Plazmové depozice povlaků. Plazmový nástřik Plasma Spraying

Podobné dokumenty
Metody depozice povlaků - CVD

OTĚRUVZDORNÉ POVLAKY VYTVÁŘENÉ METODAMI ŽÁROVÉHO NÁSTŘIKU

Využití plazmových metod ve strojírenství. Metody depozice povlaků a tenkých vrstev

STUDIUM PLASMATICKY NANÁŠENÝCH VRSTEV

Inženýrské výzvy v oblasti žárového stříkání

DOUTNAVÝ VÝBOJ. Další technologie využívající doutnavý výboj

Plazmové svařování a dělení materiálu. Jaromír Moravec

OPTIMALIZACE PARAMETRŮ NÁSTŘIKU ELEKTRICKÝM OBLOUKEM OPTIMALIZATION OF ARC SPRAYING PARAMETERS TITULNÍ LIST

KRITÉRIA VOLBY METODY A TRENDY TEPELNÉHO DĚLENÍ MATERIÁLŮ Ing. Martin Roubíček, Ph.D. - Air Liquide

Obloukové svařování wolframovou elektrodou v inertním plynu WIG (TIG) - 141

VŠB Technická univerzita Ostrava Fakulta strojní Katedra mechanické technologie

Dělení a svařování svazkem plazmatu

Přehled metod depozice a povrchových

Tenká vrstva - aplikace

SPECIÁLNÍ METODY OBRÁBĚNÍ SPECIÁLNÍ METODY OBRÁBĚNÍ

TECHNOLOGICKÉ PROCESY PŘI VÝROBĚ POLOVODIČOVÝCH PRVKŮ III.

Plazmové svařovací hořák ABICOR BINZEL

REAKTIVNÍ MAGNETRONOVÉ NAPRAŠOV. Jan VALTER HVM Plasma s.r.o.

Vybrané technologie povrchových úprav. Metody vytváření tenkých vrstev Doc. Ing. Karel Daďourek 2008

ruvzdorné povlaky endoprotéz Otěruvzdorn Obsah TRIBOLOGIE Otěruvzdorné povlaky endoprotéz Fakulta strojního inženýrství

KOROZNÍ ODOLNOST POVLAKŮ VYTVÁŘENÝCH METODOU HVOF. Olga Bláhová a, Šárka Houdková a, Miroslav Dvořák b, Martin Vizina b, Radek Enžl c

Kalení Pomocí laserového paprsku je možné rychle a kvalitně tepelně zušlechtit povrch materiálu až do hloubek v jednotkách milimetrů.

Vakuové metody přípravy tenkých vrstev

Plazmové metody Materiály a technologie přípravy M. Čada

ANALÝZA POVLAKOVANÝCH POVRCHŮ ŘEZNÝCH NÁSTROJŮ

Elektrostruskové svařování

Svafiování elektronov m paprskem

Úvod. Povrchové vlastnosti jako jsou koroze, oxidace, tření, únava, abraze jsou často vylepšovány různými technologiemi povrchového inženýrství.

DOUTNAVÝ VÝBOJ. 1. Vlastnosti doutnavého výboje 2. Aplikace v oboru plazmové nitridace

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Plazmová depozice tenkých vrstev oxidu zinečnatého

Plazmatické metody pro úpravu povrchů

VYSOKOVÝKONOVÉ LASEROVÉ ROBOTIZOVANÉ PRACOVIŠTĚ

KOROZNÍ ODOLNOST ŽÁROVÝCH NÁSTŘIKŮ.

Nauka o materiálu. Přednáška č.12 Keramické materiály a anorganická nekovová skla

Vodík jako alternativní ekologické palivo. palivové články a vodíkové hospodářství

J. Kubíček FSI Brno 2018

Katedra materiálu.

příprava povrchů pod organické povlaky (nátěry, plastické hmoty, pryžové vrstvy apod.) odstraňování korozních produktů odstraňování okují po tepelném

APLIKACE ŽÁROVÉHO NÁSTŘIKU NA SPALOVACÍ MOTOR AUTOMOBILU

Plazma v technologiích

HODNOCENÍ VYBRANÝCH FUNKČNÍCH VLASTNOSTÍ POVLAKŮ NANESENÝCH ŽÁROVÝMI NÁSTŘIKY

Svařování plazmovým obloukem

Názvosloví Kvalita Výroba Kondenzace Teplosměnná plocha

Mechanická modifikace topografie strojních součástí

FYZIKA VE FIRMĚ HVM PLASMA

VYUŽITÍ PLAZMOVÉHO OBLOUKU V TECHNICKÉ PRAXI

DOUTNAVÝ VÝBOJ. Magnetronové naprašování

Technologie a vlastnosti tenkých vrstev, tenkovrstvé senzory

Rost Marek, Záruba Lukáš školitelé: Z. Sekerešová, J. Šonský. Cesta k vědě

Principy chemických snímačů

NANOINDENTAČNÍ MĚŘENÍ HVOF STŘÍKANÝCH POVLAKŮ. ŠÁRKA HOUDKOVÁ a, FRANTIŠEK ZAHÁLKA a, MICHAELA KAŠPAROVÁ a a OLGA BLÁHOVÁ b. 1.

