Termal Sprey Kaplama Teknolo. Son Trend Soğuk Sprey Pro.

Termal Sprey Kaplama Teknolo. Son Trend Soğuk Sprey Pro.
  • Teknoloji
  • Ziyaret: 8866
  • Son Güncelleme: 20-11-2015


Bu çalışmada termal sprey kaplama ailesinin son üyesi olan soğuk sprey prosesi di­ğer kaplama yöntemleri ile karşılaştırmalı olarak tanıtıl­maktadır. Soğuk sprey pro­sesinin avantajları, uygula­ma potansiyeli ve özellik­leri detaylı bir şekilde açık­lanmaktadır. Endüstride bu alanda gelecekte birçok alanda kullanımının artacağı düşünülmekte ve uygulama alanın hızla genişlediği göz­lenmektedir.


Termal Sprey Kaplamalar

Termal sprey kaplama yöntemleri ailesi; ark sprey, alev sprey, plazma sprey, yüksek hızda oksi yakıt sprey (HVOF) ve soğuk sprey yöntemlerinden oluşmaktadır. Bu kaplama yöntemleri toz veya tel formunda kaplama malzemesinin eriyik, yarı eriyik veya katı halde altlık yüzeyine farklı hızlarda püskürtülmesi şek­linde uygulanmaktadır (Şekil 1.). Parçacıkların ivmelendirilmesi kullanılan enerji kaynağına bağlı olarak farklı yollarla olmakta­dır. Örneğin ark sprey ve plazma spreyde elektrik enerjisi, alev sprey ve HVOF sprey proseslerinde kimyasal yanma enerjisi ve soğuk sprey prosesinde ise kinetik gaz enerjisinden yararlanıl­maktadır. Soğuk sprey yöntemi termal sprey kaplama ailesinin en son üyesi olup diğer yöntemlere göre birçok avantajı bulun­maktadır. Yüksek kaplama birikme verimliliği, düşük artık geril­meler, altlığa minimal ısı girdisi, faz ve kompozisyonal stabilite ve daha az maskeleme gereksinimi duyulması bu avantajlar­dan bir kaçıdır. Bununla birlikte kaplama kalitesi, dayanımı ve yapışma mukavameti soğuk sprey prosesinin üstün yönleridir. Çevreci bir proses olması ve düşük kaplama maliyetleri nede­niyle boya uygulamalarına, elektrolitik kaplama, kaynak dolgu uygulamalarına göre yüksek performans sağlamaktadır. Soğuk sprey prosesi ilk 1980’lerde Sovyetler Birliğinde geliştirilmiştir. Diğer termal sprey proseslerinden en temel farkı daha düşük proses sıcaklıkları ve daha yüksek püskürtme hızlarıdır. Termal  sprey proseslerinde son on yılda yeni trend olan bu kaplama teknolojisi ile termal enerji yerini kinetik gaz enerjisine bırak­maktadır. Bu süreç birçok uygulamada avantaj sağlamaktadır. Özellikle metalik esaslı yoğun, saf ve düşük oksit içerikli kapla­malar rahatlıkla üretilebilmektedir. Isı girdisinin çok az olması nedeniyle altlık özelliklerinde bir değişime neden olmamakta aynı zamanda kaplama yapısında oksidasyon etkisi önemli öl­çüde azaltılabilmektedir. Bununla birlikte ergime söz konusu olmadığı için faz dönüşümü veya katılaşma nedenli problem­lerle karşılaşılmamaktadır. Gaz sıcaklığının çok yüksek hızda püskürtülen kaplama malzemesinin ergime noktasının altında olması parçacıkların ergimeksizin katı halde yüzeyde birikme­sine neden olmaktadır. Dolayısıyla kaplamanın yapışması ve birikme özellikleri katı formdaki kaplama malzemesinin püs­kürtme hızına bağlı olarak deformasyon davranışı ile ilişkilidir.

Termal sprey kaplamaları püskürtme parametrelerine ve kaplama malzemesinin ergime davranışın bağlı olarak kaplam kesitinde çeşitli süreksizlikler (gözenek, oksit, ergimemiş parçacık, inklüzyon vb.) içermektedir .

(Şekil 2.). Buna karşın soğuk sprey birçok süreksizliği elimine eden yüksek kaplama kalitesine sahip bir teknolojidir.

