Natrysk plazmowy (plasma spraying) Radosław Strzałka Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej 31 maja 2010 Referat przygotowany w ramach zajęć Nauka o materiałach

Metody nanoszenia warstw i powłok

Metody nanoszenia cienkich warstw CSD (Chemical Solution Deposition) - chemiczne osadzanie z fazy ciekłej CVD (Chemical Vapor Deposition) - chemiczne osadzanie z fazy gazowej PVD – odparowanie (evaporation) PVD – rozpylanie (sputtering) PVD – bombardowanie jonami (ion plating) fizyczne osadzanie z fazy gazowej PVD – laserowe (pulsed laser deposition) IBD (Ion Beam Deposition)- Osadzanie mieszane

Natrysk plazmowy jest procesem termicznego pokrywania powierzchni materiałów wykorzystującym plazmę niskotemperaturową materiał pokrywany (substrat) pozostaje zimny w trakcie procesu (nie jest nadtapiany) nanoszony materiał (prekursor, depozyt) występuje w postaci stopionych kuleczek (o temperaturze 7-20,30 tys. K powyżej temp. topnienia) medium prowadzącym materiał na powierzchnię jest wiązka zjonizowanej plazmy

Natrysk plazmowy zasada działania

Natrysk plazmowy zasada działania Miedziana anoda Wolframowa katoda Napięcie ~ kilka kV

Natrysk plazmowy charakterystyka Materiał deponowany: proszek, a także ciecz, zawiesina, drut. Granulki o rozmiarach rzędu kilku – 100 mikrometrów Proszek jest błyskawicznie podgrzewany i przyśpieszany do prędkości 200-400 m/s. Droga rozpylania wynosi ok. 25 – 150 mm

Natrysk plazmowy gaz jonizacyjny Argon Hel Azot Wodór

Natrysk plazmowy gaz jonizacyjny Argon:  najpowszechniej stosowany gaz, zazwyczaj wykorzystujący dodatkowo inne gazy (hel, azot, wodór) w celu zwiększenia energii plazmy. Jest go najłatwiej zjonizować i nie jest niebezpieczny dla katody i anody. Plazmy w większości są wytwarzane przy użyciu czystego argonu. Jako gaz inertny nie jest szkodliwy dla materiału substratu. Hel: używany głównie w parze z argonem, szczególnie w plazmach wysokiej prędkości. Pomaga kontrolować energię plazmy. Jest gazem nieoddziałującym z substratami. Azot: jest najtańszym gazem, nie oddziałuje z większością materiałów (poza tytanem) Wodór: służy najczęściej do regulacji napięcia i energii plazmy, ma wpływ na transport ciepła w strumieniu plazmy. Używany jest także jako antyoxydant

Natrysk plazmowy w próżni (VPS) Średnia próżnia (~0.01mbar) Środowisko w temp. 40-120°C w celu uniknięcia uszkodzeń termicznych Napięcie anodowe dane stałe lub zmienne (do częstotliwości mikro-falowych i energii 500W przy 50Hz) VPS służy do różnego typu modyfikacji powierzchni: tworzenia warstw porowatych, do oczyszczania zabrudzonych powierzchni itd. Próżniowy natrysk poprawia właściwości materiału: współczynnik tarcia, przewodność cieplną i elektryczną na powierzchni, może przekształcić materiał w hydrofobowy lub hydrofilowy.

Natrysk plazmowy modyfikacje Tworzenie strumienia plazmy: - prąd stały - pole elektryczne zmienne o częstotliwościach radiowych Medium tworzące plazmę: - gaz (argon, hel, azot, wodór) - woda (parowanie, dysocjacja, jonizacja) lub inna ciecz - hybryda wodno-argonowa (zazwyczaj) Środowisko rozpylania: - powietrze - kontrolowana atmosfera gazowa (CAPS) - wysoko- i niskociśnieniowa plazma (HPPS i LPPSVPS) - środowisko wodne

Natrysk plazmowy cechy nowej warstwy Struktura lamelowa (spłaszczone krople cieczy nanoszonej). Między lamelami występują małe pory, pęknięcia i obszary niedokładnie pokryte (porowatość maksymalnie na poziomie 2-5%). Właściwości nieraz zupełnie odmienne od materiału substratu (cechy mechaniczne, termiczne, elektryczne). Często występują także fazy metastabilne.

Zastosowania Wytwarzanie warstw na powierzchni materiałów strukturalnych: bariery termiczne powłoki antykorozyjne, antyerozyjne, odporne na zużycie zmiana własności elektrycznych powierzchni różnego typu modyfikacja powierzchni napylanie powłoki WC-Co odpornej na zużycie ścierno-korozyjne bariery termiczne na bazie cyrkonu w komorach turbin (odrzutowców, statków kosmicznych) tlenki ceramiczne (Al, Cr) odporne na zużycie stopy molibdenowe na powierzchni tłoków silnikowych

Zastosowania

Urządzenia do natrysku Schemat infrastruktury związanej z techniką natrysku plazmowego

Natrysk plazmowy zalety i wady możliwość nanoszenia warstw z materiałów o bardzo wysokiej temperaturze topnienia (wolfram, tlenek cyrkonu itp.) powłoki z natrysku plazmowego są bardzo zwarte, mocne i czyste bardzo szerokie zastosowanie materiałów do pokryć i substratów wysoka cena urządzeń do natrysku plazmowego i duża złożoność procesu. University of Toronto

Literatura J.B. Watchman, R.A. Haber, „Ceramic Films and Coatings” Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, 1993 D.A. Gardeman, N.L. Hecht, „Arc Plasma Technology in Materials Science”, Springer-Verlag, Wiedeń, 1972 http://www.gordonengland.co.uk/ps.htm http://www.twi.co.uk/content/surf23.html http://www.tekna.com/technology/plasma-spray-coating/ Wikipedia