PRÁŠKOVÉ TECHNOLOGIE RAPID PROTOTYPING

VY_32_INOVACE_F 18 16

Polotovary vyráběné práškovou metalurgií

Vytváření tenkých speciálních vrstev metodou plazmochemické depozice z plynné fáze

OTĚRUVZDORNÉ POVRCHOVÉ ÚPRAVY. Jan Suchánek ČVUT FS, ÚST

NEGATIVNÍ PŮSOBENÍ PROVOZU AUTOMOBILOVÝCH PSM NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

ÚNAVOVÉ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ S OCHRANNÝMI VRSTVAMI NANESENÝMI TECHNOLOGIEMI ŽÁROVÉHO NANÁŠENÍ

Nauka o materiálu. Přednáška č.14 Kompozity

ŽÁROVÉ NÁSTŘIKY. Jaroslav Kubíček VUT FSI Brno 2018

VYSOKOVÝKONOVÉ LASEROVÉ ROBOTIZOVANÉ PRACOVIŠTĚ

NEKONVENČNÍ ZPŮSOBY VÝROBY TEPELNÉ A ELEKTRICKÉ ENERGIE. Ing. Stanislav HONUS

Speciální metody obrábění

PVD povlaky pro nástrojové oceli

RYCHLOŘEZNÉ NÁSTROJOVÉ OCELI

Svařování v ochranných atmosférách Přehled typů ochranných plynů

Lepení materiálů. RNDr. Libor Mrňa, Ph.D.

Sorpční vývěvy. 1. Vývěvy využívající fyzikální adsorpce (kryogenní vývěvy)

J.Kubíček 2018 FSI Brno

galvanicky chemicky plazmatem ve vakuu Vrstvy ve vakuu MBE Vakuová fyzika 2 1 / 39

Úpravy povrchu. Pozinkovaný materiál. Zinkový povlak - záruka elektrochemického ochranného působení 1 / 16

Studentská 1402/ Liberec 1 tel.: cxi.tul.cz. Technologická zařízení

SYSTÉM TENKÁ VRSTVA SUBSTRÁT V APLIKACI NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH

5.FYZIKÁLNÍ (NEKONVENČNÍ) TECHNOLOGIE OBRÁBĚNÍ

SPOLUPRÁCE WESTINGHOUSE S ČVUT A FZÚ AV ČR

Vakuová technika. Výroba tenkých vrstev vakuové naprašování

Monika Fialová VAKUOVÁ FYZIKA II. ZÍSKÁVÁNÍ NÍZKÝCH TLAKŮ

Metody využívající rentgenové záření. Rentgenovo záření. Vznik rentgenova záření. Metody využívající RTG záření

1 Moderní nástrojové materiály

ELEKTRONICKÉ PRVKY TECHNOLOGIE VÝROBY POLOVODIČOVÝCH PRVKŮ

zařízení 2. přednáška Fakulta elektrotechniky a informatiky prof.ing. Petr Chlebiš, CSc.

Odporové topné články. Elektrické odporové pece

Metody využívající rentgenové záření. Rentgenografie, RTG prášková difrakce

Přípravek pro navařování citlivých materiálů

KOMPLEXNÍ VZDĚLÁVÁNÍ KATEDRA STROJNÍ SPŠSE a VOŠ LIBEREC

Kovy jako obalové materiály

Třífázové trubkové reaktory se zkrápěným ložem katalyzátoru. Předmět: Vícefázové reaktory Jméno: Veronika Sedláková

MMC kompozity s kovovou matricí

1.1.1 Hodnocení plechů s povlaky [13, 23]

Číslo a název klíčové aktivity: III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

Obloukový výboj. 1. Depozice povlaků NNO 2. Atmosférické výboje 3. Plazmové svařování a dělení materiálu

Svařování svazkem elektronů

Technologie I. Pájení

Přednáška 4. Úvod do fyziky plazmatu : základní charakteristiky plazmatu, plazma v elektrickém vf plazma. Doutnavý výboj : oblasti výboje

PROVOZNÍ ZKOUŠKY OCHRANNÝCH NÁSTŘIKŮ V PROSTŘEDÍ SPALIN VE SPALOVNÁCH KOMUNÁLNÍHO ODPADU

Závěsné plynové průtokové ohřívače TV PANDA

E ŘEŠENÍ KONTROLNÍHO TESTU ŠKOLNÍHO KOLA

Mikro a nanotribologie materiály, výroba a pohon MEMS

Transkript:

Plazmové depozice povlaků Plazmový nástřik Plasma Spraying

Plazmový nástřik patří do kategorie žárových nástřiků. Žárový nástřik je částicový proces vytváření povlaků o tloušťce obvykle větší než 50 µm, kdy je nanášený materiál ve formě prášku (případně drátu) přiváděn do zařízení, kde dojde k jeho natavení a urychlení směrem k povlakované součásti. Po dopadu na substrát dojde k výraznému plošnému rozprostřeníčástice a k jejímu rychlému utuhnutí. Tím se vytváří povlak s charakteristickou lamelární strukturou a specifickými vlastnostmi. 2

Na rozdíl od ostatních technologií vytváření povlaků, není žárový nástřik založen na depozici jednotlivých atomůči iontů. Na povrch dopadají celé natavené (nebo částečně natavené) kapky materiálu, které ulpívají pouze na površích ležících v dráze letících kapek. Ve srovnání s PVD či CVD metodami depozice má žárový nástřik vysokou depoziční rychlost a široký rozsah přídavných materiálů. 3

Technologie žárových nástřiků umožňuje vytvářet povlaky z těch druhů keramik, kovů a jejich slitin, u kterých nedochází k rozpadu pod bodem tání, na prakticky všechny typy materiálů substrátu. To je umožněno převážně mechanickým zakotvením povlaku na zdrsněném povrchu substrátu. Technologický proces zaručuje teploty povlakované součásti hluboko pod teplotou fázově-strukturních přeměn (cca 80-120 C), což také brání nežádoucím deformacím součásti. Procesní parametry, které mají na kvalitu povlaku největší vliv, jsou znázorněny na obrázku. Kritickými faktory, které určují zda je k dispozici dostatek energie a času k natavení přídavného materiálu, jsou teplota a rychlost plamene. 4

V případě spalovacích a plazmatických systémů nástřiku je dalším rozhodujícím parametrem doba, po kterou setrvává letící částice přídavného materiálu v plameni o teplotě vyšší než je jeho teplota tavení. Tato doba se liší jak u jednotlivých procesů, tak i u jednoho procesu v závislosti na trajektorii konkrétní částice. 5

Při plazmatickém nástřiku ve stejnosměrném režimu (dc plasma spraying) hoří elektrický oblouk mezi vodou chlazenou wolframovou katodou a válcovou měděnou anodou, tvořící zároveň trysku plazmového hořáku. Hořákem proudí plyn (obvykle argon s několika procenty plynu zvyšujícího entalpii plazmatu, např. H 2, He, N 2 ) a na konci z něj vytéká plazma s vysokou teplotou (až 20 000 K) a entalpií. Do nosného plynu se přivádí nanášený materiál ve formě prášku. Touto metodou je možné díky vysoké teplotě plazmatu nanášet všechny druhy materiálů od čistých kovů až po těžce tavitelné materiály (např. keramiky). Vysoká teplota může způsobit oxidaci, změnu fázového složení nebo vyhořívání některých prvků nanášeného materiálu. Pro dosažení extrémně vysoké hustoty, přilnavosti a čistoty povlaků je možné provádět plazmatický nástřik v uzavřené komoře za sníženého tlaku (obvykle 5-200 kpa), tzv. VPS (vacuum plasma spraying) nebo LPPS (low pressure plasma spraying). 6

Hlavní charakteristiky procesu Plazmový nástřik se provádí ve třech možných režimech: za atmosférického tlaku (APS), za sníženého tlaku (VPS) a v rf režimu. APS VPS RF plasma Rychlost plamene: 300-1000 m/s 200-600 m/s 20-80 m/s Teplota plamene: 15 000 K 12 000 K 10 000 K Použité plyny: Ar, He, H 2,N 2 Ar, He, H 2 Ar, He, H 2 Rychlost částic: 200-800 m/s 200-600 m/s 20-50 m/s Teplota částic: > 3 800 C > 3 800 C > 3 800 C Průtok prášku: 50-150 g/min 25-150 g/min 20-50 g/min 7

Konstrukce plazmových hořáků ČR má významné postavení ve vývoji plazmových hořáků. Již od 60. let 20. stol. byly konstruovány a stavěny hořáky v nichž je výboj stabilizovaný vodou. Posledním stupněm vývoje je vodou stabilizovaný generátor plazmatu WSP s příkonem až 160 kw, vyvinutý v ÚFP AVČR Praha. Plazmatron je určen jednak k vytváření plazmových nástřiků jednak k ekologické likvidaci odpadů. Např. umožňuje nastříkat až 50 kg Al 2 O 3 za hodinu. Do proudu plazmatu lze sypat při běžném spalování nezničitelné toxické odpady nebo také biomasu. Ta se v něm rozloží na atomy a nejjednodušší molekuly, jako jsou vodík či oxid uhelnatý energetický plyn. Jeho spálením se pak uvolní velké množství dále využitelné energie. 8