 



 

Termal sprey prosesleri her tür malzemenin kaplama malzeme­si olarak kullanılabileceği esnek bir kaplama üretim teknoloji­sidir. Teknolojik zorluk, yatırım maliyetleri ve performans ve kaplama kalitesi düşünüldüğünde alev sprey ve ark sprey pro­sesleri termal sprey ailesinde en altta yer almaktadır. Genellik­le kaplamalarda porozite ve oksit seviyesi diğer yöntemlere göre daha yüksektir. Dolgu, tamir, kısmen aşınma ve korozyon amaçlı uygulamalarda tercih edilen yöntemlerdir. HVOF prose­si alev sprey prosesinden daha yüksek hızda püskürtme kabili­yetine sahip bir yöntemdir. Bu yöntem ile sermet esaslı kapla­malar ve sert metalik kaplamalar yapılabilmektedir. Kaplama­ların yapışma mukavemeti, oksit ve porozite oranı oldukça dü­şüktür. Endüstriyel uygulamalarda genellikle aşınma abrazyon, erozyon amaçlı tercih edilen bir yöntemdir. Plazma sprey tek­nolojisi seramik esaslı, yüksek ergime noktasına sahip metalle­rin kaplanmasında kullanılan plazma enerjisine ve kontrollü at­mosferik koşullara bağlı olarak kaplama kalitesi değişmektedir. Termal bariyer amaçlı uygulamalarda vazgeçilmez bir yöntem­dir. Termal sprey kaplama yöntemlerinde kaplama malzemesi seçeneği oldukça geniş olmasına karşın soğuk sprey prosesin­de uygulamalar çoğunlukla metalik esaslı ve kompozit (metal+ seramik) kaplamalar üzerinedir. Sünek olmayan malzemelerin kaplanmasında zorluk bulunmaktadır. Gevrek malzemeler an­cak sünek bir matris ile birlikte kaplama yapısına girebilmekte­dir. Kaplamanın yapışması ve birikmesi kaplama malzemesinin altlık ile temas ettiği andan itibaren tozların deformasyon kabi­liyeti ilişkilidir.


Soğuk Sprey Prosesi ile Uygulanabilen Kaplama Türleri:

• Saf metaller: Al, Cu, Zn, Ti, Ni, Ta, Ag, Fe

• Alaşımlar: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Al, Cu-Sn, Cu-Al, Cu-Zn, MCrAlY (M:Ni/Co), Al-Zn-Ti, Cu-Zn-W, paslanmaz çelik alaşımları

• Kompozitler :Al-Al2O3, Al-SiC, Cu- Al2O3,Ni-TiC



Soğuk Sprey Uygulanabilen Altlık Türleri:

• Metalik alaşımlar

• Polimerler

• Seramikler ve kompozitler

Termal sprey kaplamaların birikme hızı ve verimliliği Şekil 3’te karşılaştırılmaktadır. Soğuk sprey prosesinin birikme hızı diğer yönetmlerden daha yüksektir. Örneğin bakır kaplamalar %97 oranında verimlilik ile kaplanabilmektedir. Genel bir bakış açı­sıyla püskürtme hızının artması kaplamalarda oksit ve porozi­te oranını azaltmaktadır. Soğuk sprey prosesi en düşük oksit ve porozite oranına sahip kaplamalardır (Tablo 1.).a


 

Termal sprey prosesleri arasında yatırım maliyeti açısından bir karşılaştırma (Şekil 4.) yaptığımızda vakum plazma sprey ve düşük basınçlı plazma sprey prosesleri en yüksek maliyetli proseslerdir. Plazma sprey prosesini hvaof sprey prosesi takip etmektedir. Yüksek oranda gaz sarfiyatı mevcuttur. Termal sprey prosesleri arasında en düşük maliyetli olan prosesler ark sprey ve alev sprey prosesleridir. Soğuk sprey prosesi (özellikle yüksek basınçlı sistem) plazma spreyden düşük hvof prosesinden daha yüksek yatırım maliyeti gerektirmektedir. Yatırım maliyetinin önemli bir kısmını toz besleyici ve gaz ısıtıcı ekipmanları tutmaktadır. Buna karşın uygulama pratikliği, birikme verimi ve kaplama kalitesi açısından değerlendirdiğimizde yüksek performans göstermektedir.Genel olarak proses maliyetinin önemli bir kısmını toz ve gaz maliyeti oluşturmaktadır. Gaz maliyeti soğuk spreyde en yük­sek seviyededir (Şekil 5.). Özellikle pahalı He gazının kullanıl­ması durumunda maliyet önemli ölçüde artmaktadır.


