Uticaj brzine dovoda praha na svojstva plazma naprskane hromkarbid 25% nikal hrom prevlake

  • Mihailo R. Mrdak IMTEL komunikacije a.d.
Ključne reči: property||, ||osobine, powders||, ||prah, Plasmas||, ||plazma, feed rate||, ||brzina dovoda, Coatings||, ||prevlaka, Chromium||, ||hrom,

Sažetak


Plazma-sprej postupak je vodeća tehnologija deponovanja praha u cilju izrade prevlaka koje imaju široku primenu u avio-industriji za zaštitu novih i opravku pohabanih delova. Kermet prevlake 75Cr3C2 - 25Ni(Cr) na bazi Cr3C2 karbida imaju veliku primenu za zaštitu delova, jer zadržavaju visoke vrednosti tvrdoće, čvrstoće i otpornosti na habanje do temperature od 850°C. Ovaj rad razmatra uticaj parametara plazma-sprej depozicije praha 75Cr3C2 - 25Ni(Cr) na strukturu i mehaničke karakteristike prevlake. Prah je deponovan plazma-sprej postupkom na atmosferskom pritisku (APS). Pri izboru parametara kao plazma gas koristio se helijum, koji je inertan i ne reaguje sa prahom, proizvodi gušću plazmu sa manjim toplotnim sadržajem i manje inkorporira okolni vazduh u mlaz plazme, što smanjuje temperarturno razlaganje i dekarburizaciju karbida Cr3C2. U istraživanju su deponovane tri grupe prevlaka sa tri različite brzine dovoda praha od 30, 45 i 60 g/min. Prevlaka sa najboljim karakteristikama deponovana je na ulaznoj prirubnici dela turbo-mlaznog motora TV2-117A da bi se smanjio uticaj vibracija i habanja. Analizirane su strukture i mehaničke karakteristike 75Cr3C2 - 25Ni(Cr) prevlaka u skladu sa standardom Pratt & Whitney. Istraživanja su pokazala da brzine dovoda praha bitno utiču na mehaničke osobine i strukture75Cr3C2 - 25Ni(Cr) prevlaka.

Uvod

Termo-sprej prevlake pripadaju razvoju oblasti inženjerstva površina. Ove visokokvalitetne funkcionalne prevlake primenjuju se na novim delovima u baznoj industriji, kao i za renoviranje delova, uglavnom zbog svojih odličnih karakteristika, koje odlikuje visoka otpornost na habanje, eroziju, abraziju, otpornost na koroziju i otpornost prema visokim temperaturama (Berget, et al., 2007, pp.7619-7625), (Jankura,  Bačová, 2009, pp.359-366), (Mann, Arya, 2003, pp.652-667), (Monticelli, et al., 2004, pp.1225-1237), (Wheeler, Wood, 2005, pp.526-536). Kermet prevlake su kombinacija keramičkih tvrdih faza ugrađenih u žilavoj metalnoj osnovi. Cr3C2-NiCr kermet prevlake se intenzivno koriste za ublažavanje abrazionog i erozionog habanja na visokim temperaturama do 850°C (Matthews, et al., 2007, pp. 59–64), (Tillmann, et al., 2010, pp. 392–408). Prevlake Cr3C2-NiCr u odnosu na druge kermet prevlake nude veću otpornost na koroziju i oksidaciju, takođe ima visoku tačku topljenja i održavanje visoke tvrdoće, čvrstoće i otpornosti na habanje do 850°C. Primenom kermet prevlaka dobio se bolji radni vek komponenti mašina. Prevlake na bazi hrom karbida često se koriste na gasnim turbinama, parnim turbinama i vazduhoplovnim motorima da poboljšaju otpornost na klizanje, abraziono i eroziono habanje (Hillery, 1986, pp.2684-2688). Delovi na kojima se primenjuje ova prevlaka su : hidraulički cilindri i klipnjače, pločice ventila, turbinske komponente, sita i čunjevi, vretena i ventili brodskih motora, kućišta pumpi i dr. (Material Product Data Sheet, 2012, Woka 7203 Chromium Carbide – 25% Nickel Chromium Powders, DSMTS-0031.1, Sulzer Metco). U kermet prevlakama sa različitim termo-sprej procesima uočene su značajne varijacije u sastavu i mikrostrukturi usled izlaganja praha visokim temperaturama i različitim brzinama gasa u procesu (Matthews, et al., 2007, pp.59–64). U prevlakama 75Cr3C2 - 25Ni(Cr) deponovanim plazma-sprej postupkom  prisutne su čestice karbida tipa Cr3C2,Cr23C6 i Cr7C3. Fenomen značajne razgradnje čestica karbida Cr3C2 publikovan je u literaturi (Ji, et al., 2006, p.6749), (Picas, et al., 2003, pp.1095). Karbidi Cr7C3 i Cr23C6 formiraju se razgradnjom osnovnog karbida Cr3C2. Zbog razgradnje karbida Cr3C2, po standardu Pratt & Whitney prihvatljiva vrednost mikrotvrdoće prevlake 75Cr3C2 - 25Ni(Cr) je raspona 450–850 HV0.3 (Turbojet Engine – Standard Practices Manual (PN 582005), 2002, Pratt & Whitney, East Hartford, USA). Neuniformne vrednosti tvrdoće duž prevlaka prijavili su mnogi autori. Ova varijacija u vrednosti tvrdoće pripisuje se mikrostrukturnim promena duž poprečnog preseka prevlaka. Ove promene mogu biti mikrostrukturne zbog prisustva poroznosti, oksida legure Ni(Cr) kao što su: NiO, NiCr2O4, Cr2O3 i CrO3, neistopljenih i poluistopljenih česticaa u strukturi prevlaka (Brossard, et al., 2010, pp.1608-1615), (Matthews, et al., 2007, pp. 59–64), (Mrdak, 2011, pp.9 - 14).

