Fortschritte bei der Vorbereitung und Anwendung keramischer Beschichtungen

1, Eigenschaften und Klassifizierung von Keramikbeschichtungen

Keramikbeschichtung ist ein allgemeiner Begriff für eine Klasse anorganischer nichtmetallischer Beschichtungen, die nicht nur die Vorteile der Hochtemperaturbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit herkömmlicher Keramikmaterialien beibehält, sondern auch die strukturelle Festigkeit des Grundmaterials beibehält.

Keramikbeschichtung entsprechend der chemischen Zusammensetzung des Materials, Hauptoxidbeschichtung, Nichtoxidationsbeschichtung, Silikatbeschichtung, Verbundkeramikbeschichtung. Häufig verwendete Beschichtungsmaterialien für Oxidkeramiken sind Al2O3, TiO2, ZrO2, Cr2O3, SiO2, MgO, BeO, Y2O3 usw. Zu den Karbidkeramiken gehören hauptsächlich SiC, WC, BC, TiC usw. Zu den Nitridkeramiken gehören hauptsächlich Si3N4, TiN, BN, AlN usw. Boridkeramik, häufig verwendetes TiB, ZrB2 usw. Darüber hinaus stehen angesichts der immer strengeren Anforderungen an Keramikbeschichtungen in technischen Anwendungen auch einige neue Keramikbeschichtungen im Mittelpunkt der aktuellen Forschung, wie z. B. Keramikbeschichtungen mit seltenen Erden, Mehrphasenbeschichtungen, MAX-Phasenbeschichtungen usw.

Aus anwendungstechnischer Sicht wird es auch in Keramikbeschichtungen mit unterschiedlichen besonderen Eigenschaften unterteilt, wie z. B. Hochtemperatur-Isolierbeschichtung, Verschleiß- und Erosionsschutzbeschichtung, Wärmebehandlungsschutzbeschichtung, Hochtemperatur-Schmierbeschichtung, Atomenergiebeschichtung und so weiter.

2, Vorbereitungstechnologie der Keramikbeschichtung

Derzeit umfasst die häufig verwendete Technologie zur Vorbereitung von Keramikbeschichtungen hauptsächlich die Laserbeschichtungstechnologie, die Selbstausbreitungstechnologie, die thermische Spritztechnologie, das Sol-Gel-Verfahren, die Dampfabscheidung und andere Methoden.

2.1

Laserauftragstechnologie

Die Laserauftragschweißtechnologie nutzt den Laser als Wärmequelle, um das Beschichtungsmaterial und die Substratoberfläche gleichzeitig zu schmelzen und so eine neue Oberflächenbeschichtungstechnologie zu erzeugen (siehe Abbildung 1). Diese Technologie kann das Keramikmaterial schmelzen, um seine schwierigen Verarbeitungseigenschaften zu überwinden, die Lebensdauer der Matrix, die hohe Temperaturbeständigkeit, die Korrosionsbeständigkeit, die Druckbeständigkeit und eine Reihe von Leistungsindikatoren erheblich zu verbessern und eine hochwertige Keramikbeschichtung herzustellen, so viele Experten und Wissenschaftler engagieren sich für die Erforschung dieser Technologie.

2.2

Thermisches Spritzverfahren

Die thermische Spritztechnik ist eine der effektivsten Methoden zur Herstellung nanostrukturierter Keramiken. Gegenwärtig hat sich die Technologie des thermischen Spritzens im Zuge der Marktnachfrage und der wissenschaftlichen und technologischen Entwicklung in weitere Arten differenziert, darunter Lichtbogenspritzmaterialien, die Strom leiten müssen, und Plasmaspritzen kann die meisten Materialien mit einem hohen Automatisierungsgrad spritzen ist die beste Wahl zum Spritzen hochschmelzender Keramikmaterialien.

