ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ Ι ΙΟΤΗΤΩΝ ΕΡΠΥΣΜΟΥ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΩΝ ΙΑΜΟΡΦΩΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ Ι ΙΟΤΗΤΩΝ ΕΡΠΥΣΜΟΥ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΩΝ ΜΕΣΩ ΘΕΡΜΙΚΟΥ ΨΕΚΑΣΜΟΥ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΩΝ ΠΑΧΩΝ ΤΟΥΣ ΑΝΤΩΝΙΟΣ ΕΥΓ. ΛΟΝΤΟΣ ΙΠΛ. ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ (Α.Π.Θ.) ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, Φεβρουάριος 2002

2

3 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΩΝ ΙΑΜΟΡΦΩΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΑΝΤΩΝΙΟΣ ΕΥΓ. ΛΟΝΤΟΣ ΙΠΛ. ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΤΟΥ Α.Π.Θ. από τον Χλώρακα - Πάφου Κύπρου ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ Ι ΙΟΤΗΤΩΝ ΕΡΠΥΣΜΟΥ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΩΝ ΜΕΣΩ ΘΕΡΜΙΚΟΥ ΨΕΚΑΣΜΟΥ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΩΝ ΠΑΧΩΝ ΤΟΥΣ ιδακτορική ιατριβή που υποβλήθηκε στο τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης, για την απόκτηση του ιδακτορικού ιπλώµατος. (Αρ. 13/ΕΕ Μ) Μέλη της Τριµελούς Συµβουλευτικής Επιτροπής: 1. Κ.-. Μπουζάκης, Καθηγητής, Επιβλέπων της ιατριβής 2. Σ. Μήτση, Αναπλ. Καθηγήτρια 3. Ι. Τσιάφης, Επίκ. Καθηγητής Λοιπά Μέλη Επταµελούς Εξεταστικής Επιτροπής: 4.. Τσιπάς, Καθηγητής, 5. Σ. Σκολιανός, Αναπλ. Καθηγητής, 6. Κ. Ευσταθίου, Επικ. Καθηγητής και 7. Χ. Καραχάλιου, Επικ. Καθηγήτρια. Ηµεροµηνία προφορικής εξέτασης, 26Φεβρουαρίου II-

4

5 Πρόλογος Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια της δραστηριότητας µου σαν επιστηµονικός συνεργάτης στο Εργαστήριο Εργαλειοµηχανών και ιαµορφωτικής Μηχανολογίας (ΕΕ Μ) του Τµήµατος Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης. Όταν ο στόχος γίνεται πραγµατικότητα πρέπει να αποδίδονται και να εκφράζονται µε έµπρακτο τρόπο ευχαριστίες σε όλους εκείνους, οι οποίοι βοήθησαν στην υλοποίηση αυτού του γεγονότος. Έτσι και εγώ νοιώθω την πραγµατική ανάγκη να ευχαριστήσω τα πρόσωπα που έπαιξαν µικρό ή µεγάλορόλοέτσιώστεαυτόςοστόχος, που εδώ και µερικάχρόνιαείχαπάντοτεστησκέψηµου, τελικά έγινε πραγµατικότητα. Θα ήθελα να ευχαριστήσω πρώτο στην σειρά και σηµασία τον καθηγητή µου κ. Κωνσταντίνο Μπουζάκη για την εµπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπο µου. Η ουσιαστική καθοδήγηση και σηµαντική επίβλεψή του επιτάχυνε κατά πολύ όλες τις ερευνητικές δραστηριότητες µου, ενώ η εµπειρία του µε κράτησε στο σωστό δρόµο και µακριά από άστοχες αναζητήσεις. εν ξεχνώ ακόµα την συµβολή της Αν. Καθ. κ. Σεβαστής Μήτση, του Επ. Καθ. Ιωάννη Τσιάφη και του Επ. Καθ. κ. Κυριάκου Ευσταθίου για τις συµβουλές και τις κρίσεις τους όποτε τις χρειάστηκα. Θέλω να ευχαριστήσω τον φίλο ρ. Βιδάκη Νεκτάριο που µε εµπιστεύτηκε και ενέπλεξε σε αυτή την περιπέτεια, στον οποίο χρωστώ πολλά τόσο σε επιστηµονικό επίπεδο όσο και σε επίπεδο συνεργασίας και πραγµατικής φιλίας. Ακόµα ευχαριστώ τον συνεργάτη και συνάδελφο Νίκο Μιχαηλίδη ο οποίος ήταν το πιο κοντινό και άµεσο στήριγµα σε αυτή µου την διαδροµή. Ευχαριστώ επίσης τους συναδέρφους Κώστα αυίδ, Γιώργο Γιακουµάκη και Βασίλη Κεχαγιά µε τους οποίους συνεργαστήκαµε για κάποιο χρονικό διάστηµα, αλλά και τους συνεργάτες του ΕΕ Μ και τους φοιτητές τωνοποίωνσυνεπέβλεψατηνδιπλωµατική εργασία για την όποια βοήθεια ή και συµπαράσταση τους. Όσο αφορά ένα αρκετά σηµαντικό κοµµάτι της διατριβής µου που έχει να κάνει µε την Ηλεκτρονική Μικροσκοπία και φασµατογραφία, χρωστώ πολλά στην κ. Ελένη Παυλίδου. Σε προσωπικό επίπεδο θέλω να ευχαριστήσω τους γονείς µου για τον ιδιαίτερο τρόπο που µε στήριξαν. Ιδιαίτερα ξεχωριστή ηθική συµπαράσταση και βοήθεια εισέπραξα από τον αδερφό µου Μάριο και την αδερφή µου Λάουρα, όπου τους αξίζει ένα µεγάλο ευχαριστώ. Τέλος και σε απολύτως προσωπικό επίπεδο το πιο µεγάλο ευχαριστώ, απευθύνεται στην σύντροφο µου Κατερίνα, η οποία ήταν πάντοτε πρόθυµη να µου συµπαρασταθεί στην οποιαδήποτε επιστηµονική µου ανησυχία και να ανεχθεί τους ρυθµούς µου. Θεσσαλονίκη, Φεβρουάριος 2002 Αντώνιος Λόντος -III-

6

7 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Πίνακας συµβόλων και συντοµογραφιών.... VII 1. Εισαγωγή Στάθµη Γνώσεων Επικαλύψεις που κατασκευάζονται µε τηµέθοδο θερµικού ψεκασµού Επικαλύψεις που κατασκευάζονται µε τη µέθοδο flame spray (ψεκασµός µε φλόγα) Επικαλύψεις που κατασκευάζονται τη µέθοδο atmospheric plasma spray (ψεκασµός πλάσµατος σε ατµοσφαιρικές συνθήκες) Επικαλύψεις που κατασκευάζονται µε τηµέθοδο plasma spray υπό κενό (Vacuum Plasma Spray-VPS) Επικαλύψεις που κατασκευάζονται µε τηµέθοδο ψεκασµού φλόγας υψηλής ταχύτητας (High Velocity Oxy/Fuel-HVOF) Μορφές ατελειών που µπορεί να παρουσιαστούν στην δοµή τωνθερµικών επικαλύψεων Μέθοδοι προσδιορισµού των µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων Προσδιορισµός της καµπύλης τάσης παραµόρφωσης των λεπτών επικαλύψεων ιαδικασία προσδιορισµού της σκληρότητας του υποστρώµατος και των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους οκιµασίες επαναλαµβανόµενου κρουστικού φορτίου στις επικαλύψεις Σκοπός της εργασίας Υπάρχουσες διατάξεις οι οποίες χρησιµοποιήθηκαν για την διεξαγωγή των πειραµατικών διαδικασιών, εύρεσης των µηχανικών και τεχνολογικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων Μονάδα θερµικού ψεκασµού και προετοιµασία επικαλυµµένων δοκιµίων IV-

8 4.1.1 Προετοιµασία µικροκοκκοβολής (grit blasting) του υποστρώµατος για να γίνει η εναπόθεση επικαλύψεων που παράγονται µε την µέθοδο του θερµικού ψεκασµού ιαδικασία εναπόθεσης στα τετραγωνικής διατοµής δοκίµια ιαδικασία τελικού φινιρίσµατος των επικαλυµµένων δοκιµίων Προσδιορισµός της δοµής των θερµικών επικαλύψεων Χρήση του δοκιµαστηρίου κρούσης για τον πειραµατικό προσδιορισµό των θερµικών επικαλύψεων σε δυναµικό ερπυσµό Κατασκευή αυτοµατοποιηµένης πειραµατικής συσκευής για την διεξαγωγή πειραµάτων στατικού ερπυσµού, καθώς επίσης και για την εύρεση των µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους Σχεδιοµελέτη και κατασκευή πειραµατικής συσκευής Μηχανικό µέρος της πειραµατική συσκευής ιάταξη πνευµατικών και ηλεκτρολογικών στοιχείων της πειραµατική συσκευής Πειραµατικός προσδιορισµός της συµπεριφοράς των θερµικών επικαλύψεων σε ερπυσµό µε την βοήθεια του δοκιµαστηρίου στατικής φόρτισης Χρήση πειραµατικού δοκιµαστηρίου για την εύρεση των µηχανικών ιδιοτήτων των θερµικών επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους Μέθοδοι προσδιορισµού των ελαστοπλαστικών ιδιοτήτων των θερµικών επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους Πειραµατικός αναλυτικός προσδιορισµός του µέτρου ελαστικότητας των υπό εξέταση θερµικών επικαλύψεων Πειραµατική αναλυτική µέθοδος για τον προσδιορισµό της καµπύλης τάσης παραµόρφωσης των υλικών Ηδιαδικασίαµοντελοποίησης µέσω των πεπερασµένων στοιχείων (FEM) Τυπικές καµπύλες του νόµου κράτυνσης των υλικών των επικαλύψεων και υποστρωµάτων, όπως προσδιορίστηκαν µέσω του µοντέλου FEM V-

9 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και στατικού ερπυσµού, µε την βοήθεια πειραµατικών και αναλυτικών µεθοδολογιών Πειραµατική διαδικασία µέσω του δοκιµαστηρίου κρούσης Πειραµατική διαδικασία µέσω του δοκιµαστηρίου στατικής φόρτισης Αναλυτικός προσδιορισµός της δυναµικής και στατικής συµπεριφοράς σε ερπυσµό, µέσω της προσοµοίωσης µε τηνµέθοδο FEM Τυπικά αποτελέσµατα των εξεταζόµενων επικαλύψεων ιερεύνηση και βελτιστοποίηση της δυναµικής συµπεριφοράς των πολυστρωµατικών επικαλύψεων οκιµασία κρούσης σε πολυστρωµατικές επικαλύψεις Σύγκριση µεταξύ των µονοστρωµατικών και πολυστρωµατικών επικαλύψεων Ανάπτυξη του µηχανισµού του ερπυσµού σε πολυστρωµατικές επικαλύψεις Βελτιστοποίηση του σχεδιασµού των πολυστρωµατικών επικαλύψεων, λαµβάνοντας υπόψη την συµπεριφορά τους σε ερπυσµό ηµιουργία βάσης δεδοµένων των µηχανικών ιδιοτήτων των εξεταζόµενων θερµικών επικαλύψεων, για την αποφυγή του ερπυσµού κατά την λειτουργία τους Σύνοψη και συµπεράσµατα Βιβλιογραφία Extended summary in English VI-

10

11 Πίνακας συµβόλων και συντοµογραφιών APS : Ψεκασµός Πλάσµατος σε Ατµοσφαιρικές Συνθήκες (Atmospheric Plasma Spray) CVD : Χηµική Εναπόθεση Ατµών (Chemical Vapour Deposition) EDX : Μικροφασµατική ανάλυση (Energy Dispersive X-Ray analysis) FEM : Finite Element Method (Μέθοδος Πεπερασµένων Στοιχείων) HVOF : Ψεκασµός Φλόγας Υψηλής Ταχύτητας (High Velocity Oxygen Fuel) PVD : Φυσική Εναπόθεση Ατµών (Physical Vapour Deposition) SEM : Scanning Electron Microscopy (Ηλεκτρονικό Σαρωτικό Μικροσκόπιο) VPS : Ψεκασµός Πλάσµατος υπό Κενό (Vacuum Plasma Spray) E : Μέτρο ελαστικότητας (GPa) F b : Στατική φόρτιση (N) F imp : ύναµη κρούσης(n) HB : Σκληρότητα κατά Brinell f : Συχνότητα κρούσης (Hz) P max : Μέγιστη πίεση (GPa) R E : Όριο διαρροής (GPa) R Μ : Όριο θραύσης (GPa) S C : Κρίσιµη τάσηερπυσµού (GPa) S 1 : Αναπτυσσόµενητάσηστηνεπιφανειακήστοιβάδα(GPa) S 2 : Αναπτυσσόµενητάσηστηνενδιάµεση στοιβάδα (GPa) S eqv : Ισοδύναµη τάσηκατάvon Mises (GPa) T d : Θερµοκρασία εναπόθεσης επικάλυψης ( o C) T : Χρόνος φόρτισης (min) t : Πάχος επικάλυψης (µm) h : Μέγιστο βάθος αποτυπώµατος (µm) α : Ακτίνα κύκλου επαφής (mm) Ν : Αριθµός κρουστικών φορτίσεων ν : Σταθερά Poisson -VII-

12

13 1. Εισαγωγή 1. Εισαγωγή Η χρήση των λεπτών µεταλλικών στοιβάδων ως προστατευτικό µέσο διαφόρων µηχανολογικών ή µη στοιχείωνκαιεξαρτηµάτων, είναι γνωστή µεθοδολογία εδώ και εκατοντάδες χρόνια. Στην αρχή αυτή η µέθοδος, στηγενικήτηςµορφή, ξεκίνησε και χρησιµοποιήθηκε για να προστατεύει τα διάφορα χρήσιµα υλικά από την σκουριά και να αυξάνει την αντοχή τους στο χρόνο, αλλά και σαν διακοσµητικό υλικό σε προϊόντα καθηµερινής χρήσεως. Πολλά παραδείγµατα για την χρήση διαφόρων µεταλλικών επικαλύψεων σε διάφορα χρήσιµα και σηµαντικά αντικείµενα, βρίσκονται σε διάφορα µουσεία όπου φαίνεται το πόσο καλά προστατεύουν το βασικό υλικό, όπως επίσης άλλα περιγράφονται σε σχετικά συγγράµµατα /1/. Με το πέρασµα των χρόνων η αναγκαιότητα της χρήσης διαφόρων τύπων επικαλύψεων ως µέθοδος αύξησης της διάρκειας ζωής αλλά και της επιφανειακής επιβελτίωσης των µετάλλων, προέκυψε από συγκεκριµένες τεχνολογικές απαιτήσεις. Τόσο οι τεχνικές προδιαγραφές όσο και η ανάγκη για µείωση του κόστους κατεργασίας και κατασκευής του τεράστιου αριθµού των βιοµηχανικών προϊόντων µε υψηλέςαπαιτήσεις, συνιστούν την χρήση τέτοιων επιφανειακών στοιβάδων όπου η θετική συνεισφορά τους στην τελική βελτιστοποίηση αυτών των προϊόντων είναι αναµφισβήτητη /2/. Όσο αφορά την αναβάθµιση των επιφανειακών ιδιοτήτων των διαφόρων στοιχείων µηχανών, πρέπει να αναφερθεί ότι πέρα από την χρήση αυτών των επιφανειακών στοιβάδων, υπάρχουν αξιόλογες µηχανικές και θερµικές µεθοδολογίες, οι οποίες βασίζονται κυρίως στην µηχανική παραµόρφωση και κράτυνση της επιφάνειας των υλικών, όσο και µεθοδολογίες διάχυσης που βασίζονται στην µεταβολή της επιφανειακής σύστασης τους µέσω µηχανισµών διάχυσης. Οι µεθοδολογίες αυτές προσφέρουν σηµαντικές υπηρεσίες και χρησιµοποιούνται ευρέως για την αντιµετώπιση απαιτητικών προδιαγραφών σε κλίµακα βιοµηχανικής παραγωγής /3/. Τα αναµφισβήτητα πλεονεκτήµατα αυτών των µεθοδολογιών όσο αφορά την βελτιστοποίηση των επιφανειακών ιδιοτήτων των διαφόρων υλικών, έχουν περιορισµένη δυναµικότητα αφού το µόνο που καταφέρνουν είναι η κρυσταλλική µετατροπή ενός ήδη υπάρχοντος υλικού. Από την άλλη µεριά, οι διάφορες σύγχρονες µεθοδολογίες της επιφανειακής επιβελτίωσης των υλικών µέσω επιφανειακών επικαλύψεων, στηρίζονται σε µια εντελώς διαφορετική σχεδιαστική και παραγωγική φιλοσοφία, δηµιουργώντας ένα ή ακόµη και περισσότερα διακριτά επιφανειακά στρώµατα µε πάχος από µερικά µικρόµετρα (µm) έως λίγα χιλιοστά του µέτρου (mm), από υλικά µε διαφορετική σύσταση και ιδιότητες από αυτό του βασικού υλικού /4/. -1-

