Lớp phủ gốm Alumina, được đánh giá cao nhờ độ cứng cao, khả năng chịu nhiệt- cao, khả năng chống ăn mòn và cách điện, đã trở thành vật liệu bảo vệ bề mặt không thể thiếu trong điều kiện khắc nghiệt trên các lĩnh vực như hàng không vũ trụ, hóa dầu và cơ điện tử. Đặc biệt với sự phát triển của-thiết bị cao cấp hướng tới tải trọng, tốc độ và nhiệt độ cao hơn, các yêu cầu về hiệu suất toàn diện đối với lớp phủ alumina ngày càng nghiêm ngặt. Tuy nhiên, một thách thức cốt lõi từ lâu đã cản trở việc chuẩn bị và ứng dụng lớp phủ alumina: độ giòn vốn có của chúng, độ nhạy cảm với nồng độ ứng suất và hệ số giãn nở nhiệt không phù hợp với nền kim loại. Cùng với đặc tính tan chảy và đông đặc nhanh chóng của quá trình phun nhiệt, những yếu tố này dễ dẫn đến ứng suất kéo dư bên trong lớp phủ, khiến lớp phủ rất dễ bị nứt và do đó làm giảm hiệu quả bảo vệ của nó. Nghiêm trọng hơn, dưới tác động của sốc nhiệt hoặc tải trọng cơ học, các vết nứt nhỏ có thể lan rộng và kết nối, cuối cùng gây ra hiện tượng nứt vỡ và hư hỏng lớp phủ.
Do đó, việc ngăn chặn sự hình thành vết nứt và đạt được độ cứng của lớp phủ alumina không chỉ là chủ đề trọng tâm trong nghiên cứu công nghệ phun nhiệt mà còn là điều kiện tiên quyết quan trọng để cho phép ứng dụng chúng trong những môi trường đòi hỏi khắt khe hơn. Bài viết này giới thiệu các phương pháp tránh vết nứt và đạt được độ cứng trong lớp phủ alumina từ bốn khía cạnh: đặc tính bột phun, thiết kế thành phần lớp phủ, tối ưu hóa quá trình phun và kiểm soát cấu trúc lớp phủ.
I. Đặc tính bột phun: Nguồn gốc của việc kiểm soát khuyết tật
Là "nguyên liệu thô" cho lớp phủ, các đặc tính hóa lý của bột phun quyết định cơ bản đến cấu trúc vi mô và xu hướng hình thành khuyết tật của lớp phủ. Do đó, việc ngăn chặn vết nứt phải bắt đầu bằng việc lựa chọn và tối ưu hóa loại bột.
01 Kiểm soát và tối ưu hóa kích thước hạt
Nói chung, các hạt alumina nhỏ hơn có thể lấp đầy các lỗ của lớp phủ tốt hơn trong quá trình phun, làm giảm độ xốp và tạo điều kiện cho các lớp phủ dày đặc hơn có khả năng chống mài mòn và tính chất cơ học tương đối cao. Do đó, alumina có kích thước nano- mịn hơn sẽ được ưu tiên xét về kích thước hạt. Tuy nhiên, các hạt quá mịn gây ra hai vấn đề chính: Thứ nhất, quán tính của bột nano rất thấp; khi tác động lên bề mặt, chúng thiếu động năng để bám dính hiệu quả, dẫn đến hiệu suất lắng đọng rất thấp. Thứ hai, bột nano có diện tích bề mặt riêng lớn và năng lượng bề mặt cao, khiến chúng dễ bị kết tụ. Điều này dẫn đến khả năng chảy kém, phân phối khó khăn và phun không đều, có khả năng gây ra độ cứng cục bộ hoặc khả năng chống mài mòn kém hoặc tạo ra các vùng tập trung ứng suất ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của lớp phủ.
Do đó, khi sử dụng bột nano để phun, có thể sử dụng quy trình "tạo hạt thứ cấp". Điều này liên quan đến việc sử dụng chất kết dính để tạo thành các hạt lớn hơn với sự phân bố kích thước và hình dạng cụ thể, cải thiện khả năng chảy, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển và lắng đọng bột trong quá trình phun, đồng thời nâng cao hiệu quả lắng đọng.
