Barjäärpinnete tehnoloogia ja omadused

Termiliselt pihustatud keraamilisi pindeid kasutatakse laialdaselt erinevates tööstusharudes, kulumise ja korrosioonikaitse, soojus- ja elektriisolatsiooni ning muude spetsiaalsete rakenduste jaoks. Oksiidid on termopihustamisel kõige silmapaistvam materjalirühm nende heade füüsikaliste ja mehaaniliste omaduste tõttu. Tänapäeval on mitmesuguseid täiustatud keraamikaid, igaühel neist on oma spetsiifilised omadused ja eelised. Eelkõige nende sobivus masstoodangus kasutatavate toodete puhul teevad need üheks kõige mitmekülgsemaks materjalide rühmaks maailmas. Käesoleva lõputöö eesmärgiks oli uurida keraamiliste pihustuspinnete mehaanilisi ja isolatsiooniomadusi. Uuringus kasutati kolme erinevat keraamilist pulbermaterjali: alumiinium,- kroom- ja tsirkooniumoksiidi. Katsekehade alusmaterjaliks kasutati terast ja alumiiniumi. Termopihustuse tehnoloogiaks valiti gaasileekpihustuse meetod. Esimeses osas anti ülevaade pindamisprotsessist, erinevatest pindamistehnoloogiatest ja tehnokeraamikast üldiselt. Uuriti keraamiliste pulberpinnete mehaanilisi omadusi, nakketugevust ja pinna struktuuri. Pihustuspinnete nakkumistugevus alusmaterjaliga on üks põhilisi kriteeriume, mis võimaldab määrata pinde kasutusala ja omadused. Tsirkooniumoksiid on suur tugevuse ja purunemissitkusega mistõttu sobib hästi sisepõlemismootorite silindrite ja hülsside valmistamiseks. Pinnete struktuuruuring annab ülevaate pinnete kvaliteedist. Pinde kvaliteet ja omadused sõltuvad nii peale kantud materjalist kui ka pindamise tehnoloogiast. Pinde kvaliteeti mõjutavad defektid nagu poorid ning sulamata või oksüdeerunud osakesed. Pinde poorsusega määratakse ära pinde rakendusvaldkond. Poorid võivad anda positiivset efekti ja tõsta kulumiskindlust, kui pinnatud detailid töötavad hõõrdekulumise tingimustes, kuna poorides säilib õli. Kroomoksiid on laagrite ja pumpade jaoks eelistatud metalliliste materjalide kattekihiks, selle väga heade triboloogiliste omaduste tõttu. Lõputöö teise osa väljundiks oli keraamiliste materjalide barjääromaduste uurimine. Kõrgetel temperatuuridel töötavatel detailide töökindluse tagavad alusmaterjali koostis, selle soojuspaisumise tegur ning adhesioon barjäärpinde materjaliga. Tsirkooniumoksiid on gaasileek pihustusel enim kasutatav barjäärpinne. Tsirkooniumoksiid pinne on mõeldud kasutamiseks koos aluskihiga ja seepärast talub ka vahelduvaid temperatuure. Barjääromadused sõltuvad ka pinde paksusest ning soojusisolatsiooni efektiivsus tõuseb alates pinde paksusest 0,1 mm. Tsirkooniumoksiid on suure kuumpüsivusega ja väikse soojus juhtivusega, mis teeb temast suurepärase soojusisolaatori. Keraamilised materjalid leiavad oma kõrge sulamistemperatuuri tõttu kasutust paljudes kõrge temperatuuriga töötavates rakendustes. Selleks, et keraamilised materjalid täidaksid barjäärpinnete omadusi peavad nad täitma kriteeriumeid nagu tugevus, madal soojusjuhtivus, faasi stabiilsus kõrgetel temperatuuridel, kõrge soojuspaisumistegur ja madal elastsusmoodul.

Thermally sprayed ceramic surfaces are widely used in various industries, for wear and corrosion protection, for thermal and electrical insulation, and for other special uses. Oxides are the most prominent material group in thermal spraying because of their good physical and mechanical properties. Nowadays, there are various advanced ceramics, each with its own specific qualities and advantages. In particular, their suitability for mass-produced products makes them one of the most diverse groups of materials in the world. The aim of this thesis is to investigate and experiment the properties of barrier coatings. The study used three different types of ceramic powder: alumina, chromium and zirconium. The gas spray method was chosen as the thermal spray technology. The first part gave an overview of the coating process, the different coating technologies and the techno ceramics in general. The mechanical properties of ceramic powder coatings, adhesion strength and surface structure were studied. The adhesion strength of the spray surfaces with the base material is one of the basic criteria for determining the use and properties of the coatings. Zirconium oxide has high strength and fracture strength, making it ideal for cylinders and sleeves for internal combustion engines. The structure survey of the surface provides an overview of the quality of coatings. The quality and properties of the surface depend on both the applied material and the success of the coating process. The surface quality is affected by defects such as pores and melted or oxidized particles. Surface porosity determines the application area of coatings. The pores can have a positive effect and increase wear resistance if the seal works under friction wear because the pores retain oil. Chromium oxide is the preferred coating for metallic materials for bearings and pumps due to its very good tribological properties. The second part of the thesis was to study the barrier properties of ceramic materials. The reliability of the base material, its thermal expansion factor and adhesion to the barrier surface material ensure the reliability of the parts operating at high temperatures. Zirconium oxide is the most commonly SUMMARY 41 used barrier for gas flame spraying. Zirconium oxide is designed for use with the base coat and therefore can withstand intermittent temperatures. The barrier properties also depend on the thickness of the coatings and the thermal insulation efficiency increases from 0.1 mm thick. Zirconium oxide has high heat resistance and low thermal conductivity, making it an excellent thermal insulator. Ceramic materials, due to their high melting point, find use in many high temperature applications. In order for ceramic materials to fulfill the properties of barrier surfaces, they must fulfill criteria such as strength, low thermal conductivity, phase stability at high temperatures, high thermal expansion coefficient, and low modulus of elasticity.