Che cos'è la tecnologia della spruzzatura termica?

La tecnologia della spruzzatura termica è definita nella norma nazionale GB/T18719-2002 "Terminologia e classificazione della spruzzatura termica": la tecnologia della spruzzatura termica è un metodo che utilizza una fonte di calore per riscaldare il materiale di spruzzatura fino a portarlo allo stato fuso o semifuso, quindi spruzzarlo e depositarlo a una determinata velocità sulla superficie del substrato pretrattato, formando un rivestimento. La tecnologia della spruzzatura termica crea una speciale superficie funzionale sulla superficie dei materiali comuni, consentendo di ottenere una serie di funzioni quali resistenza alla corrosione, resistenza all'usura, riduzione dell'attrito, resistenza alle alte temperature, resistenza all'ossidazione, isolamento termico, isolamento elettrico, conducibilità e protezione dalle radiazioni a microonde, con conseguente risparmio di materiali ed energia. Chiamiamo questa speciale superficie funzionale rivestimento, mentre il metodo di realizzazione del rivestimento è chiamato spruzzatura termica. La tecnologia della spruzzatura termica è una delle componenti importanti della tecnologia dei trattamenti superficiali e rappresenta circa un terzo della tecnologia dell'ingegneria delle superfici.

 I.Vantaggi

1. Le apparecchiature sono leggere e possono essere utilizzate direttamente in loco.
2. Il processo è flessibile e le procedure operative sono poche. Le riparazioni possono essere eseguite rapidamente, riducendo i tempi di lavorazione.
3. Ha una forte adattabilità e generalmente non è limitata dalle dimensioni del pezzo né dal luogo di lavoro.
4. Lo spessore del rivestimento può essere controllato.
5. A eccezione della saldatura a spruzzo, la temperatura di riscaldamento del substrato è bassa, la deformazione del pezzo è ridotta e anche le modifiche alla struttura cristallina e alle proprietà sono minime.
6. È adatta a pezzi realizzati con diversi materiali di base e consente di preparare vari rivestimenti protettivi e funzionali sulla superficie di quasi tutti i materiali solidi.

 II.Caratteristiche

Dall'analisi dei principi e del processo della tecnologia della spruzzatura termica emergono le seguenti caratteristiche:

1. Poiché l'intervallo di temperatura della fonte di calore è molto ampio, i materiali di rivestimento che possono essere spruzzati comprendono quasi tutti i materiali solidi per l'ingegneria, come metalli, leghe, ceramiche, cermet, materie plastiche e materiali compositi da essi costituiti. Pertanto, al substrato possono essere conferite superfici con diverse funzioni, come resistenza all'usura, resistenza alla corrosione, resistenza alle alte temperature, resistenza all'ossidazione, isolamento elettrico, isolamento termico, biocompatibilità, assorbimento degli infrarossi, ecc.
2. Durante il processo di spruzzatura, il grado di riscaldamento della superficie del substrato è ridotto e controllabile, quindi è possibile spruzzare su diversi materiali, come metallo, ceramica, vetro, tessuto, carta e plastica, con effetti quasi nulli sulla struttura e sulle proprietà del substrato; anche la deformazione del pezzo è ridotta.
3. Le apparecchiature sono semplici e flessibili da utilizzare. È possibile spruzzare grandi superfici di componenti di grandi dimensioni o intervenire in aree designate; la spruzzatura può essere eseguita al chiuso, in fabbrica, oppure all'aperto.
4. Le operazioni di spruzzatura richiedono poche fasi, hanno tempi di esecuzione brevi, alta efficienza e costi contenuti. Con l'aumento dei requisiti applicativi della spruzzatura termica e l'espansione dei settori di applicazione, in particolare grazie ai progressi della tecnologia di spruzzatura stessa, come apparecchiature sempre più potenti e sofisticate, una varietà crescente di materiali di rivestimento e il miglioramento graduale delle prestazioni, la tecnologia della spruzzatura termica ha conosciuto un rapido sviluppo nell'ultimo decennio. Non solo il campo di applicazione si è notevolmente ampliato, ma la tecnologia si è evoluta dalla preparazione iniziale di rivestimenti protettivi generici alla preparazione di vari rivestimenti funzionali; dalla manutenzione di un singolo pezzo alla produzione di grandi quantità di prodotti; dalla semplice preparazione del rivestimento all'ingegneria dei sistemi di spruzzatura, comprendente l'analisi dei guasti dei prodotti, il pretrattamento delle superfici, la ricerca e lo sviluppo di materiali e apparecchiature di rivestimento, la selezione, la progettazione del sistema di rivestimento e il post-trattamento del rivestimento. È diventata una disciplina molto attiva nel campo della scienza delle superfici dei materiali. Inoltre, nell'industria moderna si è gradualmente affermata come tecnologia indipendente di lavorazione dei materiali, al pari di fusione, forgiatura, saldatura e trattamento termico. È diventata un processo importante per il settore industriale, utile a risparmiare materiali preziosi ed energia, migliorare la qualità dei prodotti, prolungarne la durata, ridurre i costi e aumentare l'efficienza del lavoro. Il suo impiego si è diffuso sempre più in vari settori dell'economia nazionale.