02 Lựa chọn hình thái
Bột alumina hình cầu có hình dạng đều đặn và khả năng chảy tốt có thể trải đều trong quá trình phun, tạo thành cấu trúc lớp phủ dày đặc với bề mặt nhẵn, độ xốp thấp và hiệu suất bảo vệ tuyệt vời. Ngược lại, bột alumina không đều có xu hướng đóng gói lỏng lẻo hơn, có khả năng dẫn đến độ xốp cao hơn và ảnh hưởng đến mật độ và tính toàn vẹn của lớp phủ. Hơn nữa, do sự phân tán không đồng đều, các loại bột không đều có thể tạo ra các điểm tập trung ứng suất bên trong lớp phủ, dẫn đến sự tách hạt trong quá trình mài mòn và giảm khả năng chống mài mòn. Do đó, đối với các ứng dụng thực tế, nên ưu tiên các loại bột hình cầu hoặc gần{3}}hình cầu có khả năng chảy tốt và mật độ biểu kiến cao.
Ảnh hưởng thành phần 03 pha
Alumina có tới 12 dạng đa hình, trong đó phổ biến là -Al2O3, -Al2O3, -Al2O3 và θ-Al2O3. Trong số này, -Al2O3, thuộc hệ tinh thể lượng giác, là cấu trúc ổn định nhất trong số các dạng đa hình khác nhau. Các pha còn lại là các pha chuyển tiếp của alumina, ở dạng tinh thể ở nhiệt độ thấp. Nói chung, lớp phủ chủ yếu bao gồm pha -Al2O3 thể hiện độ bền và khả năng chống mài mòn tốt.
II. Coating Design: Achieving a 1+1>2 Hiệu ứng làm cứng
Độ giòn vốn có của lớp phủ alumina chính là điểm yếu nội tại của nó. Bằng cách đưa pha thứ hai vào ma trận alumina, thêm các phần tử biến đổi vết hoặc tối ưu hóa cấu trúc lớp phủ, trạng thái ứng suất và trạng thái đứt gãy của lớp phủ có thể được thay đổi đáng kể, đạt được hiệu quả làm cứng trong đó "1+1 > 2".
01 Thiết kế thành phần lớp phủ
Bên cạnh việc giới thiệu pha -Al2O3, các thành phần không{{3} alumina khác có thể được thêm vào dựa trên các yêu cầu ứng dụng cụ thể để chuẩn bị lớp phủ composite. Ví dụ, các ví dụ đáng chú ý gần đây về lớp phủ composite alumina bao gồm hệ thống Al2O3-TiO2 và Al2O3-ZrO2.
Hơn nữa, việc bổ sung vi lượng các nguyên tố đất hiếm (như La2O3, CeO2) thường có thể đạt được hiệu quả đáng kể với lượng tối thiểu. Chúng chủ yếu hoạt động bằng cách cải thiện cấu trúc vi mô của lớp phủ, có thể làm tăng mật độ lớp phủ và cải thiện liên kết bề mặt. Cuối cùng, điều này dẫn đến những cải tiến đáng chú ý về các tính chất cơ học của lớp phủ như độ bền, độ dẻo dai và độ cứng cũng như hiệu suất thực tế của nó về khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn và khả năng chống sốc nhiệt.
02 Thiết kế kết cấu lớp phủ
Hệ số giãn nở nhiệt không khớp giữa vật liệu gốm và nền kim loại là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nứt lớp phủ trong quá trình sử dụng. Thiết kế lớp phủ hỗn hợp nhiều lớp bao gồm nhiều lớp có đặc tính khác nhau hoặc lớp phủ được phân loại theo chức năng trong đó thành phần vật liệu, cấu trúc, mật độ và chức năng thay đổi liên tục từ lớp nền đến bề mặt lớp phủ, có thể làm giảm ứng suất nhiệt do sự khác biệt về đặc tính nhiệt lý giữa các vật liệu, do đó làm giảm nguy cơ nứt.