U ovom radu predstavljeni su rezultati eksperimentalnih istraživanja uticaja brzine dovoda praha (g/min) na mehanička svojstva i mikrostrukturu kermet prevlake 75Cr3C2 - 25Ni(Cr). Glavni cilj bio je da se na ulaznoj prirubnici dela turbomlaznog motora TV2-117A primeni kermet prevlaka 75Cr3C2 - 25Ni(Cr) deponovana APS – atmosferskim plazma-sprej postupokom. Urađene su tri grupe uzoraka sa vrednostima brzine dovoda praha od 30, 45 i 60 g/min. Analizirane su mehaničke karakteristike i mikrostrukture prevlaka da bi se odabrala prevlaka najboljih karakteristika. Prevlaka sa najboljim mehaničkim i strukturnim karakteristikama je testirana i homologovana na ulaznoj prirubnici dela turbomlaznog motora TV2-117A motora na ispitnoj stanici u trajanju od 45 časova u VZ "Moma Stanojlović" – Batajnica.

Materijali i eksperimentalni detalji

Za proizvodnju prevlaka koristio se prah firme Sulzer Metco s oznakom Woka 7203 ( Material Product Data Sheet, 2012, Woka 7203 Chromium Carbide - 25% Nickel Chromium Powders, DSMTS-0031.1, Sulzer Metco). Prah Woka sadrži 75% tvrdog hrom karbida Cr3C2 i 25% legure nikl-hrom (80%/20%). Čestice praha 75Cr3C2 - 25Ni(Cr) su sferoidizirane aglomeracijom i sinterovanjem sa rasponom granulacije čestica praha od 11 do 45 μm.

Materijal substrata na kojem su deponovane prevlake za ispitivanje mikrotvrdoće i za procenu mikrostrukture u deponovanom stanju izrađen je od čelika Č.4171 (X15Cr13 EN10027) u termički neobrađenom stanju dimenzija 70x20x1,5mm (Turbojet Engine – Standard Practices Manual (PN 582005), 2002, Pratt & Whitney, East Hartford, USA). Osnove za ispitivanje čvrstoće spoja takođe su izrađene od čelika Č.4171(X15Cr13EN10027) u termički neobrađenom stanju dimenzija Ø25x50 mm (Turbojet Engine – Standard Practices Manual (PN 582005), 2002, Pratt & Whitney, East Hartford, USA).

Ispitivanje mikrotvrdoće slojeva prevlaka rađeno je metodom HV0.3. Merenje je urađeno u pravcu duž lamela, u sredini i na krajevima uzorka. Urađeno je pet očitavanja na tri mesta, a u radu su prikazane minimalne i maksimalne vrednosti.