III. Vantaggi tecnici

1. Consente di combinare organicamente la tenacità e la facilità di lavorazione dei materiali metallici con la resistenza alle alte temperature, all'usura e alla corrosione dei materiali ceramici.
2. Selezionando razionalmente i materiali di rivestimento e processi di spruzzatura adeguati, è possibile ottenere rivestimenti di rafforzamento superficiale con diverse funzioni.
3. Non è limitata dal substrato: il materiale del substrato utilizzato per la spruzzatura termica può essere un materiale inorganico, come metallo, ceramica, cemento, materiale refrattario, pietra o gesso, oppure un materiale organico, come plastica, gomma, legno o carta.
4. Non è limitata dalle dimensioni del pezzo né dal luogo di lavoro.
5. La velocità di deposizione del rivestimento è elevata, lo spessore è controllabile e il processo è semplice.
6. Il rivestimento ceramico presenta una buona lavorabilità e, dopo un danneggiamento, può essere nuovamente spruzzato.

 IV.Tendenze di sviluppo

La tecnologia della spruzzatura termica è stata ampiamente promossa e applicata in Cina. Le tendenze e le caratteristiche dello sviluppo negli ultimi anni sono le seguenti:

⑴La tecnologia di protezione a lungo termine su grandi superfici è stata ampiamente utilizzata

Per le strutture in acciaio esposte a lungo all'atmosfera esterna, negli ultimi anni si è sviluppato rapidamente l'impiego di rivestimenti spruzzati di alluminio, zinco e loro leghe in sostituzione della tradizionale verniciatura, insieme alla protezione catodica contro la corrosione atmosferica a lungo termine. Grandi opere come torri televisive, ponti, strutture autostradali, paratoie, torri per microonde, tralicci per la trasmissione ad alta tensione, supporti per cavi sotterranei, boe di navigazione e pozzi utilizzano la spruzzatura di alluminio, zinco e loro leghe per la protezione dalla corrosione. In Cina sono presenti decine di impianti specializzati nella spruzzatura impegnati in questo settore e ogni anno l'area spruzzata supera diversi milioni di metri quadrati. Questa tecnologia non solo è stata ampiamente promossa e applicata in Cina, ma è stata anche efficacemente promossa e applicata nei progetti di aiuto internazionale.

⑵Riparazione e rafforzamento di apparecchiature di grandi dimensioni e produzione locale di componenti importati

Negli ultimi anni sono stati realizzati numerosi esempi di successo nella riparazione e nel rafforzamento di apparecchiature di grandi dimensioni e nella produzione locale di componenti importati, tra cui: laminatoio da 1,7 metri, rotore di ventilatore ad alta velocità, stantuffo di grande estrusore, ingranaggio di grandi dimensioni, ugello per estrusione di elettrodi, albero motore di automobile ad alta potenza, ecc. La realizzazione di questi interventi soddisfa innanzitutto le urgenti esigenze della produzione e consente inoltre di risparmiare ingenti quantità di valuta estera.

⑶Applicazione della tecnologia di spruzzatura a fiamma supersonica Con lo sviluppo e il miglioramento della tecnologia cinese della spruzzatura termica, i requisiti di qualità per i rivestimenti spruzzati diventano sempre più elevati. Negli ultimi anni, il metodo a gas ad alta velocità (HVAF) sviluppato negli Stati Uniti e in altri Paesi è un nuovo processo per la preparazione di rivestimenti di alta qualità. Poiché il metodo della spruzzatura a fiamma supersonica presenta numerosi vantaggi, la Cina ha introdotto successivamente dall'estero quasi una dozzina di apparecchiature, che svolgono un ruolo importante in diversi settori industriali.

⑷La tecnologia della spruzzatura per deflagrazione a gas trova ulteriori applicazioni

Questa tecnologia di spruzzatura è superiore ad altri metodi in alcuni settori perché la velocità di volo delle particelle può superare 800m/s, la resistenza di adesione tra il rivestimento e il substrato può superare 100MPa e la porosità è <1%. In Cina sono state installate più di 10 unità.

⑸La tecnologia di spruzzatura di polveri plastiche a fiamma ossiacetilenica si è sviluppata rapidamente

Come già accennato, negli ultimi anni sono comparsi in Cina numerosi produttori di apparecchiature per la spruzzatura di polveri plastiche a fiamma ossiacetilenica. Questa tecnologia di processo è stata applicata con successo a serbatoi e tubazioni per lo stoccaggio di sostanze chimiche, telai di macchine per impasti dell'industria ceramica, rulli guida-tessuto dell'industria della stampa e tintura, ruote di supporto in ghisa dei trasportatori a nastro dell'industria del carbone, apparecchiature di iniezione dell'industria petrolifera e decorazioni superficiali, colmando le lacune della spruzzatura elettrostatica. Ha aperto una nuova strada per l'applicazione dei rivestimenti plastici.

