Den termiske sprøjtning er en af de industrielle processer til overfladebehandling ved en tør proces med tilsætning af materiale. Det består i at projicere, ved hjælp af en bærergas, et materiale, generelt i pulverform, ved høj temperatur og ved høj hastighed, på et generelt metallisk substrat (overfladen på den del, der skal coates) for at danne en coating.
Denne belægning, også kaldet ”lag” eller ”indskud”, anvendes til at funktionalisere overfladen, dvs. at ændre dets fysiske eller kemiske egenskaber (med hensyn til korrosion , termisk udmattelse , slid , friktion , reaktivitet , etc.). ). Det kan også have en æstetisk funktion.
Termiske sprøjtningsteknikker gør det muligt at producere granulære (10 til 100 µm tykke) og massive (> 100 µm tykke) aflejringer med meget forskellige morfologier. Nyere metoder tillader også produktion af nanostrukturerede indskud .
Der findes forskellige metoder. Operatørerne kaldes “metallisatorer”. De udsættes ofte for indånding af giftige metaller, i grader afhængigt af den anvendte proces, afhængigt af arbejdsmiljøet og korrekt brug af åndedrætsværn og anden beskyttelse.
Termisk sprøjtning er en synsfeltproces, der tager form af en lommelygte (vi taler også om en blæselampe eller sprøjtepistol) med en dyse, hvorfra der transporteres en bærergas, der transporterer det materiale, der skal deponeres. Fakkelen kan håndteres som en pistol af operatøren eller monteres på en automatiseret enhed såsom en robotarm.
Bærergassen tjener til at accelerere og transportere fine partikler (typisk 5 til 100 mikrometer), som kan være i flydende, pastaagtig eller endog fast tilstand til substratet. Denne bærergas kan også være en entalpikilde, hvilket gør det muligt at opvarme disse partikler til smeltepunktet. Andre metoder bruger en lysbue til at smelte materialet.
Partiklerne, der således projiceres på substratet, kollapser i henhold til deres hastighed, fysiske tilstand, temperatur osv. danner lameller (eller splats).
Akkumulering og stabling af lamellerne på substratet gør det muligt at fremstille belægningen.
Opfindelsen af termisk sprøjtning tilskrives Max Ulrich Schoop, en schweizisk ingeniør. Hans idé var at fremstille klæbende belægninger fra påvirkningen fra partikler, der stammer fra et opvarmet pulver, der styrtede ned i den del, der skulle behandles (substrat) for at producere tætte metalaflejringer. Denne idé ville have været inspireret af ham af observationen af hans børn, der skyder med riflen på væggen i hans have, hvor blykuglerne dannede knuste slag.
Han indgav to patenter i Tyskland og Schweiz i 1909. I patentkravene er udtrykket termisk sprøjtning defineret som " en fremgangsmåde, hvor flydende metal sprøjtes på overfladen ved hjælp af et gasformigt stof under tryk ". MU Schoop's patenter beskriver, hvordan man deponerer kobber, sølv, tin, zink, aluminium og andre legeringer på stort set alle typer substrater (metal, træ, glas, papir, tekstiler) med et bidrag af findelte pulvere behandlet med en blæserende flamme. En bærergas kan også bruges til at accelerere og dirigere pulverstrålen. Schoop ser sin opfindelse som en praktisk og billig metode til påføring af rustbeskyttelse på dæk og skibsskrog.
Anvendelsen af et plasma som varmekilde dukkede først op i 1960'erne i en kontekst af emulering omkring termiske plasmaer genereret af lysbue. De første patenter er Gabriel M. Giannini i 1960 (Plasmadyne Corp., Californien, USA) og Robert M. Gage i 1962 (Union Carbide, Buffalo, NY, USA). De er inspireret af plasmageneratoren ved høj temperatur fra H. Gerdien og A. Lotz (1922).
I 1980'erne blev teknikken til dynamisk koldsprøjtning (Cold Spray) udviklet i Sovjetunionen fra utilsigtet observation af den hurtige dannelse af aflejringer under erosionen af partikler udsat for en højhastighedsstrømning fyldt med fint pulver.
