

bezpostaciowa o łącznej grubości (2-3).10-4 m.

IV strefa – warstewka tlenków powstałych w wyniku reakcji chemicznej

materiału rdzenia z tlenem. Jej grubość zależy od właściwości

chemicznych materiału i szybkości dyfuzji tlenu przez warstewkę.

- chroni rdzeń przed korozją i dyfuzją O2, Si, P ,

- tlenki mogą zawierać siarczki, azotki, fosforki (związki twarde i kruche)

- tlenki osłabiają siły powierzchniowe, co ogranicza udział adhezji w

sczepianiu elementów trących, ale także zmniejszają skuteczność

smarowania (tworzenia filmu smarnego) i powstawania warstw granicznych. Warstwy strefy (I-III), tzw. adsorpcyjne i strefy IV – tlenkowe, wpływają na:

- zmniejszenie pasm poślizgu w WW i obniżenie energii powierzchniowej

- wzrost ciśnienia na ścianki mikroszczelin substancji powierzchniowo-

aktywnych, przenikających do WW i powstawanie mikronieciągłości

(pęknięcia, szczeliny) – tzw. efekt Rebindera

- wbijanie ziaren ubytków tarcia, kurzu, brudu

Model strefowy budowy WW

Wa

rstw

a w

ierz

ch

nia

V strefa – powstaje w wyniku zniszczenia sieci krystalicznej (w obszarze

przypowierzchniowym) wskutek działania, np. ostrza narzędzia podczas

obróbki mechanicznej (warstwa Bailby’ego – bezpostaciowa, 0.1-1µm)

W pobliżu stref IV i V kończy się obszar warstewki przypowierzchniowej.

Rd

ze

ń


VI strefa – obszar struktury krystalicznej steksturowanej, o grubości nie

przekraczającej kilku dziesiątych mm.

Właściwości fizyko-chemiczne (wytrzymałościowe) steksturowanych

ziaren są różne w różnych kierunkach (anizotropia). Występują

naprężenia ściskające.

VII strefa – struktura jest tylko odkształcona plastycznie, ale nie

steksturowana. Jej grubość zależy od czasu odkształcenia i nie przekracza

dziesiątych części mm.

VIII strefa – obszar odkształceń sprężystych i naprężeń rozciągających.

Model strefowy budowy WW

Model strefowy budowy WW w

ars

twa w

ierz

ch

nia

- I strefa organicznych strefa strefa

- II adsorbowania wody bezposta- przypo-

- III cząsteczek gazów, par ciowa wierzchniowa

- IV strefa tlenków

- V - VI

- VII strefa

naprężeń

własnych

- VIII

rdze

ń

wła

ściw

a

wa

rstw

a w

ierz

ch

nia

Fizycznie czysta

powierzchnia

metalu

wa

rstw

a

prz

yp

o-

wie

rzch

nio

wa


Na obraz mikrostruktury WW może również wpływać strefa

oddziaływania ciepła wywołana różnymi przemianami (hartowanie,

odpuszczanie itp.) Jej głębokość sięga zazwyczaj do strefy struktury

zgniecionej.

Różnica pomiędzy budową WW powstałą w konkretnych warunkach

technologicznych lub eksploatacyjnych, a modelem teoretycznym

polega na tym, że niektóre strefy WW mogą nie istnieć lub

nawzajem się przenikać.

Stan powierzchni i jej właściwości

W kształtowanej WW zachodzą zjawiska:

chemiczne - zmiana składu chemicznego

fizyczne - dyfuzja, odkształcenia plastyczne, topnienie, krzepnięcie

strukturalne - rekrystalizacja, przemiany fazowe

powodujące zmianę właściwości WW (mikrogeometrii powierzchni, mikrostruktury,

mikrotwardości, kruchości, adhezji, adsorpcji, absorpcji, naprężeń własnych) – w

stosunku do właściwości materiału rdzenia. Wprowadzone zmiany zwykle zmierzają w

kierunku poprawy tych właściwości (tribologicznych, strukturalnych, cieplnych,

zmęczeniowych, antykorozyjnych, dekoracyjnych, elektrycznych, świetlnych).


Charakterystyczną właściwością metalicznej WW jest:

Niejednorodność

Chemiczna skład

Fizyczna właściwości

Strukturalna budowa

makro mikro submikro

przedmiot ziarno atom

usuwanie produktów zużycia

reakcje chemiczne

Podstawowe przemiany w WW

cieplne

powstawanie ciepła

zmiany pola temperatury

nadtapianie

parowanie

odprężanie

stykanie się powierzchni

zmiany pola naprężeń

odkształcanie krystalitów

rozdzielanie krystalitów

wymiana produktów zużycia

adhezja

adsorpcja

dyfuzja

zgrzewanie

przypawanie

przemiany strukturalne

fizykochemiczne mechaniczne


Absorpcja i adsorpcja

ABSORPCJA (łac. wchłanianie) – proces fizykochemiczny przenikania masy,

polegający na pochłanianiu składnika (np. gazu) zwanego absorbatem, przez ciecz

lub ciało stałe – absorbent i rozpuszczeniu go w całej masie absorbentu.


ABSORPCJA

Rozpuszczanie w cieczy

absorpcja równowagowa

Przenikanie substancji

z jednej fazy w głąb innej (dyfuzja)

ADSORPCJA (pochłanianie powierzchniowe) – proces fizykochemiczny przyciągania

substancji (gazów, par, ciał stałych rozpuszczonych w roztworze, jonów i cieczy) i

gromadzenia jej na powierzchniach ciał stałych i cieczy (na granicy dwóch faz).

Zjawisko przejawia się zmianami stężeń substancji w warstwie granicznej między

dwiema sąsiednimi fazami i zależy od właściwości adsorbentu (ciało adsorbujące) i

adsorbatu (ciało adsorbowane).

• statyczna - w warunkach statycznych z nieruchomej fazy objętościowej,

• dynamiczna - ze strumienia gazu lub roztworu.

Większą adsorpcją odznaczają się ciała o rozwiniętej powierzchni (porowate,

chropowate), aniżeli gładkie. Czynnikiem sprzyjającym jest podwyższona temperatura

DYFUZJA (rozlewać, rozprzestrzeniać) – proces aktywowany cieplnie, polegający na

przenoszeniu cząsteczek jednej substancji względem drugiej, wewnątrz tej samej

fazy (gazowej, ciekłej lub stałej), pod wpływem bezładnego ruchu cieplnego atomów.


W zależności od rodzaju atomów dyfundujących wyróżniamy:

• samodyfuzję - wzajemne przemieszczanie się atomów tego samego rodzaju,

• dyf. chemiczną (heterodyfuzja) – przemiesz. atomów różnego rodzaju tworzących

o roztwory międzywęzłowe (mechanizm międzywęzłowy)

o roztwory substytucyjne (mechanizm wakansowy)

o związki międzymetaliczne (dyfuzja reaktywna).

Warunkiem dyfuzji chemicznej w ciele stałym jest rozpuszczalność pierwiastka

nasycającego w tym ciele.

ADHEZJA (przyleganie, przyczepność) – zjawisko powierzchniowe polegające na

silnym łączeniu warstw powierzchniowych stykających się ciał, wskutek

oddziaływania międzyatomowego, powstającego podczas takiego zbliżenia

powierzchni, które zapewnia kontakt na poziomie atomowym (at. walencyjne).

Dyfuzja i adhezja

Połączenie adhezyjne można uzyskać przez plastyczne odkształcenie czystych

aktywnych powierzchni obu przylegających ciał. Zdefektowanie struktury i aktywacja

cieplna powierzchni ułatwia tworzenie wiązań adhezyjnych.

Celem tworzenia warstw powierzchniowych jest

Uzyskiwanie istotnego podwyższania właściwości fizyko-chemicznych (żarowytrzymałości)


Warstwy powierzchniowe – dlaczego?

Stosowanie materiałów kompozytowych

Stosowanie powierzchniowych warstw ochronnych z materiałów nowej

generacji otrzymywanych przy użyciu zaawansowanych technologii

Dzięki temu możliwy jest znaczący wzrost temperatury pracy lub czasu eksploatacji

wytworzonych w ten sposób elementów maszyn i urządzeń poddawanych

wysokotemperaturowemu oddziaływaniu środowisk korozyjno – erozyjnych.

