W centrum badawczo-rozwojowym CE-CSE (Centre of Excellence in Coating and Surface Engineering), działającym przy Uniwersytecie Nottingham, opracowano technologię plazmowego natryskiwania powłoki gradientowej z miedzi i wolframu.
Taka kombinacja materiałowa pozwala na połączenie wysokiej przewodności cieplnej miedzi z wytrzymałością mechaniczną i odpornością na działanie wysokich temperatur wolframu. Uzyskanie funkcjonalnej powłoki tego typu jest szczególnie utrudnione ze względu na dużą różnice współczynników rozszerzalności cieplnej obu materiałów, co zwykle prowadzi do postania wewnętrznych naprężeń, pękania i przedwczesnych uszkodzeń.
Zaprezentowana technologia umożliwia przezwyciężenie tych trudności dzięki gradientowej strukturze, w obrębie której następuje stopniowe przejście od bogatszej w miedź kompozycji od spodu, po bogatszą w wolfram kompozycję zewnętrznej warstwy powłoki. Zamiast układu warstw o różnej kompozycji, uzyskano efekt płynnej zmiany kompozycji materiałowej z zawartością od 0 do 100% wolframu w całym przedziale grubości powłoki.
Dotychczas uzyskanie takich rezultatów przy natryskiwaniu plazmowym było możliwe jedynie w komorze próżniowej. Inżynierom z CE-CSE udało się zrealizować proces natryskiwania powłoki w ramach metody APS (atmospheric plasma spraying), z wykorzystaniem strumienia gazu osłonowego, zapobiegającego utlenianiu cząstek metalu. Z kolei obróbka cieplna pozwoliła na ograniczenie mikropęknięć na zewnątrz powłoki i zapewniła lepsze związanie materiału między warstwami.
Jak przekonuje prof. Tanvir Hussain z CE-CSE, redukcja utleniania, minimalizacja porowatości i dopasowanie właściwości mechanicznych w całym zakresie grubości powłoki sprawia, że opracowana technologia przyczynia się do wydłużenia trwałości komponentów przemysłowych, zwiększenia niezawodności i zmniejszenie kosztów utrzymania.
Innowacje w dziedzinie powłok są istotnym elementem strategii przystosowania podzespołów maszyn i urządzeń do pracy w skrajnie niekorzystnych warunkach. Powłoki zawierające wolfram są obiecującym rozwiązaniem konstrukcyjnym na potrzeby ochrony elementów reaktorów termojądrowych. Funkcjonalna powłoka gradientowa miedź-wolfram może sprawdzić się w najbardziej wymagających warunkach, również w przypadku części reaktora narażonych na silne strumienie ciepła w bezpośrednim kontakcie z plazmą.
nottingham.ac.uk
