เทคโนโลยีการพ่นเคลือบเซรามิกทนความร้อนสูงขั้นสูง

ในการใช้งานทางอุตสาหกรรมสมัยใหม่ วัสดุต้องเผชิญกับสภาพแวดล้อมการทำงานที่รุนแรงมากขึ้น ซึ่งสภาวะที่รุนแรง เช่น อุณหภูมิ ความดัน การกัดกร่อน และการสึกหรอสูง ถือเป็นความท้าทายที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน เพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรยังคงสำรวจวัสดุเซรามิกขั้นสูงที่แสดงให้เห็นถึงความต้านทานความร้อน การป้องกันการกัดกร่อน และความทนทานต่อการสึกหรอที่ยอดเยี่ยม ในบรรดาการเคลือบด้วยสเปรย์ความร้อน เซรามิก Cordierite, Mullite และ Forsterite ได้กลายเป็นโซลูชั่นที่มีแนวโน้มเป็นอย่างยิ่ง เนื่องจากมีข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพที่เป็นเอกลักษณ์

การพ่นด้วยความร้อนเป็นเทคนิคทางวิศวกรรมพื้นผิวที่ฝากวัสดุที่หลอมละลายหรือกึ่งหลอมเหลวลงบนพื้นผิวเพื่อสร้างสารเคลือบที่ใช้งานได้ เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการเคลือบแบบดั้งเดิม การพ่นด้วยความร้อนให้การใช้งานที่กว้างขึ้น การเลือกใช้วัสดุที่หลากหลาย และการประมวลผลที่ยืดหยุ่น – เพิ่มคุณสมบัติของพื้นผิวอย่างมีนัยสำคัญ รวมถึงความต้านทานการสึกหรอ การป้องกันการกัดกร่อน และความเสถียรทางความร้อน

วัสดุเซรามิกมีข้อได้เปรียบที่สำคัญหลายประการในการใช้งานสเปรย์ความร้อน:

• ทนความร้อนได้ดีเยี่ยม:เซรามิกรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างที่อุณหภูมิสูงเนื่องจากมีจุดหลอมเหลวสูงและเสถียรภาพทางความร้อน
• ความต้านทานการกัดกร่อนที่เหนือกว่า:พวกมันแสดงให้เห็นถึงความเฉื่อยทางเคมีที่ดีเยี่ยมต่อกรด ด่าง และเกลือ
• ความต้านทานการสึกหรอที่โดดเด่น:ความแข็งสูงให้การป้องกันที่ทนทานต่อการเสียดสีทางกล
• ฉนวนไฟฟ้า:เซรามิกบางชนิดทำหน้าที่เป็นวัสดุอิเล็กทริกที่มีประสิทธิภาพในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เซรามิกสเปรย์ระบายความร้อนเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ยานยนต์ พลังงาน การแปรรูปทางเคมี และอิเล็กทรอนิกส์

คอร์เดียไรต์ (มก₂อัล₄ศรี₅โอ₁₈) โดดเด่นในกลุ่มสเปรย์เซรามิกด้วยความร้อนเนื่องจากมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อนต่ำมาก และต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน โครงสร้างผลึกออร์โธฮอมบิกหลอกหกเหลี่ยมประกอบด้วยช่องว่างที่สำคัญ ส่งผลให้มีความหนาแน่นต่ำที่ 2.53 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร³และจุดหลอมเหลว 1470°C

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE) เฉลี่ยของวัสดุอยู่ระหว่าง 1.5-4.0 × 10^-6องศาเซลเซียส^-1ตั้งแต่ 25-700°C ด้วย Cordierite ที่พ่นด้วยพลาสมาซึ่งมีขนาด 2.94 × 10^-6องศาเซลเซียส^-1- การขยายตัวที่ต่ำเป็นพิเศษนี้ช่วยลดความเครียดจากความร้อนในระหว่างที่อุณหภูมิผันผวนอย่างรวดเร็ว ป้องกันการแตกร้าวและความล้มเหลวของโครงสร้าง

ความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของ Cordierite ช่วยให้สามารถใช้งานได้หลากหลาย:

• กังหันก๊าซและเครื่องยนต์:ทำหน้าที่เป็นสารเคลือบป้องกันความร้อน (TBC) เพื่อลดอุณหภูมิของส่วนประกอบ
• อิเล็กทรอนิกส์:ผลิตฉนวนความถี่สูงและวัสดุอิเล็กทริกไมโครเวฟ
• วัสดุทนไฟ:ทนทานต่อสภาวะที่รุนแรงในเตาเผาอุตสาหกรรม
• เครื่องใช้ไฟฟ้า:ใช้ในเตาไมโครเวฟและองค์ประกอบความร้อน

สิทธิบัตรของยุโรปอธิบายวิธีการสร้างสารเคลือบ Cordierite ที่มีรูพรุนผ่านการพ่นด้วยความร้อน การศึกษาพบว่า Cordierite ที่พ่นด้วยพลาสมาเริ่มก่อตัวเป็นโครงสร้างอสัณฐานที่ตกผลึกเป็น μ-cordierite ที่อุณหภูมิสูงกว่า 830°C และเปลี่ยนสภาพเป็น Cordierite สูงที่อุณหภูมิใกล้ 1,000°C อย่างถาวร