14 1. Εισαγωγή Ανάλογα µε τη εφαρµοζόµενη µεθοδολογία για την δηµιουργία αυτών των επιφανειακών στρωµάτων, επιτυγχάνονται επικαλύψεις µε αναβαθµισµένες µηχανικές, φυσικές και χηµικές ιδιότητες, οι οποίες µπορούν να ανταποκριθούν µε συνέπεια στις αυξηµένες απαιτήσεις και το σκοπό για τον οποίο προορίζονται /5, 6/. Μερικές ιδιότητες που έχουν αυτές οι επιφανειακές στοιβάδες είναι η µεγάλη σκληρότητα τους, το αυξηµένο µέτρο ελαστικότητάς τους, η αντοχή τους σε κόπωση, φθορά, τριβή, απόξεση καθώς επίσης και η αντίσταση τους σε θερµοµηχανικές τάσεις, διάβρωση ή οξείδωση /2/. Οι πιο γνωστές µέθοδοι επιφανειακών επικαλύψεων που χρησιµοποιούνται στα κοπτικά εργαλεία προσδίδοντάς τους υπερδιπλάσια διάρκεια ζωής είναι η µέθοδος της Χηµικής Εναπόθεσης Ατµών (CVD) και της Φυσικής Εναπόθεσης Ατµών (PVD), όπου το πάχος τους περιορίζεται από µερικά µικρόµετρα έως µερικές δεκάδες /7, 8, 9, 10/. Μια άλλη αρκετά διαδεδοµένη µέθοδος όπου και διερευνάται στην παρούσα διατριβή, είναι η µέθοδος εναπόθεσης µε ψεκασµό (thermal spay), όπου τα πάχη τα οποία επιτυγχάνονται µέσω αυτής της µεθοδολογίας είναι από µερικές δεκάδες µικρόµετρα (µm) έως λίγα χιλιοστά του µέτρου (mm). Η µέθοδος αυτή στηρίζεται στην ταχεία τήξη του υλικού της επικάλυψης, που µπορεί να είναι υπό µορφή σκόνης ή ηλεκτροδίου (plasma spray or flame spray method), όπου στη συνέχεια µέσω αδρανών αερίων επιταχύνεται και ψεκάζεται στο βασικό υλικό, δηµιουργώντας έτσι ένα λεπτό στρώµα. Ανάλογα µε τον τρόπο και την µέθοδο όπου γίνεται η εναπόθεση αλλά και οι συνθήκες που επικρατούν κατά την διάρκεια που ψεκάζεται η επικάλυψη, καθορίζονται και οι ιδιότητες της όπως επίσης και το πάχος το οποίο θα αναπτυχθεί στην επιφάνεια του βασικού υλικού. Μέσω της χρήσης της µεθόδου του θερµικού ψεκασµού µπορούν να επιτευχθούν φυσικές, χηµικές και µηχανικές ιδιότητες που να ανταποκρίνονται στις προσδοκίες µεγάλου φάσµατος µηχανολογικών εξαρτηµάτων. Η πολύ ικανοποιητική και σχετικά οικονοµική επιφανειακή αναβάθµιση αυτών των στοιχείων µηχανών τα οποία στις περισσότερες φορές παρουσιάζουν περιορισµένες ιδιότητες, την έχουν κάνει µια αρκετά διαδεδοµένη πρακτική. Παράλληλα µε αυτά, αλλά και µε την χρήση της σύγχρονης τεχνολογίας στους διάφορους ποιοτικούς ελέγχους, είναι εφικτή η ποιοτική καταγραφή και αξιολόγηση αυτών των επικαλύψεων. Μέσα από αυτή την αξιολόγηση είναι δυνατό να εντοπιστούν τα διάφορα προβλήµατα και ατέλειες τους. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα την βελτίωση της ποιότητας και της διάρκειας ζωής τους αφού εντοπίζονται και επιλύονται διάφορα προβλήµατα. Μερικά από αυτά τα προβλήµατα µπορείναοφείλονταιστηνίδιατην µεθοδολογία όπου η δυνατότητα περαιτέρω βελτιστοποίησης τους είναι αρκετά περιορισµένη. Άλλα πάλι µπορείναοφείλονταιτόσοστην προετοιµασία, όσο και στις συνθήκες όπου γίνεται η εναπόθεση των επικαλύψεων πάνω στα διάφορα τεµάχια. -2-

15 1. Εισαγωγή Πέρααπόαυτάταπροβλήµατα που έχουν να κάνουν αποκλειστικά µε τον τρόπο µε τον οποίο γίνεται η εναπόθεση των επικαλύψεων θερµικού ψεκασµού, ένα άλλο εξίσου σηµαντικό πρόβληµα είναι και η επιλογή της κατάλληλης σύνθεσης της επικάλυψης που θα εναποτεθεί στα διάφορα στοιχεία µηχανών, όταν είναι γνωστές οι συνθήκες στις οποίες πρόκειται να λειτουργήσει. Λόγω του µεγάλου αριθµού των διαφορετικών επικαλύψεων που µπορούν να κατασκευαστούν µε τηνµέθοδο αυτή, για συγκεκριµένες συνθήκες λειτουργίας, µπορούν να χρησιµοποιηθούν περισσότερες από ένα είδος επικάλυψης. Φυσικά τόσο η εµπειρία όσο και η σχετική βιβλιογραφία, είναι σε θέση να δώσουν µια πρώτη προσέγγιση για τον τύπο του υλικού της επικάλυψης που µπορεί να χρησιµοποιηθεί /11/. Η παρούσα εργασία ασχολείται µε την συστηµατική διερεύνηση της µηχανικής συµπεριφοράς των επικαλύψεων που παράγονται µε την µέθοδο του θερµικού ψεκασµού, τόσο σε δυναµικά όσο και σε στατικά φορτία. Μια πρώτη προσέγγιση για τον ποιοτικό χαρακτηρισµό τέτοιων επικαλύψεων γίνεται µε την καταγραφή της σκληρότητάς τους, του µέτρου ελαστικότητας τους και του ορίου διαρροής τους. Άλλα σηµαντικά στοιχεία της συµπεριφοράς των επικαλύψεων είναι η χαρακτηριστική καµπύλη τάσης-παραµόρφωσης τους. Στην περίπτωση των θερµικών επικαλύψεων ένα άλλο χαρακτηριστικό που µπορεί να εµφανιστεί στην επικάλυψη όταν οι συνθήκες στις οποίες λειτουργεί είναι αρκετά έντονες, είναι το φαινόµενο του ερπυσµού. Η ανάπτυξη του µηχανισµού του ερπυσµού στις διάφορες επικαλύψεις συχνά οδηγεί σε ταχεία καταστροφή του επικαλυµµένου στοιχείου. Ηεµφάνιση του φαινοµένου του ερπυσµού οφείλεται στο γεγονός ότι η αναπτυσσόµενη µεταλλική ή κεραµική δοµή αυτών των επικαλύψεων παρουσιάζει πόρους σε µεγάλο ή µικρό βαθµό. Ένας άλλος λόγος όπου συµβάλει στην ανάπτυξη αυτού του µηχανισµού, είναι οι ατέλειες στο εσωτερικό της δοµής τους που οφείλονται στην µη επαρκή τήξη των κόκκων που ψεκάζονται. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής έγινε µια συστηµατική προσπάθεια για τον προσδιορισµό των µηχανικών ιδιοτήτων και ειδικά του ερπυσµού, των επικαλύψεων που κατασκευάζονται µε την µέθοδο του θερµικού ψεκασµού. Τόσο τα πειραµατικά όσο και τα υπολογιστικά αποτελέσµατα που παρουσιάζονται, βοήθησαν στο να γίνει κατανοητός ο τρόπος µε τον οποίο συµπεριφέρονται αυτές οι επικαλύψεις, όταν οι συνθήκες λειτουργίας είναι αρκετά έντονες. -3-

16 2. Στάθµη Γνώσεων 2. Στάθµη Γνώσεων 2.1 Επικαλύψεις που κατασκευάζονται µε τη µέθοδο του θερµικού ψεκασµού (thermal spray) Με τον όρο θερµικός ψεκασµός (thermal spray) περιγράφεται ένα σύνολο διεργασιών, κατά τις οποίες µεταλλικά ή κεραµικά σωµατίδια που βρίσκονται σε κατάσταση τήξης ή ρευστοποίησης, σε υψηλή θερµοκρασία, εκτοξεύονται και εναποτίθενται µε ψεκασµό µέσω ενός πιστολιού, στην κατάλληλα προετοιµασµένη επιφάνεια του υποστρώµατος µε σκοπό την παραγωγή µιας επικάλυψης µε προδιαγραµµένες ιδιότητες και χαρακτηριστικά /15, 16/. Ως πρώτη ύλη για την δηµιουργία του στρώµατος της επικάλυψης χρησιµοποιείται κατάλληλη συγκεκριµένης κοκκοµετρίας µεταλλική ή κεραµική σκόνη ή κατάλληλο σύρµα, τα οποία τροφοδοτούνται σε ειδικό πιστόλι όπου και θερµαίνονται σε υψηλή θερµοκρασία. Στο πίνακα 2.1 παρουσιάζονται µερικοί πολύ συνηθισµένοι τύποι θερµικών επικαλύψεων που βρίσκουν εφαρµογές σε διάφορα εξαρτήµατα. Στις στήλες αυτού του πίνακα φαίνονται οι κύριες ιδιότητες που έχουν αυτές οι επικαλύψεις, όπως επίσης και οι µέγιστες θερµοκρασίες στις οποίες µπορούν να λειτουργήσουν. Για την επίτευξη της τήξης σε υψηλή θερµοκρασία του βασικού υλικού της επικάλυψης, χρησιµοποιούνται καύσιµα αέρια, χρήση ηλεκτρικού τόξου ή πλάσµατος (θερµό ιονισµένο αέριο). Από την οπή του πιστολιού εκτοξεύονται τα τηγµένα σταγονίδια µε µορφή ρεύµατος (spray) τα οποία προσκρούουν µε µεγάλη ταχύτητα στην προς επικάλυψη επιφάνεια /17, 18/. Οι ιδιότητες των επιφανειακών στοιβάδων εξαρτώνται από τον συνδυασµό τηςχηµικής τους σύνθεσης και τη δοµή που αποκτούν ανάλογα µε την τεχνική ανάπτυξης τους. Έτσι από τις ιδιότητες των επικαλύψεων καθορίζεται και η απόδοση τους στα διάφορα εξαρτήµατα, όπως είναι η διάρκεια ζωής τους, οτρόποςµε τον οποίο επέρχεται η αστοχίας τους και η χηµική τους σταθερότητα σε δυσµενή τοξικά περιβάλλοντα. Είναι γεγονός ότι η πρόβλεψη της διάρκειας ζωής των επικαλυµµένων εξαρτηµάτων στηρίζεται τόσο στην καλή γνώση των ιδιοτήτων των υλικών των επικαλύψεων, όσο και στον τρόπο µε τον οποίο συµπεριφέρονται κάτω από στατικά ήδυναµικά εντατικά πεδία. Με την βοήθεια της σύγχρονης τεχνολογίας, γίνεται συστηµατική διερεύνηση των υλικών που χρησιµοποιούνται ως στοιβάδες µονοστρωµατικών και πολυστρωµατικών επικαλύψεων (monolayers και multilayers). Οι σύγχρονες µηχανολογικές εφαρµογές επιβάλλουν την -4-

17 2. Στάθµη Γνώσεων ανάπτυξη νέων τύπων επικαλύψεων, για την δηµιουργία δοµών µε αυξηµένη αποδοτικότητα και βελτιωµένες µηχανικές ιδιότητες /19, 20/. α/α Υλικό επικάλυψης Μέγιστη θερµοκρασία λειτουργίας ( Ο C) Κύριες ιδιότητες 1 Ανοξείδωτος χάλυβας (304) Αντιδιαβρωτικό υλικό 2 Ανοξείδωτος χάλυβας (316) Αντιδιαβρωτικό υλικό 3 Ανοξείδωτος χάλυβας (420) Αντίσταση στη φθορά, ιαστατική επαναφορά 4 Νικέλιο (Ni)-Αλουµίνιο (Al) 800 Αντοχή σε οξείδωση σε µεγάλες θερµοκρασίες 5 Καρβίδιο χρωµίου (Cr 3 C 2 )- Αντοχή σε φθορά τριβής, 1800 χρώµιο (Cr) αντιδιαβρωτικό 6 Καρβίδιο βολφραµίου (WC)- Άριστη αντοχή σε φθορά, % κοβάλτιο (Co) αντοχή σε θερµικό σοκ 7 Καρβίδιο βολφραµίου (WC)- Άριστη αντοχή σε φθορά, % κοβάλτιο (Co) αντοχή σε θερµικό σοκ 8 Καρβίδιο βολφραµίου (WC)- Καλή αντοχή σε φθορά και καρβίδιο χρωµίου (Cr 3 C 2 ) διάβρωση Νικέλιο (Ni) 9 Καρβίδιο βολφαµίου (WC)- Καλή αντοχή σε φθορά και 1000 χρώµιο (Cr)-κοβάλτιο (Co) διάβρωση 10 Οξείδιο αλουµινίου (Al 2 O 3 ) 1800 Υψηλή διηλεκτρική αντοχή 11 ιοξείδιο τιτανίου (TiO 2 ) 1000 Σκληρό, ανθεκτικό, αντοχή σε απόξεση 12 Οξείδιο χρωµίου (Cr 2 O 3 ) 1300 Αντοχή σε απόξεση, αντιδιαβρωτικό Πίνακας 2.1: Υλικά που χρησιµοποιούνται στην εναπόθεση µε την µέθοδο του θερµικού ψεκασµού (thermal spray). Κατά την διάρκεια της διαδικασίας εναπόθεσης µε τηνµέθοδο του θερµικού ψεκασµού (thermal spray), αναπτύσσονται υλικά υψηλής τεχνολογίας, όπως µεταλλικά κράµατα, κεραµικά ή καρβίδια σε υποστρώµατα που χρησιµοποιούνται ευρύτατα στη βιοµηχανία. Ο συνδυασµός process-coating µπορεί να επιλεγεί έτσι ώστε η δηµιουργούµενη επικάλυψη να αναπτύξει ιδιότητες όπως είναι αντίσταση στην θερµότητα, στη φθορά, στη διάβρωση αλλά και να εξασφαλίζονται οι απαραίτητες µηχανικές της ιδιότητες, όπως η εσωτερική της συνοχή -5-

