Struktura i svojstva plazma sprej Aps - Nikal - Aluminid prevlake

Sažetak

Cilj ovog istraživanja je da se optimizacijom parametara deponovanja dobiju optimalne strukturne i mehaničke karakteristike Ni20Al slojeva, koji će se primeniti na delu za radarsku stanicu. Prah je deponovan atmosferskim plazma sprej (APS) postupkom sa plazma sprej (PS) odstojanjem 80, 90 i 100 mm. Prevlaka sa najboljim karakteristikama deponovana je na utvrđivaču  turbo- gasnog motora GTD 2PV8 za radarsku stanicu, da bi se smanjio uticaj oksidacije  i vibracija na habanje na 450–500°C. Procene Ni20Al slojeva prevlake urađene su na osnovu njihovih mikrostruktura, mikrotvrdoća i zatezne čvrstoće. Najbolju strukturu i mehaničke  karakteristike pokazali su slojevi deponovani sa plazma sprej odstojanjem od 80 mm. Morfologija površine deponovane prevlake i morfologija loma najboljih slojeva ispitana je na SEM-u (skening elektronskom mikroskopu). Mikrostruktura slojeva deponovanih prevlaka ispitana je na svetlosnom mikroskopu. Mikrostrukturna analiza deponovanih slojevima urađena je u skladu sa standardom Pratt-Whitney. Procena mehaničkih karakteristika slojeva urađena je ispitivanjem mikrotvrdoće metodom HV_0.3 i čvrstoće spoja ispitivanjem na zatezanje. Istraživanja su pokazala da plazma sprej odstojanje bitno utiče na mehaničke osobine i mikrostrukture prevlaka. Efekat primene Ni20Al prevlake ispitan je na utvrđivaču  turbogasnog motora GTD 2PV8 na radarskoj stanici.

Uvod

Kompozitni nikal-aluminid prah Ni20Al razvijen je za potrebe vazduhoplovne industrije. Važna karakteristika je dobro deponovanje praha plazma sprejom na atmosferskom pritisku (APS). Ovaj materijal ima dobru otpornost na oksidaciju,  koroziju i eroziju. Materijal se može proizvoditi kao legura ili kao  kompozitni prah. Najvažnija karakteristika nikal-aluminida je velika čvrstoća i žilavost  sa odličnom otpornošću na visoke temperature. NiAl prevlake deponovane plazma sprejom našle su široku primenu za zaštitu delova koji su izloženi povišenim i visokim temperaturama (Liu, White, 1985, pp.365-371), (Cahn, 1991, pp.18-25), (Chen, et al., 1993, pp.357-363), (Liu, Sikka, 1986, pp.13-16). Konkretno, ove prevlake imaju potencijalnu tražnju u avio-industriji i drugim industrijskim granama visokih performansi (Chen, et al., 1993, pp.357-363), (Liu, Sikka, 1986, pp.13-16). Ni20Al prevlaka tipično se koristi kao vezni sloj da poboljša adheziju naknadno deponovanog gornjeg sloja, kao srednji sloj za ublažavanje neusklađenosti materijala sa različitim koeficijentima termičkog širenja, kao oksidaciono otporan vezni sloj za radne temperature do 650°C, za zaštitu i revitalizaciju delova uzrokovanih habanjem, oksidacijom i vibracijama. Da bi se dobio funkcionalni sloj neophodno je pažljivo odabrati kombinaciju plazma sprej parametara. Jedan od bitnih atmosferski plazma sprej parametara je plazma sprej odstojanje koje znatno utiče na oksidaciju istopljenih čestica u toku deponovanja na podlogu i na veličinu i sadržaj pora. Prevlake deponovane sa optimalnim parametrima su guste sa metalurškom vezom na interfejsu sa osnovnim materijalom. Prah Ni20Al deponovan plazma sprej postupkom na atmosferskom pritisku proizvodi lamelarne prevlake, koje se sastoje od čvrstog rastvora  α-Ni u kojem se nalaze faze γ'-Ni₃Al i u tragovima faza NiAl (Knotek, Lugscheider, 1976, pp.244-251), (Knotek, et al., 1980, pp. 282-286). Po dvojnom dijagramu Ni-Al, faza γ'-Ni₃Al  se gradi sa  sadržajem aluminijuma od 12,5-14 tež.%Al, a faza NiAl sa  sadržajem aluminijuma preko 17 tež.%Al (ASM Handbook, 1992). Između lamela osnove na međugranicama se nalaze oksidi  NiO i γ -Al₂O₃ i pore.

