Figura 12 rezumă clasificarea majoră a tehnicii de depunere prin pulverizare termică (Davis 2004; Walser 2004). Tehnica de depunere prin pulverizare termică poate fi clasificată în patru procese principale de acoperire: pulverizare cu flacără, pulverizare cu arc-plasmă, pulverizare cu arc electric și pulverizare cinetică cu multe dintre subclasele lor. Fiecare din acest proces cuprinde mai multe subseturi. Fiecare proces are propriile sale caracteristici și, prin urmare, dezvoltă acoperirea cu propriile sale caracteristici. Caracteristicile acoperirii sunt definite de puterea de aderență, grosimea, microstructura, duritatea, omogenitatea compoziției, porozitatea și conținutul de incluziuni. Trebuie selectată tehnica de acoperire adecvată pentru caracteristicile de acoperire dorite pentru aplicația specifică. În această secțiune, va fi o prezentare detaliată a tehnicii individuale.

Pulverizare cu flacără

Pulverizarea cu flacără este un proces de depunere prin pulverizare termică care implică gaz combustibil ca sursă de căldură pentru a topi materialul de acoperire (Knight și Smith 1998; Pawlowski 2008; Heimann 2008). Figura 13 ilustrează schematic tehnica depunerii prin pulverizare cu flacără (Knight și Smith 1998). Pistoalele de pulverizare cu flacără sunt proiectate pe baza tipului de materiale de acoperire precursoare utilizate pentru pulverizare, adică sub formă de tijă, sârmă sau pulbere. Gazele combustibile utilizate ca combustibil în pulverizarea cu flacără sunt acetilena, propanul, gazul metil-acetilen-propadienă (MAPP) și hidrogenul, împreună cu oxigenul. Temperaturile și caracteristicile flăcării depind de raportul și presiunea oxigen-gaz combustibil. Figura 13a și b prezintă pistolul de pulverizare utilizat pentru procesul de pulverizare cu flacără cu pulbere și sârmă (Knight și Smith 1998). Modelul pistolului de pulverizare utilizat pentru pistoalele cu tije și sârmă este similar. In orice caz, este necesar să schimbați duza și/sau capacul de aer pentru a adapta pistolul la diferite aliaje, dimensiuni de sârmă sau gaze.

Avantajele procesului de pulverizare cu flacără includ costuri de echipament și procesare scăzute, eficiență ridicată, întreținere redusă și ușor de utilizat. Însă, rezistența de aderență relativ slabă, porozități mai mari și un interval de temperatură de lucru mai îngust în comparație cu alte tehnici de depunere prin pulverizare termică sunt dezavantajele asociate procesului de depunere prin pulverizare cu flacără. Grosimea acoperirii obținută prin depunerea prin pulverizare cu flacără poate varia de la 100 la 2.500 mm pentru acoperirea cu o singură trecere și, respectiv, cu mai multe treceri. Conținutul de porozitate variază de la 10 % la 20 %. Rezistența de aderență determinată folosind testul de aderență la tracțiune variază de obicei de la 15 la 30 MPa pentru metale și aliaje.

Depunerea prin pulverizare cu flacără este o tehnică populară pentru repararea pieselor uzate. Materialele utilizate în mod obișnuit pentru această aplicație includ aliaj pe bază de nichel, monel, alamă etc. Acoperirea cu zinc este aplicată în mod obișnuit pentru aplicarea rezistenței la coroziune prin pulverizare cu flacără în structuri mari.

Pulverizarea cu arc electric (arc - sârmă)

Procesul de pulverizare cu arc electric (sârmă-arc) folosește un precursor de acoperire sub formă de sârmă, iar încălzirea/topirea are loc prin generarea unui arc între ele la interacțiune. Pulverizarea se face prin atomizarea metalului topit și propulsarea acestuia pe substrat printr-un flux de aer comprimat. Figura 14 prezintă schematic procesul de pulverizare cu arc-sârmă (Knight și Smith 1998). Avantajele pulverizării cu arc electric față de procesul de pulverizare cu flacără includ un cost de operare mai mic; rezistențe de aderență mai mari, peste 69 MPa (10.000 psi); o rată de depunere mai mare de până la 55 kg/h și eficiență de depunere; și încălzire mai mică a substratului și proces mai curat. Grosimea acoperirilor este în intervalul 100–2.000 mm, iar conținutul de porozitate al acoperirii variază de la 10 % la 20 %. Materialele utilizate pentru acoperirea prin pulverizare cu arc-sârmă sunt relativ ductile, sârmă conductivă electric din metal pur sau aliaje de aproximativ 1,5 mm în diametru. Însă, dezvoltarea recentă a sârmelor cu miez permite depunerea unor acoperiri compozite care conțin carburi sau oxizi. Acoperirile cu arc electric sunt utilizate pe scară largă în aplicații de volum mare, cu costuri reduse, cum ar fi depunerea de zinc și aluminiu pentru aplicarea rezistenței la coroziune sau acoperiri compozite pentru aplicarea rezistenței la uzură.

Pulverizarea cu plasmă

Figura 15 descrie schematic tehnica de depunere prin pulverizare cu plasmă (Knight și Smith 1998). În depunerea prin pulverizare cu plasmă, un arc electric este inițiat între un catod de tungsten și un anod de cupru răcit cu apă folosind o descărcare de înaltă frecvență și apoi susținut folosind putere de curent continuu și un gaz (de obicei argon, dar poate fi orice alt gaz, inclusiv azot, hidrogen sau heliu) este lăsat să curgă pentru a genera o plasmă de gaz de înaltă presiune, cu o creștere a temperaturii gazului, care poate depăși 30.000^o C, ceea ce la rândul său crește volumul gazului și, prin urmare, presiunea și viteza acestuia pe măsură ce acesta iese din duză. Argonul este de obicei ales pentru generarea de plasmă din cauza inerției sale chimice și a caracteristicilor de ionizare. Entalpia gazului poate fi crescută prin adăugarea gazelor biatomice, cum ar fi hidrogenul sau azotul. Nivelurile de putere ale pistoletelor de pulverizare cu plasmă sunt, de obicei, în intervalul 30-80 kW, dar pot ajunge până la 120 kW.

În timpul depunerii prin pulverizare cu plasmă, pulberea este introdusă în fluxul de gaz fie chiar în afara pistoletului, fie în regiunea de ieșire divergentă a duzei (anod), încălzită și accelerată de fluxul de gaz de plasmă de înaltă temperatură și viteză mare. Modelul pistoletului și parametrii de funcționare sunt critici în determinarea temperaturii și vitezei atinse de particulele de pulbere. Parametrii de funcționare includ gazul utilizat pentru generarea plasmei, nivelul de putere al arcului utilizat pentru generarea plasmei, viteza de alimentare cu pulbere, debitul de gaz purtător, distanța de la pistolet la sau de la substrat (distanța standoff) și unghiul de depunere. Mărimea și morfologia particulelor de pulbere influențează puternic rata lor de încălzire și accelerare și, prin urmare, eficiența depunerii și calitatea acoperirii. Viteza pulberii în depunerea prin pulverizare cu plasmă variază de obicei de la 300 la 550 m/s. Densitatea acoperirilor cu pulverizare cu plasmă este de obicei mult mai mare decât cea a acoperirilor cu pulverizare cu flacără și este de obicei în intervalul 80-95%. Grosimea acoperirii depuse prin pulverizare cu plasmă variază de obicei între aproximativ 0,05 și 0,50 mm, dar poate fi mult mai groasă pentru unele aplicații. Rezistența aderării poate varia de la 34 MPa (5.000 psi) la 69 MPa (10.000 psi). Forța de legătură a ceramicii pulverizate cu plasmă pe substraturi metalice este în intervalul 15-25 MPa. Aliajele de lipire pulverizate cu plasmă (NiAl sau NiCrAl) sau metalele (Mo) pot atinge o rezistență de 70 MPa sau chiar mai mare. În general, un sistem de plasmă „perfect” ar trebui să îndeplinească cel puțin următoarele cerințe majore, cum ar fi (a) stabilitatea pe termen lung a parametrilor plasmei, (b) pulsația minimă sau deloc a parametrilor plasmei, (c) eroziunea minimă a electrozilor, (d) alimentarea și injecția constantă a pulberii, (e) eficiență ridicată a depunerii, (f) flexibilitate în funcționare și (g) costuri mai mici de investiție și întreținere. Dezavantajele pulverizării cu plasmă includ un cost de instalare mai mare, costuri de operare și complexitate în funcționare. În plus, este necesară o stabilitate pe termen lung a parametrilor plasmei în timpul producției, oferind reproductibilitatea pe termen lung a proprietăților de acoperire și menținând eficiența de depunere constantă.

Depunerea prin pulverizare cu plasmă este aplicată în mare parte pentru a dezvolta acoperiri pentru aplicarea rezistenței la uzură, eroziune, coroziune și oxidare la temperatură înaltă. Substratul poate fi de orice dimensiune, formă și geometrie. Materialele pentru depunere pot fi metalice sau ceramice. Un aerosol de dispersie de polimer poate fi injectat în descărcarea de plasmă pentru a crea o grefare a acestui polimer pe o suprafață a substratului pentru a modifica chimia de suprafață a polimerului (Leroux și colab. 2008).