 

Soğuk sprey prosesi ile ilk patent 1994 yılında Alkhimov tara­fından alınmıştır. Ardından çeşitli yenilikler ile patent başvu­ruları olmuştur. Patentlerin çoğunluğu nozül tasarımı, kapla­ma malzemesi ve uygulama farklılıkları göstermektedir. Soğuk sprey prosesi basınç kontrolüne bağlı olarak düşük basınçlı so­ğuk sprey ve yüksek basınçlı soğuk sprey olmak üzere iki sını­fa ayrılmaktadır. Sektörde genel olarak soğuk sprey ismi yanın­da kinetik sprey, soğuk gaz sprey, kinetik metalizasyon, dina­mik metalizasyon isimleri de kullanılmakta olup hepsi aynı pro­sesi işaret etmektedir.


Soğuk Sprey Prosesi ve Kaplama Oluşumu

Soğuk sprey prosesinde kaplama tozu yüksek kinetik enerji ile yüzeye çarpmakta ve deforme olarak yapışmaktadır. İlk parça­cık yüzeye ulaştığı andan itibaren yüzeyde yüksek şiddetle ba­sınç etkisi yapmaktadır. Parçacığın yüzeyle ve diğer parçacık­larla birlikte etkisi kaplamanın birikme davranışını belirlemek­tedir (Şekil 6). Proses gazları (N2, He, Hava) Laval nozül içinde süpersonik hızlara ulaşmaktadır. Toz parçacıklar nozüle beslen­diği andan itibaren yüzeye çok yüksek hızlarda püskürtülmek­tedir. Kaplamanın birikmesi ve oluşması parçacık hızına bağlı­dır. Her kaplama malzemesinin birikmesi için kritik bir hız değe­ri mevcuttur (Şekil 7). Kritik hızın üzerinde yapışma gerçekleş­mekteyken kritik hızın altında yüzeyde erozif aşınma meydana gelmekte ve birikme olmamaktadır (Şekil 8.).

 Soğuk sprey prosesi ile ilk patent 1994 yılında Alkhimov tara­fından alınmıştır. Ardından çeşitli yenilikler ile patent başvu­ruları olmuştur. Patentlerin çoğunluğu nozül tasarımı, kapla­ma malzemesi ve uygulama farklılıkları göstermektedir. Soğuk sprey prosesi basınç kontrolüne bağlı olarak düşük basınçlı so­ğuk sprey ve yüksek basınçlı soğuk sprey olmak üzere iki sını­fa ayrılmaktadır. Sektörde genel olarak soğuk sprey ismi yanın­da kinetik sprey, soğuk gaz sprey, kinetik metalizasyon, dina­mik metalizasyon isimleri de kullanılmakta olup hepsi aynı pro­sesi işaret etmektedir.

Soğuk Sprey Prosesi ve Kaplama Oluşumu

Soğuk sprey prosesinde kaplama tozu yüksek kinetik enerji ile yüzeye çarpmakta ve deforme olarak yapışmaktadır. İlk parça­cık yüzeye ulaştığı andan itibaren yüzeyde yüksek şiddetle ba­sınç etkisi yapmaktadır. Parçacığın yüzeyle ve diğer parçacık­larla birlikte etkisi kaplamanın birikme davranışını belirlemek­tedir (Şekil 6). Proses gazları (N2, He, Hava) Laval nozül içinde süpersonik hızlara ulaşmaktadır. Toz parçacıklar nozüle beslen­diği andan itibaren yüzeye çok yüksek hızlarda püskürtülmek­tedir. Kaplamanın birikmesi ve oluşması parçacık hızına bağlı­dır. Her kaplama malzemesinin birikmesi için kritik bir hız değe­ri mevcuttur (Şekil 7). Kritik hızın üzerinde yapışma gerçekleş­mekteyken kritik hızın altında yüzeyde erozif aşınma meydana gelmekte ve birikme olmamaktadır (Şekil 8.).



 Soğuk sprey prosesi ile yoğun kaplamalarda faz dönüşümüne rastlanmamasına karşın altlık kaplama arayüzeylerinde inter­metalik fazlar gözlenmektedir. Örneğin; Nikel altlık üzerine alü­minyum kaplandığında ara yüzey bölgesinde NiAl, NiAl3 Ni3Al fazları veya alüminyum üzerine bakır kaplandığında arayüzey­lerde Al2Cu, Al4Cu9 gözlenmiştir (Şekil 9.)

