Dintre toate tehnicile de pulverizare termică, pulverizarea cu flacără și pulverizarea cu arc-sârmă sunt cele mai populare procese de dezvoltare a acoperirii utilizate în scopul rezistenței la uzură și la coroziune, datorită costului redus de capital și flexibilității de funcționare. Activitățile de cercetare și dezvoltare (R&D) privind acoperirile prin pulverizare termică sunt desfășurate de diferite grupuri din universități și instituții de cercetare care sunt susținute de departamente guvernamentale sau de industrii din întreaga lume. În India, departamentele care sprijină cercetarea fundamentală privind tehnicile de depunere prin pulverizare termică sunt Departamentul de Știință și Tehnologie, Organizația de Cercetare și Dezvoltare a Apărării, Departamentul de Energie Atomică etc.
Activitățile de dezvoltare a acoperirii, utilizând în principal pulverizarea cu plasmă, acoperă o gamă largă de materiale, de la materiale de protecție tradiționale până la cele cu funcții suplimentare. Studii pentru dezvoltarea acoperirii cu barieră termică (TBC = thermal barrier coating) de înaltă performanță au fost efectuate recent în multe institute și universități naționale. Acoperirile funcționale includ diferite acoperiri bioactive (HA, Ti, etc.), acoperiri fotocatalitice (TiO2), electrolit (YSZ) și acoperiri catalitice (LSM, YSZ-Ni) pentru componentele utilizate în pilele de combustibil cu oxid solid (SOFC = solid oxide fuel cells) și celule solare sensibilizate cu colorant. Mai mult, dezvoltarea acoperirii nanostructurate se concentrează în primul rând pe cermet-uri nanostructurate (de exemplu, WC-Co), nanoceramice (de exemplu, YSZ, Al2O3-TiO2, TiO2) și aliaje nanostructurate pe bază de nichel. În plus, pulverizarea la rece este în curs de dezvoltare în domeniul cercetării și dezvoltării prin pulverizare termică.

Activități de dezvoltare a acoperirii

Acoperirea cu silicon a fost depusă pe substraturi din aliaj de titan prin tehnologia de pulverizare cu plasmă în vid. Morfologiile și compoziția de fază a acoperirilor au fost analizate prin microscopie electronică cu scanare cu emisie de câmp și difracție cu raze X. Coeficientul de dilatare termică al acoperirii cu siliciu a fost măsurat ca fiind de aproximativ 3,70 x 10^-6 K^-1. Puterea de aderență a acoperirii a fost de aproximativ 20,6 MPa. De asemenea, au fost măsurate densitatea, porozitatea deschisă, rugozitatea și modulul Young al acoperirii cu siliciu. Acoperirea cu siliciu pulverizată a fost tratată cu apă deionizată la 60°C, 80°C și 100°C și înmuiată în fluide corporale simulate pentru a-și evalua bioactivitatea. Rezultatele au arătat că acoperirea tratată cu apă ar putea induce apatita să precipite pe suprafața sa în fluidul corporal simulat, ceea ce indică faptul că bioactivitatea acoperirii cu siliciu a fost îmbunătățită.

Dezvoltarea acoperirii pentru rezistență la uzură și coroziune

Una dintre cele mai importante utilizări ale acoperirilor prin pulverizare termică este îmbunătățirea rezistenței la uzură pentru a rezista practic tuturor formelor de uzură, inclusiv abrazive, erozive și adezive, în aproape orice tip de industrie. Materialele utilizate variază de la metale moi, la aliaje de metale dure, la cermeți pe bază de carbură și la oxizi. Materialele de acoperire utilizate în mod obișnuit pentru aplicarea rezistenței la uzură cu o bună aderență cu substratul includ table cositorite (fier aliat cu o duritate de aproximativ 60 HRC); aliaje de nichel/crom/bor (aceste materiale sunt similare cu duritatea consumabilelor dure pe bază de nichel în intervalul 35–60 HRC); aliaj pe bază de cobalt (asemănător cu consumabilele dure pe bază de cobalt; acoperire dură în intervalul 45–60 HRC); și materiale compozite (matrici de nichel sau similare care conțin până la 50 % carburi).
Puterea de aderență a acoperirii cu substratul este îmbunătățită prin adăugarea de bor, ceea ce face aceste materiale self-fluxing. Tabla cositorită are o rezistență la abraziune similară cu consumabilele hard-facing de fier/crom, iar aliajele pe bază de cobalt și nichel au proprietăți de uzură asemănătoare aliajelor hard-facing care au o compoziție și duritate comparabile. Aliajele compozite sunt oarecum diferite de consumabilele compozite de sudare, deoarece plusul de carbură trebuie proiectat astfel încât să nu se concentreze la interfața acoperire-substrat în timpul turnării centrifuge. Deoarece carburile de tungsten sunt mult mai grele decât metalele matricei, forța centrifugă a aliajelor de turnare poate face ca carburile să se concentreze la interfața căptușeală/substrat în loc de la ID-ul cilindrului, unde sunt necesare pentru rezistența la uzură. Această problemă este uneori depășită prin utilizarea carburilor mixte; carburile de titan sunt mai ușoare decât metalul matricei și nu vor migra către interfața cu căptușeala.

Cele mai largi domenii de aplicare a tehnologiilor de pulverizare termică sunt în industria siderurgică pentru acoperirea rolelor de prelucrare a tablei de oțel pentru îmbunătățirea rezistenței la uzură, rezistenței la coroziune, proprietăților de prindere și rezistenței la șocuri termice. Un exemplu comun de acoperire role include acoperirea cu cermet (WC-12Co) prin pulverizare HVOF aplicată pe role într-o linie continuă de galvanizare. Datorită productivității și cererii crescute, pulverizarea termică este utilizată în principal pentru (1) acoperiri pulverizate anti-acumulare pentru rolele de vatră în linia de recoacere continuă și (2) acoperiri care sprijină creșterea duratei de viață a pieselor utilizate în baia de metal topit în liniile de galvanizare continuă.

O îmbunătățire semnificativă a rezistenței la uzură a fost raportată la oțelul inoxidabil AISI 304 prin pulverizarea HVOF a aliajului self-fluxing pe bază de Ni (Ni, 68,4% în greutate; Cr, 17% în greutate; B, 3,9% în greutate; Si, 4,9% în greutate; .% și Fe, 5,8% în greutate (Sharma și Dutta Majumdar 2013). Depunerea a fost efectuată pe substrat de oțel inoxidabil AISI 304 sablat folosind aliaj pe bază de Ni (Ni, 68,4% în greutate; Cr, 17% în greutate; B, 3,9% în greutate; Si, 4,9% în greutate; și Fe, 5,8% în greutate) de dimensiunea particulelor 45–60 mm ca pulbere precursor la parametrii optimi de proces. Figura 24 prezintă micrografia electronică cu scanare a suprafeței superioare a acoperirii NiCrBSi dezvoltată pe oțel inoxidabil AISI 304 prin tehnica de pulverizare HVOF (Sharma și Dutta Majumdar 2013). Din fig. 24 este evident că suprafața superioară a acoperirii constă din picături solidificate foarte fine, puternic lipite de suprafață, cu o fracțiune mică a ariei de microporozități (1–2 %, arătate de vârfuri de săgeată). Datorită vitezei foarte mari a gazului purtător (aer comprimat) în timpul pulverizării HVOF, dimensiunile picăturilor au fost mai mici, cu o suprafață foarte netedă. Densitatea acoperirii a crescut datorită influenței combinate a vitezei mari de impact și a dimensiunii picăturilor mici. Profilul difracției razelor X (XRD) al acoperirii a confirmat prezența matricei Ni3B și Cr2B și gama-nichel (g-Ni). Un studiu detaliat al microdurității arată că microduritatea medie a acoperirii este îmbunătățită semnificativ la 900 VHN în comparație cu cea a substratului as-received. În plus, microduritatea scade odată cu adâncimea. Creșterea microdurității acoperirii este atribuită prezenței borurilor nanostructurate (de Cr2B și Ni3B) și rafinamentului matricei γ-Ni. Scăderea marginală a microdurității cu adâncimea este atribuită îngroșării microstructurii (ambele precipitate) cu adâncimea.