18 2. Στάθµη Γνώσεων (cohesion), ησυνάφειατηςµε τουπόστρωµα (adhesion), καθώςεπίσηςκαιηδυναµική της αντοχή σε κρουστικά περιοδικά φορτία (impact loading) /23/. Η τεχνολογία της εναπόθεσης µε την µέθοδο του θερµικού ψεκασµού (thermal spray) που έχει εισαχθεί στη σύγχρονη µηχανολογία, δίνει τη δυνατότητα προστασίας των διάφορων εξαρτηµάτων κάτω από ιδιαίτερα έντονες συνθήκες λειτουργίας τους. Οι επικαλύψεις αυτές αυξάνουν την αντοχή και διάρκεια ζωής των εξαρτηµάτων, προσδίδοντας τους µεγαλύτερη αξιοπιστία κατά την λειτουργία τους. Οι επικαλύψεις που παράγονται µε την τεχνική του θερµικού ψεκασµού, έχουν πάχος που κυµαίνεται συνήθως από 0.1 µέχρι 1.5 mm και αποτελούνται από ενωµένα στερεοποιηµένα σωµατίδια διαφόρων µεγεθών, σχηµάτων και σηµείου τήξεως. Έτσι η σύνθεση και οι µηχανικές ιδιότητες των επικαλύψεων θα διαφοροποιούνται, τόσο από το είδος των υλικών προς εναπόθεση όσο και από την τεχνική ανάπτυξης thermal spraying. Οι τεχνικές thermal spray ανήκουν στην κατηγορία της ανάπτυξης επιµεταλλώσεων και επικαλύψεων µε θερµικό ψεκασµό. Οι ιδιότητες αυτών των επικαλύψεων, οι οποίες µελετούνται στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, στηρίζονται κυρίως στις τεχνικές plasma spray και flame spray. Ανεξάρτητα από τη µορφή που βρίσκεται η πρώτη ύλη από την οποία κατασκευάζεται το στρώµα της επικάλυψης (σύρµα, µπακέτα ή σκόνη) κατά τη διαδικασία εναπόθεσης, γίνεται ψεκασµός τηκόµενων ή ηµιτηκόµενων σωµατιδίων πάνω στο υπόστρωµα του προς επικάλυψη µηχανολογικού τεµαχίου, αφού πρώτα έχει υποστεί την διαδικασία της προετοιµασίας της επιφάνειας του µε τηνµέθοδο της µικροκοκκοβολής. Τα ψεκαζόµενα σωµατίδια που είναι υπό µορφή λειωµένων σφαιριδίων (splats) δοµούν ουσιαστικά το στρώµα της επικάλυψης, αφού απλώνονται ή σπάζουν σε µικρότερα µεγέθη /21/. Τα σωµατίδια αυτά έχουν µέγεθος από 50 έως 100 µm διάµετρο και πάχος από 1 έως 5 µm /22/. Η ανάπτυξη των στρωµάτων της επικάλυψης έχει συγκεκριµένη διεύθυνση και είναι παράλληλη µε το υπόστρωµα. Η οµοιοµορφία της επικάλυψης εξαρτάται από την αλληλεπίδραση των splats µε τουπόστρωµα (adhesion) και µεταξύ αυτών (cohesion). Εξ αιτίας της φύσης των επικαλύψεων που παράγονται µε τις τεχνικές αυτές, η δοµή που αναπτύσσεται παρουσιάζει σε κάποιο ποσοστό πόρων και ατελειών /17, 24/. Αυτό γίνεται λόγω του ότι κάποια από τα ψεκαζόµενα σωµατίδια δεν τήκονται επαρκώς, µε αποτέλεσµα οι επικαλύψεις να είναι ανοµοιογενείς και εποµένως ανισότροπες όσο αφορά τις ιδιότητες τους. Η ανοµοιογένεια µπορεί να οφείλεται και στην διαφορετική σύσταση του ίδιου του σωµατιδίου (όπως γίνεται στην περίπτωση των επικαλύψεων WC/Co), όπου λόγω της βαθµιαίας στερεοποίησης εµφανίζονται και φαινόµενα διαφορισµού τωνφάσεωντους. -6-

19 2. Στάθµη Γνώσεων Επικαλύψεις που κατασκευάζονται µε τη µέθοδο flame spray (ψεκασµός µε φλόγα) Η τεχνική flame spray στηρίζεται στην τήξη µεταλλικού σύρµατος στο εσωτερικό ειδικού ακροφύσιου και στον ψεκασµό τουλειωµένου υλικού µε πεπιεσµένο αέρα και υψηλή ταχύτητα πάνω στην προς επικάλυψη επιφάνεια. Οι αρχές της τεχνικής αυτής µαζί µε ένα τυπικό παράδειγµα κατά την διάρκεια του ψεκασµού φαίνονται στο σχήµα 2.1 /25, 26/. Συγκεκριµένα χρησιµοποιείται ένας τροφοδότης σύρµατος µε τη βοήθεια πεπιεσµένου αέρα, ο οποίος είναι τοποθετηµένος πάνω στο πιστόλι για τη διέλευση του σύρµατος µέσα από το κέντρο του ακροφύσιου. Μέσα στο ακροφύσιο και γύρω από το σύρµα εισάγεται µίγµα ακετυλενίου και οξυγόνου που χρησιµοποιείται για την τήξη του σύρµατος. Με τον τρόπο αυτό το σύρµα τήκεται στην έξοδο του ακροφύσιου σε µικρές σταγόνες και επιταχύνεται, µε αποτέλεσµα την πρόσκρουση τους µε µεγάλη ταχύτητα, πάνω στην επιφάνεια του προς επιµετάλλωση τεµαχίου. Η θερµοκρασία στην επιφάνεια του τεµαχίου δε ξεπερνά τους 150 Ο C. Επίσης η ταχύτητα πρόσκρουσης που αναπτύσσεται, επιδιώκεται να είναι πολύ µεγάλη, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται καλή προσκόλληση στο υπόστρωµα. Ο βαθµός προσκόλλησης εξαρτάται από την πρόσκρουση των τηκόµενων σωµατιδίων του µεταλλικού σύρµατος, µε την επιφάνεια όπου γίνεται η εναπόθεση του υλικού της επικάλυψης. Η συνάφεια των δύο υλικών βελτιώνεται σηµαντικά όταν η προς επικάλυψη επιφάνεια παρουσιάζει κατάλληλη τραχύτητα. Σχήµα 2.1: Αρχή λειτουργίας της µεθόδου flame spray και τυπική εφαρµογή της. Η προετοιµασία της επιφάνειας και η τράχυνση της γίνεται µε µικροκκοκοβολή µε κόκκους µέσης διαµέτρου 800 έως 1000 µm, η οποία βελτιώνει τη µηχανική προσκόλληση της επικάλυψης µε τουπόστρωµα. -7-

20 2. Στάθµη Γνώσεων Επικαλύψεις που κατασκευάζονται τη µέθοδο atmospheric plasma spray (ψεκασµός πλάσµατος σε ατµοσφαιρικές συνθήκες) Η µέθοδος εναπόθεσης επικάλυψης µε plasma spray σε ατµοσφαιρικές συνθήκες, έχει τη δυνατότητα παραγωγής και ανάπτυξης υλικών σε µορφή επικαλύψεων µε υψηλόσηµείο τήξης (οξείδια, καρβίδια, δύστηκτα µέταλλα και κράµατα). Τέτοιες επικαλύψεις παράγονται σε αδρανή ατµόσφαιρα αερίων Αr, He, H 2 και N 2. Οι αρχές και η διαδικασία της µεθόδου ψεκασµού µε plasma spray, αλλά και τυπικά παραδείγµατα επικαλυµµένων εξαρτηµάτων φαίνονται στο σχήµα 2.2 /22/. Η περιοχή που επικαλύπτεται είναι η θέση ακριβώς απέναντι από το πιστόλι πλάσµατος. Πρόκειται για µια σύγχρονη τεχνική στην τεχνολογία των σκληρών παχιών επικαλύψεων. Σύµφωνα µε αυτήτη µέθοδο χρησιµοποιείται µια ηλεκτρική ακίδα σε ένα ακροφύσιο µέσα από το οποίο περνά αδρανές αέριο (Αr, He, H 2 και N 2 ) και µε τη βοήθεια ενός υψίσυχνου ρεύµατος, το αδρανές αέριο διεγείρεται και δηµιουργείται δέσµη πλάσµατος, µέσα στην οποία τροφοδοτείται το προς επικάλυψη υλικό σε µορφή λεπτόκοκκης σκόνης σωµατιδίων. Σχήµα 2.2: ιαδικασία ψεκασµού επικάλυψης µε την µέθοδο plasma spray και τυπικά παραδείγµατα κατά την εφαρµογής της. Τέτοιου είδους σωµατίδια που µπορεί να είναι είτε µεταλλικά είτε οξείδια και που προέρχονται από εγκεκριµένες βιοµηχανικές εταιρίες του εξωτερικού, φαίνονται σε φωτογραφίες στο σχήµα 2.3 που πάρθηκαν σε ηλεκτρονικό µικροσκόπιο. Τα σωµατίδια τήκονται, αποκτούν µεγάλη κινητική ενέργεια, επιταχύνονται και προσκρούουν πάνω στην επιφάνεια του εξαρτήµατος µε υψηλή ταχύτητα (µέχρι και Mach II). Αποτέλεσµα είναι τελικά το σύστηµα επικάλυψη- -8-

21 2. Στάθµη Γνώσεων υπόστρωµα να έχει αυξηµένες επιφανειακές ιδιότητες, καλή µηχανική αντοχή και ισχυρούς δεσµούς συνάφειας. Όλα τα υλικά (µεταλλικά, κεραµικά, καρβίδια, συνθετικά) µπορούν να µετατραπούν σε υψηλής ποιότητας επικαλύψεις µέσω αυτής της µεθόδου εναπόθεσης. Σχήµα 2.3: Κονιορτοποιηµένη σκόνη οξειδίου και µεταλλικού κράµατος που χρησιµοποιούνται σαν πρώτη ύλη για την ανάπτυξη των επικαλύψεων. Για την προετοιµασία της επιφάνειας του υποστρώµατος πριν την επιµετάλλωση µε τηντεχνική plasma spray ισχύει, ότι και στην τεχνική flame spray, µόνο που η τραχύτητα επιτυγχάνεται µε σωµατίδια µεγαλύτερης σκληρότητας σε σχέση µε τηνµικροκοκκοβολή, όπως Al 2 O 3 µε µέγεθος κόκκων 0,8 έως 1µm. Στη συγκεκριµένη περίπτωση η τράχυνση της επιφανείας του υποστρώµατος στοχεύει στην απόκτηση τραχύτητας µε περισσότερο οξείες τιµές που προσδίδουν καλύτερη ποιότητα προσκόλλησης των επικαλύψεων, ειδικά όταν αυτές ανήκουν στην κατηγορία των κεραµικών ή των καρβιδίων Επικαλύψεις που κατασκευάζονται µε τη µέθοδο plasma spray υπό κενό (Vacuum Plasma Spray-VPS) Αυτή η µέθοδος είναι παρόµοια µε την προηγούµενη, χρησιµοποιείται δηλαδή ενέργεια πλάσµατος όχι όµως σε ατµοσφαιρικές συνθήκες αλλά σε συνθήκες ελεγχόµενης ατµόσφαιρας και πίεσης. Οεξοπλισµός που χρησιµοποιείται είναι ο ίδιος µε αυτόντηςσυµβατικής µεθόδου σε θάλαµο όπου οι πιέσεις είναι από 0.5 έως και 0.1 ατµόσφαιρες. Λόγω αυτών των χαµηλών πιέσεων και της έλλειψης ατµοσφαιρικού αέρα το ρεύµα πλάσµατος έχει µεγαλύτερη ταχύτητα από αυτό σε ατµοσφαιρικές συνθήκες. Εκτός από αυτό, ηδιάµετρος αλλά και το µήκος του πλάσµατος έχει µεγαλύτερες διαστάσεις από το αντίστοιχο σε ατµοσφαιρικές συνθήκες, µε αποτέλεσµα ταψεκαζόµενα σωµατίδια να παραµένουν µεγαλύτερο χρονικό διάστηµασεαυτό και να θερµαίνονται καλύτερα. Οι ταχύτητες ψεκασµού που µπορούν να επιτευχθούν µέσω αυτής της µεθόδου είναι αρκετά µεγαλύτερες, από 300 µέχρι 800 m/s. -9-

22 2. Στάθµη Γνώσεων Λόγω των παραπάνω παραγόντων οι παραγόµενες επικαλύψεις είναι καλύτερης ποιότητας µε αυξηµένες µηχανικές ιδιότητες. Το πορώδες των επικαλύψεων αυτών είναι σηµαντικά µικρότερο από αυτό που εµφανίζεται στις άλλες µεθόδους. Η απουσία οξυγόνου συµβάλει στην δηµιουργία επικαλύψεων µε πολύµικρό ποσοστό περιεχοµένων οξειδίων, µε αποτέλεσµα να επιτυγχάνεται καλύτερη πρόσφυση µε τουπόστρωµα Επικαλύψεις που κατασκευάζονται µετη µέθοδο Ψεκασµού Φλόγας Υψηλής Ταχύτητας (High Velocity Oxy/Fuel-HVOF) Αυτή η µέθοδος, η οποία είναι σχετικά νέα, έχει να κάνει µε τηνδηµιουργία επικαλύψεων µε την βοήθεια ψεκασµού φλόγας υψηλής ταχύτητας. Για να γίνει η τήξη των σωµατιδίων χρησιµοποιείται ενέργεια προερχόµενη από την καύση υδρογονανθράκων, όπως είναι το προπάνιοήτοπροπυλένιοήακόµη καιυδρογόνο. Η καύση γίνεται σε θάλαµο πολύυψηλής πίεσης µε έξοδοµικρής διαµέτρου, έτσι ώστε να δηµιουργείται υπερηχητικό αέριο ρεύµα µε ταχύτητα ψεκασµού που φθάνει µέχρι και 1100 m/s. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνονται βελτιωµένες επικαλύψεις µε µεγαλύτερη πυκνότητα και πιο στιβαρή εσωτερική δοµή, αυξάνοντας την αντοχή τους σε φθορά αλλά και τις µηχανικές τους ιδιότητες /27, 28, 29/. Ηθερµοκρασία που µπορεί να αναπτύξει αυτή η µέθοδος είναι κατά πολύ µικρότερη, από αυτή που αναπτύσσεται κατά το ψεκασµό µε πλάσµα. Η µεγάλη όµως ταχύτητα ψεκασµού της επικάλυψης στο υπόστρωµα, είναι αυτή που προσδίδει µεγάλη σκληρότητα και καλή πρόσφυση της επικάλυψης µε τουπόστρωµα. Η µέθοδος αυτή είναι ιδανική για τον ψεκασµό υλικών το οποία κινδυνεύουν να διασπασθούν σε υψηλές θερµοκρασίες. Για παράδειγµα οιαντιτριβικές επικαλύψεις καρβιδίων µε µεταλλικό συνδετικό υλικό, µπορούν να ψεκασθούν µέσω αυτής της µεθοδολογίας χωρίς να διασπασθούν τα καρβίδια τους, όπως συµβαίνει όταν ψεκάζονται υπό µορφή πλάσµατος. 2.2 Μορφές ατελειών που µπορεί να παρουσιαστούν στην δοµή των θερµικών επικαλύψεων Ο σχηµατισµός διαφόρων ατελειών στην δοµή των επικαλύψεων που παράγονται µε τις τεχνικές του θερµικού ψεκασµού, επηρεάζουν σηµαντικά τις ιδιότητες τους. Ατέλειες σε αυτού του είδους επικαλύψεις είναι το ποσοστό του πορώδους τους που µπορεί να είναι από 0.5% έως 10% ανάλογα µε τη τεχνική της εναπόθεσης, οι προσµίξεις ξένων προς την σύσταση της επικάλυψης ανεπιθύµητων σωµατιδίων ή στοιχείων (π.χ. Ο 2 ) αλλά και άτηκτοι κόκκοι του ίδιου του υλικού που ψεκάζεται. ύο από τις προαναφερόµενες µορφές ατελειών παρουσιάζονται στο σχήµα 2.4, όπου στη µια περίπτωση η επικάλυψη έχει δοµή µε πολλούς πόρους, ενώ στην -10-