U ovom radu prikazani su rezultati eksperimentalnih istraživanja uticaja plazma sprej odstojanja (PS) na mikrostrukturu i mehanička svojstva slojeva prevlake Ni20Al. Glavni cilj je bio da se prevlaka primeni na utvrđivaču  turbo- gasnog  motora GTD 2PV8 na radarskoj stanici. Urađene su tri grupe uzoraka sa tri različita plazma sprej odstojanja  80, 95 i 100 mm. Analizirane su i proučavane mikrostrukture i mehaničke karakteristike prevlaka da bi se odabrala prevlaka najboljeg kvaliteta. Prevlaka sa najboljim karakteristikama testirana je na utvrđivaču turbogasnog motora GTD 2PV8 na radarskoj stanici u periodu od 100 sati.

Materijali i eksperimentalni detalji

Materijal substrata na kojem su deponovani slojevi prevlake bio je od nerđajućeg čelika X15Cr13 (EN 1.4024) u termički neobrađenom stanju. Za proizvodnju prevlaka koristio se prah firme „Sulzer Metco” sa oznakom Metco 404NS. Prah Ni20Al je kompozitni  obloženi prah  sa 80 tež.%Ni i 20 tež.%Al sa rasponom granulacije čestica praha od 53 μm do 90 μm. Za depoziciju praha korišćen je plazma pištolj SG -100 atmosferski plazma sprej sistema (APS) firme „Plasmadyne”. Plazma sprej pištolj SG -100  sastojao se od katode tipa K 1083 -129 A , anode tipa A 2084-145 i gas injektora tipa  GI 2083-130. Kao gas korišćen je argon u kombinaciji sa helijumom i snaga napajanja od 40 KW. Plazma sprej odstojanje  bio je osnovni parametar za deponovanje praha. U eksperimentu su korišćena tri različita plazma sprej odstojanja 80 mm, 90 mm i 100 mm. Pre deponovanja praha površine substrata su se hrapavile belim plemenitim elektrokorundom Al₂O₃ sa česticama veličine od 0,7 do 1,5 mm. Prevlake su deponovane sa debljinom do 0,15 mm. Ispitivanje strukturnih i mehaničkih karakteristika prevlaka rađeno je prema standardu Pratt & Whitney (Turbojet Engine, 2002, Pratt & Whitney). Za merenje mikrotvrdoće i analizu mikrostrukture uzorci su bili dimenzija 70×20×1,5 mm. Mikrotvrdoća prevlaka rađena je duž slojeva prevlaka metodom Vickers (HV _0.3) sa opterećenjem od 300 g. Ispitivanje čvrstoće spoja  rađeno je metodom ispitivanja na zatezanje. Za merenje čvrstoće spoja između prevlake i substrata korišćeni su upareni uzorci dimenzija Ø25×50 mm od kojih je jedan bio sa deponovanom prevlakom. Ispitivanja su izvršena na sobnoj temperaturi pri brzini od 1 mm/min. Mikrostrukturna analiza slojeva prevlaka urađena je na svetlosnom mikroskopu. Morfologija površine deponovane prevlake i morfologija loma najboljih slojeva ispitana je na SEM-u (skening elektronskom mikroskopu).

