Плазменный спрей прекурсора раствора - Solution precursor plasma spray

Плазменный спрей прекурсора раствора (SPPS) - это термальный спрей процесс, при котором исходный раствор нагревается, а затем наносится на подложку. Основные свойства процесса принципиально аналогичны другим плазменное напыление процессы. Однако вместо впрыскивания порошка в плазменный шлейф используется жидкий прекурсор. Преимущества использования процесса SPPS включают способность создавать уникальные нанометр размер микроструктуры без проблем с инжекционной подачей, обычно связанных с порошковыми системами, и гибким, быстрым поиском новых композиций предшественников.[1][2]

Фон

Об использовании предшественника раствора впервые сообщили в качестве технологии нанесения покрытия Karthikeyan и др.[3][4][5] В этой работе Картикеян показал, что использование прекурсора раствора на самом деле возможно, однако невозможно создать хорошо приклеивающиеся покрытия. В 2001 году было сообщено о дальнейшей работе, которая позволила усовершенствовать процесс производства термобарьерные покрытия,[6] YAG фильмы[7] и силиконовые керамические покрытия.[8] С тех пор обширные исследования этой технологии в значительной степени проводились Университет Коннектикута и Inframat Corporation.

Процесс

Раствор прекурсора получают путем растворения солей (обычно циркония и иттрия, когда они используются для создания термобарьерных покрытий) в растворителе. После растворения раствор затем вводится через систему подачи под давлением. Как и в случае с другими процессами термического напыления, исходный материал плавится и затем наносится на подложку. Обычно в процессе SPPS материал вводится в плазма шлейф или Кислородное топливо с высокой скоростью (HVOF) пламя горения. После того, как раствор введен, капли претерпевают несколько химических и физических изменений.[9] и может достигать подложки в нескольких различных состояниях, от полностью расплавленного до непиролизованного. Состояние осаждения можно регулировать с помощью параметров распыления и использовать для значительного управления свойствами покрытия, такими как плотность и прочность.[2][10]

Термобарьерные покрытия

Наиболее актуальные исследования SPPS относятся к применению для создания термобарьерных покрытий (TBC). Эти сложные керамика /металлический системы материалов используются для защиты компонентов в горячих частях газотурбинных и дизельных двигателей.[11] Процесс SPPS особенно хорошо подходит для создания этих TBC. Исследования сообщают о создании покрытий, демонстрирующих превосходную прочность и механические свойства.[12][13][14] Превосходная долговечность достигается за счет создания вертикальных трещин контролируемой толщины. Эти трещины лишь незначительно увеличивают проводимость покрытия, но позволяют напряжение облегчение стресс генерируется CTE несоответствие покрытия и подложки при циклическом нагреве. Образование этих сквозных трещин систематически исследовалось и было обнаружено, что оно вызвано отложением контролируемой части непиролизованного материала в покрытии.[15] Превосходные механические свойства, такие как прочность сцепления и ударная вязкость в плоскости, являются результатом микроструктуры нанометрового размера, создаваемой процессом SPPS.

Другие исследования показали, что инженерные покрытия могут снизить теплопроводность до некоторых из самых низких заявленных значений для TBC.[16][17] Эти низкие значения теплопроводности были достигнуты за счет создания чередующейся микроструктуры с высокой пористостью и низкой пористостью или синтеза композиции предшественника с низкой проводимостью с редкоземельный присадки.

Расходы

Процесс SPPS адаптирован к существующим системам термического напыления. Стоимость приложения значительно меньше, чем EB-PVD покрытий и немного выше, чем покрытия Air Plasma Spray.[18]