23 2. Στάθµη Γνώσεων άλλη η επικάλυψη έχει ασυνέχειες στο εσωτερικό της. Οι ατέλειες έχουν σαν αποτέλεσµα την κακή συνοχή των τηκόµενων σωµατιδίων και γενικότερα της δοµής των επικαλύψεων, την κακή συνάφεια µε τουπόστρωµα. Ένα άλλο φαινόµενο που µπορεί να εµφανιστεί είναι το φαινόµενο του ερπυσµού. Σχήµα 2.4: Μορφή των ατελειών (πόροι και ασυνέχειες) στις επικαλύψεις που παράγονται µε τιςτεχνικέςψεκασµού. Στην περίπτωση µάλιστα εναπόθεσης οξειδίων που χαρακτηρίζονται και δύστηκτα υλικά (refractories), όπως και στην τεχνική του flame spray που το µέγεθος των ψεκαζόµενων σωµατιδίων είναι αρκετά µεγάλο, τηςτάξεωςτων µm, εξαιτίας αυτών των φαινοµένων δηµιουργείται ένα δίκτυο ατελειών στην δοµή της επικάλυψης. Σε αντίθεση µε τιςµεταλλικές επικαλύψεις, κράµατα και σύνθετα υλικά µεταλλικής µήτρας (π.χ. WC/Co), ηεµφάνιση µεγάλου ποσοστού ατελειών, οδηγεί σε µείωση της µηχανικής αντοχής τους κυρίως όταν υποβάλλονται σε κρουστικά φορτία. Όλες αυτές οι ατέλειες στη δοµή των διαφόρων επικαλύψεων εκτός του ότι µειώνουν σηµαντικά τις µηχανικές ιδιότητές τους προκαλούν και άλλα φαινόµενα, τα οποία µπορεί να θέσουν εκτός λειτουργίας τα διάφορα επικαλυµµένα εξαρτήµατα. Το φαινόµενο του ερπυσµού είναι αρκετά γνωστό για αυτούς που ασχολούνται µε στοιχεία µηχανών τα οποία λειτουργούν σε πολύ µεγάλες θερµοκρασίες. Ένα πολύ µεγάλο µέρος της βιβλιογραφίας που αναφέρεται στον ερπυσµό έχεινακάνειµε την διερεύνηση αυτού του φαινοµένου µε θεωρίες και πειραµατικές διαδικασίες σε πολύ υψηλές θερµοκρασίες. Σε µικρότερο βαθµό τοφαινόµενο του ερπυσµού έχει εξετασθεί για υλικά πολύ µαλακάήυλικάταοποίαπαρουσιάζουνδοµή µε πόρους σε θερµοκρασίες περιβάλλοντος. Στο σχήµα 2.5 φαίνεται η επίδραση που έχει η γωνία ψεκασµού του πλάσµατος στην δηµιουργία πόρων στο εσωτερικό της δοµής των επικαλύψεων που παράγονται µε τηνµέθοδο -11-

24 2. Στάθµη Γνώσεων του θερµικού ψεκασµού πλάσµατος. Όσο µειώνεται η γωνία αυτή τόσο µεγαλύτερο είναι το ποσοστό που εµφανίζεται στην επικάλυψη. Φυσικά σηµαντικό ρόλο στη δηµιουργία των πόρων αυτών παίζει και το είδος του υλικού της επικάλυψης που πρόκειται να ψεκασθεί. Σχήµα 2.5: Εµφάνιση πόρων στο εσωτερικό των επικαλύψεων ανάλογα µε την γωνία ψεκασµού. Στη περίπτωση όπου τα υλικά αυτά είναι πολύ µαλακά και µε κάποιο ποσοστό πορώδους στην δοµή τους, τότε είναι σίγουρο ότι όταν φορτίζονται πέραν από κάποιο συγκεκριµένοφορτίοσε θερµοκρασία περιβάλλοντος, τότε το φαινόµενο του ερπυσµού αρχίζει να επηρεάζει αυτό το υλικό. Τέτοιου είδους µηχανισµοί παρουσιάζονται σε µικρό ή µεγάλο βαθµό στη περίπτωση των επικαλύψεων που κατασκευάζονται µε τηµέθοδο του θερµικού ψεκασµού, ανάλογα µε το υλικό και τις δοµικές του ατέλειες. 2.3 Μέθοδοι προσδιορισµού των µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων Προσδιορισµός της καµπύλης τάσης παραµόρφωσης λεπτών επικαλύψεων Στην προσπάθεια προσδιορισµού των µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων αναλίσκεται σηµαντικό πειραµατικό και θεωρητικό τµήµα της ερευνητικής δραστηριότητας διαφόρων εργαστηρίων αλλά και βιοµηχανιών /30, 31, 32/. Το γεγονός αυτό οφείλεται κυρίως στην διαπίστωση ότι, αρκετές από τις µηχανικές ιδιότητες των επικαλύψεων προσφέρουν απευθείας ποιοτικές ή και ποσοτικές πληροφορίες για την αξιολόγηση τους. Εξαιτίας του ότι όλες οι επικαλύψεις που παράγονται µε τηνµέθοδο του ψεκασµού παρουσιάζουν σε µικρό ή µεγάλο βαθµό πορώδες, αυτό προκαλεί µια ανοµοιογένεια όχι µόνο στη δοµή τους, αλλά και στο τρόπο που συµπεριφέρονται σε διάφορα δυναµικά και στατικά εντατικά πεδία. Για αυτό και οι µηχανικές τους ιδιότητες δεν µπορούν να υπολογιστούν µε ακρίβεια, αλλά υπάρχει ένα εύρος -12-

25 2. Στάθµη Γνώσεων τιµών που εκφράζει τις οποιεσδήποτε µηχανικές τους ιδιότητες. Έτσι όλες οι µεθοδολογίες που χρησιµοποιούνται σε αυτή την εργασία, έλαβαν υπόψη τους αυτό το γεγονός και για κάθε επικάλυψη έγιναν πολλές δοκιµασίες όσο αφορά τη σκληρότητα, το µέτρο ελαστικότητας και άλλες µηχανικές ιδιότητες τους, έτσι ώστε να λαµβάνεται κάθε φορά ένας λογικός µέσος όρος που εκφράζει τις προαναφερόµενες ιδιότητες τους. Στο σχήµα 2.6 παρουσιάζεται το δοκιµαστήριο του νανοσκληροµέτρου, το οποίο χρησιµοποιείται για την εύρεση των µηχανικών ιδιοτήτων των λεπτών σκληρών επικαλύψεων. Η αρχή λειτουργίας της συσκευής αυτής στηρίζεται στην διείσδυση διαφόρων τύπων εισβολέων στο εσωτερικό της επικάλυψης. Ηδύναµη η οποία αναπτύσσεται στη συγκεκριµένη πειραµατική διαδικασία είναι πολύ µικρή (µέχρι και 1000 µν). Τα βάθη τα οποία επιτυγχάνονται είναι της τάξεως από µερικές δεκάδες νανόµετρα (nm) µέχρι µερικά µικρόµετρα (µm). Σχήµα 2.6: Προσδιορισµός της καµπύλης τάσης παραµόρφωσης των λεπτών επικαλύψεων µε την χρήση του νανοσκληροµέτρου. Ηπειραµατική διαδικασία χωρίζεται σε δύο φάσης, όπου η πρώτη είναι η φόρτιση µέχρι µια µέγιστη δύναµη και η δεύτερη φάση είναι της αποφόρτισης. Το τελικό αποτέλεσµααυτήςτης πειραµατικής διαδικασίας παρουσιάζεται στο κάτω αριστερό µέρος τους σχήµατος, όπου -13-

26 2. Στάθµη Γνώσεων φαίνεται η πειραµατική καµπύλη του βάθους διείσδυσης προς το φορτίο διείσδυσης. Ηεύρεση των µηχανικών ιδιοτήτων της εξεταζόµενης επικάλυψης λαµβάνονται µέσα από την αναλυτική επεξεργασία των πειραµατικών αποτελεσµάτων. Στο κάτω δεξί µέρος του σχήµατος παρουσιάζεται η καµπύλη τάσης παραµόρφωσης της υπό εξέταση επικάλυψης, όπως προκύπτει µέσα από την αναλυτική επεξεργασία των πειραµατικών αποτελεσµάτων. Αυτή η µέθοδος χρησιµοποιείται κυρίως σε οµοιογενή υλικά τα οποία δεν εµφανίζουν ατέλειες στο εσωτερικό της δοµής τους ιαδικασία προσδιορισµού της σκληρότητας των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους Μια πολύ σηµαντική µηχανική ιδιότητα των υλικών είναι η σκληρότητα τους που ως γνωστό εκφράζει την αντίσταση του υλικού σε εξωτερικό αίτιο που τείνει να τα παραµορφώσει πλαστικά /33, 34/. Συνήθως δίνει µία πρώτη εκτίµηση για την ψαθυρότητα των επικαλύψεων και εκφράζει ένα ποιοτικό δείκτη αντοχής σε φθορά. Στην περίπτωση των πολύ σκληρών υλικών, όπως είναι οι επικαλύψεις που παράγονται µε τιςµεθόδους PVD και CVD, προδιαγράφεται σκληροµέτρηση κατά Vickers. Γιανααποτελείηµετρούµενη σκληρότητα µηχανική ιδιότητα της επικάλυψης και µόνο αυτής, το βάθος διείσδυσης πρέπει να καλύπτει τον κανόνα του ενός δεκάτου, οοποίος προδιαγράφει το πάχος του υπό εξέταση υλικού να είναι τουλάχιστον δέκα φορές µεγαλύτερο από το αντίστοιχο βάθος εισβολής /35, 36/. Οι µέθοδοι που χρησιµοποιήθηκαν για να βρεθεί η σκληρότητα των επικαλύψεων που κατασκευάζονται µε την µέθοδο του ψεκασµού, ήταν η σκληρότητα κατά Vickers που έγινε σε µικροσκληρόµετρο, η οποία εκφράζει την µικροσκληρότητα των επικαλύψεων αυτών. Επίσης, χρησιµοποιήθηκαν άλλες συµβατικές µεθοδολογίες οι οποίες εκφράζουν την µακροσκληρότητα τους /37, 38/. Ανάλογα µε τοµέγεθος της σκληρότητας των υπό εξέταση επικαλύψεων, χρησιµοποιήθηκαν αντίστοιχες µεθοδολογίες µέτρησης της. Μια από αυτές τις µεθόδους η οποία εφαρµόζεται σε σχετικά µαλακά υλικά είναι η µέθοδος HRΒ. Ακόµη δύο διαδικασίες σκληροµέτρησης που χρησιµοποιήθηκαν ανάλογα µε την συµπεριφορά της εκάστοτε επικάλυψης ήταν η HRN30, όπου γίνεται διείσδυση ενός κώνου στην επιφάνεια του δοκιµίου µε δύναµη 30 dan και η δεύτερη η µέθοδος κατά HB (Brinel), όπου βάση ενός µαθηµατικού τύπου και της διαµέτρου του αποτυπώµατος µετά από διείσδυση µιας χαλύβδινης σφαίρας υπολογίζεται η σκληρότητα τους. 2.4 οκιµασίες επαναλαµβανόµενου κρουστικού φορτίου στις επικαλύψεις Μια πιο συνηθισµένη µορφή φόρτισης που παρουσιάζεται στα περισσότερα στοιχεία µηχανών είναι η καταπόνηση τους µε δυναµικά φορτία. Αυτά τα εξαρτήµατα τις περισσότερες φόρες φθείρονται και αστοχούν λόγω του φαινοµένου της κόπωσης, που προκαλείται όταν τα -14-

27 2. Στάθµη Γνώσεων δυναµικά φορτία είναι αρκετά έντονα. Ηπιοδιαδεδοµένη τεχνική για την προστασία αυτών των στοιχείων που κινδυνεύουν από φθορά λόγω κόπωσης τους, είναι η εναπόθεση σε αυτά λεπτών σκληρών επικαλύψεων που παράγονται µε διάφορεςµεθόδους, όπως είναι η φυσική ή χηµική εναπόθεση ατµών ή µε την µέθοδο του θερµικού ψεκασµού. Οι επικαλύψεις που παράγονται µε τηνµέθοδο φυσικής ή χηµικής εναπόθεσης ατµών (PVD, CVD), λόγω του ότι είναι πολύ σκληρές µε πολύκαλέςµηχανικές ιδιότητες βρίσκουν εφαρµογή σε κοπτικά εργαλεία, έδρανα κύλισης και άξονες που εργάζονται σε αντίξοες συνθήκες /52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60/. Οι λιγότερο σκληρές επικαλύψεις που παράγονται µε τηνµέθοδο του θερµικού ψεκασµού, χρησιµοποιούνται σε άλλες εφαρµογές όπως είναι τα διάφορα µέρη αυτοκινήτων, αντλίες, φτερωτές, γεωργικά µηχανήµατα κ.α. Για αυτό τον λόγο είναι πολύ σηµαντική η γνώση του τρόπου µε τον οποίο συµπεριφέρονται αυτές οι επικαλύψεις κατά την καταπόνηση τους µε δυναµικά φορτία. Για τον προσδιορισµό τηςδυναµικής συµπεριφοράς αυτών των επικαλύψεων, χρησιµοποιείται το δοκιµαστήριο κρούσης (impact tester) /61, 62, 63/. Η αρχή λειτουργία του δοκιµαστηρίου κρούσης, όπως επίσης και ο τρόπος µε τον οποίο τοποθετείται το εξεταζόµενο δοκίµιο για να εκτελεστεί η πειραµατική διαδικασία, παρουσιάζονται στο σχήµα 2.7. Το δοκιµαστήριοαυτόέχει χρησιµοποιηθεί στο παρελθόν µε επιτυχία, για τον προσδιορισµό τηςδυναµικής συµπεριφοράς των σκληρών λεπτών επικαλύψεων σε διαφορετικά υποστρώµατα /64, 65, 66, 67, 68, 69/. Σχήµα 2.7: οκιµαστήριο επαναλαµβανόµενου κρουστικού φορτίου. Κατά την διάρκεια αυτών των πειραµάτων έχει συσσωρευτεί ένας αρκετά µεγάλος όγκος από πειραµατικά αποτελέσµατα όπου, µέσα από την αναλυτική τους επεξεργασία και την προσοµοίωση τους µε τηνµέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων, έχουν εκπονηθεί καµπύλες Smith και Woehler που ως γνωστόν εκφράζουν την συµπεριφορά της δυναµικής αντοχής των διαφόρων υλικών. -15-