METODY WYTWARZANIA WARSTW POWIERZCHNIOWYCH

MECHANICZNE

0.1-10 mm

Nagniatanie

Obr. plastyczna

CIEPLNO-MECHANICZNE

0.01-10 mm

Natryskiwanie

Natapianie

Platerowanie

Wybuchowe

CIEPLNE

0.01-5 mm

Hartowanie

Wyżarzanie

Napawanie

CIEPLNO-CHEMICZNE

0.01-3 mm

Nasycanie

Stopowanie

CHEMICZNE I ELEKTROCHEMI

CZNE

0.001-2 mm

Osadzanie CVD

Trawienie

Polerowanie

FIZYCZNE

0.001-0.0-1 mm

Osadzanie PVD

Implantacja jonów

• Obróbka plastyczna na zimno

• Nagniatanie

• Kulowanie

• Obróbka skrawaniem

Metody mechaniczne

Mechaniczne metody modyfikacji powierzchni wykorzystują nacisk narzędzia lub

energię kinetyczną narzędzia w celu umocnienia na zimno warstwy wierzchniej lub

otrzymania powłoki na materiale podłoża.

Platerowanie - pokrycie metalu podłoża innym metalem lub stopem przez

wytworzenie nacisku na metal pokrywający np. przez walcowanie lub detonację w

odpowiednio podwyższonej temperaturze.

Detonacyjne – nanoszenie lub umacnianie

materiału przez falę uderzeniową wywołaną

jego reakcją ze strumieniem elektronów lub

fotonów przy wzroście temperatury podłoża.

Najczęściej detonacja materiału wybuchowego.

Metody cieplno-mechaniczne

Wzrost temperatury procesu w ogóle umożliwia lub intensyfikacje procesy

tworzenia połączenia między materiałem nanoszonym, a podłożem.

Stal kwasoodporna 1.4541 (1H18N9T)

Stal konstrukcyjne S235 (St3S)



Natapianie i natryskiwanie (cieplne, płomieniowe, detonacyjne) - powlekanie

przedmiotów, głównie metalowych warstwą materiałów powłokowych przez

rozpylenie drobnych cząstek materiału powłokowego w płomieniu gazu, łuku

elektrycznym bądź plazmy i nadanie im dużej energii kinetycznej w celu wywarcia

nacisku umożliwiającego dobrą przyczepność natryskiwanej powłoki do podłoża.

Natryskiwanie cieplno-mechaniczne

W procesie natryskiwania można wyróżnić kilka etapów:

1. mechaniczne podawanie materiału powłokowego

(proszek, drut, taśma, pręt lub w ciecz) do strefy

topienia,

2. topienie i rozpylanie materiału powłokowego za

pomocą sprężonego gazu (np. powietrza) lub gazów

spalinowych, w jednostkowym czasie rzędu 3-10 s,

3. lot stopionych kulistych cząstek wyrzucanych z

palnika w kierunku pokrywanej powierzchni, w czasie

którego cząstki pokrywają się otoczkami tlenkowymi,

4. tworzenie powłok, trwające od momentu

zetknięcia się cząstek z natryskiwaną

powierzchnią do czasu ostygnięcia powłoki do

temperatury otoczenia.

Porównanie gazotermicznych metod nanoszenia

Wspólną cechą

wszystkich metod gazotermicznych

jest nagrzewanie cząstek materiału powłokowego

do określonej temperatury

i nadawanie im odpowiedniej prędkości,

zapewniającej formowanie powłoki

podczas zderzenia z podłożem

prędkość zderzenia cząstek z podłożem zależy od zastosowanej metody i osiąga

wartość

temperatura ogrzewania cząstek stanowi o energii

cieplnej przekazywanej do podłoża

Energia (cieplna i kinetyczna)

przekazywana cząstkom materiału powłokowego są

podstawowymi parametrami różnicującymi

metody gazotermiczne i wpływającymi jednocześnie na

właściwości uzyskiwanych powłok

• struktura

• porowatość

• wytrzymałość adhezyjna

• wytrzymałość kohezyjna 23 Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT

Metoda gazowo-płomieniowa


To technika natryskiwania cieplnego (metalizacji natryskowej), w której

wykorzystuje się zjawiska towarzyszące spalaniu gazów (acetylen, wodór, propan-

butan, metan, gaz ziemny) w tlenie lub powietrzu. Drobne cząstki natryskiwanego

proszku porywane są przez uchodzące gazy (efekt Venturi’ego) i uderzając z dużą

energią w materiał podłoża tworzą powłokę.

1- dysza zewn. (air cup), wylatujące z niej sprężone powietrze

formułuje stożek gorącego gazu i cząstek materiału

2- sprężone powietrze

3- płomień palnika

4- natryskiwany materiał w stożku gorącego gazu

5- natryśnięta warstwa

6- materiał podłoża

7- proszek (drut) i sprężone powietrze

8- tlen i paliwo (gaz)


Pierścień sprężonego powietrza

atomizuje roztopiony materiał i

przyspiesza w kierunku podłoża.

Dysza zewnętrzna formuje pierścień sprężonego

powietrza wokół płomienia, jednocześnie

przyspieszając i skupiając cząstki proszku w zwartą

wiązkę. Proszek podczas lotu jest cały czas

ogrzewany w płomieniu.

Wytwarzanie powłok o grubości ≥ 1,5 mm przebiega

etapami, najpierw nakłada się powłokę 0.5 mm, a

po jej wygrzaniu (ok. 0.9 Tm) kontynuuje do

wymaganej grubości.

temperatura gazów spalania 2000–3000 C,

prędkość wypływu gazów V = 150–160 m/s

prędkość stopionych (uplastycznionych) cząstek

proszku Vcz = 20–80 m/s

Metoda gazowo–płomieniowa


Wady:

• względnie słaba wytrzymałość adhezyjna powłoki (<25 MPa),

• wysoka porowatość powłok (do 25%) – ogranicza zakres zastosowania powłok

w środowiskach o wysokiej aktywności chemicznej,

• słabe wykorzystanie płomienia do nagrzania proszkowych materiałów powłokowych,

• ograniczona możliwość wytwarzania powłok z materiałów ceramicznych i cermetali.

Zalety:

• prosta, przenośna i lekka konstrukcja urządzeń (możliwość

wytwarzania powłok na elementach wielkogabarytowych – bez

ich demontażu),

• wysoka wydajność procesu (~10 kg/godz. przy 95%),

• możliwość wytwarzania powłok z większości substancji (< 3000C),

• niewielkie koszty, przy akceptowanej niższej jakości pokrycia.

• Regeneracja zużytych części stalowych lub z

brązu, zwłaszcza wałków w miejscu

łożyskowania. Powłoki są dość porowate, więc

substancje smarujące mogą w nie wnikać

polepszając pracę łożyska.

• Inne materiały natryskiwane płomieniowo: Cu,

Mo, brązy, stopy Fe.

Zastosowanie:

• Ochrona przed korozją konstrukcji i części (mostów, platform wiertniczych, butli) za

pomocą warstw natryskiwanego Al lub Zn - oba są droższe, ale bardziej odporne

na korozję.

http://www.sciteex.com.pl/metallisation/mark_61.htm

W technice natryskiwania łukowego (Arc Spraying Process), czynnikiem

grzewczym jest łuk elektryczny jarzący się między dwiema elektrodami.

Natryskiwanie łukowe


1- sprężone powietrze.

2- prowadnik drutu ze stykiem elektrycznym

3- warstwa natryskiwana

4- materiał podłoża

5- łuk elektryczny

6- układ podawania drutu z określoną V


Natryskiwany materiał topiony jest przez łuk elektryczny jarzący się między dwoma

końcami dwu drutów spoinowych. Stopiony materiał ulega atomizacji sprężonym

powietrzem, które przyspiesza go w kierunku podłoża. Cząstki uderzając w podłoże,

gwałtownie stygną i zestalają się tworzą powłokę.

Proces określa się mianem zimnego (cold process) ponieważ Tpodł. jest niska, co

zapobiega jego destrukcji (odkształceniom, zmianom składu chemicznego). Nie

zawsze jest to pożądane, gdyż natryskiwanie gorącej powłoki na zimne podłoże

generuje powstawanie naprężeń. Z tego powodu podczas natryskiwania łukowego

używa się czasem dodatkowego palnika do grzania podłoża.

