Materiały natryskiwane

Materiały do natryskiwania mają postać proszków, prętów lub drutów. Najczęściej stosowane są druty
i proszki. Technika natryskiwania określa zwykle (nie zawsze jednoznacznie) formę nanoszonego materiału. W natryskiwaniu łukowym materiał musi przewodzić elektrycznie i jest w postaci drutu.
Do natryskiwania płomieniowego używa się materiału we wszystkich trzech formach. W natryskiwaniu plazmowym zwykle materiał jest sproszkowany. W HVOF, natryskiwaniu detonacyjnym i cold spray'u używa się wyłącznie proszków.

Druty
Natryskiwanie materiałów z prętów i drutów ma zalety w stosunku do natryskiwania proszków. Uzyskuje się całkowicie stopione cząstki o jednolitej wielkości. Ponieważ druty wykorzystywane są głównie do natryskiwania łukowego, gdzie materiał natryskiwany spełnia rolę elektrod, druty muszą przewodzić prąd. Jednocześnie druty powinny być elastyczne i stosunkowo wytrzymałe (przerwanie drutu podczas pracy powoduje opóźnienia). Z tych powodów druty wykonywane są z metali lub stopów. Stosuje się też druty o rdzeniu ceramicznym, które umożliwiają nanoszenie warstw kompozytowych. Zwykle stosunek objętości płaszcza do rdzenia wynosi 1:1.

Proszki
W praktyce używa się często proszków. Najczęściej natryskiwane rodzaje proszków to:

• Metale i stopy (np. Ti, NiCr)
• Tlenki (Al2O3)
• Cermety (np. grafit pokryty powierzchniowo Ni)
• Węgliki (Cr2C3)
• Inne (np. stop Al i Si aglomerowany z poliimidem)

Metody produkcji zależą głównie od właściwości materiału i wymagań co do czystości produktu, kształtu
i wielkości ziaren proszku.

Atomizacja
Za pomocą tej metody otrzymuje się proszki metali i stopów. W metodzie stopiony metal lub stop metali jest podgrzewany w piecu, zwykle indukcyjnym. Płynny materiał wlewa się do ogrzanej rurki
o kalibrowanej średnicy. Płynny strumień materiału wlewany jest do dyszy. Wewnątrz dyszy medium atomizujące (gaz lub woda) zostaje podane pod wysokim ciśnieniem. Metal zestala się podczas swobodnego opadania i trafia do zbiornika proszku. Czystość tak uzyskanego proszku zależy od: atmosfery w piecu (próżnia daje największą czystość, powietrze odwrotnie), rodzaju medium atomizującego (gaz daje większą czystość niż woda), rodzaju chłodziwa (użycie gazu szlachetnego daje proszki najczystsze, woda przeciwnie).

Kształt cząstek proszku zależy od medium chłodzącego. Jeśli wykorzystuje się wodę, może on być nieregularny. Jeśli medium atomizującym jest gaz, można osiągnąć sferyczne ziarna proszku.
Medium chłodzące wpływa na prędkość chłodzenia co może zmieniać skład fazowy proszków.
Szacuje się, że woda chłodzi ciekłe materiały z prędkością 1e1 do 1e4 K/s, podczas gdy gaz
z prędkością 1e-1 do 1e2 K/s. Szybkie chłodzenie w wodzie może prowadzić do występowania faz metastabilnych w proszku.

Topienie i spiekanie
Proszki z tlenków, węglików i cermetów mogą być wytwarzane za pomocą topienia lub spiekania.
Tak wytworzone proszki mają ziarna nieregularne i "kanciaste" co obniża ich zdolność unoszenia się w gazie. Można tego uniknąć poddając proszek dodatkowo działaniu plazmy lub palnika acetylenowego. Topienie zachodzi w temperaturze większej niż punkt topnienia materiału, spiekanie w mniejszej.

Aglomeracja
Jest to najbardziej uniwersalna technika produkcji proszków. Za jej pomocą można łączyć różne materiały, można wykonywać proszki tlenków, węglików, metali, cermetów.

W procesie tym wykorzystywana jest zawiesina zawierająca rozdrobniony materiał, lepiszcze organiczne
i wodę. Pompa wprowadza zawiesinę do atomizera odśrodkowego lub dyszowego. Rozpylona zawiesina jest suszona w strumieniu gorącego gazu (zwykle w powietrzu). Woda zawarta w kroplach paruje w czasie przelotu przez komorę. Gaz jest czyszczony w cyklonie i używany ponownie do suszenia. Proszek zbierany jest w odpowiednim zbiorniku.

Przygotowywanie zawiesiny rozpoczyna się poprzez zmieszanie drobnego proszku z wodą. Lepiszcze jest najistotniejszym składnikiem zawiesiny. Może być to materiał rozpuszczony lub rozdrobniony w wodzie, musi on mieć dobrą adhezję do aglomerowanych materiałów. Najpopularniejsze lepiszcza organiczne wykorzystywane w aglomeracji to polialkohol winylowy, metyloceluloza, glikol etylenowy itd. Typowa zawartość lepiszcza to 2-5% wagowych. Do zawiesiny dodaje się też dodatki antyzbrylające, deflokuljące (odkłaczkowujące), zwilżające i inne.

Najistotniejszym parametrem zawiesiny jest zawartość stałego materiału. Czym większa zawartość materiału w zawiesinie tym mniej wody do odparowania i tym większy uzysk proszku. Zawartość stałego materiału waha się pomiędzy 50-80% (dane dla cermetu WC-Co).

Technika atomizacji określa wielkość ziaren uzyskiwanego proszku. Ziarna proszku mają otwory, co może być spowodowane obecnością powietrza w zawiesinie lub innymi czynnikami. Proszek jest też porowaty, co raczej nie jest zaletą. Możliwe jest zagęszczenie proszku plazmą lub poprzez wygrzewanie w piecu.

Cladding (pokrywanie powierzchniowe)
Proszki typu cladded (pokryte powierzchniowo) mają rdzeń z jednego materiału pokryty porowatą lub gęstą warstwą drugiego materiału. Rozwiązanie stosuje się głównie w następujących przypadkach:

• Materiał rdzenia musi być chroniony przed wpływem płomieni podczas natryskiwania (np. ochrona przed utlenianiem)
• Adhezja natryskiwanego materiału musi być wyraźnie zwiększona (wykonano proszek o rdzeniu Al pokryty Ni, komponenty reagują w temperaturze 923K egzotermicznie z energią formacji 117-284kJ/mol )
• Zwilżalność i zdolność unoszenia się proszków ceramicznych musi być podniesiona (pokrywanie metalami rdzeni metalicznych)

Gęste pokrycia powierzchni proszków wykonuje się technikami hydrometalurgicznymi lub (rzadko) elektrolitycznymi. Pokrycia porowate wykonuje się stosując zawiesinę materiału pokrywającego i lepiszcza. Proszek rdzenia miesza się z zawiesiną i suszy. Czasem uzyskany tak materiał spieka się i kruszy, aż do uzyskania pożądanego rozkładu wielkości ziaren proszku.

Inne metody

Omówione metody są stosowane komercyjnie. Istnieją też metody stosowane przez grupy badawcze. Wśród nich wyróżnia się trzy grupy: techniki fazy stałej, ciekłej i gazowej. Wśród technik fazy stałej wymienić można mechanofuzję i kalcynowanie. Techniki fazy ciekłej to np. metoda zol-żel. Za pomocą techniki fazy gazowej uzyskuje się proszki o dużej czystości i o niewielkich rozmiarach ziaren (5-50nm).