28 3. Σκοπός της Εργασίας 3. Σκοπός της Εργασίας Η µεγάλη ανάγκη για την χρησιµοποίηση λεπτών ή παχιών επικαλύψεων στα διάφορα στοιχεία µηχανών όπου αναπτύσσονται στατικά ή δυναµικά εντατικά πεδία, αλλά και η χρήση διαφόρων µεθοδολογιών για την βελτιστοποίηση και αναβάθµιση των µηχανικών τους ιδιοτήτων, έχει οδηγήσει ένα σηµαντικό ποσοστό ερευνητικής δραστηριότητας προς αυτή την κατεύθυνση. Τα αποτελέσµατα που παράγονται µέσα από αυτές τις διαδικασίες είναι πάρα πολλά και εξίσου σηµαντικά όσο αφορά την βελτιστοποίηση της συµπεριφοράς τους κατά την λειτουργία τους, καθώς επίσης και για την ανάπτυξη νέων µεθοδολογιών κατασκευής επικαλύψεων. Φυσικά πέρα από την οµολογουµένως τεράστια βιβλιογραφία από πειραµατικά και αναλυτικά αποτελέσµατα που αφορούν όλα τα στάδια της παραγωγής, αλλά και της µηχανικής συµπεριφοράς των επικαλύψεων, υπάρχουν πάρα πολλά και σηµαντικά προβλήµατα που ακόµη δεν έχουν δοθεί απαντήσεις και που θα είχαν σαν αποτέλεσµα την περαιτέρω βελτίωση της µηχανικής τους συµπεριφοράς. Τα προσδοκώµενα αποτελέσµατα από τη χρήση αυτών των διαδικασιών, είναι η περαιτέρω αύξηση της παραγωγικότητας τους και της διάρκειας ζωής τους. Όσο αφορά τις επικαλύψεις οι οποίες παράγονται µε τηνµέθοδο του θερµικού ψεκασµού και που χαρακτηρίζονται σχετικά παχιές, τόσο οι διάφορες βιοµηχανίες όσο και τα διάφορα ερευνητικά εργαστήρια ασχολούνται µε ένα ευρύ φάσµα διαφορετικών τύπων επικαλύψεων κατατάσσοντας τις σε κατηγορίες σε σχέση µε τις κύριες ιδιότητες τους. Αυτό όµως που δεν έχει γίνει, είναι η συστηµατική προσπάθεια για τον προσδιορισµό των κύριων µηχανικών τους ιδιοτήτων, όπως είναι η συµπεριφορά τους σε δυναµικά ή στατικά εντατικά πεδία αλλά και η συµπεριφορά τους σε δυναµικό ή στατικό ερπυσµό. Στη παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύσσεται ένα ολοκληρωµένο πακέτο για την εύρεση, τόσο των τεχνολογικών όσο και των µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων που παράγονται µε την µέθοδο θερµικού ψεκασµού, µε σκοπό να γίνει ακόµη ένα βήµα προς την ανάπτυξη, βελτιστοποίηση αλλά και σωστή επιλογή των παραπάνω επικαλύψεων στις διάφορες µηχανολογικές κατασκευές. Φυσικά λόγω των δεκάδων διαφορετικών µεθοδολογιών που χρησιµοποιούνται για την κατασκευή αυτών των επικαλύψεων, αλλά και του µεγάλου αριθµού διαφορετικών τύπων επικαλύψεων, ήταν αδύνατο να εξετασθούν όλοι αυτοί οι διαφορετικοί τύποι και η επίδραση που µπορεί να έχει σε αυτές, η διαφορετική µεθοδολογία που χρησιµοποιείται για την κατασκευή τους. Με την βοήθεια του Ηλεκτρονικού Σαρωτικού Μικροσκοπίου (SEM) γίνεται η πρώτη δοκιµή για την φωτογράφηση της δοµής των υπό εξέταση δοκιµίων, καθώς και η µικροφασµατική ανάλυση -16-

29 3. Σκοπός της Εργασίας (EDX analysis) των στοιχείων που αποτελούν την επικάλυψη, για να διαπιστωθεί έτσι η γνησιότητα και η καθαρότητα του κάθε διαφορετικού τύπου επικάλυψης. Το επόµενο βήµα είναι η διαδικασία προσδιορισµού της σκληρότητα των επικαλύψεων. Λόγω του µικρού πάχους που έχουν δεν είναι δυνατή η σκληροµέτρηση τους µεσυµβατικές µεθόδους, αλλά αυτό γίνεται µε την χρήση νέων µεθοδολογιών, όπου το επιβαλλόµενοφορτίοείναισχετικά µικρό, έτσι ώστε να προσδιορίζεται η σκληρότητα της ίδιας της επικάλυψης και όχι του συστήµατος επικάλυψης υποστρώµατος. Στη συνέχεια γίνεται ο προσδιορισµός των µηχανικών τους ιδιοτήτων, όπως είναι το µέτρο ελαστικότητας τους και το όριο διαρροής τους µε την χρήση πειραµατικής αναλυτικής µεθόδου. Λόγω και πάλι του µικρού πάχους των διαφόρων εξεταζόµενων θερµικών επικαλύψεων επικαλύψεων, η εύρεση αυτών των ιδιοτήτων γίνεται µε πρωτότυπες µεθόδους και όχι σύµφωνα µε την γνωστή µέθοδο του πειράµατος εφελκυσµού επιµηκύνσεως. Με την προαναφερθείσα µεθοδολογία, όπου γίνεται ο συσχετισµός των πειραµατικών αποτελεσµάτων µε τα αντίστοιχα αναλυτικά, µέσω της µεθόδου των πεπερασµένων στοιχείων (FEM), είναι δυνατός ο προσδιορισµός της καµπύλης τάσης-παραµόρφωσης των επικαλύψεων. Με την βοήθεια του δοκιµαστηρίου κρούσης (impact tester) µπορεί να προσδιοριστεί η δυναµική συµπεριφορά αυτών των επικαλύψεων, ενώ µε το στατικό πνευµατικό δοκιµαστήριο είναι εφικτός ο προσδιορισµός της στατικής συµπεριφοράς τους. Λόγω της ύπαρξης του φαινοµένου του ερπυσµού που παρουσιάζεται σε αυτού του είδους τις επικαλύψεις και που οφείλεται κατά βάση στη δοµή αλλά και στο βαθµό του πορώδους τους, έχει εξελιχθεί µια πρωτότυπη πειραµατική αναλυτική µέθοδος για τον προσδιορισµό τηςσυµπεριφοράς τους σε δυναµικό και στατικό ερπυσµό. Ο προσδιορισµός της συµπεριφορά τους αυτής, γίνεται µέσα από καµπύλες ταχύτητας ανάπτυξης του ερπυσµού σε σχέση µε τις µέγιστες ισοδύναµες τάσεις που εµφανίζονται στο εσωτερικό της επικάλυψης. Έχει παρατηρηθεί ότι το φαινόµενο αυτό είναι πολύ πιο έντονο στην περίπτωση όπου το επιβαλλόµενοφορτίοείναιδυναµικό. Μετά τον προσδιορισµό της δυναµικής και στατικής συµπεριφοράς κάθε µεµονωµένου διαφορετικού τύπου επικάλυψης σε ερπυσµό, µέσω κατάλληλα διαµορφωµένων προσοµοιωτικών µοντέλων µπορεί να γίνει ο προσδιορισµός της δυναµικής και στατικής συµπεριφοράς, οποιουδήποτε πολυστρωµατικού συνδυασµού τους. Στην περίπτωση τώρα όπου χρησιµοποιείται ενδιάµεσο στρώµα συγκολλητικής επικάλυψης (bonding layer) για να βελτιώσει τη συνάφεια της κύριας επικάλυψης µε το υπόστρωµα, µέσω της παραπάνω µεθοδολογίας µπορεί να υπολογιστεί ο βέλτιστος συνδυασµός πάχους µεταξύ του επιφανειακού και του ενδιάµεσου στρώµατος για αύξηση της απόδοσης και της διάρκειας ζωής τους. -17-

30 3. Σκοπός της Εργασίας Τέλος όλα τα παραπάνω πειραµατικά και αναλυτικά αποτελέσµατα καταγράφονται σε µια βάση δεδοµένων, έτσι ώστε να υπάρχει µια πλήρη εικόνα για τον κάθε εξεταζόµενοτύποεπικάλυψης. Με την ίδια συστηµατική µεθοδολογία µπορούν να εξετασθούν και άλλοι τύποι επικαλύψεων ή ακόµη καιόµοιοι τύποι επικαλύψεων που παράγονται µε διαφορετικό τρόπο ή διαφορετικές συνθήκες εναπόθεσης, έτσι ώστε να εξετασθούν όλοι εκείνοι οι παράγοντες που µπορεί να βελτιώνουν ή να µειώνουν την αποδοτικότητα και την διάρκεια ζωής τους κατά την λειτουργία τους σε δυναµικά ή στατικά εντατικά πεδία. -18-

31 4. Υπάρχουσες διατάξεις για την διεξαγωγή πειραµάτων 4. Υπάρχουσες διατάξεις οι οποίες χρησιµοποιήθηκαν για την διεξαγωγή των πειραµατικών διαδικασιών, εύρεσης των µηχανικών και τεχνολογικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων Με την χρήση της σύγχρονης τεχνολογίας και των λογισµικών αυτοµατοποίησης που έχουν ενσωµατωθεί σε όλες τις µονάδες κατασκευής θερµικών επικαλύψεων, οι επικαλύψεις αυτές έχουν γίνει περισσότερο γνωστές και αποδεκτές, τόσο για την καλή ποιότητα τους όσο και για τις αναβαθµισµένες ιδιότητες τους. Στις επόµενες παραγράφους παρουσιάζεται µια τέτοια µονάδα η οποία χρησιµοποιήθηκε για την παραγωγή επικαλυµµένων δοκιµίων, όπου χρησιµοποιήθηκαν στις διάφορες πειραµατικές διαδικασίες για την διερεύνηση των µηχανικών τους ιδιοτήτων. Για την εύρεση των κυριοτέρων µηχανικών ιδιοτήτων χρησιµοποιήθηκαν σύγχρονες διατάξεις και συσκευές, διαφόρων τύπων και διαδικασιών. Η σύγχρονη τεχνολογία έχει προχωρήσει πάρα πολύ σε όλους τους τοµείς διερεύνησης των ιδιοτήτων των υλικών, µε αποτέλεσµα την δυνατότητα καλύτερης και συστηµατικότερης διερεύνησης των διαφόρων ιδιοτήτων των υλικών µε αρκετά καλή ακρίβεια στα παραγόµενα πειραµατικά αποτελέσµατα. Πέρα από αυτό, όσο πιο ακριβής είναι αυτού του είδους συσκευές, τόσο καλύτερα αποτελέσµατα δίνουν όσο αφορά τις µηχανικές και άλλες ιδιότητές τους, που έχουν σαν αποτέλεσµα στηνεµβάθυνση του τρόπου µε τον οποίο συµπεριφέρονται κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Με την χρήση των προαναφερόµενων διατάξεων και συσκευών σε συνδυασµό µε τις εφαρµοζόµενες µεθοδολογίες, µπορούν να αντιµετωπιστούν και να επιλυθούν διάφορα τεχνικά προβλήµατα που µπορεί να εµφανιστούν κατά την διάρκεια της λειτουργίας των διαφόρων υλικών, µε τελικό αποτέλεσµα την αναβάθµιση της απόδοση τους και την αύξηση της διάρκειας ζωής τους. 4.1 Μονάδα θερµικού ψεκασµού και προετοιµασία επικαλυµµένων δοκιµίων Η µονάδα θερµικού ψεκασµού η οποία χρησιµοποιήθηκε για την κατασκευή των επικαλυµµένων δοκιµίων φαίνεται στο σχήµα 4.1. Η µονάδα αυτή είναι πλήρως αυτοµατοποιηµένη όπου για την κατασκευή των διαφόρων επικαλύψεων η µόνη διαδικασία που πρέπει να γίνει, είναι η επιλογή και τοποθέτηση στις ειδικές θέσεις της διάταξης της µεταλλικής ή κεραµικής σκόνης του τύπου της επικάλυψης που πρόκειται να ψεκασθεί, καθώς επίσης και η τοποθέτηση του τεµαχίου προς επικάλυψη στο ειδικό θάλαµο. Πριν από την τοποθέτηση του προς επικάλυψη τεµαχίου, πρέπει πρώτα να καθαριστεί και να υποστεί την διαδικασία της µικροκοκκοβολής, έτσι ώστε να γίνει όσο το δυνατό καλύτερη συγκόλληση της επικάλυψης στην επιφάνεια του υποστρώµατος. Λόγω -19-

32 4. Υπάρχουσες διατάξεις για την διεξαγωγή πειραµάτων τωνυψηλώνθερµοκρασιών που αναπτύσσονται στην έξοδο του πιστολιού κατά τον ψεκασµό, ο θάλαµος πρέπει να κλείνει. Στο αριστερό µέρος της φωτογραφίας φαίνεται η µονάδα ελέγχου της διάταξης, όπως επίσης και οι θέσεις στις οποίες τοποθετούνται οι διάφορες σκόνες για την ανάµιξη και τήξη τους, κατά τον ψεκασµό. Στο πίσω µέρος αυτών των συσκευών, φαίνονται οι φιάλες οι οποίες περιέχουν τα αδρανή αέρια, όπου χρησιµοποιούνται για την δηµιουργία του ιονισµένου πλάσµατος και την επιτάχυνση των τηγµένων σωµατιδίων του υλικού της επικάλυψης στην επιφάνεια που πρόκειται να επικαλυφθεί. Τα κυριότερα αδρανή αέρια που χρησιµοποιούνται για την επίτευξη επικαλύψεων µέσω ψεκασµού πλάσµατος είναι τα Αr, He, H 2 και N 2. Σχήµα 4.1: Μονάδα κατασκευής επικαλύψεων µε τηνµέθοδο του ψεκασµού πλάσµατος. Η αρχή λειτουργίας και ο τρόπος µε τον οποίο δηµιουργείται η επικάλυψη µέσω του ψεκασµού πλάσµατος, φαίνεται στο σχήµα 4.2. Στο σχήµα αυτό φαίνεται ο τρόπος µε τον οποίο αναµειγνύονται όλα εκείνα τα στοιχεία για την κατασκευή των θερµικών επικαλύψεων. Η µεταλλική ή κεραµική σκόνη οδηγείται στο θάλαµο του πιστολιού όπου υπάρχει φλόγα υψηλής θερµοκρασίας, ηοποίαχρησιµοποιείται για την τήξη της σκόνης της επικάλυψης. Στη συνέχεια και µε την βοήθεια των αδρανών αερίων, το δηµιουργούµενο πλάσµα επιταχύνεται και ψεκάζεται µε µεγάλη ταχύτητα στη επιφάνεια του υλικού του υποστρώµατος. Η µέθοδος εναπόθεσης επικάλυψης µε plasma spray έχει τη δυνατότητα παραγωγής και ανάπτυξης υλικών σε µορφή στοιβάδων µευψηλόσηµείο τήξης (οξείδια, καρβίδια, δύστηκτα µέταλλα και κράµατα). -20-

33 4. Υπάρχουσες διατάξεις για την διεξαγωγή πειραµάτων Στο δεξί µέρος του ίδιου σχήµατος, φαίνεται η περιοχή της θέσης στην οποία τοποθετείται ένα έδρανο κύλισης ενός περιστροφικού τµήµατος µιας κοχλιωτής αντλίας κατά την διάρκεια της διαδικασίας επικάλυψης της. Το πιστόλι τοποθετείται σε κοντινή απόσταση από την επιφάνεια. Τόσο το πιστόλι όσο και το εξάρτηµα το οποίο επικαλύπτεται κινούνται κατά την διαδικασία της εναπόθεσης, έτσι ώστε να δηµιουργηθεί οµοιόµορφη στρώση επικάλυψης. Η κοχλιωτή αντλία περιστρέφεται µε σταθερή περιστροφική ταχύτητα, ενώ το πιστόλι κινείται παλινδροµικά στο µέρος εκείνο που πρόκειται να αναπτυχθεί η επικάλυψη. Όση περισσότερη ώρα διαρκέσει η διαδικασία της εναπόθεσης τόσο µεγαλύτερο θα είναι το πάχος της παραγόµενης επικάλυψης. Πέρα από το γεγονός ότι αυτού του είδους επικαλύψεις βελτιώνουν και αυξάνουν την απόδοση και λειτουργικότητα των διαφόρων εξαρτηµάτων, µπορούν να χρησιµοποιούν και ως επιδιορθωτικό υλικό στην περίπτωση όπου παρουσιαστούν µικρορωγµές στην επιφάνεια του βασικού υλικού. Σχήµα 4.2: ιαδικασία ψεκασµού πλάσµατος µε τηνµέθοδο του θερµικού ψεκασµού (plasma spray) σε εξάρτηµα κυκλικής διατοµής Προετοιµασία µικροκοκκοβολής (grit blasting) του υποστρώµατος για να γίνει η εναπόθεση επικαλύψεων που παράγονται µετην µέθοδο του θερµικού ψεκασµού Ηπροετοιµασία της επιφάνειας του υποστρώµατος, είναι ένα από τα σηµαντικότερα σηµεία που λαµβάνονται υπόψη πριν από την διαδικασία εναπόθεσης των διαφόρων τύπων επικαλύψεων που κατασκευάζονται µε την µέθοδο του ψεκασµού (thermal spray) /12/. Η µορφή και το µέγεθος της τραχύνσεως που υφίσταται το υπόστρωµα, επηρεάζει άµεσα την αντοχή της επικάλυψης σε δυναµικά φορτία (impact strength) αλλά και την ποιότητα της προσκόλλησης µε το υπόστρωµα (adhesion strength). Έτσι για να γίνεται καλύτερη προσκόλληση του υλικού της επικάλυψης µε τουπόστρωµα, εφαρµόζεται η µέθοδος της µικροκοκκοβολής (grit blasting) µε λεπτόκοκκο και σκληρό υλικό πάνω στην επιφάνεια του υποστρώµατος όπου θα γίνει η εναπόθεση /13, 14/. Η τεχνική αυτή (µικροκοκκοβολή, αµµοβολή ή ατσαλοβολή) µε -21-

