Avances en la preparación y aplicación de recubrimientos cerámicos

1, Propiedades y clasificación de los revestimientos cerámicos.

El recubrimiento cerámico es un término general para una clase de recubrimiento inorgánico no metálico, que no solo mantiene las ventajas de resistencia a altas temperaturas, resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión de los materiales cerámicos tradicionales, sino que también mantiene la resistencia estructural del material base.

Revestimiento cerámico según la composición química del material, revestimiento de óxido principal, revestimiento antioxidación, revestimiento de silicato, revestimiento cerámico compuesto. Los materiales de revestimiento de cerámica de óxido comúnmente utilizados son Al2O3, TiO2, ZrO2, Cr2O3, SiO2, MgO, BeO, Y2O3, etc. Las cerámicas de carburo incluyen principalmente SiC, WC, BC, TiC, etc. Las cerámicas de nitruro incluyen principalmente Si3N4, TiN, BN, AlN. , etc. Cerámicas de boruro, TiB, ZrB2, de uso común, etc. Además, con los requisitos cada vez más estrictos para los recubrimientos cerámicos en aplicaciones de ingeniería, algunos recubrimientos cerámicos nuevos también son el foco de la investigación actual, como los recubrimientos cerámicos de tierras raras, los recubrimientos multifásicos, los recubrimientos de fase MAX, etc.

Desde el punto de vista de la aplicación, también se divide en recubrimientos cerámicos con diferentes propiedades especiales, como recubrimiento aislante de alta temperatura, recubrimiento resistente al desgaste y a la erosión, recubrimiento protector de tratamiento térmico, recubrimiento de lubricación de alta temperatura, recubrimiento de energía atómica, etc.

2, tecnología de preparación del revestimiento cerámico.

En la actualidad, la tecnología de preparación de revestimiento cerámico comúnmente utilizada incluye principalmente tecnología de revestimiento láser, tecnología de autoesparcimiento, tecnología de pulverización térmica, método sol-gel, deposición de vapor y otros métodos.

2.1

Tecnología de revestimiento láser

La tecnología de revestimiento por láser utiliza el láser como fuente de calor para fundir el material de revestimiento y la superficie del sustrato al mismo tiempo para producir una nueva tecnología de revestimiento de superficies (consulte la Figura 1). Esta tecnología puede fundir el material cerámico para superar sus difíciles características de procesamiento, mejorar en gran medida la vida útil de la matriz, la resistencia a altas temperaturas, la resistencia a la corrosión, la resistencia a la presión y una serie de indicadores de rendimiento, puede preparar un revestimiento cerámico de alta calidad, según muchos expertos. y los académicos están comprometidos con la investigación de esta tecnología.

2.2

Proceso de pulverización térmica

La tecnología de pulverización térmica es uno de los métodos eficaces para preparar cerámicas nanoestructuradas. En la actualidad, la tecnología de pulverización térmica se ha diferenciado en más tipos en el proceso de demanda del mercado y desarrollo científico y tecnológico, entre los cuales, los materiales de pulverización por arco necesitan conducir electricidad y la pulverización por plasma puede pulverizar la mayoría de los materiales, con un alto grado de automatización. , es la mejor opción para pulverizar materiales cerámicos de alto punto de fusión.

2.3

método sol-gel

El método sol-gel es un método de preparación de recubrimientos con una solución química, que puede controlar la composición, la formación y la microestructura del material. Este método tiene las ventajas de un equipo simple y una microestructura controlable del material. Agregar agregado cerámico al sol y combinarlo con adhesivo resistente al calor para preparar el recubrimiento cerámico puede reducir la fracción de volumen del solvente y reducir la tendencia al agrietamiento de la capa de película después del secado y curado. Los investigadores han confirmado en su mayoría la dureza, la resistencia al desgaste, la resistencia a la corrosión y la resistencia a la oxidación a alta temperatura de los nuevos revestimientos cerámicos preparados mediante el método sol-gel.

2.4 Técnica de autopropagación

La síntesis autopropagante a alta temperatura (SHS), también conocida como síntesis por combustión, es un método de preparación de materiales que apareció a mediados del siglo XX. Este método utiliza el principio del calor exotérmico para calentar la combustión a una determinada temperatura a través de los reactivos mezclados y se propaga desde la combustión local a todo el sistema para sintetizar los materiales necesarios. Comparado con el proceso tradicional, el método tiene ventajas obvias: primero, el proceso de producción es simple y el equipo es fácil de usar; En segundo lugar, tiempo de reacción rápido y ciclo de producción corto; En tercer lugar, bajo consumo de energía; Cuarto, menos impurezas y alta pureza del producto.

2.5

Deposición de vapor

La deposición de vapor se divide en deposición física de vapor (PVD) y deposición química de vapor (CVD).

2.5.1 Deposición física de vapor (PVD)

PVD es una tecnología en la que el material o el objetivo a recubrir se evapora hasta convertirlo en gas mediante calentamiento o bombardeo con haz de alta energía en una cámara de vacío y se deposita sobre la superficie de la pieza de trabajo para formar un recubrimiento.

2.5.2 Deposición química de vapor (CVD)

CVD es un proceso que utiliza múltiples gases para reaccionar químicamente en la superficie de una pieza calentada para obtener el recubrimiento deseado. Cuando el recubrimiento se prepara mediante tecnología CVD, debido a que el flujo del gas de reacción puede hacer que el elemento de recubrimiento llegue a cualquier parte de la parte compleja o de la cavidad, la característica más importante del proceso es que tiene una tasa de recubrimiento superficial muy alta. y ningún proceso puede reemplazarlo.

3.Avances en la aplicación de revestimientos cerámicos

3.1

Protección de barrera térmica (Revestimiento cerámico de barrera térmica)

Los requisitos básicos del revestimiento de barrera térmica son la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a la oxidación a altas temperaturas. Combinado firmemente con matriz metálica; Baja conductividad térmica, buen aislamiento; El coeficiente de expansión lineal coincide bien con la matriz metálica y el número de ciclos resistentes al calor es alto. Se utiliza principalmente en las piezas de calefacción de turbinas de gas de aviación, navales y terrestres, así como en motores de combustión interna civiles, turbinas de presión y pistolas pulverizadoras de oxígeno para la industria metalúrgica.

3.2

Función anticorrosión

Una aplicación clásica del revestimiento cerámico es la protección contra la corrosión de equipos petroquímicos, marinos y de otro tipo. El recubrimiento utilizado para la protección contra la corrosión de las tuberías es principalmente un recubrimiento orgánico, pero debido al deterioro por envejecimiento, problemas de resistencia al calor y al frío, la vida útil de la tubería es limitada, el recubrimiento nano cerámico tiene las características de antienvejecimiento, resistencia a la temperatura, resistencia a la corrosión y etc., lo que puede extender en gran medida la vida útil de la tubería. Además, el revestimiento nanocerámico tiene una buena capacidad de extracción anticatodo y puede adaptarse al entorno de trabajo marino.

3.3

Reducir la fricción

La fricción y el desgaste son problemas comunes en la naturaleza y, en el caso de los equipos de transporte, alrededor del 80% de las piezas fallan debido al desgaste del material. Con el continuo desarrollo de la ciencia y la tecnología y el rápido ascenso de la industria moderna, los requisitos de las piezas mecánicas en cuanto a su resistencia al desgaste superficial son cada vez más estrictos [9]. El uso de un revestimiento cerámico resistente al desgaste rociado sobre la superficie del equipo puede hacer que el equipo tenga la resistencia y dureza del metal, la maquinabilidad y la resistencia al desgaste, la resistencia a altas temperaturas, la resistencia a la corrosión, el aislamiento y otras propiedades de la cerámica, que es de gran importancia para mejorar los beneficios sociales y económicos y extender la vida útil de las piezas. Por ejemplo, en una central térmica, el ventilador recubierto con un revestimiento cerámico resistente al desgaste puede mejorar su vida útil; El uso de vástago de pistón recubierto de cerámica resistente al desgaste en la máquina de apertura y cierre de grandes proyectos de conservación de agua puede superar eficazmente el fenómeno de fuga de aceite y atascado en el vástago de pistón tradicional durante mucho tiempo.

3.4

Aislamiento electrico

Los recubrimientos cerámicos generalmente tienen un buen aislamiento y tienen una gran demanda en las industrias mecánica, industrial y automotriz, además de aplicaciones en las industrias electrónica y eléctrica. En la industria electrónica, el compuesto de metal-cerámica formado mediante pulverización térmica de un revestimiento cerámico aislante sobre la placa de metal es el material de sustrato ideal en la industria de la microelectrónica. La alta conductividad térmica del metal disipará rápidamente el calor generado por la fuerte corriente y la capa cerámica proporciona excelentes propiedades de aislamiento dieléctrico.

3.5

Otro

En muchos otros campos también se utilizan ampliamente los revestimientos cerámicos. Por ejemplo, en el campo de la biomedicina, recubrir la superficie de aleaciones metálicas médicas con recubrimientos cerámicos que sean biocompatibles con el cuerpo humano no solo mejora la vida útil de los materiales médicos, sino que también resuelve bien el problema de la biocompatibilidad de los materiales médicos en el ser humano. Cuerpo, y el rendimiento es más estable y firme después de que el material se implanta en el cuerpo.

4.Perspectivas

En la actualidad existen muchos tipos de recubrimientos cerámicos y sus procesos de preparación, y juegan un papel muy importante en diversos campos, pero aún quedan muchos problemas por resolver. Desde la perspectiva del revestimiento cerámico, sus propiedades mecánicas y su resistencia a la unión de la matriz son la clave; Desde la perspectiva de la tecnología de preparación, el método de operación simple, bajo costo, alta calidad, bajo costo y respetuoso con el medio ambiente es la dirección de los esfuerzos actuales y futuros. En el futuro, para el desarrollo de recubrimientos cerámicos, en primer lugar, se deben mejorar las propiedades integrales del recubrimiento y la resistencia del sustrato; En segundo lugar, fortalecer la investigación sobre la preparación de revestimientos cerámicos, mejorar las deficiencias del proceso de preparación existente y desarrollar un mejor proceso de preparación.

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