Рекомендации

  1. ^ Эрик Х. Джордан, Л. Се, К. Ма М. Гелл, Н. Пэдтюр, Б. Сетеген, Дж. Рот, Т. Д. Сяо и П. Э. С. Брайант, «Превосходные термобарьерные покрытия с использованием плазменного распыления на основе раствора-прекурсора», Журнал термального распыления, 13 (1), 2004, с. 57-65
  2. ^ а б Л. Се, X. Ма, Э. Х. Джордан, Н. П. Падтюр, Т. Д. Сяо и М. Гелл, "Нанесение термобарьерных покрытий с использованием процесса плазменного распыления раствора-прекурсора", Журнал материаловедения, 39, 2004 с. 1639–1636.
  3. ^ Картикеян Дж., Берндт К. С., Тикканен Дж., Ван Дж. Й., Кинг А. Х., Герман Х. "Приготовление нанофазных материалов путем термической обработки жидких прекурсоров распылением", Наноструктурированные материалы, 9 (1), 1997, с. 137–140.
  4. ^ Картикеян Дж., Берндт С. К., Тикканен Дж., Ван Дж. Й., Кинг А. Х., Герман Х., "Порошки и отложения наноматериалов, полученные обработкой жидких прекурсоров пламенным распылением", 8 (1), 1997, стр. 61–74.
  5. ^ Джеганатан Картикеян, Кристофер С. Берндт, Шри Редди, Дженн-Юэ Ван, Александр Х. Кинг и Герберт Херман, «Отложения наноматериалов, образовавшиеся в результате плазменного распыления жидкого сырья при постоянном токе», Журнал Американского керамического общества, 81, 1998, с. 121–128.
  6. ^ NP Padture, KW Schlichting, T. Bhatia, A. Ozturk, B. Cetegen, EH Jordan, M. Gell, S. Jiang, TD Xiao, PR Strutt, E. Garcia, P.Miranzo и MI Osendi, "На пути к прочному термальному оборудованию. Барьерные покрытия с новой микроструктурой, нанесенные плазменным распылением раствора-прекурсора », Acta Materialia, 49, 2001, с. 2251–2257.
  7. ^ Суджата Д. Парукуттьямма, Джошуа Марголис, Хайминг Лю, Клэр П. Грей, Санджай Сампат, Герберт Херман и Джон Б. Париз, «Пленки иттриевого алюминиевого граната (YAG) с помощью метода плазменного напыления прекурсора», Журнал Американского керамического общества, 84 (8), 2001, с. 1906–908.
  8. ^ Э. Буйе, Дж. Шиллер, М. Мюллер и Р. Х. Хейн, «Термическое плазменное химическое осаждение из паровой фазы керамических покрытий на основе кремния из жидких прекурсоров», Плазмахимия и обработка плазмы, 21 (4), 2001, с. 523–546.
  9. ^ Озтюрк А. и Цетеген Б. М., "Моделирование аксиально и поперечно инжектированных капель прекурсора в плазменную среду", Международный журнал тепломассообмена, 48 (21-22), 2005, с. 4367–4383.
  10. ^ Л. Се, X. Ма, Э. Джордан, Н. П. Падтур, Т. Д. Сяо и М. Гелл, "Идентификация механизмов нанесения покрытия в процессе плазменного распыления раствора-прекурсора с использованием модельных экспериментов с распылителем", Материаловедение и инженерия А, 362, 2003, с. 204–212.
  11. ^ Падтре, Нитин П., Гелл, Морис, Джордан, Эрик Х., "Термобарьерные покрытия для газотурбинных двигателей", Наука, 296, 2002, с. 280–285.
  12. ^ Л. Се, X. Ма, Э. Джордан, Н. П. Падтюр, Т. Д. Сяо и М. Гелл, "Высокопрочные термобарьерные покрытия, полученные с помощью процесса плазменного распыления прекурсора раствора", Технология поверхностей и покрытий, 177-178, 2004, с. 97–102.
  13. ^ Амол Джадхав, Нитин Падтуре, Фанг Ву, Эрик Джордан, Морис Гелл, «Толстые керамические термобарьерные покрытия с высокой прочностью, нанесенные с использованием плазменного распыления раствора-прекурсора», Материаловедение и инженерия А, 405, 2005, с. 313–320.
  14. ^ Лянде Се, Эрик Х. Джордан и Морис Гелл, "Фазовая и микроструктурная стабильность термобарьерных покрытий, напыленных плазменным напылением предшественников", Материаловедение и инженерия А, 381, 2004, с. 189–195.
  15. ^ Лянде Се, Дайаньинг Чен, Эрик Х. Джордан, Альпер Озтюрк, Фанг Ву, Синьцин Ма, Баки М. Сетеген и Морис Белл, «Образование вертикальных трещин в растворах - прекурсорах - термобарьерных покрытиях, напыленных плазмой», Покрытия поверхностей и технологии, 201, 2006, с. 1058–1064.
  16. ^ Синьцин Ма, Фанг Ву, Джефф Рот, Морис Гелл, Эрик Джордан, "Термобарьерное покрытие с низкой теплопроводностью, нанесенное методом плазменного напыления раствора", Технология поверхностей и покрытий, 201, 2006, с. 3343–3349.
  17. ^ X. Q. Ma, T. D. Xiao, J. Roth, L. D. Xie, E. H. Jordan, N. P. Padture, M. Gell, X. Q. Chen, J. R. Price, "Толстые термобарьерные покрытия с контролируемыми микроструктурами с использованием процесса плазменного распыления раствора прекурсора", Thermal Spray 2004: достижения в технологии и применении, ASM International, 10–12 мая 2004 г. (Осака, Япония), ASM International, 2004 г.
  18. ^ Морис Гелл, Фанг Ву, Эрик Х. Джордан, Нитин П. Падчер, Баки М. Сетеген, Ляндэ Зи, Альпер Озтюрк, Эрик Цао, Амол Джадхав, Дайаньинг Чен и Синьцинь Ма, Процесс плазменного распыления на основе прекурсора раствора для обеспечения высокой прочности Термобарьерные покрытия, Труды GT2005, ASME Turbo Expo 2005.