Obloukový výboj v plazmatronu sice hoří v pracovním plynu, ale je nutné jej stabilizovat lokálně i odběrem přebytečné energie. To má za úkol tangenciálně přiváděný proud vody. Odvodu tepla také napomáhá rotující anoda. Schéma konstrukce: 9

Příklady realizovaných konstrukcí : 10

Vlastnosti sprejovaných povlaků Složitost celého procesu lze demonstrovat na tomto schématu. Do proudu plazmatu se sype 10 6 10 8 zrn/s. Doba pobytu v proudu plazmatu je 0,1 až 1 ms. Částice jsou plně roztaveny a nastříknuty na substrát. 11

V posledních létech se prosazují prášky ve formě nanočástic aglomerovaných do shluků o velikosti 0,5 až 50 µm. Povlaky takto sprejované vykazují nižší pórovitost a jemnější strukturu. Časový průběh procesu znázorňuje toto schéma: 12

Vlastnosti povlaku lze do značné míry ovlivnit nejen parametry procesu, ale především volbou prostředí. Při plazmatickém nástřiku prováděným v neřízené atmosféře (APS) způsobuje obsah některých plynů ve vzduchu (zejména N 2, O 2 ), které reagují s letícími natavenými částicemi, výskyt oxidických nitridických nebo i jiných vměstků ve výsledné struktuře povlaku. Plazmový nástřik za sníženého tlaku (VPS nebo LPS ) se od APS liší především tím, že ve vakuu je proud plazmatu rozšířený a prodloužený ve srovnání s nástřikem v atmosféře. Širší a delší plazmový proud umožňuje prodloužení depoziční vzdálenosti (např. u slitin McrAlY, kde kovem může být Ni, Co nebo Fe je depoziční vzdálenost při APS nástřiku volena v rozmezí 75 100 mm, zatímco při VPS nástřiku může přesáhnout až 400 mm) a vede k rozšíření a větší rovnoměrnosti stopy po nástřiku (> 50 mm při depoziční vzdálenosti 300 mm ve srovnání se stopou APS nástřiku: < 10 mm při 75 mm depoziční vzdálenosti) Širší a rovnoměrnější stopa po nástřiku má za následek homogennější a kvalitnější povlak. 13

Kvalitní prášky mají kulovité částice s malým rozptylem rozměru: Příklad povlaku s nízkou pórovitostí a jemnou strukturou: 14

Aplikace plazmového nástřiku při výrobě povlaků tepelné bariéry. Na pískovaný povrch titanové slitiny je nanesena lepící vrstva (bond layer) Al/Ni a na ní je vlastní tepelná bariéra tvořená ZrO 2 stabilizovaným Y 2 O 3 (fázová změna oxidu zirkonu se tím posouvá nad pracovní teplotu povlaku). Teplotní spád na bariéře je 50 až 65 C. 15

Ne vždy je vyžadována nízká pórovitost. Příkladem je využití povlaků jako katalyzátorů, kdy se naopak vyžaduje velká aktivní plocha. Jiným příkladem je využití pórovitosti povlaků v palivových článcích: 16

Další příklad: část dříku kloubní náhrady se pokrývá silnější vrstvou TiO 2, pórovitou a plně biokompatibilní : 17

Významu nabývá také rf plazmový nástřik. Porovnání dc a rf metod je na tomto schématu : 18

Přednosti rf plazmového nástřiku : Tato technologie se používá pro nástřik povlaků a konstrukčních prvků kovovými, keramickými a kompozitními. Hlavní předností je velký objem plazmatu, relativně nízká rychlost částic a možnost axiálního vstřiku prášku. Umožňuje to použití velkých zrn prášku a jejich dokonalé protavení. Bezelektrodový systém dovoluje použití širokého spektra prostředí: atmosférický nástřik, vakuový nástřik, nástřik v inertní, redukčníči oxidační atmosféře. Výhodná je aplikace této technologie na nástřik ochranných povlaků, TBC (thermal barrier coatings) a zejména pro vlákny zpevněné kovové kompozity (fiber inforced metal matrix composites). 19

Parametry plazmatronu: Plyn: Ar, Ar+H 2, Ar+ vzduch Injekce prášku: axiální Tlak : 10 50 kpa Výkon : 30 50 kw Spotřeba prášku : 6 8 kg/hod Rf plazmatron může pracovat i v nadzvukovém režimu. 20