III. Tối ưu hóa quy trình phun: Kiểm soát quy trình là chìa khóa
Bột trải qua một loạt các thay đổi vật lý phức tạp trong tia lửa, bao gồm làm nóng, tăng tốc, nóng chảy, va chạm, làm phẳng và hóa rắn. Những biến động nhỏ trong các thông số quy trình có thể dẫn đến những thay đổi đáng kể về chất lượng lớp phủ.
01 Tiền xử lý bề mặt
Trước khi phun, có thể tạo ra cấu trúc micro/nano{0}}thông thường, sạch và có độ bám dính cao trên bề mặt chất nền. Kiểm soát chính xác độ nhám và biên dạng, đồng thời đảm bảo bề mặt nền không có dầu, oxit và các tạp chất khác, tăng cường độ bền và tính nhất quán liên kết, giảm nguy cơ nứt.
02 Tối ưu hóa thông số quy trình
Các thông số của quá trình phun xác định trực tiếp nhiệt độ và vận tốc của các hạt bột trong tia lửa, sau đó ảnh hưởng đến hình thái của các hạt dẹt và các khuyết tật của lớp phủ. Nghiên cứu chỉ ra rằng lớp phủ dày đặc nhất đạt được khi bột tan chảy hoàn toàn mà không quá nóng; trạng thái bán nóng chảy hoặc quá nóng có xu hướng tăng độ xốp và số lượng khuyết tật. Đáng chú ý, quá nhiệt có thể dẫn đến hình thành các vết nứt dọc, nguyên nhân chính làm suy giảm hiệu suất của lớp phủ. Do đó, các thông số quy trình như công suất phun, tốc độ dòng khí sơ cấp, tốc độ cấp bột, khoảng cách phun và tốc độ phun cần được điều chỉnh thử nghiệm liên tục để phù hợp với bột phun và đạt được trạng thái lý tưởng "tan chảy hoàn toàn nhưng không quá nóng". Ngoài ra, có thể sử dụng tính năng giám sát trực tuyến-nhiệt độ và vận tốc của hạt bay để kiểm soát quy trình một cách chính xác.
03 Ứng dụng kỹ thuật phun mới
Ngoài phun plasma khí quyển (APS) truyền thống, các công nghệ phun mới nổi mang đến nhiều lựa chọn hơn để chuẩn bị lớp phủ cứng. Ví dụ, phun nổ sử dụng năng lượng nổ của khí dễ cháy để tạo ra lớp phủ rất dày đặc với độ xốp thấp, độ bám dính nền mạnh và bề mặt nhẵn, thích hợp để phun gốm kim loại, oxit và hợp kim kim loại đặc biệt. So với APS thông thường, phun plasma khí quyển siêu âm (SAPS) hoặc phun plasma áp suất thấp (LPPS) có thể mang lại lớp phủ dày đặc hơn với độ bền liên kết cao hơn và giảm sự hình thành vết nứt.
04 Bài đăng-Kỹ thuật điều trị
Làm nóng chảy lại bằng laser là một phương pháp hiệu quả để giảm thiểu các khuyết tật của lớp phủ. Việc sử dụng chùm tia laze năng lượng cao-để làm tan chảy và củng cố nhanh chóng lớp phủ-được phun có thể đồng nhất và làm đặc cấu trúc lớp phủ, loại bỏ hình thái phân lớp cũng như cải thiện độ bền liên kết và khả năng chống nứt. Tuy nhiên, do sự khác biệt về đặc tính vật lý nhiệt của vật liệu và độ dốc nhiệt độ lớn trong bể nóng chảy trong quá trình nấu chảy lại bằng laser, việc tối ưu hóa các thông số như công suất laser và tốc độ quét là rất quan trọng để tránh tạo ra ứng suất nhiệt và vết nứt mới. Ngoài ra, phương pháp xử lý bịt kín có thể lấp đầy các lỗ rỗng và vết nứt nhỏ bên trong lớp phủ, tăng cường mật độ và khả năng chống thấm của nó, đồng thời giảm khả năng lan truyền vết nứt.