Der er mange måder at opnå termisk sprøjtning på, men den mest almindeligt anvendte i industrien omtales som "flammetråd" -brænder, trådbue, "pulver-flamme", supersonisk flamme, elektrisk lysbue eller flammesprøjtning. Også "High Velocity Oxy -Brændstof "(HVOF) eller plasma (blæst lysbue-plasma ...).
Gas-flamme proces.
Plasmaproces.
Denne proces bruger forbrændingen af en gas til at projicere fyldmaterialet på underlaget. Normalt bruges en fakkel. Denne teknik er meget enkel og meget udbredt i industrien, men den er begrænset i temperatur og i projektionshastighed. Det er muligt at sprøjte materialet enten i pulver- eller trådform.
Supersonic Flame Spray System ( High Velocity Oxy-Fuel , HVOF) er en forbedring af fakkelsprøjtning. Det bruger princippet om raketmotorer til at skabe en flamme med en meget høj gasudkastningshastighed.
Blæste lysbueplasma-brændere bruger indespærring af en elektrisk lysbue til kraftigt at øge dens temperatur (kernen i plasmapilen er generelt mellem 6.000 og 14.000 K , hvor en stor del af strålen har en meget lavere temperatur) for således at generere en plasma fra en plasmagas. Dette plasma bruges derefter til at smelte og fremskynde det materiale, der skal projiceres.
Afhængigt af den anvendte gasblanding varierer plasmas egenskaber, hvilket gør det muligt at ændre varmeledningsevnen (overførsel af temperaturen til materialet, opholdstiden forbliver meget lav, og hvis ledningsevnen er utilstrækkelig, utilstrækkelig til at smelte materialet ) eller for at ændre viskositeten af strålen (partikelhastighed). De gasser, der oftest anvendes ved termisk plasmasprøjtning, er således argon, hydrogen, helium og nitrogen. Argon og helium er efterspurgte for deres viskositet, mens hydrogen, helium og nitrogen er eftertragtede for ledningsevne. Således er et argonplasma meget ineffektivt til opvarmning af et materiale med undtagelse af meget lave smeltepunkter såsom zink; hydrogen tilsættes derefter generelt til det for at lade de fleste materialer smelte.
Der anvendes tre projektionsmedier afhængigt af belægningens ønskede egenskaber:
Udviklingen under meget lave tryk (ca. 1 mbar) industrialiseres med det formål at kombinere egenskaberne ved PVD-type teknikker og plasmaprocessens produktivitet.
Denne proces, også kaldet bue wire sprøjtning (AWS), anvender en kold bæregas (typisk luft eller nitrogen) og en strømkilde. En elektrisk lysbue (ca. 6000 K ) etableres mellem to offerelektroder, der er i form af ledninger af fyldstofmaterialet. De anvendte materialer skal derfor være elektrisk ledende. Det således smeltede materiale forstøves af bærergassen og ledes på den del, der skal behandles. Trådspolerne drives regelmæssigt for at opnå en lysbue så kontinuerlig som muligt. Denne teknik er en af de ældste (1918). Det giver høj produktivitet og lave omkostninger.
Denne teknik ( kold spray ) er nyere. Det består i at accelerere fyldstofmaterialet ( 300 til 1.500 m / s ) ud over en kritisk hastighed i pulverform. Disse hastigheder forårsager plastisk deformation ved påvirkning af underlaget, som er tilstrækkeligt stort til at danne en klæbende belægning. Der er ingen forbrænding af projektionsgasserne, projektionstemperaturerne er meget lave sammenlignet med andre processer ( 300 til 1.100 ° C ). Materialet før stød smeltes derfor ikke. Imidlertid skal det projicerede materiale være duktilt for at kunne deformeres, hvilket generelt begrænser brugen af denne teknik til metaller.
I modsætning til flammeprocesser bruger processen ikke diffus og kontinuerlig forbrænding, men bruger detonation som varmekilde og pulvertransportvektor. Dette resulterer i en stærk acceleration (omkring 600 m / s ) og en høj temperatur (omkring 3.000 ° C ) af partiklerne. Det er en batchproces, den fungerer ved et par hertz. Under patent bruges det kun af firmaet Praxair.