Ispitivanja zatezne čvrstoće spoja vršena su na sobnoj temperaturi na hidrauličnoj opremi brzinom od 10 mm/min, za sva ispitivanja. Za svaku grupu uzoraka urađene su tri epruvete, a u radu su prikazane srednje vrednosti. Mehaničke i mikrostrukturne karakterizacije dobijenih prevlaka urađene su prema standardu Pratt & Whitney (Turbojet Engine – Standard Practices Manual (PN 582005), 2002, Pratt & Whitney, East Hartford, USA).

Mikrostrukturna analiza prevlaka urađena je na svetlosnom mikroskopu, a morfologija čestica praha na SEM-u (skening elektronskom mikroskopu).

Za depoziciju praha korišćen je plazma-pištolj SG -100 atmosferski plazma-sprej sistema (APS) firme Plasmadyne. Kao gas korišćen je argon u kombinaciji sa helijumom i snaga napajanja od 40 kW. Pri izboru parametara depozicije praha kao osnovni parameter uzeta je brzina dovoda praha (g/min). U ovom istraživanju urađene su tri grupe uzoraka. Kod prve grupe uzoraka brzina dovoda praha bila je 30 g/min sa protokom nosećeg gasa od 5 l/min, kod druge grupe uzoraka ova brzina bila je 45 g/min sa protokom nosećeg gasa od 6 l/min, a kod treće grupe uzoraka 60 g/min sa protokom nosećeg gasa od 7 l/min. Ostali parametri deponovanja praha imali su sledeće vrednosti: plazma-struja 700 A, napon luka 36 V, protok primarnog gasa (Ar) 47 l/min, protok sekundarnog gasa (He) 12 l/min, i odstojanje mlaza plazme 100 mm od supstrata. Prevlake su formirane sa debljinama do 0,2 mm.

Rezultati i diskusija

Brzina dovoda praha bitno utiče na vrednosti mikrotvrdoće deponovanih slojeva, koja mora da bude optimalna da bi se obezbedilo potpuno topljenje čestica praha i na minimum smanjio procenat neistopljenih čestica, pora i oksida u slojevima prevlake. Mikrostrukturne promene uzrokovane su prisustvom poroznosti, neistopljenih čestice, oksida legure Ni(Cr) i razgrađenih karbida u strukturi prevlaka, što su potvrdila metalografska ispitivanja slojeva prevlaka. Slojevi deponovani brzinom dovoda praha od 45g/min imaju vrednosti mikrotvrdoće od  670-845HV0.3 koje su u skladu sa vrednostima (450–850 HV0.3) koje propisuje standard Pratt & Whitney(Turbojet Engine – Standard Practices Manual (PN 582005), 2002, Pratt & Whitney, East Hartford, USA). Ti slojevi su pokazali najgušću i najbolju mikrostrukturu, što su potvrdila metalografska ispitivanja prevlaka.

Zatezna čvrstoća spoja je, kao i mikrotvrdoća, u direktnoj vezi sa brzinom dovoda praha, prisustva pora, neistopljenih čestica i međulamelarnih oksida. Najveću vrednost zatezne čvrstoće spoja od 47MPa pokazali su slojevi, koji su deponovani sa brzinom dovoda praha od 45 g/min. Ti slojevi u mikrostrukturi nisu imali grube pore, neistopljene čestice i poluistopljene čestice. Pošto je prisustvo pora, neistopljenih čestica i oksida u direktnoj vezi sa vrednostima čvrstoće spoja prevlaka, to izmerene vrednosti za prevlaku deponovanu sa brzinom dovoda praha od 45g/min Ukazuje na to da je njihov udeo najmanji u ovoj prevlaci.

Kvalitativna analiza deponovanih 75Cr3C2-25Ni(Cr) slojeva pokazala je da je na interfejsu supstrat/prevlaka zanamarljiv udeo čestica korunda Al2O3 od hrapavljenja. Duž interfejsa između substrata i prevlake nisu prisutne mikropukotine i makropukotine. Veza prevlake sa substratom je uniformna bez odvajanja slojeva prevlake sa substrata. Slojevi prevlake su deponovani kontinualno bez prisustva mikropukotina i makropukotina. Prevlaka deponovana sa brzinom dovoda praha 45g/min, koja ima najbolje mehaničke karakteristike pokazuje lamelarnu strukturu sa dobrim interlamelarnim vezivanjem. Dobro međulamelarno vezivanje lamela u depozitu povećava vrednosti mikrotvrdoće i žilavost loma, što su potvrdila mehanička ispitivanja prevlaka. Unutrašnji slojevi prevlake su bez prisutnih mikroprskotina i makroprskotina. U slojevima prevlake ne uočavaju se neistopljene čestice i grube pore, što govori o dobroj istopljenosti čestica i dobrom razlivanju čestica tokom procesa nanošenja na metalnu osnovu. Mikrostruktura prevlake je slojevita sa podužnim lamelama karbida Cr23C6 i Cr7C3 svetlosive boje u kojima se nalaze dispergovani karbidi Cr3C2 tamnosive boje. U slojevima prevlake prisutne su fine mikropore crne boje, kao i tanki slojevi oksida NiO, NiCr2O4 i Cr2O3 svetlosive boje. Oksidni slojevi su posledica inkorporiranja vazduha u mlaz plazme i oksidacije legure Ni(Cr) tokom depozicije, tj. neizbežna su posledica primenom plazma-sprej postupka u atmosferskim uslovima. U svetlosivoj zoni karbida Cr23C6 i Cr7C3 jasno se vide svetlobele lamele legure Ni(Cr).

Zaključak

Atmosferskim plazma-sprej postupkom (APS) deponovane su prevlake 75Cr3C2-25Ni(Cr) sa tri brzine dovoda praha 30, 45 i 60g/min. U radu su analizirane mehaničke karakteristike deponovanih slojeva i mikrostrukture na svetlosnom mikroskopu. Morfologija čestica praha ispitana je na (SEM) skening elektronskom mikroskopu. Na osnovu izvršenih analiza došlo se do određenih zaključaka.

Morfologije aglomerisanih čestica praha 75Cr3C2 - 25Ni(Cr) su sfernog oblika koje se sastoje od sinterovanih čestica karbida Cr3C2 i čestica legure 25Ni(Cr).

Vrednosti mikrotvrdoće i čvrstoće spoja deponovanih slojeva bili su u direktnoj vezi sa brzinama dovoda praha (g/min). Slojevi deponovani sa brzinom dovoda praha 45g/min imali su najveće vrednosti mikrotvrdoće 670-845HV0.3 i zatezne čvrstoće spoja 47MPa, koje su u granicama od 450 do 850 HV0.3 i min 35MPa koje su propisane standardom  Pratt & Whitney. Vrednosti mikrotvrdoće i zatezne čvrstoće spoja bile su u korelaciji sa njihovim mikrostrukturama.

Struktura deponovanih prevlake 75Cr3C2 - 25Ni(Cr) je lamelarna. U svim prevlakama su prisutne mikropore crne boje. Slojevi deponovani sa brzinom dovoda praha 45 g/min nisu imali grube mikropore u mikrostrukturi. Ti slojevi imali su najbolju mikrostrukturu. U njima nisu prisutne neistopljene čestice praha, precipitati i interlamelarne pore. Mikrostruktura prevlake je slojevita sa podužnim lamelama karbida. Svetlosiva polja su karbidi tipa Cr23C6 i Cr7C3 nastali razgradnjom primarnog karbida Cr3C2. U svetlosivim poljima karbida Cr23C6 i Cr7C3 prisutna je dispergovana faza primarnog nerazgrađenog karbida Cr3C2 tamnosive boje. U svetlosivoj zoni karbida Cr23C6 i Cr7C3 prisutne su svetlobele lamele legure Ni(Cr). U slojevima prevlake prisutni su i tanki slojevi oksida NiO, NiCr2O4 i Cr2O3 svetlosive boje. Oksidni slojevi su posledica inkorporiranja vazduha u mlaz plazme i oksidacije legure Ni(Cr) tokom depozicije praha.

Prevlaka deponovana sa brzinom dovoda praha 45 g/min, koja je pokazala najbolje mikrostrukture i mehanička svojstva testirana je i homologovana na ulaznoj prirubnici dela turbomlaznog motora TV2-117A na ispitnoj stanici u trajanju od 45 časova u VZ "Moma Stanojlović" – Batajnica.