⑹La tecnologia della spruzzatura termica viene applicata nell'ingegneria anticorrosione chimica

La corrosione è una delle principali cause di guasto dei componenti meccanici dovuta all'azione chimica o elettrochimica del mezzo circostante. Non solo provoca la perdita di grandi quantità di materiali metallici, ma anche le perdite di produzione dovute alle interruzioni che ne derivano sono ancora più difficili da stimare; per questo motivo viene prestata particolare attenzione alla protezione anticorrosione chimica. I rivestimenti spruzzati termicamente vengono utilizzati in mezzi corrosivi, soprattutto in presenza di forte corrosione. Il motivo principale per cui in precedenza non era stato possibile compiere progressi significativi è che il problema del sigillante non era stato risolto. Come è noto, nei rivestimenti spruzzati sono presenti pori. Se i pori non vengono sigillati, diversi acidi, alcali e mezzi organici penetrano al loro interno, provocando il distacco del rivestimento e compromettendo l'effetto anticorrosivo. In base ai requisiti dell'ingegneria anticorrosione, recentemente in Cina sono stati sviluppati con successo decine di tipi di sigillanti, tra cui quelli a base di poliestere, polimeri organici, resine, materie plastiche e adesivi, adatti ad ambienti corrosivi contenenti acidi, alcali, sali e sostanze organiche, con temperature di utilizzo comprese tra 80~350℃. Per rivestimenti ceramici, rivestimenti di ossido o rivestimenti metallici o di leghe, viene selezionato il sigillante appropriato in base ai diversi mezzi; tali prodotti sono stati utilizzati in numerosi ambienti chimicamente corrosivi con buoni risultati. Questa serie di sigillanti è stata brevettata e ha ricevuto il Premio nazionale per l'invenzione. La ricerca riuscita di questi sigillanti ha favorito nuovi progressi nell'applicazione della tecnologia della spruzzatura termica nell'ingegneria della protezione dalla corrosione chimica.

⑺La tecnologia di rifusione laser ha iniziato a essere applicata

La rifusione a induzione ad alta frequenza e la rifusione a induzione sotto vuoto vengono applicate solo entro un determinato intervallo. Negli ultimi anni la tecnologia di rifusione laser è stata sperimentata su piccole superfici, ma non è stata ampiamente utilizzata. Recentemente, l'Università Tsinghua ha impiegato la tecnologia di rifusione laser nella produzione di valvole, mentre la Shanghai Second Textile Machinery Factory l'ha applicata nel settore delle macchine tessili.

⑻È stata applicata anche nell'edilizia decorativa e nella salute medica

La tecnologia della spruzzatura termica è stata applicata anche nell'edilizia decorativa e nel settore medico-sanitario. Negli ultimi anni, in Sichuan, Shanghai, Shenyang, Yunnan e in altre località, la tecnologia della spruzzatura termica è stata utilizzata per spruzzare varie statue, ornamenti, grandi superfici murarie, ecc., ottenendo buoni risultati. Ad esempio, il grande murale del pavone con la coda aperta presso l'International Shopping Mall di Shenyang è stato realizzato con la tecnologia della spruzzatura termica. Con lo sviluppo e il miglioramento della tecnologia della spruzzatura termica, questa tecnologia si è estesa ad altri settori. Per esempio, in ambito biologico, i metodi di spruzzatura termica vengono utilizzati per fabbricare ossa artificiali. In Cina sono stati utilizzati in oltre 200 casi clinici, con risultati molto positivi. Inoltre, i denti artificiali realizzati mediante metodi di spruzzatura termica hanno iniziato a essere applicati.

 VI.Metodo di classificazione della spruzzatura termica

Essendo una nuova tecnologia ingegneristica pratica, non esiste un metodo di classificazione standard. Generalmente viene classificata in base al tipo di fonte di calore, alla forma del materiale di spruzzatura e alla funzione del rivestimento. Ad esempio, in base alla funzione del rivestimento, è possibile distinguere tra rivestimenti resistenti alla corrosione, resistenti all'usura, termoisolanti e altri. In base al metodo di riscaldamento e di adesione, si distingue tra spruzzatura e rifusione a spruzzo: nel primo caso il materiale di base non fonde e il rivestimento forma un'adesione meccanica con il substrato; nel secondo caso il rivestimento viene nuovamente riscaldato e rifuso, quindi rivestimento e substrato si dissolvono e diffondono reciprocamente formando un'adesione metallurgica.

Un metodo di classificazione più comunemente utilizzato consiste nel classificare la tecnologia in base al tipo di fonte di calore usata per riscaldare il materiale di spruzzatura, distinguendo tra:

① Tipo a fiamma, comprendente spruzzatura a fiamma, spruzzatura per esplosione e spruzzatura supersonica;

② Tipo ad arco, comprendente spruzzatura ad arco e spruzzatura al plasma;

③ Metodo di riscaldamento elettrico, comprendente spruzzatura per esplosione elettrica, spruzzatura con riscaldamento a induzione e spruzzatura a scarica capacitiva;

④ Tipo laser: spruzzatura laser