Pulverizarea cu plasmă reactivă

Pulverizarea cu plasmă reactivă, o evoluție a pulverizării convenționale cu plasmă, este o metodă viabilă pentru producerea unei game largi de materiale avansate și permite injectarea precursorilor reactivi (pot fi lichide, gaze sau amestecuri de reactanți solizi) în fluxuri de particule și/sau gaze fierbinți. Acești precursori reactivi pot fi lichide, gaze sau amestecuri de reactanți solizi (cf. Fig. 16). La contactul cu jetul de plasmă la temperatură înaltă, ele se descompun sau se disociază pentru a forma specii ionice și foarte reactive care pot reacționa apoi cu alte materiale încălzite din jetul de plasmă pentru a forma noi compuși. Figura 16 descrie schematic tehnica de depunere prin pulverizare cu plasmă reactivă (Heimann 2008). Tehnica poate fi aplicată pentru dezvoltarea carburilor, cum ar fi TiC și WC, sau, în anumite condiții, a peliculelor de diamant sau carbon asemănător diamantului (DLC = diamond like carbon ). Cerințele primare sunt ca precursorii să se disocieze în specii reactive și ca timpii de reacție și temperaturile să fie suficient de lungi pentru a se forma produsele sau fazele dorite.

Procesul plasmă-arc transferat

Procesul plasmă-arc transferat este o tehnică în care se stabilește un curent de arc secundar prin plasmă și substrat care controlează topirea suprafeței și adâncimea de penetrare prin inducerea posibilității de încălzire a substratului în timpul funcționării. Figura 17 prezintă schematic procesul de sudare cu plasmă-arc transferat (Knight și Smith 1998). Avantajele asociate acoperirii cu plasmă-arc transferat implică o legătură metalurgică îmbunătățită, acoperiri de înaltă densitate, rate mari de depunere și grosimi mari pe trecere. Grosimi de acoperire de 0,50–6,35 mm și lățimi de până la 32 mm pot fi atinse într-o singură trecere la viteze de alimentare cu pulbere de 9 kg/h. Procesul este mai eficient, deoarece este necesară mult mai puțină energie electrică decât în ​​cazul proceselor cu arc netransferat. Metoda de încălzire și transfer de căldură în procesul de transfer cu plasmă-arc elimină multe dintre problemele legate de utilizarea pulberilor cu distribuții mari ale dimensiunilor de particule sau dimensiuni mari ale particulelor. Pulberile cu dimensiuni mai mari ale particulelor, de exemplu, în intervalul de 50 de ochiuri, tind să fie mai puțin costisitoare decât pulberile de 325 de ochiuri strâns clasificate. Unele limitări ale procesului includ o modificare a microstructurii substratului în timpul acoperirii. Ca rezultat, aplicațiile acoperirii sunt limitate la substraturi care sunt conductoare electric și pot rezista la o oarecare topire. Procesul cu plasmă-arc transferat este utilizat în aplicații cu fața dură, cum ar fi scaunele supapelor, plugurile, componentele câmpurilor petroliere și mașinile miniere.

Flacără de oxi-combustibil de mare viteză (HVOF)

Dispozitivele oxi-combustibil de mare viteză (HVOF = High-velocity oxy-fuel) sunt un subset al pulverizării cu flacără care, totuși, utilizează arderea limitată și o duză extinsă pentru a încălzi și a accelera materialul de acoperire sub formă de pulbere. Dispozitivele HVOF obișnuite funcționează la viteze hipersonice ale gazului, adică mai mari decât MACH 5. Vitezele extreme furnizează energie cinetică care ajută la producerea de acoperiri care sunt foarte dense și foarte bine aderate în starea de pulverizare.

