Úvod do technologie povrchové úpravy plazmovým nástřikem (1. část)

Povlakovací technologie žárového nástřiku patří v současnosti mezi jednoznačně nejmodernější způsoby přípravy a ovlivnění vlastností povrchových vrstev na konstrukčních materiálech. Všechny techniky spadající do této oblasti povrchového inženýrství dosahují nejvyššího stupně progresivity a umožňují tvorbu funkčních povlaků s vysoce specifickými vlastnostmi. Díky vysoké flexibilitě této technologie a možnostem tvorby povlaků z velkého spektra materiálů jsou tyto schopny vytvářet konkurenci povlakům vytvořeným tradičním způsobem povrchové úpravy především z vodné fáze (nejčastěji nahrazují povlaky galvanické). Mezi technologie povrchové úpravy založené na žárových nástřicích patří i nanášení povlaků plazmovým nástřikem (tzv. plasma spraying).

Tento způsob úpravy povrchu je nejvíce flexibilní v porovnání s ostatními technologiemi žárových nástřiků a vytváří spíše tlustovrstvé povlaky s vynikajícími a často unikátními  vlastnostmi. Opět s ohledem na ostatní příbuzné technologie je značnou výhodou typickou pro plazmové povlakování minimální ovlivnění teploty povrchu substrátu v poměru k bodům tání nanášených látek. Méně příznivá pro komplexní komerční využití je zatím značná technologická a především finanční náročnost, nespočívající ani tak v ceně povlakovacího zařízení jako v ceně plazmově deponovaných materiálů.

 


Plazmové stříkání umožňuje výrobu funkčních a ochranných povlaků z různých kovových i keramických materiálů nebo jejich kovo-keramických směsí, a to jak homogenních, tak funkčně gradovaných. V technické praxi jsou nejvíce využívané plazmové nástřiky keramiky, které vytvářejí účinnou tepelně izolační bariéru, jsou odolné proti působení kyselin i zásad a ochraňují kovový substrát proti elektrochemické korozi, případně proti korozi za zvýšených teplot. Velice významné uplatnění mají plazmové nástřiky korundu a jiných tvrdých látek, např. stabilizovaného oxidu zirkoničitého nebo karbidu boru na složitých strojních součástech, jako otěruvzdorné povlaky, mnohonásobně zvyšující životnost součásti ochranou kovového jádra oproti opotřebení intenzivním třením a současně proti korozi. Lze vytvářet i speciální vysoce elektricky vodivé povlaky na topných elementech nebo jiných silnoproudých elektrotechnických součástkách, nebo naopak izolační povlaky s vysokým měrným elektrickým odporem na složitě tvarovaných substrátech. Při povlakování se využívá i organických polymerních materiálů, ať již bezprostředně nebo jako následná impregnace,  čímž vznikají povlaky vysoce odolné proti degradaci působením chemických vlivů. Povlaky tvořené plazmovým nástřikem jsou vždy do jisté míry porézní. Míra pórovitosti je závislá na technologických aspektech procesu, ale především na zvoleném povlakovacím médiu a lze ji v širokých mezích modifikovat, případně zcela eliminovat. Plazmově deponované povlaky na kovových substrátech se uplatňují v metalurgii, sklářském průmyslu, chemickém průmyslu, všeobecném i těžkém strojírenství, energetice, automobilovém průmyslu a dalších často speciálních oborech. Nejnověji je uvažováno o využití wolframových povlaků v tokamacích při výzkumu jaderné fúze.
Tepelným zdrojem použitým k natavení nanášeného materiálu je tzv. nízkoteplotní či termické plazma, které může být generováno v zásadě dvěma způsoby. Zařízení generátorů plazmatu, kterým se v hantýrce říká plazmový hořák, může stabilizovat plazmový plamen buď plynným, nebo kapalným plazmotvorným médiem.  U plynem stabilizovaného plazmatu hoří elektrický oblouk mezi vodou chlazenou wolframovou katodou a válcovou měděnou anodou, tvořící zároveň výstupní trysku plazmového hořáku. Zobrazení jedné varianty plazmového hořáku tohoto typu je na obr.1. Plazmotvorný plyn, nejčastěji argon, ale i dusík nebo vodík, napouštěný do hořáku axiálně, je elektrickým obloukem excitován do stavu plazmatu. Z výstupní chlazené trysky pak vystupuje plazma o vysoké teplotě, až 20 000 K. Do něj se pomocí nosného plynu vně nebo středem katody vnášejí částice povlakutvorného materiálu ve formě prášku, které se vysokou teplotou plazmatu rychle nataví a ve formě splatů dopadají na povrch substrátu. Vysoká teplota plazmatu a volba plazmotvorného média může však být i nevýhodou, protože může způsobit oxidaci, změnu fázového složení či novou chemickou reakci jak povrchu povlakovaného substrátu, tak i nanášeného materiálu.
Druhou variantou jsou generátory plazmatu s kapalinovou stabilizací, především unikátní český celosvětově patentovaný generátor vodou stabilizovaného plazmatu WSP®, vyznačující se dosud nejvyšší dosahovanou teplotou, až 30 000 K a zpracovatelskou kapacitou 40 - 100 kg prášku/h. (obr. 2). Konstrukce zařízení pro plazmové nástřiky se liší tvarem a velikostí elektrod, materiálem aktivních součástí či způsoby chlazení. Podmínky a geometrie vstupu prášku mají významný vliv na stupeň jeho protavení a tudíž na kvalitu výsledného povlaku - především na míru pórovitosti a obsah oxidů ve struktuře.

 

Obr. 3. Schéma průběhu plazmového povlakování od dávkování prášku přes jeho tavení
a depozici na povrch substrátu (trvalé nebo dočasné podložky).


Pro dosažení optimálních vlastností deponovaného povlaku tj. především jeho vysoké hustoty, přilnavosti k podkladu a čistoty je možné provádět plazmový nástřik v uzavřené komoře za sníženého tlaku (obvykle 0,005 - 0,02 MPa), tzv. VPS (vaccum plasma spraying), případně pouze za sníženého tlaku tzv. LPPS (low pressure plasma spraying). Základní schéma plazmového povlakování je na obr. 3. Ve druhé části článku v následujícím čísle časopisu TriboTechnika budou popsány vlastnosti jednotlivých povlaků plazmového nástřiku.

 


Petr Pokorný, Ústav kovových materiálů a korozního inženýrství, VŠCHT Praha  
Vlastimil Brožek,  Ústav fyziky plazmatu AVČR, v.v.i. Praha

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
7 + 8 =
Odoslanie formulára

Tribotechnika_2_2019

TriboTechnika_2_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd