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