Figura 25a și b arată cinetica uzurii în termeni de adâncime cumulativă a uzurii ca funcție de timp pentru oțel inoxidabil AISI 304 (1) as-received și (2) oțel inoxidabil AISI 304 acoperit cu NiCrBSi cu HVOF pulverizat față de bila WC cu un diametru de 5,2 mm, în condiții de uzură prin frecare (cu o lungime a cursei de 1 mm și frecvența de 10 Hz) la o sarcină aplicată de (a) 10 N și (b) 20 N (Sharma și Dutta Majumdar 2013). Din Fig. 25 este evident că există o scădere semnificativă a cineticii și amplitudinii uzurii suprafeței pulverizate cu HVOF (curba 2) în comparație cu oțelul inoxidabil AISI 304 as-received (curba 1). Scăderea semnificativă a cineticii uzurii în suprafața pulverizată cu HVOF se datorează prezenței borurilor de dimensiuni nanometrice și, prin urmare, îmbunătățirii durității suprafeței. O privire atentă a comportamentului la uzură arată că rata de uzură în timpul etapei inițiale de uzură este mai rapidă, după care scade atât pe suprafața as-received, cât și pe cea acoperită. Rata inițială mare de uzură se datorează îndepărtării materialelor de pe suprafață prin acțiunea abrazivă a suprafeței WC. Treptat, particulele uzate acumulate la interfață schimbă mecanismul de uzură de la abraziv cu două corpuri la uzura cu trei corpuri și, de asemenea, reduc acțiunea abrazivă eficientă a bilei WC, acționând ca o barieră. Ca urmare, rata de uzură scade treptat. Rata de uzură, volumul uzat și coeficientul de frecare au fost, de asemenea, măsurate cu atenție după încheierea testării de uzură. S-a observat că rata medie de uzură (0,0028 mm³/mm) și volumul de uzură (0,0020 mm³) al suprafeței acoperite sunt semnificativ mai mici în comparație cu rata medie de uzură (0,0050 mm³/mm) și volumul de uzură (0,0032 mm³) al substratului as-received. Un coeficient de frecare semnificativ redus poate fi de asemenea observat pe suprafața acoperită (0,15) în comparație cu substratul as-received (0,22). Un studiu detaliat al coeficientului de frecare a arătat că în oțelul inoxidabil AISI 304 as-received, coeficientul de frecare a crescut inițial de la 0,185 la o valoare de 0,275 și a rămas constant după aceea (cf. Fig. 26). Creșterea coeficientului de frecare cu timpul este atribuită asperizării treptate a suprafeței în timpul uzurii. Coeficientul redus de frecare în suprafața depusă este atribuit posibil unei rate mai scăzute de uzură și, prin urmare, unei modificări nominale a rugozității suprafeței în timp. În plus, modificarea microstructurii și compoziției de fază a suprafeței a contribuit, de asemenea, la reducerea coeficientului de frecare pe suprafața depusă. S-a ajuns la concluzia că un coeficient de frecare redus al suprafeței depuse a scăzut, de asemenea, rata de uzură, ducând la o scădere a volumului de uzură. A fost întreprins un studiu detaliat al microstructurilor resturilor uzate pentru a înțelege mecanismul uzurii. Figura 27a și b arată imaginile aplicațiilor în timp real ale depunerii prin pulverizare termică care arată (a) acoperiri cu carbură de tungsten pe role și (b) acoperire HVOF pe tuburile de cazan (http://www.emcpl.in/).

Dezvoltarea acoperirii pentru protecția la oxidare

Acoperirile prin pulverizare termică sunt utilizate pe scară largă de industrie pentru a proteja componentele și structurile din oțel de oxidarea termică la temperaturi de suprafață de 1.095^oC (2.000 F). Un exemplu remarcabil în acest sens include acoperiri cu barieră termică care sunt în esență acoperiri pe bază de ceramică aplicate pentru asigurarea barierei termoizolante și a proprietăților de rezistență la oxidare la temperatură înaltă ale componentei care urmează să fie utilizate pentru aplicare la temperatură înaltă (Padture și colab. 2002). Acoperirile tipice cu barieră termică constau din două straturi: primul este un strat de lipire de tip MCrAlY, unde „M” poate fi înlocuit cu Ni, Co sau Fe, în funcție de compoziția materialului structurii de bază sau a stratului de aluminură de Pt, iar al doilea este de obicei zirconiu stabilizat cu ytria (YSZ = yttria-stabilized zirconia), care oferă o bună rezistență termică. Deși acoperirea cu barieră termică este extrem de importantă pentru îmbunătățirea duratei de viață a componentei, preocuparea majoră în acoperirea cu barieră termică este inducerea unui stres termic mare în timpul ciclurilor termice într-un mediu oxidant, din cauza nepotrivirii de dilatare termică dintre stratul superior ceramic și stratul de legătură metalic. (Padture et al. 2002). Acoperirea cu barieră termică poate fi dezvoltată prin unele tehnici de procesare, cum ar fi prin pulverizare cu plasmă, metalurgia pulberilor și sinteza in situ (Busso et al. 2007). Acoperirile cu pulverizare cu plasmă implică acumularea succesivă de picături topite sau semitopite care se răspândesc pe suprafața substratului, iar formarea unei acoperiri subțiri la solidificare rămâne o tehnică populară pentru dezvoltarea TBC pe structuri mari (Kim et al. 2003). Deși există mai multe rapoarte despre proprietățile termice ale acoperirii duplex pulverizate cu plasmă, cu toate acestea, studiile privind rezistența la oxidare a acoperirilor cu barieră termică gradate funcțional sunt limitate. Khor și Gu (2000) au arătat că rezistența la cicluri termice a acoperirilor gradate funcțional YSZ și NiCoCrAlY a fost de cinci ori mai bună decât cea a acoperirii duplex cu o grosime similară. Modurile de defectare ale acoperirilor în condiții de ciclu termic au fost fisurarea și delaminarea suprafeței, care au fost cauzate de tensiuni radiale/tangențiale reziduale mari și, respectiv, tensiuni axiale/de forfecare. Vassen şi colab. (2010) au arătat că straturile de barieră termică depuse prin pulverizare cu plasmă realizate din piroclori La2Zr2O7 și Gd2Zr2O7 și perovskiți SrZrO3 cu un strat dublu au o durată de viață mai lungă în comparație cu sistemele cu un singur strat. În această privință, este relevant să menționăm că tehnica de acoperire prin pulverizare cu plasmă poate fi folosită pentru a obține proprietăți specifice (conductivitate termică scăzută, durată de viață termică mai lungă, etc.) ale stratului de acoperire și stratului de legătură. Însă, aplicarea tehnicii de pulverizare HVOF pentru depunerea stratului de aderență a fost recent raportată că formează o acoperire densă cu o rugozitate crescută a suprafeței, care este comparabilă cu aceea dezvoltată prin tehnica de pulverizare cu plasmă în vid (Rajasekaran et al. 2011). Cu toate acestea, nu a fost întreprins un studiu detaliat al comportamentului la oxidare al acestora.

Figura 28a și b prezintă micrografiile electronice cu scanare ale secțiunii transversale a (a) acoperirii duplex și (b) acoperirii gradate dezvoltate prin tehnica de depunere prin pulverizare cu plasmă deasupra stratului de legătură CoNiCrAlY dezvoltat prin tehnica de depune prin pulverizare cu oxi-combustibil de mare viteză (HVOF). (Nath et al. 2013). Din Fig. 28a, este evident că atât interfețele strat superior-strat de aderență, cât și interfețele strat de aderență-substrat sunt lipsite de defecte. Mai mult, există o penetrare mai profundă a stratului de aderență în interiorul substratului datorită acoperirii cu o viteză foarte mare în pulverizarea HVOF. Figura 28b, pe de altă parte, arată că stratul de acoperire cu barieră termică gradată este dezvoltat prin modificarea continuă a compoziției cu o acoperire de aderență 100 % CoNiCrAlY (de o grosime de 80 mm) pe substrat, urmată de un al doilea strat de 70 % CoNiCrAlY + 30 % YSZ (de o grosime de 80 mm), al treilea strat de 50 % CoNiCrAlY + 50 % YSZ (de o grosime de 80 μm), al patrulea strat de 30 % CoNiCrAlY + 70 % YSZ (de o grosime de 80 μm) și 100 % YSZ strat superior (de o grosime de 100 mm). Cu toate acestea, s-a observat prezența microporozităților atât în ​​straturile superioare (duplex și gradat) cât și în acoperirea de aderență, cu fracția medie de suprafață a porozităților variind de la 3 la 8% la acoperirea superioară și, respectiv, 2-3% la acoperirea de aderență.

Un studiu detaliat al tensiunii reziduale dezvoltate ca urmare a pulverizării arată că atât pe suprafața stratului duplex, cât și a celui gradat, există prezența unei tensiuni reziduale de o magnitudine foarte mică, adică 28,3 MPa în stratul duplex și 15,5 MPa în stratul gradat, și sunt de natură tracțiune. Prezența tensiunii reziduale de tracțiune de o magnitudine foarte mică la suprafață este atribuită efectului de călire termică din starea topită în timpul operațiilor de pulverizare cu plasmă. În acoperirea gradată, amploarea și natura tensiunii, totuși, variază în funcție de adâncime. Inițial crește la 34,5 MPa în al doilea strat (70 % YSZ + 30 % CoNiCrAlY) și 49,8 MPa în al treilea strat (50 % YSZ + 50 % CoNiCrAlY) și apoi scade odată cu schimbarea mărimii sale la o tensiune de compresiune la o valoare. de 31,7 MPa (30 % YSZ + 70 % CoNiCrAlY) în regiunea apropiată de interfață. Modificarea tensiunii de la tracțiune la compresiune este posibil atribuită aplicării particulelor cu viteză mare în timpul pulverizării și prezenței tensiunii de transformare în timpul transformării de la zirconiu tetragonal la monoclinic.

Oxidarea se desfășoară în trei etape în Inconel 718 așa cum a fost primit: etapa I de oxidare cu energie de activare de 162 kJ/mol, urmată de o energie de activare crescută de 186 kJ/mol datorită formării peliculei de Cr2O3 aderente la suprafață. În timpul oxidării etapei III, energia de activare a oxidării scade la 163 kJ/mol datorită volatilizării stratului de Cr2O3 la temperatură ridicată și formării altor oxizi precum NiCr2O4, FeCr2O4, Fe2O3 și CrNbO4.

Cinetica oxidării neizoterme a acoperirii cu barieră termică gradată arată o valoare scăzută a energiei de activare în stadiul inițial de oxidare (etapa I) datorită formării de solzi de alumină pe toată grosimea acoperirii. În timpul oxidării etapei II, energia de activare crește la 187 kJ/mol, care în etapa III crește în continuare la 419 kJ/mol datorită prezenței crescute a depunerilor de alumină care împiedică difuzia ionilor de oxigen. Oxidarea non-izotermă a acoperirii cu barieră termică duplex urmează două etape cu o energie de activare de 167 kJ/mol în timpul oxidării etapei I urmate de 212 kJ/mol la etapa II de oxidare datorită formării stratului de TGO (Nath et al. 2013).

Reparare

Acoperirile prin pulverizare termică sunt tehnici populare și ușor de utilizat pentru repararea structurilor deteriorate. Părțile deteriorate sunt adesea construite prin pulverizare termică cu performanță îmbunătățită prin alegerea corectă a parametrilor de pulverizare termică și a compoziției de acoperire pentru a asigura o tensiune reziduală minimă și proprietăți mecanice îmbunătățite, inclusiv o compoziție gradată. În plus, pașii trebuie urmați cu atenție pentru a minimiza posibilitățile de introducere a defectelor în structuri. Pentru reconstrucția sau repararea pieselor deteriorate, se parcurg următorii pași:

(a) Curățarea pieselor deteriorate: Părțile deteriorate pot fi curățate prin degresare cu solvent sau prin tratament mecanic, cum ar fi sablare, pe baza gradului de contaminare a suprafeței deteriorate. Orice solvent industrial aprobat poate fi utilizat pentru a îndepărta complet grăsimea sau uleiul de pe suprafață.
(b) Pretratare: Finisarea poate fi efectuată pentru a elimina orice zgârietură majoră pe vârfurile arcurilor, amestecându-se pentru a forma o bază concentrică uniformă.
(c) Mascare: zonele din jurul părților deteriorate sunt mascate cu grijă folosind o bandă de mascare rezistentă.
(d) Inspecție: zona deteriorată este inspectată amănunțit pentru a asigura o suprafață fără contaminare.
(e) Dezvoltarea stratului de aderență: Un strat subțire de acoperire cu compoziția aproape echivalentă a componentei deteriorate este dezvoltat inițial, astfel încât să se obțină o bună aderență între substrat și stratul superior adaptat. Grosimea stratului de lipire variază de obicei între 0,05 și 0,15 mm. Fluxul de pulverizare este la 90^o față de suprafața care este acoperită și traversată manual pentru a oferi o acoperire uniformă a zonei care este renovată.

Dezvoltarea stratului superior

În cele din urmă, stratul superior este dezvoltat prin aplicarea acelorași parametri ca și cel al stratului de aderență, iar grosimea stratului de acoperire depinde de adâncimea și dimensiunea zonelor deteriorate. Exemplele tipice de aplicare a reparațiilor includ (a) recondiționarea arcului cu diafragmă a ambreiajului uzat la capetele sale în punctul în care acesta intră în contact constant cu rulmentul axial: costul implicat în îndepărtarea vechiului arc din carcasă este costisitor și, prin urmare, metalizarea poate fi aplicată pentru a repara partea deteriorată a arcului diafragmei fără a-l scoate din carcasă; (b) Refacerea arborelui cotit se realizează prin pulverizare cu arc electric, care poate produce economii de aproape 50-90% față de costul de înlocuire. Necesitatea refacerii poate fi pentru corectarea erorilor de fabricație și repararea unei piese învechite sau a unei piese care s-a uzat excesiv în funcționare. Pulverizarea termică poate fi aplicată pentru repararea rolelor de laminare și, de asemenea, ca etapă de finisare a rolelor de laminare pentru a îmbunătăți performanța acestora prin (a) asigurarea rugozității suprafeței necesare, (b) asigurarea durității necesare pentru a rezista forțelor de laminare și (c) aplicarea acoperirii cu o putere mare de aderență la metalul de bază pentru a preveni orice defecțiune a acoperirii.

Aplicații electrice

Ca și în cazul proprietăților termice, conductivitatea electrică a materialelor de pulverizare termică este anizotropă și este redusă în comparație cu omologii lor forjați sau sinterizați datorită microstructurii lor lamelare și porozității. Învelișurile metalice sau conductive de cermet sunt, totuși, utilizate ca conductori electrici unde rezistența la uzură trebuie combinată cu conductivitatea electrică. Pentru o rezistență îmbunătățită la uzură și la coroziune, stratul de acoperire trebuie să fie etanșat pentru a preveni pătrunderea umezelii, chiar și a aerului, în acoperire și reducerea capacității sale de izolare. Acoperirile prin pulverizare termică au fost, de asemenea, utilizate pentru a produce termocupluri de temperatură înaltă și mărci tensometre. Ecranarea electromagnetică sau de radiofrecvență poate fi asigurată și de straturi de zinc, staniu sau alte metale pulverizate cu flacără sau cu arc electric.

Acoperiri dielectrice

Materiale precum ceramica oxidică sunt utilizate pentru a oferi proprietăți dielectrice mai multor componente electronice. În mod obișnuit, sunt produse acoperiri dielectrice cu rezistență dielectrică de 1.000 Vpermil (40 V per micrometru). Acoperirile dielectrice sunt aplicate în radiatoare de căldură pentru semiconductoare, în suprimarea efectelor corona în sistemele de înaltă tensiune (inclusiv procesarea PVD), în mărci tensometrice de înaltă temperatură, pentru fabricarea încălzitoarelor cu rezistență la pulverizare termică, ca substraturi pentru conductorii electrici pulverizați și în izolatoare electrice de sine stătătoare. Materialele dielectrice de pulverizare termică utilizate în mod obișnuit sunt ceramica de oxid și polimerii. Ceramica oxidică utilizată în mod obișnuit este oxidul de aluminiu (Al2O3), dioxidul de titan (TiO2), ytria (Y2O3) și aluminatul de magneziu (MgAl2O4). Ceramica este mai durabilă, este rezistentă la uzură și la coroziune, și au rezistențe dielectrice mai mari decât polimerii. Acoperirile dielectrice pot fi aplicate prin depunere prin pulverizare cu plasmă și prin tehnici de depunere prin pulverizare HVOF pe substraturi metalice sau compozite. Dar, parametrii procesului trebuie optimizați pentru a obține o acoperire fără defecte, cu o solicitare minimă la interfață.

