Aplikace plazmových nástřiků kovových a keramických povlaků

Žárové povlakování metodami rozstřikování roztavených kovových nebo keramických práškových prekurzorů s jejich následnou kondenzací na nejrůznějších podložkách (i v tomto oboru často používáme pojem substrát) může být  realizováno velkým počtem  nejrůznějších  technických zařízení.

Povlakovací zařízení, ať již stacionární nebo přenosná, jsou víceméně konstruována pro selektivní, jednoúčelové a speciální aplikace. Pro výběr povlakovací metody a povlakovacího zařízení je rozhodující, jaký materiál a na jaký substrát má být deponován. Rozhodujícím faktorem jsou body tání obou kontaktních dvojic, protože výše bodu tání materiálu povlaku ovlivňuje výběr ohřívacího zařízení. Substrát či podložku je možno programově chladit.
Ohřev, resp. tavení práškových prekurzorů s relativně nízkými body tání, například do teplot 2 000 °C, lze uskutečnit pomocí spalovacích hořáků, produkujících teplo chemickou reakcí. Výběr dvojic chemikálií, které spolu exotermicky reagují, je téměř neomezený, nicméně především z ekonomických důvodů stále převažují reakce organických paliv s kyslíkem, především acetylénu, propan butanu, allylénu a samozřejně reakce kyslíku s vodíkem.


Konkrétní aparatury povlakující na tomto principu můžeme najít pod mnoha komerčními značkami, např. Sulzer Metco, Plasmatechnik Markus Colling GmbH a j. Velmi úspěšná a častá varianta žárového povlakování je známa pod zkratkou HVOF (High Velocity Oxide Fuel), schéma je zobrazeno na obr.1 a vlastní zařízení na obr. 2.
Vyšších teplot potřebných na roztavení látek s bodem tání nad 2 000 °C je dosahováno nechemickými metodami, především pomocí elektrického proudu. Nejvyšším konstrukčním stadiem pro dosažení technicky extrémních teplot jsou generátory plazmatu, které se v konstrukčním uzpůsobení na tavení prášků a jejich depozici na vhodné substráty  obecně nazývají plazmové hořáky. Dělení na generátory plynem nebo kapalinou stabilizovaného plazmatu bylo vysvětleno dříve. Připomínáme jen technologický fakt, že generátory vodíkového, kyslíkového či argonového plazmatu dosahují teplot maximálně 15 000 K, kdežto generátory kapalinou stabilizovaného plazmatu produkují plazma o teplotě až 30 000 K. Absolutní špičku v oboru představuje čs. generátor WSP®, vyvinutý a provozovaný v Ústavu fyziky plazmatu AVČR v Praze (obr. 3).

 


Povlakování pomocí zařízení s generátorem WSP® má význam především pro depozici látek s absolutně nejvyššími body tání. Z kovů se jedná o wolfram s bodem tání 3 420 °C, keramický materiál s absolutně nejvyšším bodem tání pak představuje karbid  hafnia (HfC b.t. 3 850 °C). Povlaky a vrstvy z wolframu, ZrC, HfC a nebo jejich cermetů W-ZrC (obr. 4) či W-HfC s obsahem do 30 % HfC byly již ověřeny při konstrukci trysek raketových motorů. Rovněž pro první stěnu fúzního reaktoru ITER v zařízení Tokamak se uvažuje s wolframovým povlakem, z důvodů zvýšení tepelné vodivosti pak s kombinací wolfram-měď. Další povlaky z materiálů s body tání nad 3 000 °C, např. boridy titanu nebo zirkonia (TiB2 b.t. 3 200 °C) lze připravit jednak přímo z původních sloučenin, ale také tzv. reaktivní plazmovou depozicí (obr. 5), kdy do proudu plazmatu jsou přiváděny prášky titanu a karbidu boru, nebo titanu a nitridu boritého, ať samostatně, nebo vytvořením směsných či povlakovaných prášků, např. prášku B4C povlakovaného titanem metodou magnetronové depozice. V plazmatu dojde k vytvoření nové sloučeniny, jejímu roztavení. Následuje depozice, která podle teploty předehřátí substrátu může vytvořit povlak s rovnovážným, nebo naopak prudkým ochlazením zafixovaným nerovnovážným fázovým složením. Vznikají tak cermetové povlaky Ti-TiN-TiO2 nebo Ti-TiN-TiB2 s různým poměrem jednotlivých fází.

 


Technologicky nejjednodušší při plazmové depozici aparaturou WSP® jsou nástřiky povlaků oxidových sloučenin, především oxidu hlinitého, oxidu zirkoničitého stabilizovaného oxidem yttria nebo oxidu titaničitého. Praktické aplikace jsou známy např. pod názvem alitování grafitových elektrod, což mělo význam při ochraně proti oxidaci rozměrných grafitových elektrod obloukových pecí. Např. v Chemických závodech Sokolov i jinde byly povlakovány elektrody délky nad 2 m a průměru 20 - 30 cm. Obdobně ve sklárnách se chrání molybdenové elektrody v částech nad povrchem roztavené skloviny keramickým povlakem, většinou z oxidu zirkonia nebo zirkonu (křemičitanu zirkoničitého), popřípadě mullitu, aby  již při 960 °C nedocházelo k oxidaci molybdenu a sublimaci MoO3 z elektrod. Další využití ochranných keramických povlaků ve sklářském průmyslu je směrováno na ochranu dávkovacích plunžrů nebo tvarovek na tažení skleněných trubic. Efektní jsou dekorační nebo protiskluzové povlaky např. z čediče (basaltu). Jeho relativně nízká teplota tání umožnuje připravit povlaky jak s hrubozrnným povrchem, tak ve formě hladké černé glazury, která byla již ověřena na betonových tvarovkách hřbitovních staveb a skulptur. S čedičovými povlaky na kovových kontejnerech se uvažuje i v úložištích radioaktivního odpadu. Povlaky jsou vysoce korozně odolné, odolávají i radioaktivnímu záření. Otěruvzdorné keramické povlaky oxidu hlinitého nebo stabilizovaného oxidu zirkoničitého byly aplikovány na písty a pouzdra čerpadel abrazivních kapalin (obr. 6), zejména při čerpání důlních vod v hornickém průmyslu.  Pro kalcinaci vysoce čistého oxidu titaničitého byly na ocelových součástech pecí vytvořeny tenké povlaky nebo ochranné vložky z rutilu. Jednoduché schéma zařízení  s plazmovým generátorem WSP® na vytváření povlaků nebo kompaktních balkových materiálů v atmosférickém prostředí nebo v prostředí s ochrannou atmosférou je znázorněno na obr. 7.

 

 

Plošnou hustotu povlaků nebo tloušťku povlaku, vztaženou na 1 m2 plochy nástřiku, je možno odhadnout na základě jednoduchého vzorce H(mm) = G(kg)/ρ (g/cm3). Do ceny povlaku se pak promítnou náklady na spotřebu elektrické energie a  povlakovací sloučeniny. V úvahu je nutno vzít i rozptylový kužel plazmově deponovaného prášku, jehož vrcholový  úhel se v závislosti na konstrukčních úpravách aparatury pohybuje kolem 15 °, resp.  0,053 sr. Ekonomické je proto povlakování větších ploch, u málo rozměrných substrátů  se projeví vysoké ztráty prostřikem mimo povlakovanou plochu.

 


Petr Pokorný, Vlastimil Brožek
VŠCHT Praha a Ústav fyziky plazmatu AVČR Praha

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
3 + 2 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd