Перспективы и
тенденции развития
газотермического
напыления
Рынок ГТН
Мировой рынок ГТН
Рынок ГТН
Европа 2012
Основные потребители
Рынок ГТН
Европа 2011
Технологии
Эволюционные этапы
развития ГТН
Инновационные решения
Материалы для
напыления
Материалы для напыления
Современные тенденции развития материалов для напыления:
● использование наноструктурированных материалов для напыления и
разработка технологий их получения, транспортировки к распылителю
и нанесения;
● разработка и нанесение покрытий из аморфных материалов;
● разработка и нанесение покрытий из композитных материалов;
● использование материалов для напыления включающих комбинации
микро и нано структур;
● разработка новых методов получения материалов для напыления.
Тенденции развития
Наноструктурированные
материалы для напыления
На сегодняшний день разработаны четыре основных направления
нанесения покрытий из наноструктурированных материалов:
● использование исходного материала для напыления в виде агломератов
наноразмерных частиц, имеющих стандартный размер частиц для
газотермического напыления;
● использование исходного материала для напыления в виде суспензии
наноразмерных частиц;
● использование исходного материала для напыления в виде растворов
прекурсоров, формирующих наноразмерные частицы во время напыления;
● использование исходного материала для напыления в виде сплавов,
способных к аморфизации при нанесении и последующего расстекловывания
для получения наноразмерных структур.
Способы нанесения
Наноструктурированные
материалы для напыления
Агломерат
Применение:
● теплозащитные покрытия
● твердооксидные топливные элементы – катод
● уплотнительные покрытия ГТД на основе
керамики;
● износостойкие покрытия – Al2O3+TiO2
● медицина – гидроксиапатит, гидроксиапатит+TiO2
Агломераты
Теплозащитное покрытие
ZrO2-Y2O3 нанесенное
плазмой
Наноструктурированные
материалы для напыления
Применение:
● теплозащитные покрытия
● твердооксидные топливные элементы – анод,
катод, электролит
● уплотнительные покрытия ГТД на основе
керамики;
● износостойкие покрытия – Al2O3, TiO2, Cr2O3,
ZrO2, ZrO2-Al2O3, Al2O3-TiO2
● медицина - гидроксиапатит
Теплозащитное покрытие ZrO2-Y2O3
нанесенное плазмой
Возможность получения
ламельной и столбчатой
структуры покрытия
Суспензии
Наноструктурированные
материалы для напыления
Используемые прекурсоры:
● нитраты металлов
● ацетаты металлов
● стеараты металлов
Покрытие ZrO2-7Y2O3
полученное из прекурсора
на основе ацетата циркония
Применение:
● теплозащитные покрытия
● твердооксидные топливные элементы – анод;
● медицина – TiO2
● износостойкие
Растворы прекурсоров
Материалы для напыления
Разработка новых композиций на примере теплозащитных покрытий
ZrO2-8%Y2O3
Новые композиции
И. Мазилин
Т
е
х
н
о
л
о
г
и
я
Технологии напыления
Современные
тенденции развития технологий
напыления можно представить следующим образом:
газотермического
● погоня за температурой закончена, используя соответствующий метод напыления
можно нанести на подложку частицу любого материала в расплавленном состоянии.
Выбор температуры – приоритет напыляемого материала;
● скорость сообщаемая частицам газовым потоком остается существенным фактором
влияющим на адгезию и структуру покрытия;
● одной из основных задач остается возможность сохранения микроструктуры,
фазового состава исходного материала в результирующем покрытии;
● расширение возможностей газотермического напыления за счет появления
гибридных технологий, позволяющих получать ранее не достижимые свойства
покрытий;
● появление комбинированных технологий нанесения покрытий, совмещающих два
и более методов модификации поверхности.
Тенденции развития
Технологии напыления
Температура и скорость
Технологии напыления
Рабочий газ – He, N, воздух
Давление – 0,6-4,5 мПа
Подогрев газа 20-1000С
Скорость газа на срезе
сопла 2-3 Мах
Скорость частиц 300-1200 м/с
Метод газодинамического напыления
позволяет наносить чистые металлы (Ag,
Al, Cu, Fe, Mo, Ta, Ti, Zn и т.д.),
низколегированные стали, сплавы Ni-Cr,
сплавы на основе Ni, Zn, Al, Cu,
нержавеющую сталь, MCrAlY
Холодное напыление
Технологии напыления
Сверхзвуковое газо-воздушное напыление
новая
технология
разработанная
нашими
соотечественниками, использующая для нанесения
покрытий газовый поток полученный от сгорания
газообразного топлива и воздуха. Скорости частиц
достигают 600-700 м/c. Прочность сцепления
большинства покрытий со сталью превышает 70 МПа.
Так как материал наносится при
температурах ниже его точки плавления, то
сводится к минимуму или совсем исключается
окисление, фазовые превращения и образование
остаточных напряжений. Процесс СГН обладает
высокой
производительностью,
позволяет
напылять более 23 кг/час металлических и 30
кг/час порошков на основе WC
HVAF
Покрытие WC-10Co4Cr
Твердость 1250 HV300
Адгезия более 80 мПа
Технологии напыления
В 1974 году E. Muehlberger опубликовал
первые результаты использования плазменного
напыления
в
вакууме.
Была
доказана
возможность получение чистых покрытий без
оксидных включений. Это послужило базой для
создания
гаммы
методов
плазменного
напыления при различной степени разряжения
атмосферы, в которой проводилось напыление.
Стандартные технологии нанесения
покрытий в разряженной атмосфере работают
при давлении 3-20 кПа, позволяют наносить
покрытия толщиной от 20 мкм до 1 мм.
Дальнейшее понижение давления в
камере напыления до уровня 0,1 кПа увеличивает
длину потока плазмы почти до 2 метров, при
диаметре 200-400 мм.
Гибридные технологии
Технологии напыления
В развитии вакуумного
плазменного
напыления
разработаны
новые
технологии
нанесения
покрытий,
которые
занимают промежуточные позиции
между
газотермическим
напылением
и
вакуумными
методами получения тонких пленок
физическим
и
химическим
осаждением из газовой фазы.
В отличии от вакуумных
методов
осаждения
гибридные
методы обладают
существенно
увеличенной производительностью
и
возможностью
нанесения
покрытий
на
большие
(сравнительно) площади.
Гибридные технологии
Технологии напыления
Система PS-PVD работает при токе до
3000А, расходе газов до 200 л/мин, что позволяет
достичь выходной мощности 180 кВт. Применяются
металлические и керамические порошки. В
зависимости от параметров напыления частицы
наносятся на подложку в жидкой или газообразной
фазе. Возможно получение столбчатой или
ламельной структуры покрытия.
Плотное покрытие из сплава
цинка, толщина 10 мкм
ТЗП ZrO2-Y2O3 имеющее
столбчатую структуру
PS-PVD
Гибридные технологии
Технологии напыления
В процессе PS-CVD используется
пониженная мощность плазмотрона (менее 10
кВт), уменьшенные расходы газа. В качестве
материала для напыления используются жидкие
или газообразные прекурсоры.
Одно из основных перспективных
применений – нанесение тонких (0,3-12 мкм)
пленок оксида кремния со скоростью 35 нм/сек.
Также возможно нанесение тонких
пленок чистых металлов (Ag, Al, Cu), оксидов
металлов
PS-СVD
Гибридные технологии
Оборудование
Оборудование
Современные тенденции развития оборудования для
газотермического напыления основаны на:
● повышении производительности и коэффициента использования
материала;
● новых конструктивных решениях, способствующих повышению
стабильности процессов плазмообразования, горения,
транспортировки материалов для напыления;
● разработке оборудования для контроля процессов нанесения
покрытий, обеспечивающих быструю настройку и повторяемость
процессов нанесения покрытий;
● разработке мобильных комплексов напыления
Тенденции развития
Оборудование
Три
катода
Три
анода
Delta GTV
TriplexPro
Axial III
Три плазмотрона
в одном
А – анод
К – катод
Д – дуга
ИВ – изолирующие
вставки
БП – блок питания
Плазмотроны Конструктив
Оборудование
Существует четко выраженное направление использовать максимальную
JP8000 Praxair
скорость и относительно низкую температуру при напылении покрытий. Более высокая
скорость частиц требует повышенного давления в камере сгорания. Увеличение
давления приводит к увеличению температуры газового потока и лучшей
теплопередаче напыляемым частицам, что может частично компенсировать эффект от
меньшего времени обработки частиц, из-за их высокой скорости.
Еще одно возможное направление
улучшения ВСН – увеличение давления в
камере сгорания. Развитие систем с высоким
давлением требует, в свою очередь,
оптимизации геометрии сопла и ствола, иначе
экономические показатели работы установки
сведут на нет все ее преимущества.
Высокоскоростное напыление
Оборудование
Параметры
частиц
•
•
Параметры
напыления
Температура
поверхности
Скорость
Свойства покрытия
Контроль процесса напыления
Спасибо
Вопросы?