Rezultati i diskusija

Vrednosti mikrotvrdoće slojeva prevlaka u direktnoj su vezi sa plazma sprej odstojanjem. Plazma sprej odstojanja bitno utiču na vrednosti mikrotvrdoće i čvrstoće spoja deponovanih slojeva. Slojevi Ni20Al prevlake deponovane sa najmanjim odstojanjem od 80 mm imaju vrednost mikrotvrdoće od  220HV_0.3 koja je u granicama koju propisuje proizvođač praha (190–230HV_0.3) (Material Product Data Sheet, 2011). Najveću vrednost mikrotvrdoće od 273 HV_0.3 imali su slojevi sa najvećim udelom oksida koji su deponovani sa plazma sprej odstojanjem od 100 mm. Slojevi prevlaka deponovanih sa većim odstojanjem imali su vrednosti mikrotvrdoće iznad propisanih vrednosti. Vrednosti mikrotvrdoća prevlaka bile su u skladu sa udelima oksida u deponovanim slojevima. Merenjem vrednosti zatezne čvrstoće spoja ustanovljeno je da su se za sva tri plazma sprej odstojanja dobile vrednosti više od 20.7MPa, koju propisuje proizvođač praha (Material Product Data Sheet, 2011). Sve deponovane prevlake imale su dobre vrednosti zatezne čvrstoće spoja koje proizilaze iz egzotermne reakcije Al i Ni koja se dešava za vreme depozicije praha (McPherson, Cheang, 1989), (Deevi, et al., 1997, pp.335-344), (Material Product Data Sheet, 2011). Najveću vrednost čvrstoće spoja od 39MPa pokazali su slojevi koji su deponovani sa najmanjim plazma sprej odstojanjem. Ti slojevi imali su najmanji udeo oksida NiO i Υ- Al₂O₃ i pora. Na slikama 3 i 4. su prikazane mikrostrukture slojeva deponovanih sa plazma sprej odstojanjem 80 mm, koji su imali najbolju mikrostrukturu i mehaničke karakteristike. Struktura prevlake je lamelarna. Slojevi prevlake deponovani su kontinualno bez prisustva mikropukotina i makropukotina. U slojevima nisu prisutne neistopljene čestice praha. Osnova prevlake sastoji se od čvrstog rastvora α - Ni svetlosive boje i intermetalnih faza γ'-Ni₃Al i NiAl (Sl.4). U lamelarnoj osnovi čvrstog rastvora i intermetalnih faza jasno se uočavaju tanki međulamelarni oksidni filmovi NiO i Υ- Al₂O₃ koji potiču od oksidacije Ni i Al u procesu hlađenja i očvršćavanja  istopljenih čestica praha (Knotek, Lugscheider, 1976, pp.244-251), (Knotek, et al., 1980, pp. 282-286). Kroz slojeve osnove jasno se uočavaju tamne inter-lamelarne i sferne pore. U slojevima prevlake se u manjem udelu uočavaju precipitati sfernog oblika. Precipitati su posledica sudara istopljenih čestica praha sa substratom i prethodno deponovanim slojem. Na slici 5. prikazana je (SEM) skening elektronska mikrofotografija površine Ni20Al prevlake deponovane sa plazma sprej odstojanjem 80 mm. Na mikrofotografiji se vidi da su istopljene čestice praha pravilno razlivene. U mikrostrukturi na površini prevlake nisu prisutne neistopljene čestice. U manjem udelu uočavaju se precipitati sfernog oblika. Duž granica deponovanih čestica uočavaju se među-lamelarne pore i pore nepravilnog oblika. Mikrostruktura  površine Ni20Al prevlake tipična je za (APS) atmosferski plazma sprej prevlake. Na slici 6. prikazana je mikrofotografija loma slojeva Ni20Al prevlake deponovane sa plazma sprej odstojanjem od 80 mm. Na prelomu se vidi morfologija loma NiAl prevlake. Prelom prevlake je žilav. Na mikrofotografiji se jasno vide interlamelarne pore i pore nepravilnog oblika koje su prisutne po celom preseku prevlake koje nisu bitno uticale na kohezionu i adhezionu čvrstoću.

Zaključak

Atmosferski plazma sprej postupkom su deponovane Ni20Al prevlake sa tri različita (PS) plazma sprej odstojanja 80, 90 i 100 mm. U ovom radu, istraživane su i analizirane mehaničke i mikrostrukturne karakteristike deponovanih slojeva na svetlosnom mikroskopu i (SEM) skening elektronskom mikroskopu, na osnovu čega se došlo do sledećih zaključaka.

Mikrotvrdoća, zatezna čvrstoća spoja i mikrostrukture prevlaka su bile u skladu sa uslovima plazma sprej deponovanja praha. Vrednosti mikrotvrdoće prevlaka se povećavaju sa povećanjem plazma sprej odstojanja zbog oksidacije istopljenih čestica. Slojevi prevlake deponovane sa najvećim plazma sprej odstojanjem 100 mm su imali najveće vrednosti mikrotvrdoće. Slojevi deponovani sa plazma sprej odstojanjem 80 mm su imali vrednosti mikrotvrdoće u granicama koje je propisao proizvođač praha. Ti slojevi imali su najmanji udeo oksida NiO i Υ- Al₂O₃ .

Najveću vrednost zatezne čvrstoće spoja su pokazali slojevi sa najmanjim plazma sprej odstojanjem koji su u mikrostrukturi imali najmanji udeo oksida. Za sve ispitivane prevlake lom je išao na interfejsu između prevlake i substrata.

Struktura slojeva deponovanih prevlaka je lamelarna. Metalografska analiza prevlaka na svetlosnom mikroskopu je pokazala da se osnova prevlake sastoji od čvrstog rastvora α - Ni i intermetalnih faza γ'-Ni₃Al i NiAl. U lamelarnoj osnovi čvrstog rastvora su prisutni tanki međulamelarni oksidni filmovi NiO i Υ- Al₂O₃ koji potiču od oksidacije Ni i Al u procesu hlađenja i očvršćavanja  istopljenih čestica praha. U slojevima prevlaka su prisutne interlamelarne i sferne pore. U slojevima prevlaka nisu prisutni grubi oksidi, neistopljene čestice, mikropukotine i makropukotine. Dobijeni rezultati su pokazali da plazma sprej odstojanje bitno utiče na strukturu i mehaničke karakteristike slojeva prevlaka.