плазменное напыление оксида алюминия

Когда говорят про плазменное напыление оксида алюминия, многие сразу представляют себе этакий универсальный ?белый щит? для всего. Но на практике — это часто история про компромиссы. Да, Al2O3 даёт хорошую твёрдость, неплохую износостойкость, особенно против абразива. Но если взять чистый оксид, без легирования, то с адгезией к стальной основе могут быть нюансы, да и микротрещин в слое не избежать, если режимы не отстроены. Часто вижу, как заказчики просят ?просто напылить оксид алюминия?, а потом удивляются, почему покрытие на краях отслаивается или не держит ударные нагрузки. Тут дело не в самом процессе, а в том, что под конкретную задачу нужно подбирать и материал, и подготовку, и параметры плазмы. Вот об этих подводных камнях и хочется порассуждать, исходя из того, что приходилось видеть и делать самому.

От порошка до слоя: что часто упускают из виду

Начнём с основы — с порошка. Казалось бы, всё просто: берём оксид алюминия, засыпаем в питатель и напыляем. Но здесь первый подводный камень — фракционный состав. Если взять слишком широкий разброс по гранулометрии, например, от 10 до 60 микрон, то мелкие фракции могут перегреться в плазменной струе и испариться, а крупные — не успеть полностью расплавиться. В итоге получаем неоднородный слой с включениями непроплавленных частиц и пористостью. Идеально — это узкая фракция, скажем, 20-45 микрон. Но и это не гарантия. Порошок должен быть сухим, это банально, но сколько раз сталкивался, что после вскрытия упаковки его не досушивали перед загрузкой. Влага даёт газовые поры и резко снижает плотность покрытия.

Второй момент — подготовка поверхности. Пескоструйка алюминиевой дробью или электрокорундом — стандарт. Но для ответственных деталей, особенно работающих на циклические нагрузки, одной шероховатости Rz 40-60 мкм мало. Важен профиль поверхности, острые вершины микронеровностей дают лучшую механическую зацепку. Иногда имеет смысл делать неглубокие канавки или сетку на износостойких поверхностях, чтобы создать дополнительный якорный эффект. Без этого даже хорошо напылённый слой Al2O3 может со временем отслоиться ?блином?.

И третий, самый тонкий аспект — температура подложки. Если деталь массивная, её нужно предварительно прогревать. Холодная основа — это резкий перепад температур при ударе расплавленных частиц, что ведёт к высоким остаточным напряжениям в покрытии. Они и являются причиной тех самых микротрещин. Но и перегревать нельзя — может начаться окисление основы или её деформация. Опытным путём для многих сталей находим диапазон 80-120°C. Контролируем термопарами, а не ?на глазок?.

Параметры плазмы: поиск ?золотой середины?

Здесь уже начинается чистое искусство оператора. Сила тока, напряжение, расход плазмообразующего газа (обычно аргон с добавкой водорода или гелия), расход газа-носителя для порошка. Меняешь один параметр — летят все остальные. Например, хочешь повысить производительность, увеличиваешь ток. Но при этом растёт тепловая нагрузка на порошок, и мелкие фракции могут просто сгореть. Увеличиваешь расход водорода для повышения энтальпии плазмы — хорошо, нагрев частиц эффективнее. Но водород — восстановитель, и в случае с оксидом алюминия это может привести к частичному восстановлению оксида до субоксидов или даже металлического алюминия в составе покрытия, что меняет его свойства.

Расстояние от сопла горелки до детали — тоже критично. Слишком маленькое — перегрев покрытия и основы, риск отслоений. Слишком большое — частицы остывают в полёте, ложатся не расплавленными, а лишь размягчёнными, связь между ними слабая. Для Al2O3 обычно работаем в диапазоне 80-120 мм, но это сильно зависит от конкретной установки. У нас на производстве стоит оборудование от ООО Чжэнчжоу Лицзя Термического Напыления Оборудования, их установки плазменного напыления как раз позволяют достаточно тонко регулировать эти параметры. Заметил, что у их аппаратов довольно стабильный факел, что важно для воспроизводимости результата. Информацию по их техникам можно найти на https://www.lijiacoating.ru — они как раз профессионально занимаются и исследованиями, и производством такого оборудования.

Скорость напыления. Желание сделать погонный метр быстрее понятно. Но если двигаться слишком быстро, толщина одного прохода мала, и следующий слой ложится на уже остывший предыдущий. Адгезия между слоями получается хуже, чем к основе. Если медленно — перегрев. Поэтому часто идём по пути нескольких проходов с контролем температуры детали между ними. Трудоёмко, но надёжно.

Когда Al2O3 недостаточно: легирование и композиты

Чистый оксид алюминия — материал хрупкий. Для ударных нагрузок или термоциклирования он плохо подходит. Поэтому в практике часто переходим на композиты. Самый распространённый вариант — Al2O3 с 3% или 13% TiO2 (титаната). Добавка TiO2 резко улучшает связность частиц, повышает toughness покрытия, его устойчивость к удару и отслаиванию. Но при этом немного снижается твёрдость и максимальная рабочая температура. Это классический компромисс.