2.3

Sol-Gel-Methode

Bei der Sol-Gel-Methode handelt es sich um eine Methode zur Herstellung von Beschichtungen mit einer chemischen Lösung, die die Zusammensetzung, Formung und Mikrostruktur des Materials steuern kann. Diese Methode bietet die Vorteile einer einfachen Ausrüstung und einer kontrollierbaren Mikrostruktur des Materials. Durch die Zugabe von Keramikaggregat zum Sol und die Kombination mit hitzebeständigem Klebstoff zur Herstellung einer Keramikbeschichtung kann der Volumenanteil des Lösungsmittels verringert und die Rissbildungsneigung der Filmschicht nach dem Trocknen und Aushärten verringert werden. Die Härte, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen neuer Keramikbeschichtungen, die mit der Sol-Gel-Methode hergestellt wurden, wurden von Forschern größtenteils bestätigt.

2.4 Selbstausbreitende Technik

Die sich selbst ausbreitende Hochtemperatursynthese (SHS), auch Verbrennungssynthese genannt, ist eine Methode zur Herstellung von Materialien, die Mitte des 20. Jahrhunderts aufkam. Diese Methode nutzt das Prinzip der exothermen Wärme, um die Verbrennung durch die gemischten Reaktanten auf eine bestimmte Temperatur zu erhitzen, und breitet sich von der lokalen Verbrennung auf das gesamte System aus, um die erforderlichen Materialien zu synthetisieren. Im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren weist die Methode offensichtliche Vorteile auf: Erstens ist der Produktionsprozess einfach und die Ausrüstung einfach zu bedienen; Zweitens schnelle Reaktionszeit und kurzer Produktionszyklus; Drittens geringer Energieverbrauch; Viertens weniger Verunreinigungen und hohe Reinheit des Produkts.

2.5

Aufdampfen

Die Gasphasenabscheidung wird in physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und chemische Gasphasenabscheidung (CVD) unterteilt.

2.5.1 Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)

PVD ist eine Technologie, bei der das zu plattierende Material oder Ziel durch Erhitzen oder Beschuss mit hochenergetischen Strahlen in einer Vakuumkammer zu Gas verdampft und auf der Oberfläche des Werkstücks abgeschieden wird, um eine Beschichtung zu bilden.

2.5.2 Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)

CVD ist ein Prozess, bei dem mehrere Gase auf der Oberfläche eines erhitzten Teils chemisch reagieren, um die gewünschte Beschichtung zu erhalten. Wenn die Beschichtung durch CVD-Technologie hergestellt wird, besteht das größte Merkmal des Prozesses darin, dass er eine sehr hohe Oberflächenbeschichtungsrate aufweist, da der Fluss des Reaktionsgases dazu führen kann, dass das Beschichtungselement jeden Teil des komplexen Teils oder des Hohlraumteils erreicht. und kein Prozess kann es ersetzen.

3.Fortschritte bei der Anwendung keramischer Beschichtungen

3.1

Wärmedämmschutz (Keramikbeschichtung mit Wärmedämmung)

Die Grundanforderungen an eine Wärmedämmschicht sind eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine hohe Oxidationsbeständigkeit. Fest verbunden mit Metallmatrix; Geringe Wärmeleitfähigkeit, gute Isolierung; Der lineare Ausdehnungskoeffizient ist gut auf die Metallmatrix abgestimmt und die Anzahl der hitzebeständigen Zyklen ist hoch. Es wird hauptsächlich zur Beheizung von Teilen von Luft-, Marine- und Landgasturbinen sowie zivilen Verbrennungsmotoren, Druckturbinen und Sauerstoffspritzpistolen für die metallurgische Industrie verwendet.

3.2

Korrosionsschutzfunktion

Eine klassische Anwendung von Keramikbeschichtungen ist der Korrosionsschutz von Petrochemie-, Schiffs- und anderen Geräten. Die für den Korrosionsschutz von Rohrleitungen verwendete Beschichtung besteht hauptsächlich aus organischen Beschichtungen. Aufgrund von Alterungsverschlechterung sowie Problemen mit der Hitze- und Kältebeständigkeit ist die Lebensdauer der Rohrleitung jedoch begrenzt. Nanokeramikbeschichtungen weisen die Eigenschaften Alterungsschutz, Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit usw. auf so weiter, was die Lebensdauer der Pipeline erheblich verlängern kann. Darüber hinaus weist die Nanokeramikbeschichtung eine gute Anti-Kathoden-Strippfähigkeit auf und kann sich an die Arbeitsumgebung auf See anpassen.