 

Biografija autora

Mihailo R. Mrdak, IMTEL komunikacije a.d.
doktor tehničkih nauka

Reference

ASM HANDBOOK, Alloy Phase Diagrams, 3rd . United States: ASM International.

Berget, J., Rogne, T., & Bardal, E. 2007. Erosion–corrosion properties of different WC–Co–Cr coatings deposited by the HVOF process—influence of metallic matrix composition and spray powder size distribution. Surface and Coatings Technology, 201(18), str. 7619-7625. doi:10.1016/j.surfcoat.2007.02.032

Bala, N., Singh, H., & Prakash, S. 2007. An overview of characterizations and high temperature behaviour of thermal spray NiCr coatings. Int. J. Mater. Sci., 2(3),pp. 201-218.

Brossard, S., Munroe, P.R., Tran, A.T.T., & Hyland, M.M. 2010. Study of the microstructure of NiCr splats plasma sprayed on to stainless steel substrates by TEM. Surface and Coatings Technology, 204(9-10), pp. 1608-1615.

Fernández, E., García, J.R., Cuetos, J.M., & Higuera, V. 2005. Behaviour of laser treated Cr, Ni coatings in the oxidative atmosphere of a steam boiler. Surface and Coatings Technology, 195(1), pp. 1-7. doi:10.1016/j.surfcoat.2004.11.043

Guilemany, J.M., Fernández, J., Delgado, J., Benedetti, A.V., & Climent, F. 2002. Effects of thickness coating on the electrochemical behaviour of thermal spray Cr3C2–NiCr coatings. Surface and Coatings Technology, 153(2-3), pp. 107-113. doi:10.1016/S0257-8972(01)01679-6

He, J., Ice, M., & Lavernia, E.J. 2000. Synthesis of nanostructured Cr3C2-25(Ni20Cr) coatings. Metallurgical and Materials Transactions A, 31(2), pp. 555-564. doi:10.1007/s11661-000-0290-0

Hillery, R.V. 1986. Coatings for performance retention. Journal of vaccum science and technology A, 4, pp. 2684-2688.

Jankura, D., & Bačová, V. 2009. . Metallic Materials, 47(6), pp. 359-366.

Ji, G., Li, C., Wang, Y., & Li, W. 2006. Microstructural characterization and abrasive wear performance of HVOF sprayed Cr3C2–NiCr coating. Surface and Coatings Technology, 200(24), pp. 6749-6757. doi:10.1016/j.surfcoat.2005.10.005

Kamal, S., Jayaganthan, R., Prakash, S., & Kumar, S. 2008. Hot corrosion behavior of detonation gun sprayed Cr3C2–NiCr coatings on Ni and Fe-based superalloys in Na2SO4–60% V2O5 environment at 900°C. Journal of Alloys and Compounds, 463(1-2), pp. 358-372. doi:10.1016/j.jallcom.2007.09.019

Kamal, S., Jayaganthan, R., & Prakash, S. 2009. Evaluation of cyclic hot corrosion behaviour of detonation gun sprayed Cr3C2–25%NiCr coatings on nickel- and iron-based superalloys. Surface and Coatings Technology,203(8), pp. 1004-1013. doi:10.1016/j.surfcoat.2008.09.031

Kajihara, M., & Hillert, M. 1990. Thermodynamic evaluation of the Cr-Ni-C system. Metallurgical Transactions A,21(10),pp. 2777-2787. doi:10.1007/BF02646072

Mann, B.S., & Arya, V. 2003. HVOF coating and surface treatment for enhancing droplet erosion resistance of steam turbine blades. Wear, 254(7-8), pp. 652-667. doi:10.1016/S0043-1648(03)00253-9

Matthews, S.J., James, B.J., & Hyland, M.M. 2007. Microstructural influence on erosion behaviour of thermal spray coatings. Materials Characterization, 58(1), pp. 59-64. doi:10.1016/j.matchar.2006.03.014

Matthews, S., James, B., & Hyland, M. 2009. The role of microstructure in the mechanism of high velocity erosion of Cr3C2–NiCr thermal spray coatings: Part 1 — As-sprayed coatings. Surface and Coatings Technology, 203(8), pp. 1086-1093. doi:10.1016/j.surfcoat.2008.10.005

Matthews, S., James, B., & Hyland, M. 2009. The role of microstructure in the mechanism of high velocity erosion of Cr3C2–NiCr thermal spray coatings: Part 2 — Heat treated coatings. Surface and Coatings Technology, 203(8), pp. 1094-1100. doi:10.1016/j.surfcoat.2008.10.013

Material Product Data Sheet, Woka 7203 Chromium Carbide - 25% Nickel Chromium Powders, DSMTS-0031. 12012. Sulzer Metco.

