Spray al plasma da sospensione (SPS, Suspension Plasma Spray)

In cosa consiste lo spray al plasma da sospensione?

La spruzzatura al plasma da sospensione (SPS) è una tecnologia relativamente nuova che produce rivestimenti con caratteristiche di micro e nanoscala utilizzando materie prime costituite da particelle ultrafini (meno di 5 micron).  Per facilitare l'uso di queste polveri ultrafini, le particelle vengono sospese in soluzione fornendo loro un impulso sufficiente per trasportarle nel pennacchio di plasma e formare un rivestimento. Le materie prime per sospensioni possono coprire una vasta gamma di composizioni di materiali, tra cui ceramiche e miscele di leghe metalliche. Poiché le materie prime in polvere utilizzate sono ultrafini, i rivestimenti risultanti hanno una gamma più ampia di strutture che possono essere prodotte tra cui colonnare, segmentata e completamente densa. 

La spruzzatura al plasma da sospensione è un processo che consente l'uso di materie prime per spray termico troppo piccole per i tradizionali processi di spruzzatura al plasma. Queste materie prime si presentano sotto forma di impasto liquido, con particelle di dimensioni dell'ordine di micron e submicron sospese in acqua, alcool o altri solventi. In generale, la concentrazione delle particelle fini nell'impasto liquido può essere controllata e varia dal 5-80% in peso. Ciò consente di ottenere la migliore combinazione di microstruttura del rivestimento e velocità di deposizione.

Durante il processo SPS, l'impasto liquido di spruzzatura termica viene pompato all'uscita della torcia di spruzzatura termica e iniettato nel getto di spruzzatura termica. Una volta trascinate nel plasma, le goccioline si frammentano e la fase liquida evapora lasciando le particelle ultrafini in accelerazione verso il substrato. Utilizzando queste dimensioni di particelle ultrafini è possibile generare rivestimenti uniformi sottili fino a 25 micron di spessore.

I rivestimenti spray al plasma da sospensione hanno tipicamente dimensioni delle caratteristiche più fini rispetto ai rivestimenti spray al plasma ad aria tradizionali la cui materia prima è di un ordine di grandezza maggiore.  Come risultato dell'uso di materie prime di particelle ultrafini, la microstruttura del rivestimento può essere controllata per generare microstrutture simili alla deposizione fisica in fase di vapore per mezzo di fascio elettronico (EB-PVD): completamente densa o colonnare. 

Controllando la dimensione delle particelle, la velocità, la temperatura delle particelle e le condizioni di applicazione, si possono formare le seguenti diverse microstrutture a seconda delle necessità. Esistono quattro tipi fondamentali di microstrutture spray al plasma da sospensione:

• Colonnare: I rivestimenti colonnari vengono prodotti quando particelle fini con un impulso moderato fluiscono attraverso la superficie del substrato con un angolo ridotto formando singole colonne verticali porose. Questi rivestimenti ad alta resistenza alla deformazione hanno spesso colonne descritte come “piumate” e possono fornire prestazioni simili alle strutture colonnari EB-PVD.
• Segmentato: I rivestimenti segmentati si formano quando particelle con impulso più elevato vengono applicate sulla superficie del substrato in corrispondenza o in prossimità di un angolo di impatto di 90 gradi. La segmentazione del rivestimento è formata dallo sviluppo di fessure verticali generate dall'elevata temperatura superficiale del rivestimento e dalla velocità di deposizione. Questo tipo di microstruttura resistente all'erosione somiglia a un rivestimento a barriera termica denso fessurato verticalmente (DVC). 
• Denso: Simile ai rivestimenti segmentati, i rivestimenti densi sono prodotti da particelle ad alto impulso che impattano sul substrato con un angolo di impatto vicino a 90 gradi. Tuttavia, la temperatura della superficie del substrato e la velocità di deposizione sono controllate per impedire la formazione di fessure verticali.
• Poroso: I rivestimenti porosi sono simili ai rivestimenti colonnari senza la formazione di colonne. Questo tipo di microstruttura è altamente poroso e quindi produce una conduttività termica molto bassa e quindi la massima protezione termica.

Oltre ai rivestimenti sopra elencati, è anche possibile generare rivestimenti stratificati di diverse chimiche e strutture per sviluppare rivestimenti con una combinazione di proprietà. Ad esempio, un rivestimento in zirconio stabilizzato con ittrio al 7% colonnare (7YSZ) può essere combinato con un rivestimento in zirconato di gadolinio segmentato per generare un rivestimento ad alta resistenza e a prova di deformazione che è anche resistente al calcio-magnesio-alluminosilicato (CMAS). 

Il processo di spruzzatura al plasma da sospensione è un processo di rivestimento che può essere utilizzato in molti settori, tra cui:

• aerospaziale
• produzione di energia
• medico
• marittimo
• elettronica
• automobilistico
• industria meccanica
• petrolchimico

Alcuni degli usi più comuni dello spray al plasma si trovano nei settori aerospaziale, della produzione di energia e marittimo. In questi casi, ai componenti della turbina a sezione calda vengono applicati rivestimenti a barriera termica generati da spray al plasma per proteggerli dall'esposizione alle alte temperature. Altri settori utilizzano il processo di spruzzatura al plasma per fornire protezione da corrosione acquosa, usura abrasiva, erosione o cavitazione. 

L'obiettivo di Praxair Surface Technologies ’consiste nell'assistere il cliente affinché ottenga maggiori protezione, personalizzazione e prestazioni per i suoi componenti. A tal fine, lavoriamo insieme al cliente per selezionare o sviluppare rivestimenti basati sul suo ambiente operativo e sui suoi requisiti produttivi. Non solo Praxair offre servizi di rivestimento spray al plasma da sospensione, ma sviluppa anche i materiali e l'alimentatore utilizzato nel processo. Contattateci per ulteriori informazioni su come possiamo aiutarvi a soddisfare le vostre esigenze in termini di rivestimenti a barriera termica spruzzata.