Acoperiri polimerice prin pulverizare termică

Pulverizarea polimerilor este un proces cu un singur strat care servește atât ca grund, cât și ca sigilant, fără timpi de întărire suplimentari. Pulberile polimerice sunt specificate prin chimie, morfologie, distribuția greutății moleculare sau indicele de curgere a topiturii și distribuția dimensiunii particulelor. Acoperirile polimerice prin tehnica de depunere prin pulverizare termică capătă o importanță tot mai mare în sectoarele auto, aerospațial și petrochimic pentru protejarea suprafeței componentelor împotriva coroziunii generale și a umidității. Acoperirile polimerice pot fi aplicate pentru reducerea coeficientului de frecare, pentru izolarea electrică și pentru adaptarea proprietăților electrice și magnetice. Avantajele asociate cu depunerea prin pulverizare termică includ (a) prelucrarea fără solvenți organici volatili, (b) capacitatea de a acoperi substraturi mari și (c) capacitatea de a acoperi polimeri de înaltă vâscozitate sau acoperiri compozite. În plus, procesul de acoperire este o singură etapă. Pentru acoperirea polimerică sunt utilizate în mod obișnuit pulverizare cu flacără, pulverizare cu plasmă și pulverizare HVOF. Materialul de alimentare este de obicei sub formă de pulbere cu o dimensiune a particulelor cuprinsă între 45 și 180 μm și cu o distribuție îngustă a dimensiunii particulelor. Pulberea materiei prime poate fi injectată intern sau extern. Pulverizarea cu flacără este o tehnică atractivă și rentabilă pentru pulverizarea polimerului cu punct de topire scăzut, aplicată în mod obișnuit la rafturi, poduri, corpuri și șlepuri de remorcher fluvial, limpezitoare de apă uzată, rezervoare de apă uzată și stâlpi de iluminat și acoperirea sistemelor de evacuare din submarine. Însă, din cauza temperaturii scăzute a flăcării din pulverizarea cu flacără, preîncălzirea substratului variind de la 90^o la 200^o este esențială pentru o aderență îmbunătățită a acoperirii cu substratul. Polimerii utilizați sunt în principal PoliEterEterKetonă (PEEK) și sulfură de polifenilen prin aplicarea de alimentare cu pulbere externă. Depunerea prin pulverizare cu plasmă este utilizată pentru a dezvolta acoperiri polimerice cum ar fi nailon, fenolic, amestecuri fenolic-epoxidice, fluorură de polivinil (PVDF), copolimer de acid etilenacrilic (EAA), PE cu greutate moleculară ultraînaltă și emailuri epoxidice pentru a oferi protecție împotriva coroziunii metalelor și acoperire politetrafluoretilenă armată cu metal (PTFE) pe role și tamburi în industria hârtiei, textile și ambalaje, procesarea alimentelor și turnarea plasticului. De asemenea, este utilizat ca acoperire de rezistență la uzură, constând din umplutură WC-Co sau Mg-Zr care conține nailon, fluoropolimeri și copolimeri. Dar, pentru fiecare chimie și tehnică de acoperire, parametrii de pulverizare trebuie optimizați pentru a se potrivi fiecărei formulări de polimer anume. O revizuire detaliată a literaturii despre acoperirea polimerică prin tehnica de depunere prin pulverizare termică este raportată de Petrovicova și Schadler (2002).