3.3

Reibung reduzieren

Reibung und Verschleiß sind in der Natur weit verbreitete Probleme, und bei Transportgeräten fallen etwa 80 % der Teile aufgrund von Materialverschleiß aus. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technologie und dem rasanten Aufstieg der modernen Industrie werden die Anforderungen an mechanische Teile an ihre Oberflächenverschleißfestigkeit immer strenger [9]. Durch die Verwendung einer verschleißfesten Keramikbeschichtung, die auf die Oberfläche der Ausrüstung aufgesprüht wird, kann die Ausrüstung sowohl die Festigkeit und Zähigkeit des Metalls als auch die Bearbeitbarkeit und Verschleißfestigkeit, die Hochtemperaturbeständigkeit, die Korrosionsbeständigkeit, die Isolierung und andere Eigenschaften der Keramik verbessern große Bedeutung für die Verbesserung des sozialen und wirtschaftlichen Nutzens und die Verlängerung der Lebensdauer von Teilen. Beispielsweise kann ein mit einer verschleißfesten Keramikbeschichtung beschichteter Ventilator in einem Wärmekraftwerk seine Lebensdauer verbessern; Durch den Einsatz einer verschleißfesten, mit Keramik beschichteten Kolbenstange in der Öffnungs- und Schließmaschine großer Wasserschutzprojekte kann das Phänomen der Ölleckage und des langen Festsitzens von Öl in der herkömmlichen Kolbenstange wirksam überwunden werden.

3.4

Elektrische Isolierung

Keramische Beschichtungen verfügen im Allgemeinen über eine gute Isolation und sind in der Maschinen-, Industrie- und Automobilindustrie sowie für Anwendungen in der Elektronik- und Elektroindustrie sehr gefragt. In der Elektronikindustrie ist der Metall-Keramik-Verbundwerkstoff, der durch thermisches Spritzen einer isolierenden Keramikbeschichtung auf die Metallplatte entsteht, das ideale Substratmaterial in der Mikroelektronikindustrie. Die hohe Wärmeleitfähigkeit des Metalls leitet die durch den starken Strom erzeugte Wärme schnell ab und die Keramikschicht sorgt für hervorragende dielektrische Isolationseigenschaften.

3.5

Andere

Auch in vielen anderen Bereichen sind keramische Beschichtungen weit verbreitet. Im Bereich der Biomedizin beispielsweise verbessert die Beschichtung der Oberfläche medizinischer Metalllegierungen mit keramischen Beschichtungen, die mit dem menschlichen Körper biokompatibel sind, nicht nur die Lebensdauer medizinischer Materialien, sondern löst auch gut das Problem der Biokompatibilität medizinischer Materialien beim Menschen Körper, und die Leistung ist stabiler und fester, nachdem das Material in den Körper implantiert wurde.

4. Ausblick

Gegenwärtig gibt es viele Arten von Keramikbeschichtungen und deren Herstellungsverfahren, und sie spielen in verschiedenen Bereichen eine große Rolle, aber es gibt noch viele Probleme, die gelöst werden müssen. Aus Sicht der Keramikbeschichtung sind ihre mechanischen Eigenschaften und die Matrixbindungsfestigkeit der Schlüssel; Aus Sicht der Aufbereitungstechnologie ist die Methode der einfachen Bedienung, der niedrigen Kosten, der hohen Qualität, der niedrigen Kosten und der Umweltfreundlichkeit die Richtung der gegenwärtigen und zukünftigen Bemühungen. Zukünftig sollen bei der Entwicklung keramischer Beschichtungen zunächst die umfassenden Eigenschaften der Beschichtung und die Festigkeit des Substrats verbessert werden; Zweitens: Stärkung der Forschung zur Vorbereitung von Keramikbeschichtungen, Verbesserung der Mängel des bestehenden Vorbereitungsprozesses und Entwicklung eines besseren Vorbereitungsprozesses.

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