34 4. Υπάρχουσες διατάξεις για την διεξαγωγή πειραµάτων τυποποιηµένο τύπο και µέγεθος κόκκων, έχει σαν σκοπό να εξασφαλίσει στο σύστηµα επικάλυψη-υπόστρωµα τις απαιτούµενες µηχανικές ιδιότητες, που συνιστούν στην καλύτερη δυνατή πρόσφυση της επικάλυψης µε τουπόστρωµα /104/. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την ποιότητα αυτής της διαδικασίας είναι αρκετοί και αλληλένδετοι µεταξύ τους. Για παράδειγµα η τράχυνση της επιφανείας του υποστρώµατος έχει διαφορετική µορφολογία αναλογικά µε το αν οι κόκκοι είναι γωνιακής ή κυκλικής µορφής. Συνήθως για την τράχυνση των επιφανειών χρησιµοποιούνται κόκκοι από Αl 2 Ο 3 γωνιακής µορφής µε µέση διάµετρο κόκκων 0,5 mm έως 1 mm. Οβαθµός της τραχύτητας της επιφανείας επηρεάζεται σηµαντικά από την απόσταση του ακροφυσίου που ψεκάζει τους κόκκους, από το χρησιµοποιούµενο υπόστρωµα, την πίεση ψεκασµού κατά την διάρκεια της διαδικασίας, την γωνία πρόσκρουσης των κόκκων, το χρόνο ψεκασµού και τέλος το είδος του χρησιµοποιούµενου µηχανήµατος (συνήθως χρησιµοποιούνται συσκευές τύπου αναρρόφησης και πιέσεως). Ένα τυπικό παράδειγµα για τις συνθήκες που επικρατούν κατά την µικροκοκκοβολή χάλυβα κατασκευών µε την τυποποίηση St-70 πριν από την εναπόθεση ενός τύπου θερµικής επικάλυψης, είναι ο ψεκασµός της µε πίεση4 bar, ενώ η απόσταση σε κάθετη πρόσκρουση ανέρχεται στα 70 mm ιαδικασία εναπόθεσης στα τετραγωνικής διατοµής δοκίµια Για να επικαλυφθούν τα δοκίµια µε τους διάφορους τύπους επικαλύψεων, σχεδιάστηκε µια ειδική συσκευή συγκράτησης µε υποδοχείς που έχουν ορθογωνική διατοµή. Έτσι τα ορθογωνικής διατοµής δοκίµια τοποθετήθηκαν πάνω στην ειδική κυλινδρική συσκευή, έτσι ώστε κατά την περιστροφή της να επικαλυφθούν. Στο σχήµα 4.3 φαίνεται αυτή η συσκευή συγκράτησης των δοκιµίων, η οποία έχει τη δυνατότητα τοποθέτησης έξι δοκιµίων για την διαδικασία ψεκασµού τους µε τις διάφορες επικαλύψεις. Στο δεξί µέρος του σχήµατος, φαίνονται έτοιµα επικαλυµµένα δοκίµια τα οποία µετά την αποχώρηση τουςαπότοσυγκρατητή, τεµαχίζονται σε µικρότερα δοκίµια, όσο αφορά το µήκος τους, µε κοπτικό τροχό από διαµάντι και σε χαµηλές στροφές ώστε να µην προκληθεί ζηµιά στην επικάλυψη. Αυτό γίνεται για να είναι σε θέση να τοποθετηθούν στα πειραµατικά δοκιµαστήρια δυναµικής και στατικής φόρτισης, όπου οι διαστάσεις των εξεταζόµενων δοκιµίων δεν πρέπει να είναι µεγαλύτερες από κάποιες συγκεκριµένες διαστάσεις. Πέρα από αυτό, η ανάγκη για την χρήση δοκιµίων µε µικρές διαστάσεις, πηγάζει και από το περιορισµένο µέγεθος του θαλάµου του ηλεκτρονικού σαρωτικού µικροσκοπίου στον οποίο τοποθετούνται για περαιτέρω διερεύνηση τους. -22-

35 4. Υπάρχουσες διατάξεις για την διεξαγωγή πειραµάτων Η επιφάνεια του υλικού του υποστρώµατος ετοιµάζεται µε την διαδικασία της µικροκοκκοβολής που αναφέρεται και σε προηγούµενη παράγραφο από λεπτόκοκκο υλικό, έτσι ώστε κατά την διάρκεια του ψεκασµού της µε το υλικό της επικάλυψης να αναπτυχθούν ισχυροί δεσµοί συνάφειας µεταξύ των δύο υλικών. Σχήµα 4.3: Συσκευή συγκράτησης δοκιµίων προς επικάλυψη και έτοιµα επικαλυµµένα δοκίµια ιαδικασία τελικού φινιρίσµατος των επικαλυµµένων δοκιµίων Λόγω του ότι αυτού του είδους επικαλύψεις, κατασκευάζονται µέσω του ψεκασµού τηγµένων µεταλλικών ή κεραµικών υλικών, η επιφάνεια τους στο τέλος της διαδικασίας της εναπόθεσης τους είναι πολύ τραχιά και ανώµαλη. Έτσι για να θεωρηθεί ότι η επικάλυψη είναι έτοιµη, πρέπει πρώτα να περάσει από τη διαδικασία της υπερλείανσης, έτσι ώστε η επιφάνεια της να αποκτήσει την επιθυµητή τραχύτητα και ποιότητα. Γιααυτότολόγοόλαταεπικαλυµµένα δοκίµια, µετά την αποσυναρµολόγηση τους από την ειδική βάση που τοποθετήθηκαν, πέρασαν από την διαδικασία υπερλείανσης τους µε σκοπότην τελική προετοιµασία τους, πριν από την έναρξη των πειραµατικών διαδικασιών για τον προσδιορισµό των τεχνολογικών και µηχανικών τους ιδιοτήτων. Στο σχήµα 4.4 φαίνονται δύο φωτογραφίες οι οποίες πάρθηκαν µέσω του ηλεκτρονικού σαρωτικού µικροσκοπίου (SEM), τηςεπιφάνειαςτηςεπικάλυψης85-90%wc-co πριν και µετά την κατεργασία υπερλείανση της. Η αριστερή φωτογραφία δείχνει την επιφάνεια της επικάλυψης, όπως είναι αµέσως µετά τον ψεκασµό της συγκεκριµένης επικάλυψης στην -23-

36 4. Υπάρχουσες διατάξεις για την διεξαγωγή πειραµάτων επιφάνεια χάλυβα κατασκευών µε την τυποποίηση St-70. Φαίνεται πολύ καθαρά το πόσο τραχιά είναι η επιφάνεια της επικάλυψης αυτής µετά την διαδικασία ψεκασµού της. Ηδεξιά φωτογραφία αφορά την ίδια την επικάλυψη µετά από την κατεργασία υπερλείανση της. Η διαφορά στην ποιότητα της επιφάνειας της επικάλυψης σε σχέση µε την προηγούµενη είναι αρκετά µεγάλη. Σε αυτή τη φωτογραφία, φαίνεται η επικάλυψη η οποία έχει αποκτήσει την τελική της µορφή και είναι πλέον έτοιµη να ανταποκριθεί µε αξιοπιστία και υψηλή απόδοση. Στο κάτω µέρος των φωτογραφιών, παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα της τραχύτητας τους, όπως προέκυψαν µέσα από την διαδικασία της τραχυµέτρησης τους. Από αυτά τα αποτελέσµατα και στην περίπτωση της γνήσια επικάλυψης, φαίνεται το πόσο ανώµαλη και τραχιά είναι η επιφάνεια της. Στην περίπτωση που η επικάλυψη αυτή έχει υποστεί την κατεργασία υπερλείανσης της, η τραχύτητα µειώνεται αισθητά. Οι δύο πίνακες που φαίνονται στο σχήµα παρουσιάζουν αριθµητικά τη µεγάλη διάφορά που έχει η ποιότητα της επιφάνειας τους. Στηνπρώτηπερίπτωσηηαριθµητική µέση τιµή των αποκλίσεων όλων των σηµείων του περιγράµµατος της R a είναι 5.55 µm, ενώ στη δεύτερη περίπτωση είναι µm. Σχήµα 4.4: Φωτογραφία πριν και µετά την κατεργασία υπερλείανσης της επιφάνειας της επικάλυψης. -24-

37 4. Υπάρχουσες διατάξεις για την διεξαγωγή πειραµάτων 4.2 Προσδιορισµός της δοµής των θερµικών επικαλύψεων Τα επικαλυµµένα δοκίµια µετά την προετοιµασία και την επιφανειακή υπερλείανση τους, φωτογραφίζονται στο σαρωτικό ηλεκτρονικό µικροσκόπιο (SEM) και γίνεται η ανάλυση της περιεκτικότητας τους σε µεταλλικά στοιχεία (EDX analysis). Στο σχήµα 4.5 φαίνεται το ηλεκτρονικό σαρωτικό µικροσκόπιο που χρησιµοποιήθηκε για αυτό το σκοπό, όπως επίσης και µια τυπική φωτογραφία της δοµής ενός τύπου επικάλυψης. Στο κάτω µέρος της φωτογραφίας παρουσιάζονται οι µικροφασµατικές αναλύσεις των στοιχείων που την συνθέτουν. Στην παράγραφο αυτού του κεφαλαίου, αναφέρθηκε ο τρόπος µε τον οποίο επιτεύχθηκε η εναπόθεση µε τηνµέθοδο του ψεκασµού πλάσµατος σε δοκίµια ορθογωνικής διατοµής, έτσι ώστε να µπορούν να µελετηθούν οι στατικές και δυναµικές τους ιδιότητες. Η ειδική συσκευή συγκράτησης τεµαχίων ορθογωνικής διατοµής που σχεδιάστηκε για αυτό το σκοπό, δέχεται µικρού µεγέθους δοκίµια έτσι ώστε µπορούν να τοποθετούνται στο ειδικό θάλαµο του ηλεκτρονικού µικροσκοπίου. Σχήµα 4.5: Ηλεκτρονικό Σαρωτικό Μικροσκόπιο (SEM) και τυπική φωτογραφία µε τις αντίστοιχες µικροφασµατικές αναλύσεις του υλικού της επικάλυψης. Η επιφάνεια του υλικού του υποστρώµατος προετοιµάζεται µε την διαδικασία της µικροκοκκοβολής από λεπτόκοκκο υλικό, έτσι ώστε κατά την διάρκεια της εναπόθεσης να αναπτυχθούν ισχυροί δεσµοί συνάφειας µεταξύ των δύο υλικών. Όλα τα επικαλυµµένα δοκίµια µετά την προετοιµασία και µηχανική επιφανειακή υπερλείανση τους, φωτογραφίζονται στο σαρωτικό ηλεκτρονικό µικροσκόπιο (SEM) και γίνεται η ανάλυση των µεταλλικών τους στοιχείων (EDX), για να διαπιστωθεί η ακριβής σύσταση της επικάλυψης. -25-

38 4. Υπάρχουσες διατάξεις για την διεξαγωγή πειραµάτων Στο σχήµα 4.6 παρουσιάζονται φωτογραφίες και µικροφασµατικές αναλύσεις για δύο εξεταζόµενους τύπους επικαλύψεων. Στο δεξί µέρος του σχήµατος φαίνεται η κρυσταλλική δοµή της επικάλυψης AΙ1031 (W-based) τη στιγµή της εναπόθεσης και µετά την επιφανειακή της υπερλείανση /72/. Ηανοµοιόµορφη επιφανειακή τραχύτητα της επικάλυψης που φαίνεται στη πρώτη φωτογραφία η οποία δηµιουργείται αµέσως µετά την εναπόθεση, χρειάζεται µια τελική µηχανική κατεργασία υπερλείανσης (honing or grinding) για να αποκτήσει όσο το δυνατό καλύτερη επιφάνεια. Στοίδιοσχήµα φαίνεται η εγκάρσια τοµή τουδοκιµίουκαιηανάπτυξητου πάχους εναπόθεσης της επικάλυψης, καθώς και η επιφανειακή τραχύτητα του υποστρώµατος λόγω της µικροκοκκοβολής. Οι δύο φάσεις της δεύτερης επικάλυψης διακρίνονται στις δύο φωτογραφίες που φαίνονται στο σχήµα. Οι µικροφασµατικές αναλύσεις της επικάλυψης αποδεικνύουν ότι η επικάλυψη παρουσιάζει δύο κρυσταλλικές φάσεις Α και Β που αποτελούνται κυρίως από Ni και W αντίστοιχα, αποτέλεσµα τουτηγµένου µείγµατος της µεταλλικής σκόνης κατά την δηµιουργία του πλάσµατος. Στο αριστερό µέρος του σχήµατος παρουσιάζονται αντίστοιχα αποτελέσµατα για την επικάλυψη Ni-5%Al η οποία κατασκευάζεται και αυτή µε την µέθοδο plasma spray. Φαίνεται πολύ καλά ότι η δοµή τόσο της γνήσια επικάλυψης, όσο και µετά την επιφανειακή τους στίλβωση είναι διαφορετική. Σχήµα 4.6: οµή καιµικροφασµατικές αναλύσεις των εξεταζόµενων επικαλύψεων Ni-5%Al και AI1031 (W-based). -26-

39 4. Υπάρχουσες διατάξεις για την διεξαγωγή πειραµάτων Στο πίνακα που βρίσκεται στο κάτω µέρος του ιδίου σχήµατος φαίνονται οι τεχνολογικές ιδιότητες των εξεταζόµενων επικαλύψεων, όπως είναι το πάχος της επικάλυψης και η θερµοκρασία εναπόθεσης τη στιγµή της διαδικασίας. Καιοιδύοδιαφορετικοίτύποιεπικάλυψης χαρακτηρίζονται ως παχιές, όπως φαίνεται και από τις φωτογραφίες της τοµής τους. Εκτός από αυτά τα στοιχεία, στον πίνακα φαίνονται και οι κύριες µηχανικές ιδιότητες όπως το µέτρο ελαστικότητας τους, ησταθεράpoisson, το όριο διαρροής τους και η σκληρότητα τους τα οποία είναι καθοριστικά µεγέθη για την ποιότητα αυτών των επικαλύψεων. Για την εύρεση των κύριων µηχανικών ιδιοτήτων των θερµικών επικαλύψεων, χρησιµοποιήθηκαν διάφορες πειραµατικές - αναλυτικές µέθοδοι οι οποίες θα αναφερθούν στα επόµενα κεφάλαια. Ηδοκιµασία για την εύρεση της σκληρότητας τους έγινε λαµβάνοντας υπόψη ότι το βάθος διείσδυσης της πυραµίδας του κώνου ή της σφαίρας κατά την διάρκεια της διαδικασίας δεν πρέπει να είναι µεγαλύτερο από το 1/10 του πάχους της επικάλυψης, έτσι ώστε οι µετρήσεις να είναι αξιόπιστες, χωρίς το τελικό αποτέλεσµα τηςµέτρησης να επηρεάζεται από το υπόστρωµα. Έτσι χρησιµοποιήθηκε µια ειδική συσκευή µικροσκληρότητας για τον προσδιορισµό της σκληρότητας του στρώµατος των επικαλύψεων. Είναι προφανές ότι η σκληρότητα και των δύο υλικών και ειδικότερα του µαλακότερου Ni-5%Al είναι πολύ πιο χαµηλή από άλλες επικαλύψεις που παράγονται µε τηνµέθοδο της φυσικής ή χηµικής εναπόθεσης ατµών (PVD ή CVD). Ακριβώς οι ίδιες διαδικασίες για τον προσδιορισµό των κύριων µηχανικών ιδιοτήτων, µπορούν να εφαρµοστούν σε όλους τους διαφορετικούς τύπους επικαλύψεων που κατασκευάζονται µε την µέθοδο του θερµικού ψεκασµού. Στο σχήµα 4.7 παρουσιάζονται ακόµη δύο τύποι επικαλύψεων, όπου το ένα είναι το µεταλλικό κράµα NiCrAl και το άλλο το κεραµικό Al 2 O 3 -TiO 2 γνωστό µε την εµπορική ονοµασία Alumina. Και οι δύο τύποι επικαλύψεων έχουν κατασκευαστεί µε την µέθοδο plasma spray, όπου στην κάθε περίπτωση χρησιµοποιείται η αντίστοιχη κονιορτοποιηµένη σκόνη µεταλλικού κράµατος ή οξειδίου. Όπως φαίνεται από τον πίνακα στο κάτω µέρος του σχήµατος η κεραµική επικάλυψη είναι ελαφρώς σκληρότερη από τη µεταλλική, ενώ και οι δύο επικαλύψεις έχουν µεγαλύτερη σκληρότητα από την Ni-5%Al. Στις αντίστοιχες φωτογραφίες που πάρθηκαν στο ηλεκτρονικό σαρωτικό µικροσκόπιο, φαίνεται η δοµή των δύο επικαλύψεων µετά την κατεργασία υπερλείανσης τους. Στις φωτογραφίες όπου απεικονίζεται η εγκάρσια τοµή τους, φαίνεται το πάχος των δύο επικαλύψεων που είναι της τάξεως των 300 µm, ενώ φαίνεται καθαρά ότι η ανάπτυξη της δοµής της κεραµικής επικάλυψης είναι πολύ διαφορετική από αυτή του µεταλλικού κράµατος. Είναι εµφανής η µεγαλύτερη ανοµοιοµορφία που παρουσιάζει η επικάλυψη του οξειδίου από την µεταλλική. -27-