Была задача сделать износостойкое покрытие для уплотнительных поверхностей арматуры, работающей в паре с абразивной средой. Чистый оксид отпал сразу — риск сколов от ударов частиц. Взяли Al2O3-13%TiO2. Но и тут возникла проблема: при стандартных параметрах напыления титанат в составе порошка частично восстанавливался, и покрытие получалось не чисто-белым, а с серыми прожилками. Это меняло его электроизоляционные свойства, что для данной детали было некритично, но для других могло стать проблемой. Пришлось снижать долю водорода в плазмообразующей смеси и увеличивать расстояние напыления, чтобы уменьшить восстановительный потенциал плазмы. Получилось, но производительность упала.

Ещё есть варианты с добавкой Cr2O3 или ZrO2, стабилизированной иттрием, для особых случаев. Но это уже совсем другие истории, с другими температурными расширениями и требованиями к подготовке основы. Главный вывод: плазменное напыление оксида алюминия редко бывает ?чистым?, чаще это работа с модифицированными материалами под конкретную инженерную задачу.

Контроль качества: не доверяй глазам, доверяй приборам

Визуально хорошее покрытие может быть плохим. Гладкое, ровное, белое — но под ним слабая адгезия. Поэтому контроль обязателен. Первое — контроль адгезии на отрыв. По ГОСТ или ISO, клеим стаканчик, дергаем. Меньше 30 МПа для Al2O3 — это уже брак для большинства применений. Но этот метод разрушающий. Для неразрушающего контроля часто используем ультразвуковой контроль (толщинометрия и выявление расслоений) и контроль твёрдости. Твёрдость по Виккерсу для чистого оксида алюминия после напыления обычно в районе 800-1000 HV0.3. Если сильно ниже — значит, много аморфной фазы или пор.

Микроструктура — король доказательств. Шлифуем поперечный срез, травим, смотрим под микроскопом. Ищем поры, непроплавленные частицы, микротрещины, отслоения на границе с основой. Хорошее покрытие должно иметь однородную ламеллярную структуру, частицы сплющены и хорошо спечены между собой. Видел образцы, где из-за влажного порошка поры выстраивались в цепочки параллельно поверхности — такое покрытие отслоится при первой же нагрузке.

Часто заказчик требует определённую толщину. Но здесь тоже есть ловушка. Напылять толстый слой (больше 0.5 мм) чистого Al2O3 — рисковать. Напряжения накапливаются, и покрытие может потрескаться само по себе, без нагрузки. Для больших толщин нужны либо композиты, либо градиентные переходы от металлического подслоя (например, никель-алюминиевого) к керамике. Это уже технология другого порядка сложности.

Из практики: один неудачный опыт и чему он научил

Был заказ на покрытие больших валов из нержавеющей стали для насосов, перекачивающих суспензию с мелкими абразивными частицами. Запросили чистый Al2O3 толщиной 0.4 мм. Сделали всё, казалось бы, по инструкции: подготовили поверхность, прогрели, напылили с тщательным контролем температуры. На отрывных испытаниях контрольных образцов адгезия была на уровне 35 МПа — нормально. Сдали заказ.

Через месяц звонок: покрытие на нескольких валах потрескалось и частично осыпалось. Стали разбираться. Оказалось, вал работает не просто на абразивный износ, а в режиме знакопеременных термических нагрузок — его периодически промывали горячей водой, а потом он остывал. Коэффициент термического расширения у нержавейки и у оксида алюминия сильно различается. При резких перепадах температур возникали огромные напряжения на границе раздела, которые и привели к разрушению. Чистый Al2O3 без пластичного подслоя не смог их компенсировать.

Решение для следующих партий было таким: нанесли подслой из никель-алюминиевого сплава методом плазменного напыления (около 0.1 мм), который создаёт при нагреве диффузионную связь с основой и имеет промежуточный КТР. А уже на него — слой Al2O3-13%TiO2 меньшей толщины. Проблема исчезла. Этот случай хорошо показал, что нельзя рассматривать само покрытие в отрыве от условий работы всей детали. Технология от ООО Чжэнчжоу Лицзя как раз подразумевает такой комплексный подход — они не просто продают оборудование, но и занимаются исследованиями процессов, что видно по материалам на их сайте. Это важно для решения нестандартных задач.

В общем, плазменное напыление оксида алюминия — это не волшебная палочка, а точный инструмент. Им можно сделать как отличное, долговечное покрытие, так и создать массу проблем, если не учитывать все факторы: от свойств порошка и подготовки поверхности до тонкостей режимов напыления и реальных условий эксплуатации. Главное — не бояться экспериментировать с параметрами на образцах и всегда смотреть в микроструктуру. Она никогда не врёт.