Figura 18 prezintă schema unui dispozitiv oxi-combustibil de mare viteză (HVOF) (Knight și Smith 1998). Combustibilii utilizați pentru pulverizarea HVOF sunt de obicei propan, propilenă, MAPP sau hidrogen și sunt amestecați cu oxigen și arși într-o cameră. În alte cazuri, kerosenul lichid poate fi folosit ca combustibil și aerul ca oxidant. Produsele arderii sunt lăsate să se extindă printr-o duză, unde vitezele gazului pot deveni supersonice. Pulberea este introdusă, de obicei axial, în duză și este încălzită și accelerată. Pulberea este de obicei topită complet sau parțial și atinge viteze de până la aproximativ 550 m/s. Deoarece pulberea este expusă produselor de ardere, acestea pot fi topite fie într-un mediu oxidant, fie într-un mediu reducător și este posibilă oxidarea semnificativă a metalelor și a carburilor. Cu echipamente adecvate, parametri de funcționare, și alegerea de pulbere, pot fi realizate acoperiri cu densitate foarte mare și cu rezistențe de aderență care depășesc frecvent 69 MPa (10.000 psi). Grosimile acoperirilor sunt de obicei în intervalul 0,05–0,50 mm, dar acoperiri substanțial mai groase pot fi utilizate ocazional atunci când este necesar cu unele materiale. Procesele HVOF pot produce acoperiri din aproape orice material metalic sau cermet și, pentru unele procese HVOF, majoritatea ceramicii. Acele câteva sisteme HVOF care folosesc acetilena ca combustibil sunt necesare pentru aplicarea ceramicii cu cel mai înalt punct de topire, cum ar fi zirconia sau unele carburi. Acoperirile HVOF au fost utilizate în principal pentru rezistența la uzură până în prezent, dar domeniul lor de aplicații se extinde.

HVOF este cel mai frecvent utilizat pentru a produce acoperiri rezistente la uzură, cum ar fi cermet (amestecuri de ceramică și metal), ca cobaltul de tungsten-carbură. Acoperirile de acest tip au rezistență la uzură similară cu materialele din carbură sinterizată. Deoarece HVOF produce acoperiri foarte dense (niveluri de porozitate de obicei mai mici de 0,5%), poate fi folosit pentru a produce acoperiri foarte bune rezistente la coroziune realizate din materiale precum Inconel®, Stellite®, oțel inoxidabil și ceramică. Unele acoperiri unice produse de TST folosind tehnologia HVOF sunt ceramice de densitate ultraînaltă care oferă o rezistență dielectrică excelentă.

Pulverizare cu pistol de detonare

Figura 19 prezintă schema unui proces de detonare cu pistol, în care un amestec de oxigen și acetilenă, împreună cu un puls de pulbere, este introdus într-un butoi și detonat folosind o scânteie (Knight și Smith 1998). Unda de detonare de înaltă temperatură și presiune înaltă care se deplasează în jos în butoi încălzește particulele de pulbere până la punctele lor de topire sau mai sus și le accelerează până la o viteză de aproximativ 750 m/s. Prin schimbarea gazului combustibil și a unor alți parametri, procesul Super D-Gun atinge viteze de aproximativ 1.000 m/s. Pulverizarea cu pistol de detonare este un proces ciclic, iar după fiecare detonare butoiul este purjat cu azot și procesul se repetă de până la aproximativ 10 ori pe secundă. În loc de un strat continuu de acoperire ca în celelalte procese de pulverizare termică, un cerc de acoperire de aproximativ 25 mm în diametru și câțiva micrometri grosime se depune la fiecare detonare. O grosime uniformă de acoperire a piesei este obținută prin suprapunerea precisă a cercurilor de acoperire în mai multe straturi. Grosimile obișnuite ale acoperirii sunt în intervalul 0,05–0,50 mm, dar pot fi utilizate acoperiri mai subțiri și mult mai groase.

Acoperirile cu pistol de detonare au unele dintre cele mai mari rezistențe de aderență (depășind de obicei rezistența epoxidică a testului, adică 69 MPa) și cele mai scăzute porozități (de obicei mai puțin de 2%), ceea ce a făcut din proces un punct de referință față de care au fost măsurate celelalte acoperiri de ani de zile. Pentru acoperirea metalică, atmosfera de înveliș trebuie întreținută cu atenție pentru a evita oxidarea. Vitezele extrem de mari și energia cinetică consecventă a particulelor în procesul D-Gun fac ca procesul să fie flexibil pentru acoperirea oricăror materiale care urmează să fie depuse cu tensiuni de compresiune reziduale, mai degrabă decât tensiuni de tracțiune, așa cum este tipic pentru majoritatea celorlalte acoperiri prin pulverizare termică. Acest lucru este deosebit de important în raport cu limitările de grosime a acoperirii și efectul acoperirii asupra proprietăților la oboseală ale substratului.

Practic toate materialele metalice, ceramice și cermet pot fi depuse folosind depunerea cu pistol de detonare. Acoperirile cu pistol de detonare sunt utilizate pe scară largă pentru rezistența la uzură și coroziune, precum și pentru multe alte tipuri de aplicații. Acestea sunt adesea specificate pentru cele mai solicitante aplicații, dar adesea pot fi și cea mai economică alegere datorită duratei lor lungi de viață.