W metodzie łukowej, ze względu na wyższy stopień koncentracji łuku elektrycznego

materiałami powłokowymi są druty:

• jednoskładnikowe, stopowe i kompozytowe,

• jednolite i proszkowe.

Druty kompozytowe zbudowane są z rdzenia i płaszcza, np. rdzeń WC-W2C w

płaszczu Co. Zwykle płaszcz ma 50% udział w kompozycji. Wytwarza się również

druty z udziałem faz międzymetalicznych z układu NiAl przez: walcowanie rurek lub

taśm Al napełnionych proszkiem Ni oraz ciągnienie taśmy wspólnie z litym rdzeniem.


Średnica drutu 2–5 mm

Prędkość cząstek proszku Vcz = do 150 m/s

Moc zasilania palnika 5–10 kW

Temperatura w łuku elektrycznym 6100 C przy 280A i 20-40V

Porowatość powłok 10–20%

Uzyskiwana grubość powłok 100–1500 m

Zalety

• powłoki gęstsze i wytrzymalsze od powłok natryskiwanych płomieniowo

• możliwość pokrywania dużych pow. (duża prędkość i efektywność nanoszenia)

• niskie koszty wytwarzania, przy zadawalającej jakości powłok

Natryskiwanie łukowe

Wady

• konieczność stosowania drutów przewodzących prąd elektryczny,

• stosowanie odrębnych źródeł ciepła (do podgrzania podłoża przy natryskiwaniu)

Zastosowania

Pokrycia antykorozyjne z Zn lub Al (duże elementy, np. mosty),

Regeneracja zużytych części maszyn,

Wysoka jakość tribologiczna (zwłaszcza powłok kompozytowych),

Inne materiały natryskiwane płomieniowo: Cu, Ni, brązy, stopy Fe.

http://www.sciteex.com.pl/metallisation/arc_140.htm

Natryskiwanie plazmowe


Natryskiwanie plazmowe zaliczane jest do technik metalizacji natryskowej, metod

o największym stopniu koncentracji energii. Wykonywane jest w:

• normalnych warunkach atmosferycznych lub atmosferze gazu obojętnego –

argonu (Atmospheric Plasma Spraying – APS) - lata 60-te ubiegłego stulecia,

• próżni (Vacuum Plasma Spraying – VPS)

• atmosferze gazu obojętnego pod obniżonym ciśnieniem (Low Pressure Plasma

Spraying Process – LPPS) – lata 70-te ubiegłego stulecia.

Plazma to częściowo zjonizowana materia o bardzo dużej

pojemności cieplnej, stanowiąca czwarty stan skupienia.

Do jej wytwarzania służy generator -

plazmotron. Wyróżniamy plazmotrony

łukowe, indukcyjne i mikrofalowe.

Wytwarzają one strumień plazmy o

temperaturze 5000-5500 C i

prędkości strumienia 1000-1500 m/s.

Wprowadzany proszek ulega stopieniu

w wypływającej strudze i w wyniku

zderzenia z podłożem tworzy powłokę.

Natryskanie plazmowe APS

29

1- anoda 2- kanał wewnętrznego iniektora

proszków 3- natryskiwany proszek w stożku

gorącego gazu 4- natryśnięta warstwa 5- podłoże 6- łuk wyładowania elektrycznego

7- kanały z wodą chłodzące palnik 8- katoda 9- zasilanie wodą 10- woda 11- gaz roboczy (argon) 11- wtryskiwany proszek w gazie

nośnym Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT

Centralnie w palniku umieszczona jest wolframowa katoda i otaczająca ją pierścieniowa miedziana anoda, pomiędzy którymi jarzy się łuk elektr. wewnątrz palnika. Przez palnik przepływa gaz plazmotwórczy – zwykle argon (czasem z dodatkiem H, N lub He), który porywa ze sobą podawany proszek. Gwałtownie nagrzewany przez łuku elektryczny argon, zmienia stan skupienia na plazmę i porywa rozgrzany proszek. Mieszanka plazmy i roztopionego proszku wydostając się przez dyszę formuje strugę, a następnie po zderzeniu z materiałem podłoża – powłokę. Z uwagi na wysoką temperaturę gazów, palnik chłodzony jest wodą.

Zalety

• dowolność gazów plazmotwórczych – obojętne (Ar, He), utleniające lub redukujące,

• możliwość wytwarzania powłok ze wszystkich materiałów (proszki i druty), zarówno

trudnotopliwych (W, Zr, tlenki, azotki, borki) jak i niskotopliwych oraz ceramiki,

• precyzyjne sterowanie parametrami plazmotronu, co pozwala na regulację

wydajności procesu i kształtowanie pożądanych właściwości powłok,

• wysoka wydajność, 20-80 kg proszku/godz.,

• lepsza niż dla metod płomieniowych i

łukowych jakość uzyskiwanych powłok.

Natryskanie plazmowe APS


Wady

• wysoki poziom hałasu podczas pracy do 130 dB

i efektów świetlnych oraz niska sprawność cieplna procesu,

• wysoki koszt plazmotronów,

• stosunkowo wysoka złożoność procesu natryskiwania,

• ze względu na zbyt mała wytrzymałość adhezyjną i wysoką porowatość (do 15%)

powłok, wymaga się, aby dla każdego przypadku dobrać parametry technologiczne

natryskiwania.

Pistolet z wymiennymi dyszami (kompaktowa

konstrukcja, waga 2 kg),

Kontroler ciśnienia wody i gazów, pełna niezależność

układów gazowego i elektrycznego, waga 128 kg,

System chłodzenia

Podajnik proszku – możliwość sterowania prędkością

podawania proszku i wydatku gazu nośnego, waga

126 kg ,

Zasilacz prądu stałego, max. moc wyjściowa 50 kW

przy 1000 A i napięciu 75 V.

System Plazmotronowy PS 50M

Około 90% warstw natryskiwanych plazmowo nanosi się z mocą ≤40 kW (dostępne

są również systemy pozwalające na uzyskanie mocy nawet do 250 kW).

Natryskanie plazmowe VPS i LPPS


Natryskiwanie plazmowe próżniowe (VPS) lub przy obniżonym ciśnieniu (LPPS)

to metody nowoczesne i perspektywiczne, którymi uzyskuje się powłoki:

• wolne od tlenków

• o znikomej porowatości

• wysokiej wytrzymałości adhezyjnej.

Natryskiwanie plazmowe w komorach próżniowych eliminuje wpływ środowiska

na kruchość wodorową powłok, a jednocześnie uwalnia układ od tlenków na granicy

powłoka-podłoże, co podnosi wytrzymałość adhezyjną i obniża porowatość powłoki.

• prędkość początkowa cząstek proszku dochodzi do 800 m/s,

• bardzo dobra wytrzymałość adhezyjna powłok, do 80 MPa,

• niska porowatość rzędu 0.5-1%,

• temperatura podłoża nie przekracza 140 C, brak niepożądanych przemian.

W metodzie LPPS, strumień plazmy przy obniżonym ciśnieniu 5103 Pa w atmosferze

Ar, He lub ich mieszanki odznacza się wysoką jednorodnością temperatury i

ciśnienia, co pozwala uzyskać powłoki o bardzo wysokiej jakości:

• gęste i jednorodne,

• drobnoziarniste o niskich (ściskających) naprężeniach własnych,

• bardzo dobrą wytrzymałość adhezyjną.

Ostateczne właściwości pokryć uzyskuje się w wyniku obróbki cieplnej, którą

przeprowadza się po procesie natryskiwania.

Natryskiwanie detonacyjne DGS


Główną zaletą metody jest możliwość uzyskania powłoki o innych niż podłoże

metalowe właściwościach. Grubość warstwy do 1mm. Metoda kosztowna.

Przykłady zastosowań: tłoki w sprężarkach lub pompach, wirniki turbin parowych,

turbiny sprężarek, walce

maszyn papierniczych,

kalandry itd.