 Soğuk Sprey Kaplama Özellikleri

1. Sertlik: Soğuk sprey kaplamalarda kaplama malzemesine ve püskürtme hızına bağlı olarak sertlik değişmektedir. Yük­sek püskürtme hızı ve daha yüksek ön ısıtma gaz sıcaklığı daha yüksek seviyede deformasyon olması ve parçacıkların birbi­rine daha sıkı bir yapışma göstermesi nedeniyle sertlik artışı­na neden olmaktadırlar. Parçacıkların yüzey ve birbirleri ile te­ması kaplama yapısında dislokasyon yoğunluğunu artırmakta­dır. Dolayısıyla artan deformasyon sertliğin artışına etki etmek­tedir. Bazı çalışmalarda kaplama sonrası soğuk deformasyo­nun da sertliği artırdığı belirtilmektedir. Örneğin, soğuk sprey ile kaplanan bakır bir kaplamanın sertliği 160 HV0.2 kütlesel bir bakır numunenin sertliği ise 90 HV0.2’dir. Bu durum soğuk sprey esnasında yüzeyde basma gerilmelerinin malzeme yüze­yinde soğuk sertleşme oluşturması sonucunda oluştuğu dü­şünülmektedir. Toz taneciklerin boyutu da kaplama sertliğine etki eden faktörler arasındadır. Tane boyutu küçüldükçe sert­lik yükselmektedir. Isıl işlem kaplamanın sertliğini değiştiren bir diğer unsurdur. Yeniden kristalleşme, tane büyümesi gibi metalurjik mekanizmalar kaplama sertliğini etkilemektedir. Şe­kil 10’da proses parametrelerine bağlı olarak sertlik ve çekme mukavemeti değişimini görmekteyiz. Yüksek basınç ve gaz sı­caklıklarında mekanik özellikler iyileşmekte ve kaplama kalite­si artmaktadır.

2.Yapışma Mukavemeti: Soğuk sprey kaplamalar yüksek yapış­ma mukavemeti sağlamaktadır. Alüminyum altlık üzerine yük­sek basınçlı proses ile püskürtülen Cu kaplamalar 35-40, 20-60 MPa aralığında proses koşullarına bağlı olarak yapışma muka­vemeti sergilemektedir. Atlık çelik olması durumunda 30-40 MPa yapışma mukavemeti ölçülmüştür. Düşük basınçlı spreyde ise yapışma mukavemeti 10-20 MPa arasındadır. Genellikle sü­nek kaplama malzemesinin sert altlığa yapışması zordur. Püs­kürtme hızı artışı yapışmayı da artırmaktadır. Bakır kaplama­lar için yüksek basınçlı sistemler ile yapılan çalışmalarda kohe­zif çekme mukavemetleri 85-150 MPa seviyesindedir. Yapışma mukavemetindeki farklılığın nedeni kaplama yapısının anizot­ropik özelliklerindendir. Kaplama kalınlığının artması yapışma mukavemetini azaltmaktadır. Schnidt ve arkadaşları nozül üze­rinde değişiklikler ile 50 MPa olan çekme mukavemetini 250 MPa’a çıkarmayı başarmışlardır. Altlık türü ve yüzey pürüzlülük seviyesi yapışma mukavemetini etkileyen diğer bir faktördür.

3.Süneklik: Soğuk sprey ile püskürtülmüş halde kaplama­lar gevrek bir haldedir. Tavlama ile süneklikleri artırılmaktadır. Sertlik ve çekme mukavemetinin artışına karşın süneklik azal­maktadır.