Roy, M., Pauschitz, A., Polak, R., & Franek, F. 2006. Comparative evaluation of ambient temperature friction behaviour of thermal sprayed Cr3C2–25(Ni20Cr) coatings with conventional and nano-crystalline grains.Tribology International, 39(1), pp. 29-38. doi:10.1016/j.triboint.2004.11.009

Monticelli, C., Frignani, A., & Zucchi, F. 2004. Investigation on the corrosion process of carbon steel coated by HVOF WC/Co cermets in neutral solution. Corrosion Science, 46(5), pp. 1225-1237. doi:10.1016/j.corsci.2003.09.013

Mrdak, M.R. 2010. Uticaj brzine depozicije praha na mehaničke karakteristike i strukturu APS-NiCr/Al prevlake.Vojnotehnički glasnik, 58(4), pp. 5-16. Taken from http://scindeks.ceon.rs/article.aspx?artid=0042-84691004005M0

Mrdak, M., & Vencl, A. 2011. Uticaj parametara nanošenja NiCr prevlake plazma sprej postupkom u atmosferskim uslovima na njene mehaničke karakteristike i strukturu. Tehnička dijagnostika, 10(3), pp. 9-14. Taken from http://scindeks.ceon.rs/article.aspx?artid=1451-19751103009M

Mrdak, M. 2012. Study of the properties of plasma deposited layers of nickel-chrome-aluminium-yttrium coatings resistant to oxidation and hot corrosion. Vojnotehnički glasnik, 60(2), pp. 182-201. doi:10.5937/vojtehg1202182M

Mrdak, M. 2013. Characterization of sealing nickel - graphite coating in the system with bonding of nickel-aluminum coating. Vojnotehnički glasnik, 61(1), pp. 68-88.

Picas, J.A., Forn, A., Igartua, A., & Mendoza, G. 2003. Mechanical and tribological properties of high velocity oxy-fuel thermal sprayed nanocrystalline CrCNiCr coatings. Surface and Coatings Technology, 174-175,pp. 1095-1100. doi:10.1016/S0257-8972(03)00393-1

Sukhpal, , Singh, C., Hazoor, S., Buta, S., & Sidhu, S. 2012. Characterisation and Corrosion-Erosion Behaviour of Carbide based Thermal Spray Coatings. Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering, 11(6), pp. 569-586.

Suegama, P.H., Espallargas, N., & Guilemany, J.M. 2006. Electrochemical and structural characterization of heat-treated Cr3C2-NiCr coatings. Journal of the Electrochemical Society, 153,pp. 434-445.

Tillmann, W., Vogli, E., Baumann, I., Kopp, G., & Weihs, C. 2010. Desirability-Based Multi-Criteria Optimization of HVOF Spray Experiments to Manufacture Fine Structured Wear-Resistant 75Cr3C2-25(NiCr20) Coatings. J. Therm. Spray Technol, 19(1-2), pp. 392-408.

Verdon, C., Karimi, A., & Martin, J. 1998. A study of high velocity oxy-fuel thermally sprayed tungsten carbide based coatings. Part 1: Microstructures. Materials Science and Engineering: A, 246(1-2), pp. 11-24. doi:10.1016/S0921-5093(97)00759-4

Wheeler, D.W., & Wood, R.J.K. 2005. Erosion of hard surface coatings for use in offshore gate valves. Wear, 258(1-4), pp. 526-536. doi:10.1016/j.wear.2004.03.035

Wirojanupatump, S., Shipway, P.H., & Mccartney, D.G. 2001. The influence of HVOF powder feedstock characteristics on the abrasive wear behaviour of CrxCy-NiCr coatings. Wear, 249, pp. 829-837.

Objavljeno
2014/04/24
Rubrika
Originalni naučni radovi