Proces natryskiwania cieplnego

Def.: Przez natryskiwanie termiczne rozumiemy proces osadzania cząstek w którym stopione, pół stopione 
i nie stopione cząstki materiału zostają osadzone na podłożu i mikrostruktura powłoki wynika z zestalania i spiekania
( sintering ) cząstek.
                                                                                                                                (Wolne tłumaczenie (Bunshah 1982).)

Natryskiwanie cieplne jest metodą nanoszenia warstw znaną już od wielu dziesiątek lat.
(Natryskiwanie plazmowe opatentowano w roku 1960 i 1962.) Natryskiwanie stosuje się najczęściej
w celu wykonania:

• Anodowych powłoki antykorozyjnych (z cynku lub aluminium)
• Regeneracji zużytych części maszyn (możliwa regeneracja materiałem o lepszych właściwościach
  niż materiał pierwotny)
• Warstw o dużej odporności na ścieranie, wysoką temperaturę, korozję chemiczną i kombinację tych czynników
• Powłok dekoracyjnych
• Wielowarstw z materiałów o różnych właściwościach. Pozwala to na np. dopasowanie współczynników rozszerzalności cieplnej.
• Warstw o określonych parametrach termicznych (tzw. TBC Thermal Barier Coatings , powłoki izolujące termicznie)
• Innych powłok: biokompatybilnych (hydroxyapatyt), warstw o gradientowej zmianie właściwości
  (składu, wielkości ziaren porowatości), warstw antypoślizgowych itd.

Jedną z zalet natryskiwania cieplnego jest różnorodność nanoszonych materiałów. Mogą to być metale, stopy, ceramika, kompozyty, węgliki i inne, mniej typowe dla natryskiwania materiały, np. polimery
czy szkło. Kolejne zalety natryskiwania to:

• Nanoszone warstwy mogą być stosunkowo grube
• Wiązanie warstwa-podłoże jest mechaniczne, możliwe jest natryskiwanie materiałów na podłoża metalurgicznie niekompatybilne, np. pokrycie materiałem o temperaturze topnienia wyższej niż temperatura topnienia substratu
• Pokrycia mogą być natryskiwane z żadną lub niewielką obróbką cieplną po i przed procesem.
  Zapobiega to ich odkształcaniu się.
• Części mogą być regenerowane (odbudowywane) szybko i tanio, z reguły po części kosztów wymiany
• Poprzez użycie przy regeneracji materiałów natryskiwanych innych niż pierwotnie, żywotność części
  może zostać zwiększona. Części regenerowane mogą pracować dłużej niż nowe.
• Powłoki natryskiwane mogą być wytwarzane zarówno automatycznie jak i ręcznie

Niektóre z technik natryskiwania są relatywnie proste i tanie (natryskiwanie płomieniowe i łukowe),
inne zaś są technikami wyrafinowanymi (np. HVOF High Velocity Oxygen Fuel , natryskiwanie detonacyjne, Cold Spray ). Natryskiwanie najczęściej stosuje się do nanoszenia powłok antykorozyjnych i regeneracji narzędzi. Zalety warstw sprawiają, że metoda natryskiwania cieplnego jest chętnie stosowana
w przemyśle lotniczym, samochodowym, w energetyce, przy wytwarzaniu rur i butli gazowych, również
w przemyśle tekstylnym, chemicznym, mechanicznym, gazowym, stalowym, wojskowym i innym.

Zasada natryskiwania jest prosta. Proces natryskiwania można opisać w następujący sposób: materiały natryskiwane w postaci proszków, prętów, drutów poddane działaniu wysokiej temperatury topią się całkowicie, częściowo lub nie zostają przetopione. Zostają przyspieszone przez gaz, uderzają w podłoże zatrzymują się na nim i tworzą warstwę
Wiązanie pomiędzy podłożem i warstwą ma charakter głównie mechaniczny (nie metalurgiczny). Adhezja warstwy, obok parametrów procesu zależy w dużej mierze od stanu podłoża, które musi zostać odpowiednio przygotowane.

Proces natryskiwania poprzedza przygotowanie powierzchni. Powierzchnia musi mieć odpowiednio wysoką chropowatość i musi być czysta. Zwykle uzyskuje się to stosując czyszczenie strumieniowo ścierne tuż przed natryskiwaniem. Znacznie rzadziej stosuje się obróbkę skrawaniem lub trawienie. Krótki czas pomiędzy czyszczeniem i natryskiwaniem jest ważny, unika się w ten sposób utleniania podłoża.

Możliwe jest maskowanie powierzchni i nanoszenie warstwy tylko na dokładnie określony obszar.
Do maskowania używa się specjalnych substancji chemicznych (np. produktu firmy Metallisation
o nazwie SPRAYSHIELD), które nie pozwalają natryskiwanym cząstkom na przyleganie do podłoża.
Po natryskiwaniu zmywa się je rozpuszczalnikiem. Maskować można też elementami wykonanymi
z blachy czy włókna szklanego.

Jeśli wymiary geometryczne detalu grają rolę (np. przy regeneracji narzędzi) po naniesieniu warstwy
na przygotowane podłoże nadmiar natryśniętego materiału usuwa się mechanicznie.

Mimo tego, że proces natryskiwania znany jest od dawna (np. natryskiwanie plazmowe opatentowano ponad 40 lat temu), jego mechanizmy nie zostały do końca odkryte. Produkcja nadal bazuje
na optymalizowaniu parametrów na zasadzie wykonywania kolejnych eksperymentów.
Głównym powodem takiego stanu rzeczy jest niedostateczna znajomość złożonych procesów chemicznych i fizycznych zachodzących w czasie natryskiwania.

Przygotowanie podłoża

Podłoże, na które natryskujemy warstwę musi zostać przygotowane. Musi być odpowiednio czyste, pozbawione zanieczyszczeń organicznych, tlenków itd., musi również mieć odpowiednią chropowatość. W praktyce wszystkie
te wymagania zostają spełnione, jeśli oczyścimy powierzchnię strumieniowo-ściernie. W celu przygotowania powierzchni do natryskiwania cieplnego wykorzystuje się zwykle oczyszczanie strumieniowo-ścierne elektrokorundem, węglikiem krzemu lub śrutem metalowym. Zwykle przyjmuje się, że średnica ziaren ścierniwa ma mieć: 2000-600µm, jeśli przygotowujemy podłoże do nanoszenia warstw grubszych niż 250µm, uzyskuje się w ten sposób najlepszą adhezję; 1400-425µm, jeśli przygotowujemy podłoże do nanoszenia warstw cieńszych niż 250µm, uzyskuje się w ten sposób dobrą adhezję i stosunkowo gładką powierzchnię naniesionej warstwy; 600-180µm, jeśli przygotowujemy podłoże do nanoszenia warstw cieńszych niż 250µm, jeśli nie planujemy wykańczania mechanicznego naniesionej warstwy. Najczęściej wykorzystuje się ścierniwo elektrokorundśwe.

Czasem, jeśli detale nie są dość odporne mechanicznie (ulegają odkształceniu pod wpływem generowanych podczas piaskowania naprężeń) i nie są duże, podłoża można trawić. Jest to jednak bardzo kłopotliwe i stosowane tylko
w specjalnych sytuacjach, rozwiązanie. Do trawienia wykorzystuje się zwykle kwasy.