4.Korozyon Direnci: Korozyon malzemenin çevresi ile elekt­rokimyasal ve kimyasal reaksiyonları sonucunda oluşmakta­dır. Korozyonu önlemenin en iyi yöntemi korozyona dirençli malzemeler kullanmak veya malzemenin daha yüksek koroz­yon dirençli bir malzeme ile kaplamaktır. Bu sayede atmosfer ile ilişkisi kesilmekte ve korozyon hızı düşürülmektedir. Koroz­yon kayıpları gerek malzeme, gerek zaman ve ekonomik ölçü­de oldukça kritiktir. Çalışma atmosferine ve bileşenlerin birbir­leri ile uyumuna bağlı olarak korozyon hızı değişmekte bölge­sel veya tüm yüzeylerde hızlı gelişen korozyon ürünleri ile kar­şılaşılabilmektedir. Korozyona uğramış bir metal malzeme kay­bı yanında dayanım kaybına da neden olmaktadır. Soğuk sprey kaplamalarda galvanik korozyon riski yüksektir. Birbiri ile elekt­rokimyasal açıdan uyumlu olmayan metallerin kaplanması du­rumunda aktif olan metal korozyona daha hızlı bir şekilde uğ­ramaktadır. Kaplama yapısında porozite oranı korozyon davra­nışın etkileyen önemli faktörlerden bir tanesidir (Şekil 11). Kap­lamanın (Ti,Ta, gibi) altlığa göre daha pasif olması gerekmekte­dir. Proses parametrelerine bağlı olarak kaplama kesitinde po­rozite oranı korozyon potansiyelini düşürmektedir. Dolayısıy­la korozyon hızı artmaktadır. Çelik altlık üzerine Cu kaplamalar deniz suyu ortamında, çeşitli asidik ortamlarda direnç göster­mekteyken, Monel 400 kaplama sülfürik asit, hidroklorik asit, fosforik asite karşı direnç göstermektedir. Bakır saf nikele göre daha yüksek koruma sağlamaktadır. Tanntalum yüzeyde oluş­turduğu Ta2O5 tabakası ile, bakır Cu2O tabakası ile, Nikel ise NiO tabakası ile çevre ile altlık arasındaki reaksiyonu engellemekte­dirler. Sulu korozyon ortamında çelik üzerine Zn, Al, Zn-Al yük­sek korozyon direnci sağlamaktadır.

Soğuk sprey sistemlerini üreten sayılı firma (Sulzer Metco, SST, Russonic, Dymet, CGT GmbH Kinetiks, Plasma Giken) bulun­maktadır. 

Amerikan firmaları bu sahada üstünlüğü elinde bu­lundurmakla birlikte Almanya, Rusya, Japonya, Fransa ve İsviçre bu konuda yoğun çalışmalar sürdürmektedir. Tamir, dolgu, aşınma ve koruyucu amaçlı uygulamalarda soğuk sprey prosesi etkin bir şekilde kullanılmaktadır (Şekil 12.).


Genel Değerlendirme

Soğuk sprey prosesi toz malzemelerin ve kaplama sistemleri­nin gelişimiyle birlikte gelecekte hızlı bir uygulama potansiye­line sahip olacağı beklenmektedir (Şekil 13). 

Kaynaklı dolgu , yöntemleri gibi geleneksel yöntemlere göre yüksek perfor­mans sağlamaktadır. Kaplama yapısında faz dönüşümü ve ısıl bir girdi olmadığı için altlık yapısında bir değişime neden olmamaktadır. 

Kaplamanın yoğun ve oksit siz olması yüksek yapışma dayanımı gerek aşınma, gerekse korozyon amaçlı uy­gulamalarda avantaj teşkil etmektedir. Saf metallerin kaplana­bilmesi ile yüksek iletkenlikte kaplamalar elektronik sektörün­de kullanılmaktadır.


 

Soğuk sprey ilk patent alınmasından günümüze kadar hızlı bir ivme kazanmış ve bir dönüm noktasına gelmiştir. Pazarın gelişme sürecine bağlı olarak artan talepler soğuk spreyin uygulama potansiyelini ve endüstriyel standartlaşmaya doğru ivme kazandıracaktır. Aksi halde pazarda yeni teknolojilerin ortaya çıkması ve rekabeti pazarın gelişiminin önünde büyük bir risk olarak karşımıza çıkmaktadır (Şekil 14.). 

Görülen o ki medikal implant malzemelerde, uçak motor parçalarında ve otomobil sektöründe yoğun bir ilgi hakimdir. Son yıllarda helikopter pervane sistemlerinde korozyon ve tamir amaçlı uygulamalarda soğuk sprey uygulanmaya başlamıştır. Bunun yanında saf bakır kaplamalar iletkenlik özellikleri ile elektronik sektörü taleplerini karşılayabilecek durumdadır.


 

Küresel pazarda firma sayısının ve Ar-Ge faaliyetlerinin art­ması bu sektörün ivmelenmesine katkı sağlayacaktır. Üni­versitelerimizin bu konuda atik davranması gerekmektedir. Üniversite-sanayi işbirliği kapsamında çalışmaların artırılma­sı fayda sağlayacaktır. Ülkemizde sınırlı sayıda mevcut sis­temlerin sayısının artırılması ve bu sahada kalifiye personel ve Ar-Ge mühendisi sayısının artırılması gerekmektedir. Aksi hal­de gelecekte gerek bakım maliyetleri ve gerekse yenileme ma­liyetler kapsamında dışa bağımlı bir yapının oluşması havacılık sektörü açısından kaçınılmazdır.