A Methodology to Control the Microstructure of Plasma Sprayed Coatings

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Plasmasprutning är en process för beläggning av tunna skikt av olika material såsom metallegeringar, polymerer och keramer. Användningsområdena är åtskilliga, från titanstekpannor till oxidationskydd och värmeisolerande skikt i JAS planets motor. Plasmasprutnings processen genererar en plasmalåga när en gas, vanligtvis argon, sönderdelas mha elektrisk energi. Plasmalågan har flödeshastigheter upp mot tusen meter per sekund och temperaturer i storleksordningen 15000°C. Finfördelat pulvermaterial injiceras i plasmalågan. Pulverpartiklarna accelereras, hettas upp och smälts på väg mot ytan som ska skiktbeläggas. Vid kollision med ytan deformeras partiklarna kraftigt och fäster vid ytan. Därefter stelnar de och bildar ett sammanhängande skikt. Skiktets mikrostruktur är heterogent innehållande defekter som sprickor och porer. Mängden defekter styrs till stor del av partiklarnas hastighet och temperatur. Eftersom skiktens mikrostruktur i hög grad bestämmer dess termiska, fysiska och mekaniska egenskaper är det mycket viktigt att kunna styra processen så att önskad mikrostruktur erhålls. Processen är komplex och påverkas av ett stort antal variabler, dels sådana som karakteriserar plasmalågan och därmed påverkar partiklarnas egenskaper, dels sådana som har direkt inverkan på skiktet. En del av dessa variabler varierar okontrollerbart samtidigt som små förändringar orsakar stora förändringar i partiklarnas hastighet och temperatur. Syftet med avhandlingen är att skapa bättre förståelse för processen för att kunna förbättra styrningen och öka reproducerbarheten. Detta gjordes genom att fastställa samband mellan processvariabler, partikelhastighet, partikeltemperatur, och mikrostruktur. Arbetet utfördes med hjälp av såväl numeriska fluidberäkningar av plasmat, partikelegenskaperna, samt deras interaktion, som experimentellt arbete. Experimentella metoder som användes var statistisk försöksplanering, optisk mätning av partikelegenskaperna i plasmalågan, samt mikrostrukturutvärdering med svepelektronmikroskopi och digital bildanalys. Det visade sig att partikelhastighet och partikeltemperatur kan styras oberoende av varandra inom vissa gränser, samt att de har stor påverkan på skiktets mikrostruktur. Andra faktorer som också påverkar mikrostrukturen markant är substratets temperatur och sprutvinkeln. De fastställda sambanden användes för att skapa en metod för kartläggning och styrning av mikrostrukturen via partikelegenskaperna och direktpåverkande variabler. Processkartor skapades, vilka beskriver partikelhastighetens och partikeltemperaturens individuella påverkan på olika skiktdefekter och på pulververkningsgraden. Baserat på processkartorna skapades en metodik för styrning av mikrostrukturen. I denna metodik specificeras mikrostrukturen varvid motsvarande partikelhastighet och partikeltemperatur intervall beräknas. Genom att hålla partikelhastighet och partikeltemperatur inom intervallen, garanteras att det önskade skiktet produceras. Arbetet ska ses som grunden för ett processkontrollverktyg med vilket skiktegenskaper kan styras och optimeras on-line i industriell produktion.