Dezvoltarea de acoperiri cu gradient funcțional

Materialele cu gradient funcțional (FGM = Functionally gradient materials) sunt materiale emergente cu o durată de viață îmbunătățită și au un viitor promițător pentru producția de (a) materiale și dispozitive îmbunătățite pentru aplicații supuse gradienților termici mari, (b) materiale acoperite cu costuri mai mici pentru combinații de coroziune și rezistență sau rezistență la uzură și (c) poate îmbunătățirea structurilor materialelor electronice pentru baterii, pile de combustibil și dispozitive de conversie a energiei termoelectrice (Heimann 2008). Formarea prin pulverizare termică a unor astfel de structuri gradate a fost propusă datorită capacității unice de a depune straturi subțiri, individuale, dintr-o gamă largă de materiale - metale, intermetalice și ceramică - permițând astfel producerea de structuri stratificate sau gradate continuu.

Dezvoltarea acoperirii nanostructurate pentru aplicații structurale și funcționale

Materialele nanostructurate au microstructură pe scara lungimii de 1-200 nm. Acoperirile nanostructurate au obținut o atenție sporită în ultimii ani datorită proprietăților lor remarcabile, cum ar fi rezistența, duritatea și rezistența la coroziune mai ridicate, în comparație cu cele ale omologilor de dimensiunea micronului. Proprietățile mecanice îmbunătățite ale materialelor nanocristaline sunt atribuite mărimii granulelor rafinate și îmbunătățirii ulterioare a durității, așa cum este prezis de teoria Hall-Petch și modificările sale continue bazate pe diferite mecanisme de interacțiune la granița dislocare-granule; acoperirea nanostructurată poate fi dezvoltată prin tehnici de depunere fizică, chimică și electrochimică. Însă, aderența acoperirii la interfață este foarte slabă. Pulverizarea termică a fost acceptată în mod obișnuit ca fiind cea mai eficientă și economică metodă pentru procesul de fabricare a acoperirilor nanostructurate și, prin urmare, a contribuit la o mare varietate de aplicații de înaltă performanță care necesită o rezistență îmbunătățită la uzură, eroziune, coroziune și izolare termică (Lau și Lavernia 1999). Lau şi colab. 1998). Dar, principala dificultate în dezvoltarea acoperirii nanostructurate prin pulverizare termică include problema aglomerării (atunci când pulberile precursoare au dimensiuni reduse ale particulelor), îngroșarea microstructurii și reacția cu mediul (datorită ariei și a reactivității suprafeței sale specifice ridicate). Datorită scăderii dimensiunii particulelor, fluidizarea pulberii de pulverizare devine din ce în ce mai dificilă; prin urmare, este dificil să se dezvolte acoperirea prin pulverizare termică. Printre toate tehnicile de depunere prin pulverizare termică, numai pulverizarea la rece este o cale eficientă de dezvoltare a acoperirii nanostructurate fără a compromite microstructura lor benefică (Lima et al. 2002b; Singh et al. 2010; Li et al. 2007). Acoperirile din cermet WC-Co nanostructurate prezintă o proprietate superioară de rezistență la uzură datorită durității crescute a acoperirilor prin scăderea dimensiunii particulelor pulberii de materie primă (He și Schoenung 2002). Cr3C2-25(Ni20Cr) nanostructurat depus prin pulverizare la rece a prezentat o creștere cu 20,5% a microdurității de 1.020 HV300 în comparație cu acoperirea convențională corespunzătoare de 846 HV300 (Lima și colab. 2002a). Acoperirile nanostructurate WC-12Co sunt depuse cu succes prin pulverizare la rece folosind o materie prima nanostructurată cu o microduritate de 1.800 Hv0,3 a acoperirii pulverizate, cu viteze critice raportate de aproximativ 915 m/s, prin duză cu lungimea in aval de 100 mm, diametrul gâtului de 2 mm și diametrul de ieșire de 4 mm și distanța standoff de 20 mm și folosind heliu gazos la o presiune de 2 MPa și o temperatură de 600^o C în precameră (Champagne și colab. 2005). Lima și colab. (2002b) produc acoperiri nanostructurate WC-12%Co pure și bine lipite pe substrat de oțel cu conținut scăzut de carbon, cu o densitate de 1.225 kgf/mm² și microduritate Knoop de aproximativ 42 kgf/mm² prin procesare cu pulverizare la rece.