Et meget stort antal materialer kan anvendes med alle teknikkerne eller med en især i form af pulvere, tråde eller snore. Alle materialer kan projiceres. Imidlertid skal materialer, der smelter ved nedbrydning, såsom hydroxyapatit eller YBCO, eller materialer, der ikke har et smeltepunkt, såsom grafit , fremstilles med større omhu. Enten ved at optimere projektionsparametrene (delvist smeltet hydroxyapatit) eller ved at fremstille pulvere med de overtrukne partikler (grafit overtrukket med nikkel ). Flere organiske materialer kan kastes af de relevante fakler. Metaller og keramik anvendes traditionelt ofte, de kan også bruges i kompositter til at ændre belægningens egenskaber. For eksempel sprøjtes WC-hårdmetalkompositter med Co eller Ni meget ofte.
WCCos særlige karakter er en stærk stigning i hårdheden af den del af størrelsesordenen 900 til 1000 HV 0,3
I industrielle applikationer er substraterne generelt metaldele og legeringer, men det er muligt at behandle enhver form for overflade såsom beton, keramik, kompositter, træ og glas.
Imidlertid eksisterer uforeneligheder med visse teknikker (sprødhed, termisk følsomhed, for kompleks eller utilgængelig form) eller med fyldstofmaterialet (problem med befugtning, vedhæftning, differentiel ekspansion).
Ud over at blive renset, undergår overfladerne, der skal behandles, generelt et slibetrin, der gør det muligt at skabe en ruhed for at fremme vedhæftningen af de afsatte partikler.
Substraterne kan også opvarmes på forhånd inden sprøjtning for bedre at kontrollere vækstmekanismerne og fremme spredning af de smeltede partikler.
Under sprøjtetrin er det også muligt at afkøle delen ved hjælp af forskellige indretninger, såsom for eksempel ved hjælp af en strøm af trykluft.
En undersøgelse fra 2018 karakteriserede emissioner og vurderede eksponeringsniveauer for krom (Cr) og nikkel (Ni) på forskellige termiske sprøjtestationer for at hjælpe med at udvikle bedre operatørovervågningsstrategier i sundhedssektoren på arbejdspladsen . Det var baseret på individuelle luft- og omgivelsesluftprøver taget in situ, men også på urinanalyser .
Det bekræfter, at metallisatorer, der projicerer Cr-oxid med plasma, faktisk udsættes for hexavalent Cr (Cr VI), og bemærker, at i nogle tilfælde oversteg niveauerne af chrom i luften 8-timers OEL på 1 μg / m 3 . Chromuri (kromniveau i urinen) var ret lav (mindre end 2 μg / g kreatinin, det vil sige langt under den amerikanske grænseværdi, der blev vedtaget for svejsere (25 μg / g kreatinin), men tæt på værdien 1,8 μg / g kreatinin tilbageholdt af ANSES for medarbejdere, der er tildelt forkromning . Urin-Ni i metalliseringsmidler, alle processer kombineret, var "relativt høj sammenlignet med ikke-eksponerede operatørers" , de sidste værdier var dog næsten sammenlignelige med dem i den almindelige befolkning ( Henholdsvis 11 μg / g kreatinin og 3,8 μg / g creatinin), hvilket antyder, at personligt beskyttelsesudstyr tilpasset aktiviteten og godt anvendt gør det muligt at begrænse risikoen for forgiftning af metalliske sporstoffer . Blandt de undersøgte tilfælde er flammetråden processen var den mest udsatte. Andre undersøgelser skulle gennemføre dette arbejde.
Anvendelsesområderne er meget brede, fra simpel zinkbelægning til metalinfrastrukturer (broer) til mere højteknologiske applikationer såsom i flyjetmotorer med popularisering af slidbare materialer (meget sprøde materialer, der gør det muligt at reducere lækager, når de er varme. dimensioner under idriftsættelse). Således kan vi bemærke dets anvendelse inden for elektroteknik, inden for medicin (proteser), gasturbiner, biler (molybdensynkroniseringsringe blandt andre), nukleare osv.