La preparazione di un rivestimento ceramico su un substrato metallico può combinare organicamente le caratteristiche dei materiali ceramici con quelle dei materiali metallici, per ottenere strutture e prodotti in materiali compositi, diventando così un importante ramo del settore high-tech dei materiali e dei prodotti compositi contemporanei. Grazie alla flessibilità del processo e all'ampia gamma di materiali spruzzabili, la tecnologia di spruzzatura termica è stata ampiamente utilizzata in un numero sempre maggiore di settori, come quello aerospaziale, petrolchimico, elettronico ed elettrico, automobilistico, medico, navale, minerario, ecc.
La tecnologia di spruzzatura termica è un metodo che utilizza una fonte di calore per riscaldare il materiale da spruzzare fino a portarlo allo stato fuso o semifuso, quindi spruzzarlo e depositarlo a una determinata velocità sul substrato pretrattato, formando un rivestimento con lo scopo di conferire alla superficie del substrato funzioni speciali.
Applicazioni dei rivestimenti ceramici ottenuti mediante spruzzatura termica
La ceramica è un composto cristallino o amorfo costituito da elementi metallici ed elementi non metallici. Insieme ai materiali metallici e ai materiali polimerici ad alto peso molecolare, costituisce uno dei tre pilastri dei materiali solidi per l'ingegneria. I materiali moderni hanno classificato i cermet e gli altri materiali inorganici non metallici nella categoria delle ceramiche, facendone una grande famiglia di materiali con numerose varietà e funzioni. In generale, qualsiasi materiale che può essere fuso o reso plastico dopo il riscaldamento può essere utilizzato come materiale di rivestimento per la spruzzatura termica. Oltre ai materiali metallici, anche le ceramiche possono essere utilizzate per rivestimenti anticorrosione ottenuti mediante spruzzatura termica. I materiali ceramici comunemente utilizzati per la spruzzatura termica sono principalmente materiali ceramici ossidici come Al2O3, Cr2O3 e ZrO2. Le ceramiche non ossidiche, come i carburi, vengono solitamente preparate come materiali compositi ceramico-metallici a base metallica, utilizzando leghe metalliche come leganti. Poiché i nitruri sono molto fragili e presentano una scarsa resistenza all'ossidazione, vengono utilizzati raramente.
I rivestimenti ceramici ottenuti mediante spruzzatura possono essere suddivisi in diverse categorie in base ai loro ambiti di applicazione: rivestimenti ceramici resistenti all'usura, rivestimenti ceramici resistenti alla corrosione, rivestimenti ceramici a barriera termica, rivestimenti bioceramici e rivestimenti ceramici piezoelettrici.
1. Rivestimenti resistenti all'usura
Le statistiche mostrano che le perdite causate da usura e corrosione rappresentano circa il 3%-5% del PIL dei Paesi sviluppati, mentre nei Paesi in via di sviluppo raggiungono il 10%, causando il deterioramento delle prestazioni dei componenti e il loro eventuale cedimento durante la lavorazione e la produzione. La tecnologia di spruzzatura termica è sempre stata utilizzata come metodo principale per un'efficace riduzione dell'usura e per la protezione dalla corrosione. Le perdite di energia e di materiale causate da attrito e usura derivano tutte dalla superficie del materiale. Pertanto, le varie tecnologie di ingegneria delle superfici sono diventate un metodo importante per migliorare la riduzione dell'attrito e la resistenza all'usura dei materiali dei componenti. La tecnologia di spruzzatura termica è una delle tecnologie di ingegneria delle superfici più utilizzate. Attualmente, i rivestimenti preparati mediante la tecnologia di spruzzatura termica sono ampiamente utilizzati nelle apparecchiature meccaniche. La resistenza all'usura dei rivestimenti ottenuti mediante spruzzatura termica dipende principalmente dalla composizione del rivestimento, dalla composizione delle fasi, dalla granulometria e dal contenuto, ed è inoltre correlata a fattori quali la forza di adesione, la durezza, la porosità e la granulometria del rivestimento. I rivestimenti con elevata forza di adesione, alta durezza e bassa porosità presentano una migliore resistenza all'erosione e all'usura. Attualmente, tra i rivestimenti resistenti all'usura comunemente utilizzati figurano: strato di Al2O3, rivestimento di Cr2O3 e rivestimento di WC-Co.
Solo selezionando materiali di rivestimento appropriati e i corrispondenti processi di spruzzatura termica è possibile preparare rivestimenti antifrizione e antiusura adatti alle condizioni di lavoro. Con il rapido sviluppo dell'industria e della tecnologia, le condizioni operative delle apparecchiature meccaniche diventano sempre più impegnative, rendendo necessario sviluppare rivestimenti antifrizione e antiusura dalle prestazioni migliori. Da un lato, partendo dai componenti del materiale di rivestimento, è possibile progettare un nuovo sistema di materiali con elevata resistenza, durezza o funzione autolubrificante, ad esempio aggiungendo una fase lubrificante con effetto autolubrificante (come grafite, disolfuro di molibdeno, materiali polimerici, ecc.) a un rivestimento ceramico duro o a un rivestimento metallo-ceramico, per migliorare le prestazioni di riduzione dell'attrito del rivestimento. Attualmente, la maggior parte degli studi propone soltanto l'aggiunta di una fase lubrificante per migliorare la riduzione dell'attrito e la resistenza all'usura del rivestimento, senza esaminare in modo approfondito il rapporto ottimale tra le materie prime e altre condizioni. D'altra parte, i parametri di processo sono uno dei fattori importanti che influenzano la qualità dei rivestimenti ottenuti mediante spruzzatura termica. Ottimizzando il processo di spruzzatura termica, è possibile studiare i parametri di processo ottimali per rivestimenti di sistemi diversi, gettando le basi per le successive attività di ricerca.