40 4. Υπάρχουσες διατάξεις για την διεξαγωγή πειραµάτων Σχήµα 4.7: οµή καιµικροφασµατικές αναλύσεις των εξεταζόµενων επικαλύψεων NiCrAl και AI 2 O 3 TiO 2. Τα χαρακτηριστικά ακόµη δύο επικαλύψεων που εξετάστηκαν µε τιςδιάφορεςµεθοδολογίες φαίνονται στο σχήµα 4.8. Στο πάνω µέρος του σχήµατος φαίνονται οι αντίστοιχες φωτογραφίες της δοµής τους µετά την υπερλείανση τους, ενώ στο κάτω µέρος οι κύριες µηχανικές και τεχνολογικές ιδιότητες τους. Η επικάλυψη που παρουσιάζεται στο αριστερό µέρος του σχήµατος είναι η Mo, η οποία παράγεται µε τηνµέθοδο flame spray. Η επικάλυψη που φαίνεται στο δεξί µέρος του ιδίου σχήµατος Cr 3 C 2 /NiCr κατασκευάζεται µε την µέθοδο plasma spray. Όπως φαίνεται από τις αντίστοιχες φωτογραφίες της επιφάνειας των δύο επικαλύψεων µετά την τελική κατεργασία υπερλείανσης τους, η επικάλυψη που γίνεται µε την µέθοδο flame spray παρουσιάζει περισσότερες ατέλειες από αυτές που παρουσιάζονται στις επικαλύψεις που κατασκευάζονται µε τηµέθοδο plasma spray. Το πορώδες της πρώτης επικάλυψης είναι σηµαντικά µεγαλύτερο από την άλλη. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η τήξη των µεταλλικών ή κεραµικών κόκκων της σκόνης που ψεκάζονται στο υπόστρωµα, γίνεταικαλύτερααπόότιτουσύρµατος που χρησιµοποιείται από την µέθοδο flame spray. Καλύτερη επικάλυψη όσο αφορά τις κύριες µηχανικές τους ιδιότητες είναι η επικάλυψη Cr 3 C 2 /NiCr η οποία παρουσιάζει καλύτερες τεχνολογικές και µηχανικές ιδιότητες. -28-

41 4. Υπάρχουσες διατάξεις για την διεξαγωγή πειραµάτων Σχήµα 4.8: οµή και µικροφασµατικές αναλύσεις των εξεταζόµενων επικαλύψεων Mo και Cr 3 C 2 /NiCr. 4.3 Χρήση του δοκιµαστηρίου κρούσης για τον πειραµατικό προσδιορισµό των θερµικών επικαλύψεων σε δυναµικό ερπυσµό Όπως έχει αναφερθεί στις προηγούµενες παραγράφους οι επικαλύψεις που κατασκευάζονται µε την µέθοδο του θερµικού ψεκασµού παρουσιάζουν στην δοµή τους κάποιο ποσοστό πορώδους, το οποίο εξαρτάται κατά ένα µεγάλο ποσοστό από τις συνθήκες που επικρατούν κατά την διαδικασία της εναπόθεσης αλλά και από το υλικό της επικάλυψης. Αυτές οι επικαλύψεις σε αρκετές περιπτώσεις είναι πολύ πιο µαλακές από το υπόστρωµα και λόγω του πορώδους τους, όταν φορτιστούν πέρα από ένα κρίσιµο φορτίο τότε το φαινόµενο του ερπυσµού αρχίζει να τις επηρεάζει. Γιααυτότολόγο, η συσκευή δοκιµασίας κρούσης (impact tester), χρησιµοποιήθηκε για το προσδιορισµό τηςσυµπεριφοράς αυτών των επικαλύψεων σε δυναµικό ερπυσµό. Ολόκληρη η διάταξη σε συναρµολογηµένη µορφή µε όλες τις συσκευές υποστήριξης της σε βελτιωµένη έκδοση παρουσιάζεται στο σχήµα 4.9. Η αρχή λειτουργίας της συσκευής κρούσης εστιάζεται στην ηλεκτροµαγνητική καθοδήγηση ενός στελέχους το οποίο παλινδροµεί στην κατακόρυφη διεύθυνση, όπου στο κάτω µέρος του φέρει υποδοχή για την τοποθέτηση µιας σκληρής σφαίρα κρούσης. Η εναλλασσόµενη ώθηση του στελέχους στην κατακόρυφη -29-

42 Υπάρχουσες διατάξεις για την διεξαγωγή πειραµάτων διεύθυνση προκαλείται από την αλληλεπίδραση ενός µόνιµου µαγνητικού πεδίου και ενός µεταβαλλόµενου ηλεκτροµαγνητικού πεδίου που επάγεται από ένα κατάλληλο πηνίο. ON MAN PC GEN OVL ERR SYSTEM Ampl ON / OFF Manual input MODE Freq OUT Σχήµα 4.9: Σκαρίφηµα δοκιµαστηρίου κρούσης µε τις συσκευές υποστήριξης του. Τα κύρια µέρη που αποτελούν το δοκιµαστήριο είναι η συσκευή κρουστικής δοκιµασίας, το τροφοδοτικό ισχύος και η µονάδα αξιολόγησης και ελέγχου. Η µονάδα τροφοδοσίας του πηνίου αποτελείται από τον ανορθωτή τάσης και τον ενισχυτή σήµατος τροφοδοσίας, τα οποία σχεδιάστηκαν ειδικά για τις ανάγκες της συγκεκριµένης συσκευής. Το σήµα καθοδήγησης παράγεται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή και στη συνέχεια ενισχύεται από το ηλεκτρονικό κύκλωµα ισχύοςτηςµονάδας τροφοδοσίας. Το ηλεκτρονικό κύκλωµα τροφοδοσίας επιτρέπει την αυτόµατη ρύθµιση της κρουστικής συχνότητας και του πλάτους του κρουστικού φορτίου, σύµφωνα µε τις εντολές του υπολογιστή που υποστηρίζει τον έλεγχο και την µονάδα αξιολόγησης. Το σύστηµα επιτρέπει µία συνεχή λήψη δεδοµένων και αξιολόγηση της πορείας της δοκιµασίας, προσφέροντας κατ' αυτόν τον τρόπο δυνατότητα ανάδρασης η οποία εξασφαλίζει µη διακοπτόµενα πειράµατα. Εκτός του πλάτους της κρουστικής δύναµης και της συχνότητας κρούσης, µία οµάδα από άλλες παραµέτρους όπως η θερµοκρασία του πηνίου, οαριθµόςτωνκρούσεωνκλπ. χρησιµοποιείται για τον έλεγχο της πειραµατικής δοκιµασίας. -30-

43 4. Υπάρχουσες διατάξεις για την διεξαγωγή πειραµάτων Σχήµα 4.10: Φωτογραφία δοκιµαστηρίου κρούσης µε τις συσκευές υποστήριξης του. Ητελικήµορφή του δοκιµαστηρίου φαίνεται στη φωτογραφία του σχήµατος Για καλύτερη απορρόφηση των κραδασµών, ολόκληρη η συσκευή τοποθετείται σε ένα βωµό από πλάκες µαρµάρου που ενδιάµεσα τους τοποθετείται ένα φύλλο από πλαστικό. Το τελικό αποτέλεσµα που επιτεύχθηκε από όλα τα υλικά που χρησιµοποιούνται για να απορροφούν τους κραδασµούς, ήταν το βέλτιστο δυνατό αφού ακόµη καιστιςµεγάλες φορτίσεις το δοκιµαστήριο δεν φαίνεται να επηρεάζεται. Στη λεπτοµέρεια Α του ιδίου σχήµατος, φαίνεται ο τρόπος µε τον οποίο τοποθετείται το δοκίµιο προς εξέταση, όπως και η αρχή διείσδυσης της σφαίρας σκληροµετάλλου στην επικάλυψη. Αυτή η αρχή λειτουργίας του περιγράφεται από τη σηµειακή επαφή που αναπτύσσεται µεταξύ του σφαιρικού εισβολέα (σφαίρα σκληροµετάλλου) και του επικαλυµµένου δοκιµίου. Ηυποδοχή της σφαίρας σκληροµετάλλου είναι τυποποιηµένη και υπάρχει η δυνατότητα αλλαγής της, έτσι -31-

44 4. Υπάρχουσες διατάξεις για την διεξαγωγή πειραµάτων ώστε ανάλογα µε τις επιλεγόµενες συνθήκες κρούσης να γίνεται και η σωστή επιλογή της διαµέτρου της σφαίρας. Στη περίπτωση που το αποτύπωµα που προκαλείται µετά το τέλος της πειραµατικής διαδικασίας δεν έχει κυκλική µορφή, τότε αυτό είναι ένδειξη ότι το πείραµα δεν έγινε σωστά και αυτό οφείλεται, είτε στην κακή τοποθέτηση του δοκιµίου πάνω στην µικροµετρική τράπεζα, είτε στην κακή λειτουργία του δοκιµαστηρίου. Η µικροµετρική τράπεζα έχει την δυνατότητα να µετακινείται µε ακρίβεια σε δύο κατευθύνσεις, έτσι ώστε να γίνεται εύκολα αλλαγή του σηµείου κρούσης της σφαίρας µε τοδοκίµιο. Σχήµα 4.11: Επαφή της σφαίρας µε την επιφάνεια του δοκιµίου και ανάλυση της αναπτυσσόµενης κρουστικής δύναµης. Για τη συνεχή και αξιόπιστη µέτρηση της κρουστικής δύναµης, µε την οποία καταπονείται για συγκεκριµένο κύκλο επαναλήψεων το σύστηµα επικάλυψη υπόστρωµα, υιοθετήθηκε η αρχή του πιεζοκρυστάλλου. Για το λόγο αυτό επιλέχθηκε κατάλληλος αισθητήρας µικρού µεγέθους και µε µέγιστο εύρος δυναµικού φορτίου µέχρι Ν, όπως επίσης και µε πολύ καλά χαρακτηριστικά ευαισθησίας και απόκρισης. Τα πλεονεκτήµατα αυτής της επιλογής εστιάζονται στη δυνατότητα µέτρησης σε πραγµατικό χρόνο χωρίς φαινόµενα υστέρησης, στη γραµµική συµπεριφορά του αισθητήρα µε την ίδια ακρίβεια σε όλο το εύρος λειτουργίας του, καθώς επίσης και στο σχετικά εύκολο τρόπο τοποθέτησης του στη διεύθυνση µετάδοσης της κρουστικής δύναµης. Το µέρος όπου τοποθετείται ο αισθητήρας στη συσκευή δοκιµασίας φαίνεται στο δεξί µέρος του σχήµατος 4.11, όπως επίσης και το σήµα πουδηµιουργείται από τη δύναµη. Αυτό το ηλεκτρικό φορτίο που δηµιουργείται κατά τη συµπίεση του πιεζοκρυστάλλου διέρχεται από κατάλληλο ενισχυτή σήµατος ενισχύεται και στη συνέχεια οδηγείται σε µονάδα αναλογικού ψηφιακού µετατροπέα, ο οποίος είναι ενσωµατωµένος στον ηλεκτρονικό υπολογιστή όπου και τελικά καταγράφεται. Οι πληροφορίες που καταγράφονται από το πιεζοκρύσταλλο και από κατάλληλη -32-

45 4. Υπάρχουσες διατάξεις για την διεξαγωγή πειραµάτων επεξεργασία του σήµατος που εκπέµπει είναι, η συχνότητα της δύναµης στη διάρκεια της εξέλιξης της δυναµικής δοκιµασίας, το εύρος της δύναµης και η πραγµατική διάρκεια επαφής της σφαίρας µε την υπό εξέταση επιφάνεια. Ηπραγµατική διάρκεια του χρόνου επαφής του εισβολέα µε την επιφάνεια της υπό εξέταση επικάλυψης, είναι αυτή που λαµβάνεται ως ο πραγµατικός χρόνος ενεργοποίησης του µηχανισµού του ερπυσµού στις θερµικές επικαλύψεις. -33-

46 5. Κατασκευή αυτοµατοποιηµένης πειραµατικής διάταξης 5. Κατασκευή αυτοµατοποιηµένης πειραµατικής συσκευής για την διεξαγωγή πειραµάτων στατικού ερπυσµού, καθώς επίσης και για την εύρεση των µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους Στα πλαίσια του παρούσας διατριβής και µε σκοπό τη διενέργεια πειραµάτων ερπυσµού, αλλά και πειραµάτων για τον προσδιορισµό των κυρίων µηχανικών ιδιοτήτων των θερµικών επικαλύψεων, σχεδιοµελετήθηκε και κατασκευάστηκε πειραµατική διάταξη ειδικών προδιαγραφών και λειτουργιών. Η ανάγκη για την κατασκευή της συγκεκριµένης διάταξης, προέκυψε από το γεγονός ότι οι επικαλύψεις αυτές έπρεπε να διερευνηθούν, όσο αφορά την συµπεριφορά τους σε στατικό ερπυσµό. Πέρα από αυτό και σύµφωνα µε το υπάρχων θεωρητικό υπόβαθρο, όσο αφορά τον προσδιορισµό των κύριων µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων, µέσω των πειραµατικών αποτελεσµάτων της διείσδυσης του σφαιρικού εισβολέα στο εσωτερικό των επικαλύψεων και τη προσοµοίωσης τους µε την βοήθεια της µεθόδου των πεπερασµένων στοιχείων, η πειραµατική διάταξη χρησιµοποιήθηκε στην διεξαγωγή πειραµάτων για την διερεύνηση των µηχανικών τους ιδιοτήτων. Λόγω της πολύ διαφορετικής και ανοµοιόµορφης δοµής των θερµικών επικαλύψεων, δεν ήταν δυνατή η εκπόνηση αξιόπιστων πειραµατικών αποτελεσµάτων µέσω του νανοσκληροµέτρου για την διερεύνηση των µηχανικών τους ιδιοτήτων. Το δοκιµαστήριο αυτό κατασκευάστηκε λαµβάνοντας υπόψη τις λειτουργικές συνθήκες των διαφόρων θερµικών επικαλύψεων, έτσι ώστε να µπορεί να προσοµοιώσει τις πραγµατικές συνθήκες λειτουργίας τους, µε τελικό αποτέλεσµα τον προσδιορισµό των µηχανικών τους ιδιοτήτων και των ιδιοτήτων τους σε στατικό ερπυσµό. Η αρχή λειτουργίας της πειραµατικής συσκευής στηρίζεται στη σωστή χρήση πεπιεσµένου αέρα µε πνευµατικές συσκευές υψηλής ακρίβειας, καθώς επίσης και στην σωστή καθοδήγηση αυτών των συσκευών µέσω εξειδικευµένων λογισµικών πακέτων. Όσο αφορά τη σωστή λειτουργία αλλά και τον προγραµµατισµό όλων των πνευµατικών στοιχείων, χρησιµοποιήθηκε ειδικό λογισµικό πρόγραµµα µε ανάλογο hardware, έτσι ώστε να µπορούν να δίνονται όλες οι εντολές καιναγίνονταιόλεςοιρυθµίσεις µε αυτόµατο τρόπο µέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή. -34-