Napylanie powłok metodą gazodetonacyjną impulsową

DGS (Detonation Gas Spraying), polega na wprowadzeniu

określonej ilości nanoszonego proszku do komory spalania

działa detonacyjnego. W komorze tej następuje jego

zmieszanie z acetylenem i tlenem, gdzie z regulowaną

częstotliwością następuje detonacyjne spalanie mieszanki

gazowej. Powstała w dyszy fala uderzeniowa wyrzuca

cząstki proszku, nagrzewając je do stanu ciekłego lub

plastycznego. Cząstki te z dużą prędkością uderzają w

uprzednio przygotowane podłoże tworząc na nim wysokiej

jakości powłokę, nieznacznie ją nagrzewając.

Naddźwiękowe nanoszenie paliwowo–tlenowe


Istnieje wiele typów urządzeń do natryskiwania metodą HVOF różniących się

geometrią i rodzajem dysz naddźwiękowych (Jet Kote, Top Gun, Diamond Jet

Standard, DJ 2600, JP-5000, Top Gun-K), które w głównej mierze decydują o

sposobie i parametrach procesu natryskiwania. Jednakże wszystkie urządzenia

posiadają wspólne cechy:

• komorę spalania (w której występuje ciągły zapłon gazów),

• podobne mechanizmy (przyspieszania i nagrzewania miotanych z ogromną

prędkością cząsteczek proszków tworzących powłokę).

HVOF (High Velocity Oxy–Fuel) to metoda opracowana w latach 80-ych ubiegłego

stulecia. Polega na ciągłym spalaniu mieszanki paliwowo-tlenowej (np. propan-

butan z tlenem) w komorze spalania. Wysokotemperaturowy strumień gazu

wyrzuca cząsteczki proszku powłokowego przez dyszę (de’Lavala), nadając im

naddźwiękową szybkość, o niewielkim ciśnieniu, ale dużym przyspieszeniu.

High Velocity Oxy-Fuel – HVOF


Prędkość cząstek proszku wyrzucanych w laminarno – turbulentnym strumieniu

wysokotemperaturowego (1200 C) gazu dochodzi do 1550 m/s. Cząsteczki

proszku uderzając z bardzo dużą energią wytwarzają powłokę o bardzo dobrej

wytrzymałości adhezyjnej (>80MPa) i niskiej porowatości (0.1-1%). Wady:

Długość komory spalania i lufy powoduje niekorzystne oddziaływania strumienia

gazów na podłoże, które mogą prowadzić do zmiany jego składu chemicznego,

Ogranicza to możliwość stosowania metody HVOF do cienkich elementów lub

materiałów łatwo topliwych (tworzyw sztucznych, czy kompozytów polimerowych),

Intensywne zużywanie dysz naddźwiękowych, które podlegają niemal ciągłej wymianie,

Wytwarzanie powłok o wysokiej jakości wymaga wysokich ciśnień, którym towarzyszy

znaczny wzrost temperatury urządzenia i kosztów eksploatacji.

Pistolet – pozwala na uzyskanie szerokiego czoła płomienia,

zwiększając stopień spalenia mieszanki w komorze. Niskie

ciśnienie wtrysku proszku.

Kontroler przepływu gazów – pozwala uzyskać warstwy o

powtarzalnej jakości.

Podajnik proszku – wyposażony w układ zwrotny,

precyzyjnie dozuje proszku w zależności od ciśnienia

przepływu gazów.

MET Jet III - zintegrowany system do natryskiwania met.

HVOF pozwala natryskiwać grube i gęste powłoki (z metali,

stopów i węglików) o wysokiej twardości, niskim stopniu

utlenienia i korzystnym rozkładem naprężeń własnych.


Metoda HVOF zajmuje czołową pozycję wśród metod gazotermicznych i jest

szczególnie perspektywiczna dla otrzymywania jednorodnych i kompozytowych

powłok (metalicznych i niemetalicznych), stosowanych w środowiskach o

ekstremalnych warunkach ścierania, obciążenia cieplnego i agresywności korozyjnej.

HVOF umożliwia wytwarzanie kompozytowych powłok na bazie faz międzymetalicznych

FeAl-TiAl-Al2O3 i FeAl-TiC-Al2O3

jak również powłok zawierających fazy borkowe i węglikowe.

Poważną wadą metody HVOF jest zużywanie się elementów konstrukcyjnych

urządzeń w porównaniu do pokrewnej metody gazodetonacyjnej impulsowej DGS,

w której okres użytkowania działa detonacyjnego wynosi do 15 tys. godzin (co

średnio odpowiada pięcioletniej eksploatacji), bez wymiany żadnego z głównych

elementów konstrukcyjnych.

High Velocity Oxy-Fuel – HVOF

Hartowanie polega na nagrzaniu stali do

temperatur występowania austenitu >Ac1,3,

wygrzaniu i oziębieniu z szybkością większą od krytycznej.

Wyróżniamy hartowanie: objętościowe – obejmuje całą objętość

przedmiotu oraz powierzchniowe – nagrzewamy tylko warstwy

wierzchniej przedmiotu.

Odpuszczanie - polega na nagrzaniu stali zahartowanej do

temperatury poniżej Ac1, wygrzaniu i chłodzeniu do

temperatury pokojowej. Wykonywane w celu usunięcia

naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości,

wytrzymałości i odporności na ścieranie lub optymalnych

wł. wytrzymałościowych i plastycznych.

Hartowanie i wysokie odpuszczanie – ulepszanie cieplne.

Przejście struktury

martenzytycznej

do perlitycznej

W. ujednorodniające

W. normalizujące

W. rekrystalizujące

W. odprężające

HARTOWANIE

Wyżarzanie to nagrzanie stali do

określonej temperatury, wygrzanie i

studzenie w celu uzyskania struktury

zbliżonej do stanu równowagi.

Wyróżniamy wyżarz.: ujednorodniające,

normalizujące, zupełne, sferoidyzujące,

rekrystalizujące i odprężające.

Metody cieplne


Nadtapianie - wytworzenie warstwy amorficznej (szkła

metalowego) różniącej się własnościami fizycznymi i

chemicznymi od rdzenia, ale zachowującej ten sam

skład chemiczny. Nadtapianie przeprowadza się

przez grzanie laserowe, elektronowe lub płomieniowe.

Nad- i na-tapianie

Natapianie palnikiem acetylenowo-tlenowym jest szeroko stosowane do nakładania

warstw metali nieżelaznych na uszkodzone przez korozje wyroby stalowe lub

uzupełnia się mosiądzem braki części żeliwnych (odlewy).

Natapianie - nanoszenie na podłoże metalowe

powłoki z czystego metalu lub stopu o

właściwościach różnych od materiału podłoża,

za pomocą grzania laserowego, elektronowego

lub elektroiskrowego.



Można wyróżnić następujące metody napawania:

płomieniowe

łukowe - el. otuloną, nietopliwą (GTA) lub topliwą

(GMA), w osłonie gazowej, łukiem krytym, żużlowe.

Napawanie

Napawanie - polega na stopieniu materiału dodatkowego (spoiwa)

z nadtopionym materiałem podłoża. W wypadku regeneracji

powstaje warstwa o własnościach zbliżonych do podłoża, a w wypadku

podwyższenia trwałości eksploatacyjnej - o właściwościach odmiennych od

podłoża. Napawanie przeprowadza się technikami spawalniczymi. Udział spoiwa w

nałożonej napoinie, może dochodzić do kilkudziesięciu procent.


Nasycanie dyfuzyjne to proces nasycania

warstwy wierzchniej metali pierwiastkami

zawartymi w ośrodkach stałych, ciekłych

lub gazowych, w celu wywołania zmian składu chemicznego,

struktury i właściwości. Wyróżniamy nasycanie:

klasyczne - nawęglanie, azotowanie i chromowanie -

określane mianem niewspomaganych, gdyż reakcje

chemiczne aktywowane są wyłącznie cieplnie - np. Hot

Filament CVD (HFCVD)

wspomagane metody CVD (Chemical Vapour

Deposition - chemiczne osadzanie z fazy gazowej) i

PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition),

stopowanie laserowe lub elektronowe,

zestalanie cieplno-chemiczne.

Metody cieplno-chemiczne

Nawęglanie


Nawęglanie to proces dyfuzyjnego nasycania węglem

WW stali (<0.3% C), polegający na:

• wygrzewaniu (~8h) poniżej temperatury austenityzacji

(880-950C), w ośrodkach stałych, ciekłych i

gazowych zawierających węgiel, finalnie 0.8%C w WW,

• hartowaniu, otrzymując bardzo wysoką twardość

powłoki – 62-64 HRC,

• odpuszczaniu – zmniejszenie naprężeń.

W wyniku realizacji procesu zyskuje się warstwę o grubości <10 mm (zwykle 0.5-2

mm), o dużej twardości powierzchni, odporną na zużycie ścierne i zmęczeniowe,

przy zachowaniu wysokich własności mechanicznych i niezbędnej ciągliwości rdzenia.

Zastosowanie: koła zębate, wałki rozrządu, sworznie tłokowe, pierścienie i wałki

łożysk tocznych.

Wadą procesu jest wysoka temperatura obróbki oraz szybkie chłodzenie, które są

przyczyną znacznych odkształceń hartowniczych, wymagających stosowania

większych naddatków na szlifowanie nawęglanych elementów.

Od powstających warstw wymaga się też określonej wielkości ziarna austenitu

pierwotnego, braku wydzieleń cementytu wtórnego na granicach ziaren, eliminacji

karbów strukturalnych (tlenki), a m-ce maksymalnego wytężenia materiału powinno

znajdować się wewnątrz WW.

Sposoby nawęglania

Nawęglanie w ośrodkach stałych to sposób stary i najprostszy. Polega na

wygrzewaniu stali w skrzynkach żaroodpornych wypełnionych proszkiem stanowiący

mieszaninę węgla drzewnego z aktywatorami BaCO3, Na2CO3, K2CO3, CaCO3.

Proces polega na rozkładzie węglanów i utlenianiu C z węgla drzewnego, a

następnie jego redukcji do postaci atomowej, dyfuzji do stali i tworzeniu cementytu

Fe3C rozpuszczanego w austenicie.

Wady procesu to energochłonność procesu, brak możliwości regulacji zawartości C w

WW i możliwości hartowania bezpośrednio po nawęglaniu.

Nawęglanie w ośrodkach ciekłych odbywa się w kąpielach

solnych: węglików (SiC, CaC2, BaC2), węglanów (Na2CO3,

K2CO3) i kwasów (NaCl) i charakteryzuje się:

• stosunkowo prostą technologią,

• równomierną grubością na całej powierzchni,

• możliwość hartowania bezpośrednio po nawęglaniu,

o możliwością zanieczyszczanie środowiska, co

wymaga rygorystycznego przestrzegania zasad

BHP,

o trudnością wytworzenia cienkich warstw.


Nawęglanie w ośrodkach gazowych to sposób najnowocześniejszy i

najczęściej stosowany od ponad 30 lat. Polega na wygrzewaniu stali

w atmosferze gazów nawęglających zawierających: CO bądź

węglowodory nasycone (CnH2n+2) i nienasycone (CnH2n).

Gazy nawęglające ulegają rozkładowi na powierzchni przedmiotów z

wydzieleniem aktywnych atomów węgla dyfundującego w głąb stali. Metoda charakteryzuje się:

• wysoką mechanizacją, wydajnością, prostotą i powtarzalnością wyników,

o kosztowne i energochłonne urządzenia, duża emisja zw. szkodliwych.

Sposoby nawęglania

Nawęglanie gazowe w atmosferze endotermicznej polega na katalitycznym

spalaniu gazu ziemnego lub propanu przy niedomiarze powietrza w retorcie

wypełnionej katalizatorem Ni w temperaturze 1000-1200 C. Proces nawęglania i

obróbki cieplnej przeprowadza się w wysokowydajnych piecach o ruchu ciągłym.

Bardzo szybka reakcja w porównaniu z innymi metodami.

Nawęglanie gazowe in situ – atmosfera nawęglająca wytwarzana jest bezpośrednio

w komorze pieca przez wprowadzenie do niego:

• gazu opałowego i jego konwersję z powietrzem,

• związków organicznych (węglowodorów, alkoholi) oraz wody i ich piroliza.

Nawęglanie fluoidalne odbywa się w złożach rozdrobnionego grafitu lub korundu

zawieszonego w strumieniu gazu nawęglającego, przepływającego z odpowiednią

prędkością w temperaturze 900 – 950 oC. Metoda szybka. Po nawęglaniu -

możliwość bezpośredniego hartowania przedmiotów.

43

Obróbka cieplna przy nawęglaniu

Uzyskanie wysokiej twardości nasycanej węglem WW stali wymaga

wcześniejszego jej przygotowania przez zastosowanie wygrzewania

normalizującego lub ulepszania cieplnego.

A1

A3

Acm

S

910oC G N

H

O

P

0.4 0.8 1.2 1.6

%C N – nawęglanie

H - hartowanie

O – odpuszczanie

723oC

czas

Hartując, materiał nagrzewa się do temperatury o 30-50 C powyżej AC1, wygrzewa

przemieniając wszystkie składniki stali w austenit, a następnie gwałtownie chłodzi,

uzyskując martenzyt (62-65 HRC). Z zewnątrz powstaje twarda i odporna WW,

pozostawiając miękki i sprężysty rdzeń. Hartowanie musi być przeprowadzone w

odpowiedni sposób, aby nie dopuścić do nadmiernego rozrostu ziarna austenitu

oraz powstania siatki wydzieleń cementytu wtórnego po granicach ziaren w

nawęglonej WW. Dlatego zasadniczo przeprowadza się je w olejach, emulsjach i

ośrodkach hartowniczych (N, H, He).

Na zakończenie, przedmiot

poddaje się odpuszczaniu,

w celu zmniejszenia

naprężeń hartowniczych

związanych z powstaniem

martenzytu.

Azotowanie

Azotowanie (nitriding) – proces nasycania azotem

powierzchni przedmiotów stalowych lub żeliwnych w celu

nadania im wysokiej twardości powierzchniowej,

odporności na ścieranie oraz wysokiej odporności

zmęczeniowej.

Struktura warstwy wierzchniej po azotowaniu: azotek typu

ε = Fe2N lub ’ = Fe4N o dużej odporności

korozyjnej.

Azotowanie przeprowadzamy w temperaturze

480-800 C w czasie do 100 godz. Grubość

warstwy wynosi od 0.2÷0.8 mm, zależnie

od temperatury i czasu, a jej twardość nie

przekracza 1100 HV dla stali ogólnego

przeznaczenia.

Azotowanie antykorozyjne (krótkookresowe)

– prowadzi się w temperaturze 600-800°C

w czasie 1÷6 godzin uzyskując warstwę o

grubość 0.005÷0.03 mm.


Ośrodki: najczęściej strumień zdysocjowanego amoniaku

w temperaturze 500-600ºC.

Azotowaniu poddajemy stale średniowęglowe (0.2-0.4 %C)

zawierające pierwiastki azotkotwórcze, tj. Cr, Mo i V.

Zastosowanie: elementy konstrukcyjne i narzędziowe narażone podczas pracy na

zużycie ścierne i korozję, np. elementy silników i pomp w przemyśle okrętowym,

lotniczym i motoryzacyjnym, narzędzia do obróbki plastycznej i skrawania, elementy

wytłaczarek i wtryskarek.

Azotowanie - technologia

Możliwe jest osiągnięcie dużej twardość, nawet do

1500 HV w przypadku azotowania stali

narzędziowych, wysokostopowych.

Warstwy azotowane charakteryzują się dobrą

wytrzymałością zmęczeniową oraz odpornością na

zacieranie i zużycie o charakterze adhezyjnym.

Małe odkształcenia postaciowe.

Proces azotowania poprzedzony jest przez ulepszanie cieplne, bez

obróbek post-procesowych.


Azotowanie jonowe polega na wyładowaniach jarzeniowych

przebiegających w rozrzedzonej atmosferze azotu, tzw.

próżni azotowej, pomiędzy katodą (przedmioty azotowane) i

anodą (obudowa urządzenia).

W wyniku uderzania jonów o dużej energii (o powierzchnię

przedmiotów) wzrasta ich temperatura do 350-600 C (zależy

od napięcia i natężenia prądu

oraz ciśnienia).

Azotowanie jonowe


Atomy żelaza wybijane są z powierzchni przedmiotów,

reagują chemicznie z azotem z atmosfery tworząc

związki, które osadzają się na powierzchni

przedmiotów. Azot z tych związków przenika w głąb

materiału, w wyniku czego powstaje warstwa

azotowana.

Węgloazotowanie lub cyjanowanie (carbonitriding) to obróbka cieplno-chemiczna

polegająca na jednoczesnym nasycaniu powierzchni stali azotem i węglem. Celem

jest wytworzenie na powierzchni przedmiotów stalowych warstwy o wysokiej

twardości i odporności na ścieranie w znacznie większym stopniu niż dla warstw

nawęglanych.

Węgloazotowanie

Cyjanowanie kąpielowe w niskiej temperaturze jest podstawową formą technologiczną

i charakteryzuje się:

• temperatura procesu 550-600oC,

• czas – 15-30 min.,

• środowisko – NaCN, KCN,

• grubość otrzymanej warstwy 0.02 – 0.04 mm,

• duża zawartość azotu i mała zawartość węgla,

• zastosowanie – dla zwiększenia twardości krawędzi tnących stali szybkotnących.

Technologie pochodne:

tlenoazotowanie

borowanie,

nasiarczanie.


Nanoszenie powłok polega na zanurzaniu pokrywanego

elementu (stal, żeliwo, miedź) w kąpieli z roztopionego

metalu:

• cyny (232°C),

• ołowiu (372°C),

• cynku (419°C)

• aluminium (660°C).

Proces składa się z:

1. Obróbki wstępnej obejmującej oczyszczanie w kąpieli alkalicznej i trawieniu,

2. Nakładania powłoki poprzez zanurzenie lub przeciąganie pokrywanych elementów

przez ciekły metal. Warunkiem powstania ciągłej powłoki jest dobra zwilżalność

przedmiotu przez płynny metal. Powstaje cienka warstwa adsorpcyjna. Jeżeli

średnica atomu ciekłego metalu jest zbliżona do średnicy atomu metalu podłoża to

tworzy się warstwa faz międzymetalicznych w wyniku dyfuzji reaktywnej. W

odniesieniu do stopów żelaza warunek ten spełniają pokrycia z Sn, Zn i Al.

Metody zanurzeniowe (ogniowe)


Chemiczne osadzanie z fazy gazowej CVD

1. Transport gazowych reagentów do strefy granicznej i powierzchni podłoża,

2. Adsorpcja reagentów na powierzchni podłoża

3. Heterogeniczne reakcje zarodkowania i wzrostu powłoki

4. Dyfuzja wzajemna pierwiastków powłoki i podłoża,

5. Desorpcja zbędnych produktów reakcji chemicznych na zewnątrz warstwy

granicznej.

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej CVD (Chemical Vapour Deposition), jest

procesem, w którym pod wpływem wysokiej temperatury przy powierzchni substratu

dochodzi do reakcji chemicznej gazów, z których deponowany jest na tę

powierzchnię określony materiał, tworzący cienką warstewkę.

Zalety warstw PVD:

• duża szybkość osadzania,

• można osadzać materiały, które

trudno odparować,

• powtarzalność procesu.

Wady

• wysoka temperatura procesu,

• złożoność procesów

• toksyczne i żrące gazy.


Dyfuzyjne warstwy ochronne

Dyfuzyjne warstwy ochronne na bazie Al cieszące się od kilkudziesięciu lat dużym

powodzeniem. Otrzymywane są one metodą kontaktowo–gazową na drodze

nasycania dyfuzyjnego (wspomaganego lub nie) w mieszaninach proszków,

cieczy lub gazów wzbogacanych w różnego typu aktywatory i uszczelniacze.

Stosowane są od lat 50-tych XX w. jako pierwowzór współczesnych powłok

ochronnych w lotniczych turbinach gazowych, zabezpieczających stopy

żarowytrzymałe przed korozją w wysokiej temperaturze.

Schemat urządzenia do realizacji

procesu CVD

1. komora robocza

2. oporowe elementy grzejne

3. wsad

4. dozownik

5. układ dozujący gazy z mieszalnikiem

Pozostałe zastosowania:

• w przemyśle elektronicznym do otrzymywania półprzewodnikowych struktur z

krzemu, germanu oraz warstw dielektrycznych,

• pokrywanie narzędzi skrawających powłokami z trudno topliwych i twardych

materiałów.

Dyfuzyjne warstwy ochronne uzyskuje się na drodze aluminiowania

żarowytrzymałych stopów na bazie Ni i Co pierwiastkami z zagęszczonej zaprawy

(Pack Cementation) lub natryskiwania zawiesin (Slurry) z dodatkami stopowymi: Cr,

Si, Ta, pierwiastki ziem rzadkich, metali szlachetnych.

W procesie Pack Cementation dochodzi do wzajemnej dyfuzji pomiędzy Al i podłożem

z wytworzeniem warstwy międzymetalicznej typu NiAl lub CoAl – chroniącej przed

degradującym oddziaływaniem strumienia gorących gazów spalinowych. Metoda

zapewniają ochronę żarowytrzymałym stopom Ni i Co przed destrukcyjnym oddziaływaniem

agresywnych chemicznie środowisk do temperatury 850, a niektóre nawet 1100 C.


Nasycanie dyfuzyjne nie wspomagane

Wg danych z 1994 r. powłoki dyfuzyjne na bazie

aluminków Ni i Co wytwarzane tradycyjną metodą

cieplno – chemiczną, zaspokajały w 90% potrzeby

światowego rynku produkcji łopatek turbin

samolotowych, morskich i przemysłowych. Obecnie

stosowanych jest w tym celu ponad 30 typów warstw

dyfuzyjnych (np. Al2O3, Cr2O3 lub SiO2).

Największy postęp w rozwoju modyfikowanych powłok dyfuzyjnych zanotowano dla

powłok platynowo-aluminkowych (LDC-2) wytworzonych przez elektrolityczne

powlekanie stopu podłoża cienką warstwą Pt, a następnie dyfuzyjnie nasycanych

Al, metodą kontaktowo-gazową w T = 1100 C.


Dyfuzyjne pokrycia ochronne

APCVD (Atmospheric Pressure CVD) – CVD pod ciśnieniem atmosferycznym - jest

wszechstronnym procesem produkcyjnym, który zapewnia korzyści w postaci

znacznego zwiększenia wydajności i obniżenia kosztów. Urządzenia nie są

wymagające pod względem konstrukcyjnym, gdyż są pozbawione komory próżniowej.

Tworzenie powłoki jest uzależnione od warunków termodynamicznych, a

jednorodność powierzchni osiąga się poprzez kontrolę temperatury i przepływu

gazu. Metoda jest podatna na utlenianie ze względu na większą gęstość i czas

przebywania w gazie. Tempo wzrostu warstwy wynosi tylko ~ 0.1 μm / min.

LPCVD (Low Pressure CVD) - CVD przy obniżonym ciśnieniu - zmniejszone

ciśnienia zmniejszają niepożądane reakcje w fazie gazowej i poprawiają jednolitość

powłoki.

Reakcja transportu pierwiastków

obejmuje:

1. przejście materiału źródła w lotny

związek chemiczny,

2. transport lotnego związku ze

źródła do podłoża,

3. rozkład lotnego związku z

utworzeniem powłoki.


Nasycanie dyfuzyjne wspomagane

Dyfuzyjne warstwy ochronne na bazie Al otrzymywane metodą cieplno-

chemiczną poprzez nasycanie warstwy powierzchniowej z udziałem czynników

przyspieszających (dyfuzja wspomagana) metodą CVD.

Wspomaganie poprzez:

• dobór odpowiednich atmosfer gazowych i związków

metaloorganicznych MOCVD,

• wprowadzenie techniki laserowej Laser CVD,

• aktywację elektryczną środowiska gazowego za

pomocą wyładowania jarzeniowego PACVD.

Technika MOCVD (Metall-organic CVD) ma zastosowanie m. in. w elektronice do

osadzania warstw półprzewodnikowych. Prekursorami są związki metaloorganiczne

takie jak alkile lub wodorki, które rozkładają się we względnie niskich

temperaturach (< 800°C). W taki sposób otrzymane warstwy są bardzo cienkie i

zwykle epitaksjalne. Niska temperatura procesu MOCVD przydatna jest przy

osadzaniu związków odpornych na ścieranie i korozję na podłożach stalowych.


Chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane wyładowaniem jarzeniowym

PACVD (Plasma Asisted CVD) - jt. wytwarzanie twardych warstw powierzchniowych

Polega na mieszaniu pierwiastków stopowych z przetapianym lub nie przetapianym

materiałem podłoża metalowego oraz ich dyfuzją – realizowane ze wspomaganiem

wyładowania plazmy. W procesie tym zachodzą reakcje chemiczne w warunkach

aktywacji elektrycznej środowiska gazowego.

ICP CVD (Inductively

Coupled

Plasma CVD)

PLAZMA

Zastosowanie:

• otrzymywanie powłok z diamentu i

regularnego azotku boru stosowanych jako

powłoki dielektryczne, ogniwa fotoelektryczne,

• nanoszenie twardych powłok antyściernych na narzędzia skrawające i części

maszyn,

• w elektronice: otrzymywanie kondensatorów, warstw maskujących w litografii,

warstw półprzewodnikowych i dielektrycznych.

Plazmowe wspomaganie CVD

Metody elektro-chemiczne


Osadzanie elektrolityczne (galwaniczne) - pokrywanie metalu stanowiącego katodę

w procesie elektrolizy, jonami metalu zawartymi w elektrolicie i ulegającymi redukcji

i formującymi powłokę, podczas przepływu prądu stałego przez elektrolit. Metodą

galwaniczną można osadzać większość metali, zarówno elektrododatnich (Au, Ag,

Cu), jak i elektroujemnych (Zn, Sn, Ni, Cd, Fe).

Galwanostegia - dział galwanotechniki zajmujący się elektrolitycznymi procesami

uzyskiwania na powierzchni metali trwale z nim związanych powłok (metalicznych lub

niemetalicznych). Obejmuje ona:

• redukcję elektrochemiczną lub chemiczną (powłoki elektrolityczne i konwersyjne),

• reakcję chemiczną (powłoki malarskie)

Powłoki elektrolityczne mogą być nanoszone metodą kąpielową,

którą przeprowadza się w wannach wypełnionych kompozycją soli i

substancji pomocniczych. Jakość powłoki zależy od rodzaju kąpieli

galwanicznej (jej zdolności do penetracji i wygładzania), warunków

napięciowo-prądowych (napięcie, gęstość prądu), temperatury i

warunków hydrodynamicznych (cyrkulacja roztworu, mieszanie).

Zalety:

• duża równomierność powłoki w szerokim zakresie jej grubości,

• mała porowatość i duża czystość uzyskiwanych powłok

• możliwość otrzymywania powłok o różnych właściwościach

• niska temperatura i duża szybkość procesu.

Metody chemiczne


Osadzanie chemiczne (bezprądowe) - wytwarzanie

powłok z metalu lub stopu w wyniku redukcji

chemicznej w kąpielach lub przez natrysk na

powierzchnie metali, na które trudno jest nałożyć

powłoki elektrolityczne z powodu złożonego kształtu

pokrywanych przedmiotów.

Osadzanie konwersyjne - wytwarzanie na powierzchni

metalu szczelnej warstwy trudno rozpuszczalnych zw.

Zestalanie chemiczne materiałów malarskich - utlenianie się w temperaturze

otoczenia lub podwyższonej, przy zetknięciu z tlenem powietrza, albo sieciowanie,

bez udziału tlenu, polimerów chemoutwardzalnych w temperaturze otoczenia,

wskutek polimeryzacji, polikondensacji lub poliaddycji.

chemicznych utworzonych z metalu podłoża i jonów środowiska, w którym

zanurzony jest pokrywany przedmiot. Podczas formowania powłoki konwersyjnej

warstwa podłoża jest utleniona chemicznie lub elektrochemicznie, a powstające

jony metalu uczestniczą w tworzeniu powłoki. Proces tworzenia się powłoki

konwersyjnej jest sztucznie wywołanym i kierowanym procesem korozji, w wyniku

którego na powierzchni metalu tworzy się warstwa ochronna (praktycznie nie

rozpuszczalna w wodzie i środowisku). Do powłok konwersyjnych zaliczamy powłoki

fosforanowe, chromianowe, szczawianowe i tlenkowe.

Metody fizyczne


Metody fizyczne wytwarzania warstw powierzchniowych związane są z osadzaniem

powłok adhezyjnie lub czasami dyfuzyjnie połączonych z podłożem w wyniku

zjawisk fizycznych przebiegających przeważnie pod obniżonym ciśnieniem

(próżnia), z udziałem jonów. Zaliczamy do nich:

fizyczne osadzanie z fazy gazowej PVD,

implantowanie jonów (stopowanie jonowe),

zestalanie fizyczne.

Techniki fizyczne, a zwłaszcza PVD mają bardzo duży potencjał aplikacyjny głównie

ze względu na niską temperaturę obróbki oraz zachowanie składu

chemicznego materiału (brak przemian).

Mechanizm osadzania kontrolowany jest przede wszystkim poprzez dobór

temperatury podłoża oraz ciśnienie i skład atmosfery reakcyjnej. Celem

procesu jest wytworzenie cienkich warstw o ściśle kontrolowanym składzie

odpowiedzialnym za fizyczne i chemiczne właściwości powierzchni.

Osadzanie z fazy gazowej


Osadzanie z fazy gazowej PVD (Physical Vapour

Deposition) – polega na doprowadzeniu materiału

powłokowego (trudnotopliwego metalu) do stanu

pary i osadzenie go przez naparowanie, napylanie

lub rozpylanie na powierzchni materiału podłoża.

Proces składa się z następujących etapów:

1. Wytworzenie par nanoszonego materiału,

2. Transport par na powierzchnię materiału podłoża,

3. Kondensacja par nanoszonego materiału na

podłożu i wzrost powłoki.

Tradycyjne metody PVD przebiegają w temperaturze <200°C, nowoczesne 350-600°C.

Otrzymywanie par realizowane jest przez odparowanie i topienie lub tylko

nadtapianie powierzchni substratu wysokoenergetyczną wiązką elektronów, światła

laserowego lub łukiem termojonowym, zazwyczaj przy obniżonym ciśnieniu lub próżni.

Transport par - cząstki przemieszczają się od źródła par do obrabianej powierzchni

prostoliniowo pod wpływem działania sił zastosowanego pola (magnetycznego).

Rodzaje powłok:

proste: Al, Cu, Ti, TiC, Ag,

złożone: stopowe - wieloskładnikowe VN, ZrN, HfN z C lub wielofazowe TiN/Ti2N,

kompozytowe: TiC/Al2O3, wielowarstwowe: TiC/ TiN/ ZrN,

gradientowe: TiN/ Ti(CN)/ TiC.


Physical Vapor Deposition (PVD) jest alternatywnym procesem do galwanizowania.

Proces jest podobny do chemicznego osadzania CVD, z tym że surowce (prekursor

tj. materiał, który ma być osadzony) dostarcza się w postaci stałej, podczas gdy w

CVD wprowadza się je do komory reakcyjnej w stanie gazowym.

Zalety

• naniesione warstwy polepszają właściwości materiału podłoża,

• zwiększają odporność na ścieranie przez zmniejszenie tarcia,

• zwiększają odporność na utlenianie – poprawia żywotności części,

• można osadzać materiały nieorganiczny oraz niektóre organiczne,

• proces jest bardziej przyjazny dla środowiska niż galwanizacja.

Wady

• wysoki koszt aparaturowy,

• procesy realizowane w wysokiej próżni wymagają wykwalifikowanych operatorów,

• procesy wymagające dużej ilości ciepła wymagają odpowiednich układów

chłodzenia,

• szybkość osadzania powłoki jest zwykle dość powolna.

Osadzanie z fazy gazowej - uwarunkowania

Zastosowania

Powłoki PVD są generalnie stosowane do polepszenia twardości, odporności na

korozję i utlenianie. Stosowane są szeroko w przemyśle: kosmicznym,

samochodowym, medycynie - implanty, matryce, narzędzia tnące.

Osadzanie z fazy gazowej - warianty


(B) ARE – aktywowane reaktywne naparowanie przy użyciu działa

elektronowego (-) ,

ICB - reaktywne nanoszenie ze zjonizowanych klastrów.

Osadzanie termiczne (Thermal

deposition) - jony (atomy) są osadzane,

a częściowo odbijane, prowadzi to do

powstawania cienkich powłok;

Naparowanie (Evaporation) - osadzany materiał jest

podgrzewany do wysokiego ciśnienia parowego przez

grzejnik elektryczny w "wysokiej" próżni.

Rozpylanie jonowe (Sputtering) – wyładowanie

plazmowe (zwykle zlokalizowane wokół „tarczy”

przez magnes) bombarduje rozpylany materiał

jonami (<9 MeV), które mają wystarczającą energię

do penetracji podłoża.

Osadzanie katodowe łukowe

(Cathodic Arc Deposition) w którym

łuk dużej mocy odparowuje

wybuchowo (wyrzuca) atomy targetu;

Osadzanie z fazy gazowej - warianty


Osadzanie wspomagane wyładowaniem

jarzeniowym plazmy PAPVD (Plasma Assisted

PVD) – większa energia kinetyczna (1 eV do

1keV) cząstek w komorze urządzenia, skutkuje

lepszą adhezją naniesionej powłoki i podłoża.

Dodatkowym walorem jest dobre oczyszczanie

powierzchni podłoża.

Osadzanie laserowe impulsowe PLD (Pulsed Laser

Deposition) - laser dużej mocy usuwa materiał z targetu

do pary

Magnetronowe rozpylanie jonowe (magnetron sputtering) -

lampa mikrofalowa generuje promieniowanie w silnym polu

magnetycznym. ~100-krotny wzrost gęstość prądu jonowego w

porównaniu do prostego rozpylania. Wzmocnienie to przynosi

wzrost szybkości rozpylania. Możliwość ciągłej kontroli pola

ponad tarczą, a przez to procesu osadzania.

Rozpylanie wiązką elektronową EBPVD (Electron

Beam PVD) -bombardowanie elektronami w

"wysokiej" próżni powoduje gwałtowny wzrost temperatury w

bezpośrednim otoczeniu osadzanych cząstek (ps) i wzrost dyfuzji.

http://zasoby.open.agh.edu.pl/~11sashot/stronaf574.html?t=tw&h=pvd&v=

Implantacja jonów polega na jonizacja par metalu lub gazu i przyspieszaniu jonów

dodatnich za pomocą pola elektrycznego do takiej prędkości, przy której energia

kinetyczna jonu wystarcza do jego wniknięcia w implantowany materiał na

głębokość kilku lub więcej warstw atomowych (implantacja jonów pierwotnych) lub

wybicie jonów wtórnych z warstwy nałożonej na implantowany materiał i wniknięciu

tych jonów w materiał (tzw. implantacja jonów wtórnych).

Platerowanie jonowe (Ion Platering)

Implantacja jonów


Typy pokryć:

Al, Al + (Ti, Cr, Si, ceramika)

Cr, Si,

CoCrAl-(Y, Hf, Si, Ni)

ZrO2-Y2O3

Pt-(Al, Pb, Rh)

CVD PVD

APCVD- atmospheric pressure ARE- activated reactive evaporation

LPCVD- low pressure BARE- bias activated reactive evap.

MOCVD- metal organic TARE- thermoionic arc evaporation

PACVD- plasma assited HCD- hot hollow cathode discharge

MWCVD-microwave

MBE - molecular beam epitaxy ICB- ionized cluster beam deposition

Nowoczesne techniki wykonywania pokryć

1. Elektronowe

2. Laserowe

3. Implantacyjne

4. Jarzeniowe i techniki osadzania próżniowego

5. Chemiczne CVD

6. Osadzania próżniowego metodami fizycznymi PVD

MCrAlY

overlay coatings

Tendencje rozwojowe – powłoki adhezyjne

M = Fe, Ni i/lub Co

Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT

Równolegle z powłokami dyfuzyjnymi w procesach kształtowania warstwy wierzchniej,

w latach 70–tych XX w. silny nacisk położono na otrzymywanie pokryć adhezyjnych.

Powłoki MCrAlY charakteryzuje

• dobra plastyczność,

• stabilność w podwyższonej temperaturze,

• odporność na korozję siarkową.

Typowy skład powłoki MCrAlY jest następujący: Ni/Co-20Cr-10Al-0.3Y (%at), choć

największy sukces odniosła powłoka o składzie 25Co-14Cr-14Al-0.5Y (%at).

Powłoki tego typu zapewniają odporność na utlenianie i korozję stopów na bazie niklu

bądź kobaltu do temp. 1166 C.

Powłoki adhezyjne typu MCrAlY wytwarza się metodami:

EBPVD (Electron Beam PVD) polegającą na odparowaniu wiązką elektronów

materiału pokrycia wprowadzonego do przestrzeni redukcyjnej. Cały proces

odbywa się pod obniżonym ciśnieniem 10-2-10-4 Pa, w 1100 C, z V ok. 25 m/min.

EBPVD + platerowanie jonowe - wstępne bombardowanie powierzchni podłoża

dodatnimi jonami przynosi korzystne efekty ze względu na możliwość usunięcia z

niej warstw tlenków i innych zanieczyszczeń. Ma to szczególne znaczenie przy

nanoszeniu warstw pośrednich, np. z hafnu lub tantalku niobu (NbTa). 64

Tendencje rozwojowe w met. nanoszenia


Najnowsze powłoki mają bardziej złożone składy oparte na systemie wielowarstwowym.

M = Fe, Ni i/lub Co

X = Itr, Si, Ta, Hf MCrAlX

Możliwe jest otrzymanie:

• warstwy zewnętrznej z umocnioną strefą tlenków,

• warstwy dyfuzyjnej łączącej warstwę zewnętrzną z podłożem, tzw. międzywarstwy.

DUPLEX – możliwość niezależnego sterowania wł. poszczególnych obszarów układu

powłoka-podłoże. W warunkach wysokiej temperatury dochodzi do dyfuzji wewnątrz

powłoki (samodyfuzji), która stanowi swoistego rodzaju barierę cieplną,

zabezpieczającą przed dyfuzją w układzie powłoka – podłoże (Cr / Al z materiałem

podłoża), co wpływa na zwiększenie stabilności termicznej materiału podłoża i WW.

TBCs (Thermal Barier Coatings) – są to ceramiczne powłoki typu MCrAlX,

stosowane na bardzo silnie termicznie obciążone elementy, np.

• wewnętrzne powierzchnie palników plazmowych,

• najbardziej obciążone cieplnie (strumieniem gorących spalin) elementy silników

lotniczych: komory spalania i łopatki wieńca dyszowego.

Warstwy tego typu charakteryzują się niestety:

- prawie całkowity brak plastyczności

- podatność do natychmiastowego kruchego pękania

W przypadku nawet niewielkich obciążeń mechanicznych może to spowodować utratę

przyczepności powłoki z podłożem.

USA

dążenie do podniesienia odporności:

• korozyjnej

• erozyjnej

• ściernej

• wysokotemperaturowej

• wytrzymałość

- jakości

- niezawodności

- trwałości

elementów

maszyn i urządzeń

oraz całych

odpowiedzialnych konstrukcji

Most Pierre Laport w Quebec (1km długości) – z powłoką cynkową otrzymaną metodą

metalizacji natryskowej. Platformy wiertnicze na Morzu Północnym (natryskiwane

cieplnie Al) – firma Connoco wydała na ten cel 1 mld USD. 66 Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT

Motoryzacja

elem. zespołów napędowych -

pierścienie tłokowe, wodziki kół

zębatych, synchronizatory skrz.

biegów, czujniki pomiarowe

Przemysł

gazowe i parowe

turbiny stacjonarne,

głównie regeneracja

zużytych elementów

Lotnictwo

obejmuje ok. 40%

całkowitego

zapotrzebowania

rynku powłokowego

Rozwój żarowytrzymałych materiałów powłokowych uwarunkowany jest głównie

potrzebami eksploatacji urządzeń w obszarze:

techniki jądrowej ► energetyki

motoryzacji ► lotnictwa

kosmonautyki ► techniki zbrojeniowej

W7 – Metalurgia proszków:

wytwarzanie, formowanie, spiekanie,

struktura i właściwości.

Dziękuję za uwagę!

Następne zajęcia :

Prowadzenie: dr inż. Radosław Łyszkowski

Technologie wytwarzania warstw dyfuzyjnych. · 2018-04-09 · T. Wierzchoń, E. Czarnowska, D....

Documents

Transcript of Technologie wytwarzania warstw dyfuzyjnych. · 2018-04-09 · T. Wierzchoń, E. Czarnowska, D....