มัลไลท์ (3Al₂โอ₃·2SiO₂) รักษาความเสถียรทางความร้อนและทางเคมีที่ยอดเยี่ยมตลอดช่วงอุณหภูมิของผลึกทั้งหมด โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงแบบโพลีมอร์ฟิกที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเชิงปริมาตร โครงสร้างโครงตาข่ายออร์โธฮอร์ฮอมบิกแสดงความหนาแน่น 3.0 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร³จุดหลอมเหลว 1810°C และ CTE 5.3 × 10^-6องศาเซลเซียส^-1-

พันธะ Al-O และ Si-O ที่แข็งแกร่งให้ความแข็งและความแข็งแรงเชิงกลสูง ในขณะที่ความต้านทานการคืบคลานที่ดีเยี่ยมช่วยให้สามารถรับน้ำหนักได้ที่อุณหภูมิสูง

ความเสถียรของ Mullite รองรับการใช้งานที่สำคัญ:

• วัสดุบุผิวเตาอุณหภูมิสูง:ต้านทานการกัดกร่อนของโลหะหลอมเหลวและตะกรันในกระบวนการโลหะวิทยา
• ผลิตภัณฑ์ทนไฟ:ผลิตอิฐทนไฟและแบบหล่อสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง
• ส่วนประกอบการบินและอวกาศ:สร้างหัวฉีดเครื่องยนต์จรวดที่ต้องการความต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ
• คอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิก:เพิ่มคุณสมบัติทางกลและทางความร้อนในช่วงการเสริมแรง

การวิจัยของ NASA ยืนยันว่า Mullite TBCs แสดงให้เห็นถึงความต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันที่ต่ำกว่า 1100°C แม้ว่า SiO ก็ตาม₂การเปลี่ยนเฟสทำให้เกิดการย่อยสลายที่สูงกว่า 1,200°C การทดสอบเครื่องยนต์ดีเซลแสดงให้เห็นว่าการเคลือบมัลไลท์ทำให้เกิดรอยแตกน้อยกว่าทางเลือกที่ใช้เซอร์โคเนียภายใต้วงจรความร้อนที่เหมือนกัน

ฟอร์สเตอไรต์ (มก₂SiO₄) มีความแข็งแรงเชิงกลสูงและแทนเจนต์การสูญเสียต่ำ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานทางไฟฟ้าความถี่สูง โดยทั่วไปฟอร์สเตอไรต์ทางอุตสาหกรรมจะอยู่เป็นเฟสเอนสเตไทต์โดยมีโครงสร้างออร์โธฮอมบิก ความหนาแน่น 3.21 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร³และจุดหลอมเหลว 1557°C

พันธะ Mg-O และ Si-O ที่แข็งแกร่งมีส่วนทำให้เกิดความแข็งที่โดดเด่น ในขณะที่การสูญเสียอิเล็กทริกต่ำเป็นพิเศษทำให้มั่นใจได้ว่าการส่งสัญญาณความถี่สูงมีประสิทธิภาพ

Forsterite ทำหน้าที่สำคัญใน:

• ฉนวนความถี่สูง:รักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณในอุปกรณ์สื่อสาร
• ส่วนประกอบวิทยุ:ประดิษฐ์ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุสำหรับระบบไร้สาย
• พื้นผิวอิเล็กทรอนิกส์:เปิดใช้งานแผงวงจรประสิทธิภาพสูงขนาดย่อส่วน

สารสะสมของฟอร์สเทอไรต์ที่พ่นด้วยพลาสมามีเฟสอสัณฐานซึ่งมีโครงสร้างลาเมลลาร์ที่แตกต่างกันน้อยกว่าเซรามิกอลูมินาหรือเซอร์โคเนีย การบำบัดด้วยการหลอมจะเปลี่ยนองค์ประกอบของเฟสและคุณสมบัติการขยายตัวเนื่องจากความร้อน แม้ว่าจลนศาสตร์ของการตกผลึกจะต้องมีการตรวจสอบเพิ่มเติม

ความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในเทคโนโลยีสเปรย์ความร้อนจะขยายการใช้งานสำหรับเซรามิกพิเศษเหล่านี้:

• การปรับพารามิเตอร์สเปรย์ให้เหมาะสมเพื่อเพิ่มความหนาแน่นและการยึดเกาะของสารเคลือบ
• การพัฒนาสูตรเซรามิกใหม่ที่มีคุณสมบัติดีขึ้น
• การตรวจสอบกลไกความล้มเหลวภายใต้สภาวะที่รุนแรง
• สำรวจการใช้งานในสาขาเกิดใหม่ เช่น พลังงานทดแทนและอุปกรณ์ชีวการแพทย์

ด้วยนวัตกรรมที่กำลังดำเนินอยู่ เซรามิกสเปรย์ความร้อน Cordierite, Mullite และ Forsterite จะยังคงให้การปกป้องที่เชื่อถือได้สำหรับส่วนประกอบทางอุตสาหกรรมที่สำคัญซึ่งเผชิญกับความท้าทายในการดำเนินงานที่รุนแรง