Los revestimientos cerámicos de alúmina, apreciados por su alta dureza, alta{0}}resistencia a las altas temperaturas, resistencia a la corrosión y aislamiento eléctrico, se han convertido en materiales de protección de superficies indispensables en condiciones extremas en campos como el aeroespacial, el petroquímico y el electrónico mecánico. Especialmente con el desarrollo de equipos-de alta gama para cargas, velocidades y temperaturas más altas, los requisitos integrales de rendimiento para los recubrimientos de alúmina son cada vez más estrictos. Sin embargo, un desafío central ha afectado durante mucho tiempo la preparación y aplicación de recubrimientos de alúmina: su fragilidad inherente, su sensibilidad a la concentración de tensiones y su coeficiente de expansión térmica no coinciden con los sustratos metálicos. Junto con las características de rápida fusión y solidificación de los procesos de pulverización térmica, estos factores conducen fácilmente a tensiones de tracción residuales dentro del revestimiento, haciéndolo muy propenso a agrietarse y, en consecuencia, a degradar su rendimiento protector. Lo que es más crítico, bajo choque térmico o carga mecánica, las microfisuras pueden propagarse y conectarse, provocando en última instancia la rotura y falla del recubrimiento.
Por lo tanto, suprimir la iniciación de grietas y lograr el endurecimiento de los recubrimientos de alúmina no es sólo un tema central en la investigación de la tecnología de pulverización térmica, sino también un requisito previo clave para permitir su aplicación en entornos aún más exigentes. Este artículo presenta métodos para evitar grietas y lograr endurecimiento en recubrimientos de alúmina desde cuatro dimensiones: propiedades del polvo pulverizado, diseño de la composición del recubrimiento, optimización del proceso de pulverización y control de la estructura del recubrimiento.
I. Propiedades del polvo en aerosol: la fuente del control de defectos
Como "materia prima" para el recubrimiento, las propiedades fisicoquímicas del polvo pulverizado determinan fundamentalmente la microestructura del recubrimiento y la tendencia a la formación de defectos. Por lo tanto, la supresión de grietas debe comenzar con la selección y optimización del polvo.
01 Control y optimización del tamaño de partículas
Generalmente, las partículas de alúmina más pequeñas pueden llenar mejor los poros del recubrimiento durante la pulverización, reduciendo la porosidad y favoreciendo recubrimientos más densos con una resistencia al desgaste y propiedades mecánicas relativamente altas. Por lo tanto, es preferible una alúmina de tamaño nano- más fina con respecto a las dimensiones de las partículas. Sin embargo, las partículas excesivamente finas presentan dos problemas principales: primero, la inercia de los nanopolvos es muy baja; al impactar el sustrato, carecen de suficiente energía cinética para adherirse eficazmente, lo que da como resultado una eficiencia de deposición muy baja. En segundo lugar, los nanopolvos tienen una gran superficie específica y una alta energía superficial, lo que los hace propensos a la aglomeración. Esto conduce a una fluidez deficiente, una entrega difícil y una pulverización desigual, lo que puede provocar una dureza o resistencia al desgaste insuficientes localizadas, o crear áreas de concentración de tensiones que afectan el rendimiento general del recubrimiento.
Por lo tanto, cuando se utilizan nanopolvos para pulverización, se puede emplear un proceso de "granulación secundaria". Esto implica el uso de un aglutinante para formar partículas más grandes con una distribución de tamaño y forma específicas, mejorando la fluidez, facilitando el transporte y la deposición del polvo durante la pulverización y mejorando la eficiencia de la deposición.
02 Selección de morfología
Los polvos de alúmina esféricos con formas regulares y buena fluidez pueden esparcirse uniformemente durante la pulverización, formando estructuras de recubrimiento densas con superficies lisas, baja porosidad y excelente rendimiento protector. Por el contrario, los polvos de alúmina irregulares tienden a compactarse de manera más suelta, lo que potencialmente genera una mayor porosidad y afecta la densidad y la integridad del recubrimiento. Además, debido a la dispersión desigual, los polvos irregulares pueden crear puntos de concentración de tensión dentro del recubrimiento, lo que provoca el desprendimiento de partículas durante el uso y reduce la resistencia al desgaste. Por lo tanto, para aplicaciones prácticas, se debe dar prioridad a los polvos esféricos o casi{3}}esféricos con buena fluidez y alta densidad aparente.
03 Influencia de la composición de fases
La alúmina tiene hasta 12 polimorfos, y los más comunes incluyen -Al2O3, -Al2O3, -Al2O3 y θ-Al2O3. Entre estos, -Al2O3, que pertenece al sistema cristalino trigonal, es la estructura más estable entre los diversos polimorfos. Las otras son fases de transición de la alúmina, que son formas cristalinas de baja-temperatura. Generalmente, los recubrimientos compuestos principalmente por la fase -Al2O3 exhiben buena resistencia y resistencia al desgaste.
II. Coating Design: Achieving a 1+1>2 efecto endurecedor
La fragilidad inherente de un solo recubrimiento de alúmina es su debilidad intrínseca. Al introducir una segunda fase en la matriz de alúmina, agregar elementos modificadores de trazas u optimizar la estructura del recubrimiento, el estado de tensión y el comportamiento de fractura del recubrimiento se pueden alterar significativamente, logrando un efecto de endurecimiento donde "1+1 > 2".
01 Diseño de composición de revestimiento
Además de introducir la fase -Al2O3, se pueden agregar otros componentes distintos de la alúmina según los requisitos de aplicación específicos para preparar recubrimientos compuestos. Por ejemplo, ejemplos recientes notables de recubrimientos compuestos de alúmina incluyen los sistemas Al2O3-TiO2 y Al2O3-ZrO2.
Además, las adiciones de trazas de elementos de tierras raras (como La2O3, CeO2) a menudo pueden lograr efectos significativos con cantidades mínimas. Funcionan principalmente mejorando la microestructura del recubrimiento, lo que puede aumentar la densidad del recubrimiento y mejorar la unión interfacial. En última instancia, esto conduce a mejoras notables en las propiedades mecánicas del recubrimiento como resistencia, tenacidad y dureza, así como en su desempeño práctico en términos de resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y resistencia al choque térmico.
02 Diseño de estructura de revestimiento
La discrepancia en el coeficiente de expansión térmica entre los materiales cerámicos y los sustratos metálicos es la razón principal del agrietamiento del revestimiento durante el servicio. El diseño de recubrimientos compuestos multi-capas compuestos por varias capas con diferentes propiedades, o recubrimientos funcionalmente graduados donde la composición, estructura, densidad y función del material cambian continuamente desde el sustrato hasta la superficie del recubrimiento, puede aliviar el estrés térmico causado por las diferencias en las propiedades termofísicas entre materiales, reduciendo así el riesgo de agrietamiento.
III. Optimización del proceso de pulverización: el control del proceso es clave
El polvo sufre una serie de cambios físicos complejos en el chorro de llama, que incluyen calentamiento, aceleración, fusión, impacto, aplanamiento y solidificación. Pequeñas fluctuaciones en los parámetros del proceso pueden provocar variaciones significativas en la calidad del recubrimiento.
01 Pretratamiento del sustrato
Antes de pulverizar, se puede crear una micro/nano{0}}estructura regular, limpia y altamente adhesiva en la superficie del sustrato. Controlar con precisión la rugosidad y el perfil, y garantizar que la superficie del sustrato esté libre de aceite, óxidos y otras impurezas, mejora la resistencia y la consistencia de la unión, lo que reduce el riesgo de agrietamiento.
02 Optimización de parámetros de proceso
Los parámetros del proceso de pulverización determinan directamente la temperatura y la velocidad de las partículas de polvo en el chorro de llama, influyendo posteriormente en la morfología de las partículas aplanadas y los defectos del recubrimiento. Las investigaciones indican que los recubrimientos más densos se logran cuando los polvos se derriten completamente sin sobrecalentarse; Los estados semi-fundidos o sobrecalentados tienden a aumentar la porosidad y el número de defectos. En particular, el sobrecalentamiento puede provocar la formación de grietas longitudinales, una de las principales causas de la degradación del rendimiento del recubrimiento. Por lo tanto, los parámetros del proceso como la potencia de pulverización, el caudal de gas primario, la velocidad de alimentación del polvo, la distancia de pulverización y la velocidad de pulverización necesitan un ajuste experimental continuo para igualar el polvo de pulverización y lograr el estado ideal "completamente derretido pero no sobrecalentado". Además, se puede emplear el monitoreo en línea de-la temperatura y velocidad de las partículas en vuelo para un control preciso del proceso.
03 Aplicación de nuevas técnicas de pulverización
Más allá de la tradicional pulverización por plasma atmosférico (APS), las tecnologías de pulverización emergentes ofrecen más opciones para preparar recubrimientos endurecidos. Por ejemplo, la pulverización por detonación utiliza la energía explosiva de los gases combustibles para producir recubrimientos muy densos con baja porosidad, fuerte adhesión al sustrato y superficies lisas, adecuados para pulverizar cermets, óxidos y aleaciones metálicas especiales. En comparación con el APS convencional, la pulverización de plasma atmosférico supersónico (SAPS) o la pulverización de plasma de baja-presión (LPPS) pueden producir recubrimientos más densos con mayor fuerza de unión y menor formación de grietas.
04 Técnicas posteriores al tratamiento-
La refundición por láser es un método eficaz para mitigar los defectos del recubrimiento. El uso de un rayo láser de alta-energía para fundir y resolidificar rápidamente el recubrimiento-pulverizado puede homogeneizar y densificar la estructura del recubrimiento, eliminar la morfología en capas y mejorar la fuerza de unión y la resistencia a las grietas. Sin embargo, debido a las diferencias en las propiedades termofísicas de los materiales y al gran gradiente de temperatura en el baño fundido durante la refundición por láser, optimizar parámetros como la potencia del láser y la velocidad de escaneo es crucial para evitar generar nuevas tensiones térmicas y grietas. Además, los tratamientos de sellado pueden rellenar poros y microfisuras dentro del revestimiento, mejorando su densidad e impermeabilidad y reduciendo la posibilidad de propagación de grietas.