2. Rivestimenti ceramici resistenti alla corrosione
L'acciaio utilizzato in ambienti difficili (come gli ambienti marini con nebbia salina, ecc.) è soggetto a corrosione e usura, con conseguente perdita di precisione dei componenti. Il processo tradizionale di trattamento superficiale consiste principalmente nella cromatura dura elettrolitica, ovvero nella deposizione di cromato esavalente sul catodo per formare un rivestimento resistente all'usura e alla corrosione, caratterizzato da un processo semplice e da costi contenuti. Tuttavia, il processo di cromatura elettrolitica causa un grave inquinamento ambientale ed è soggetto a restrizioni in molti settori industriali. Inoltre, durante il processo di cromatura elettrolitica si verifica l'infragilimento da idrogeno del substrato, che riduce significativamente le proprietà meccaniche del substrato. Pertanto, è urgente trovare un processo alternativo efficace. I rivestimenti ottenuti mediante spruzzatura termica hanno iniziato a essere utilizzati nel campo della protezione dalla corrosione grazie alla loro elevata efficienza, al ridotto impatto ambientale e alla buona stabilità chimica. I materiali per rivestimenti anticorrosione sono principalmente suddivisi in materiali a base di alluminio, zinco e loro leghe, materiali in leghe a base di nichel, materiali in acciaio inossidabile e materiali ceramici compositi.
3. Rivestimenti ceramici a barriera termica
I rivestimenti a barriera termica (TBC) vengono spesso utilizzati sulla superficie delle pale delle turbine dei motori aeronautici per separare i componenti ad alta temperatura del motore a reazione dai gas ad alta temperatura, migliorando le condizioni operative dei componenti ad alta temperatura. Da un lato, possono aumentare la durata delle pale della turbina e, dall'altro, consentire di risparmiare carburante. Affinché il rivestimento ceramico a barriera termica e il substrato metallico presentino buone prestazioni di isolamento termico, il rivestimento ceramico a barriera termica deve possedere le seguenti proprietà:
① Bassa conducibilità termica;
② Coefficiente di espansione termica compatibile con quello del substrato metallico;
③ Buona stabilità di fase alle alte temperature. I materiali ceramici a base di ZrO2 a bassa conducibilità termica vengono generalmente scelti come materiali dello strato funzionale dei rivestimenti a barriera termica. Le principali tecnologie di preparazione dei rivestimenti ceramici a barriera termica includono la spruzzatura al plasma, la deposizione fisica da fase vapore mediante fascio elettronico, il rivestimento laser, la spruzzatura a fiamma ad alta velocità e la spruzzatura per detonazione. I due metodi di preparazione più utilizzati sono la spruzzatura al plasma (PS) e la deposizione fisica da fase vapore mediante fascio elettronico (EB-PVD). Le caratteristiche strutturali dei rivestimenti spruzzati al plasma sono la presenza di numerosi pori e microfessure, che possono alleviare le tensioni termiche e migliorare la vita a fatica termica del rivestimento.
4. Rivestimenti bioceramici
Il titanio e le sue leghe, le leghe di cobalto-cromo-molibdeno e l'acciaio inossidabile sono tutti materiali metallici comunemente utilizzati nella pratica clinica per gli impianti ossei. I materiali metallici utilizzati nella pratica clinica non sono bioattivi e devono essere migliorati per favorire l'integrazione con il tessuto osseo. La modifica superficiale degli impianti metallici è un metodo necessario per migliorarne le proprietà biologiche. La tecnologia di spruzzatura termica è uno dei metodi di modifica superficiale comunemente utilizzati. I rivestimenti biomedici preparati mediante questa tecnologia includono principalmente rivestimenti di ossidi metallici (Al2O3, ZrO2, ecc.), rivestimenti di idrossiapatite bioattiva (HA), ecc. I rivestimenti di titanio e idrossiapatite sono stati ampiamente utilizzati nella pratica clinica. Negli ultimi anni, anche la ricerca sui rivestimenti bioceramici a base di silicato di calcio ha attirato l'attenzione.
5. Rivestimenti ceramici piezoelettrici
Le ceramiche piezoelettriche sono un tipo di materiale ferroelettrico con eccellenti proprietà piezoelettriche. Sono materiali ceramici funzionali per l'informazione che convertono reciprocamente le proprietà meccaniche e l'energia elettrica. Oltre all'effetto piezoelettrico, le ceramiche piezoelettriche possiedono anche proprietà dielettriche e ferroelettriche. Sono state ampiamente utilizzate in vari settori, come l'imaging medico, i sensori acustici, i trasduttori acustici, i motori ultrasonici e i dispositivi di visualizzazione. Negli ultimi anni, la preparazione di rivestimenti ceramici piezoelettrici mediante l'applicazione della tecnologia di spruzzatura sta attirando sempre più attenzione.
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MIM 4605 vs MIM 4140
Flusso della procedura MIM