47 5. Κατασκευή αυτοµατοποιηµένης πειραµατικής διάταξης 5.1 Σχεδιοµελέτη και κατασκευή πειραµατική συσκευής Η αρχή λειτουργίας του δοκιµαστηρίου στηρίζεται στην καθοδηγούµενη µετατόπιση του κατακόρυφου άξονα του εµβόλου ακριβείας µε την βοήθεια πεπιεσµένου αέρα. Ηπειραµατική συσκευή συνδέεται µε δίκτυο πεπιεσµένου αέρα, όπου η πίεση πρέπει να είναι από 6 ως 10 bar. Στο σχήµα 5.1 παρουσιάζεται η διάταξη των πνευµατικών στοιχείων της πειραµατικής συσκευής και ο τρόπος µε τον οποίο συνδέονται µεταξύ τους. Η διάταξη διαθέτει δικό της προπαρασκευαστή αέρα, έτσι ώστε να µπορεί να γίνεται σωστή ρύθµιση της πίεσης εισόδου, αλλά και να καθαρίζεται ο αέρας από τυχόν υγρασία ή µικρά σωµατίδια που θα µπορούσαν να προκαλέσουν ζηµιά στις υπόλοιπες πνευµατικές συσκευές. Μετά τον προπαρασκευαστή αέρα υπάρχει η αναλογική βαλβίδα ρύθµισης πίεσης, που µέσω του προγράµµατος λειτουργίας της συσκευής, µπορεί να ρυθµιστεί µε απόλυτη ακρίβεια η πίεση µε την οποία θα εκτελεστεί το πείραµα. Με αυτόν το τρόπο επιτυγχάνεται µε ακρίβεια η εφελκυστική ή θλιπτική δύναµη γιατο κάθε συγκεκριµένο πείραµα. Μετά την αναλογική βαλβίδα είναι σε σειρά συνδεσµολογηµένη η ηλεκτροµαγνητική βαλβίδα, µε την οποία ρυθµίζεται η φορά του εµβόλου που µπορεί να είναι είτε προς τα πάνω, είτε προς τα κάτω. Έτσιστηπρώτηπερίπτωσηηεφαρµοζόµενη µέσω του άξονα του εµβόλου δύναµη είναι εφελκυστική, ενώ στην δεύτερη η δύναµη γίνεται θλιπτική. Σχήµα 5.1: ιάταξη πνευµατικών στοιχείων της πειραµατική συσκευής. Φυσικά για να λειτουργήσει η συσκευή πρέπει µερικά στοιχεία της διάταξης να τροφοδοτηθούν κατάλληλα µε ρεύµα συνεχούς τάσεως. Η λειτουργία αυτών των συσκευών κατά την -35-

48 5. Κατασκευή αυτοµατοποιηµένης πειραµατικής διάταξης πειραµατική διαδικασία, το πόσο µεγάλη η µικρή θα είναι η πίεση, αλλά και για την φορά του εµβόλου δηλαδή για το αν το φορτίο θα είναι εφελκυστικό η θλιπτικό, γίνεται µε κατάλληλο συνεχόµενοήπαλµικό σήµα, µέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή και κατάλληλου λογισµικού. Τα γενικά χαρακτηριστικά και οι τεχνικές προδιαγραφές αυτής της πειραµατικής πνευµατικής συσκευής παρουσιάζονται στο πίνακα 5.1. Η διάταξη αυτή χωρίζεται σε τρία διαφορετικά µέρη, όπου το καθένα είναι εξίσου σηµαντικό για την λειτουργία της συσκευής και τη σωστή καταγραφή των αποτελεσµάτων κατά την πειραµατική διαδικασία /51/. Μέρη τα οποία αποτελείται: 1. Μηχανικό µέρος 2. Πνευµατικά και ηλεκτρολογικά στοιχεία 3. Αυτόµατο ηλεκτρονικό σύστηµα ελέγχου και καθοδήγησης (Η/Υ) Κύρια χαρακτηριστικά ιαστάσεις µηχανικού µέρους: Βάρος µηχανικού µέρους: ιαστάσεις ηλεκτρολογικήςπνευµατικής διάταξης: Τάση τροφοδοσίας: Πίεση λειτουργίας: Μέγιστη πίεση λειτουργίας: Εύρος δύναµη λειτουργίας: 405x405x385 mm (WxLxH) 150 Κg 155x450x450 mm (WxLxH) 220VAC 50Hz 6 bar 10 bar N Πίνακας 5.1: Γενικά χαρακτηριστικά πειραµατικής διάταξης. Όπως αναφέρθηκε και προηγουµένως, η αρχή λειτουργίας της πειραµατικής διάταξης στηρίζεται στην σωστή χρήση και καθοδήγηση πεπιεσµένου αέρα, µέσω πνευµατικών συσκευών υψηλής ακριβείας. Η κύρια διάταξη αυτών των στοιχείων τα οποία συνθέτουν την πνευµατική πειραµατική συσκευή, αλλά και ο τρόπος µε τον οποίο συναρµολογούνται παρουσιάζονται στις επόµενες παραγράφους. Στο σχήµα 5.2 φαίνεται υπό µορφή σκαριφήµατος, ηπειραµατική διάταξη και ο τρόπος µε τον οποίο συνδέονται µεταξύ τους τα διάφορα στοιχεία. Στο αριστερό µέρος του σχήµατος, φαίνεται η µονάδα ελέγχου της συσκευής που αποτελείται από ένα ηλεκτρονικό υπολογιστή, τις ανάλογες ψηφιακές κάρτες και το ηλεκτρονικό πρόγραµµα λειτουργίας και καθοδήγησης της συσκευής. Η λειτουργία των διαφόρων πνευµατικών οργάνων και συσκευών αλλά και ο έλεγχος αυτών, γίνεται µε ανάλογη -36-

49 LABORATORY FOR MA CHINE TOOLS AN D MANU FA CTU RIN G EN GINE ERI NG LABORATORY FOR MACHINETOOLS AND MANUFACTURINGENGINEERING 5. Κατασκευή αυτοµατοποιηµένης πειραµατικής διάταξης λήψη ή αποστολή ηλεκτρικού σήµατος µέσω του ηλεκτρονικού υπολογιστή, όπου διαθέτει το ανάλογο λογισµικό και τις ηλεκτρονικές συσκευές. Στην οθόνη του ηλεκτρονικού υπολογιστή φαίνεται το πρόγραµµα µε το οποίο γίνεται η καθοδήγηση και ο έλεγχος της πνευµατικής συσκευής. Στο κεντρικό µέρος του ιδίου σχήµατος φαίνεται το κιβώτιο το οποίο περιέχει µε συγκεκριµένη σειρά και διάταξη όλα τα ηλεκτρικά και πνευµατικά στοιχεία. Στο εξωτερικό µέρος της διάταξης αυτής, βρίσκεται ο πίνακας µε τον οποίο γίνεται η χειροκίνητη λειτουργία της συσκευής. Όλες οι λειτουργίες που µπορούν να γίνουν µέσω του ηλεκτρονικού υπολογιστή, µπορούν να εκτελεστούν µε τα κοµβία και τους διακόπτες που βρίσκονται πάνω σε αυτό το πίνακα χειροκίνητης λειτουργίας. Σχήµα 5.2: Σκαρίφηµα συναρµολογηµένης διάταξης. Στο κάτω κεντρικό µέρος του ιδίου σχήµατος φαίνονται οι ενισχυτές σήµατος δύναµης και µετατόπισης, οι οποίοι λαµβάνουν τα αντίστοιχα σήµατα από τους αισθητήρες δύναµης και µετατόπισης. Οι δύο αυτοί ενισχυτές, εφόσον λάβουν σήµα από τις αντίστοιχες συσκευές, το µετατρέπουν και το ενισχύουν. Στη συνέχεια το κάθε σήµα στέλνεται στη ψηφιακή κάρτα του ηλεκτρονικού υπολογιστή, όπου και µεταφράζεται στα αντίστοιχα µεγέθη δύναµης και µετατόπισης. -37-

50 5. Κατασκευή αυτοµατοποιηµένης πειραµατικής διάταξης Στο δεξί µέρος του σχήµατος φαίνεται το µηχανικό µέρος της συσκευής, όπου τοποθετούνται τα πειραµατικά δοκίµια για να εκτελεστούν τα πειράµατα. Η ίδια πειραµατική συσκευή παρουσιάζεται καλύτερα στη φωτογραφία του σχήµατος 5.3, όπου φαίνονται πολύ καλά τα µέρη από τα οποία αποτελείται, όπως επίσης το δυναµόµετρο και το επαγωγικό σύστηµα µέτρησης µετατόπισης (επαγωγικός αισθητήρας). Στο δεξί µέρος της φωτογραφίας αυτής φαίνεται η διάταξη µε τα ηλεκτρολογικά και τα πνευµατικά στοιχεία, όπου στο µπροστινό της µέρος διακρίνεται ο ειδικά σχεδιασµένος πίνακας χειροκίνητης λειτουργίας της συσκευής. Ακόµη στη ίδια φωτογραφία φαίνεται ο ενισχυτής σήµατος δύναµης και η συσκευή καταγραφής της µετατόπισης κατά την διάρκεια της εκτέλεσης µιας πειραµατικής διαδικασίας. Σχήµα 5.3: Φωτογραφίες πειραµατικής συσκευής εύρεσης των µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων που παράγονται µε τηνµέθοδο του θερµικού ψεκασµού. Ηπνευµατική συσκευή µπορεί να καθοδηγηθεί και να ρυθµιστεί µε δύο εναλλακτικούς τρόπους που είναι είτε µε την βοήθεια του χειροκίνητου µηχανισµού µέσω του πίνακα ελέγχου που βρίσκεται στο µπροστινό µέρος της ηλεκτρικής-πνευµατικής διάταξης, είτε µε αυτόµατο ηλεκτρονικό τρόπο µέσω του ειδικά διαµορφωµένου ηλεκτρονικού υπολογιστή και του κατάλληλου λογισµικού. Στο αριστερό µέρος του ιδίου σχήµατος, φαίνεται το σύστηµα του ηλεκτρονικού υπολογιστή µε τον οποίο πετυχαίνεται ο αυτόµατος χειρισµός της πειραµατικής συσκευής. Στη διάταξη του ηλεκτρονικού υπολογιστή είναι ενσωµατωµένη µια ειδική ψηφιακή κάρτα, η οποία έχει τη δυνατότητα λήψης και αποστολής ηλεκτρικών σηµάτων στις διάφορες συσκευές για ρύθµιση της πίεσης, καθοδήγηση του κινητού άξονα του εµβόλου, παρακολούθηση της δύναµης µε την οποία εκτελείται το πείραµα καιτέλος, καταγραφή της µετατόπιση σε κάθε χρονική στιγµή της εξέλιξης της πειραµατικής διαδικασίας. Στην οθόνη του υπολογιστή φαίνεται το πρόγραµµα µε -38-

51 5. Κατασκευή αυτοµατοποιηµένης πειραµατικής διάταξης το οποίο γίνονται όλες οι ρυθµίσεις για την καθοδήγηση και τον έλεγχο της πειραµατικής συσκευής Μηχανικό µέρος της πειραµατική συσκευής Το µέρος αυτό αποτελείται από την µεταλλική βάση και από δύο µεταλλικούς δοκούς, όπου στηρίζονται και συναρµολογούνται οι διάφοροι τύποι εµβόλων αλλά και τα υπόλοιπα εξαρτήµατα και αισθητήρες, έτσι ώστε να µπορούν να εκτελούνται τα πειράµατα και να καταγράφονται µε σωστό και αξιόπιστο τρόπο τα πειραµατικά αποτελέσµατα. Τόσο η µεταλλική βάση όσο και οι δύο µεταλλικοί δοκοί είναι κατασκευασµένοι από σφαιροειδή χυτοσίδηρο GG- 25, που είναι αρκετά διαδεδοµένος για την κατασκευή τέτοιων συσκευών. Πάνω στη µεταλλική βάση του µέρους αυτού, τοποθετείται το δυναµόµετρο όπου πάνω σε αυτό τοποθετούνται τα πειραµατικά δοκίµια για την διεξαγωγή των διαφόρων πειραµατικών διαδικασιών εύρεσης των µηχανικών τους ιδιοτήτων. Σχήµα 5.4: Κύριο µέρος πειραµατικής συσκευής µε ταεπίµέρους στοιχεία της. Στο σχήµα 5.4 φαίνεται το µηχανικό µέρος της συσκευής, µαζί µετοσύστηµαδυναµοµέτρησης και το σύστηµα µέτρησης της µετατόπισης. Οι δύο µεταλλικοί δοκοί που φαίνονται στο σχήµα αυτό, είναι συναρµολογηµένοι µε κοχλίες πάνω στη µεταλλική βάση και είναι σε θέση να φορτιστούν µε µεγάλου µεγέθους δυνάµεις, χωρίς να µετακινούνται ή να παραµορφώνονται. Οι µεταλλικοί δοκοί είναι υπερδιαστασιολογηµένοι, έτσι ώστε να µπορούν να αντέξουν αρκετά µεγάλες δυνάµεις χωρίς να υποστούν ελαστική παραµόρφωσηηοποίαµπορεί να επηρεάσει τα -39-

52 5. Κατασκευή αυτοµατοποιηµένης πειραµατικής διάταξης πειραµατικά αποτελέσµατα. Το έµβολο το οποίο είναι συναρµολογηµένο και αυτό µε κοχλίες πάνω στους µεταλλικούς δοκούς, µπορεί να αλλάξει θέση όσο αφορά την απόσταση του από τη βάση, µέσω των οπών που βρίσκονται κατά µήκος των δοκών. Αυτήηκαθ ύψοςρύθµιση του εµβόλου ως προς την απόσταση του από τη µεταλλική βάση, γίνεται για να µπορούν να τοποθετηθούν πάνω στη µεταλλική βάση δοκίµια µε διαφορετική µορφή ή µέγεθος. Με την χρήση αποστάτη στήριξης εµβόλου, υπάρχει η δυνατότητα να τοποθετηθούν έµβολα µε διαφορετικά µεγέθη και δυνατότητες εφαρµογής δύναµης στα πειραµατικά δοκίµια. Πάνω στη µεταλλική βάση και κάτω από τον κινούµενο άξονα του εµβόλου, είναι συναρµολογηµένο τοδυναµόµετρο, όπου γίνεται µε άµεσο τρόπο η µέτρηση της δύναµης που εφαρµόζεται σε κάθε πειραµατική διαδικασία πάνω στο εξεταζόµενο δοκίµιο. Γιαναγίνεταιµε σωστό και σταθερό τρόπο η τοποθέτηση των πειραµατικών δοκιµίων, στο πάνω µέρος του δυναµόµετρου υπάρχει µια ειδικά διαµορφωµένη µεταλλική βάση, όπου πάνω σε αυτή τοποθετούνται και συγκρατούνται τα δοκίµια προς εξέταση. Τέλος ολόκληρο το µηχανικό µέρος της διάταξης, όπως φαίνεται και από το σχήµα, βρίσκεται πάνω σε τέσσερα ειδικά αντικραδασµικά ποδαράκια στήριξης µε ταοποίαµπορεί να ρυθµιστεί η οριζόντια θέση του ιάταξη πνευµατικών και ηλεκτρολογικών στοιχείων της πειραµατικής συσκευής Λόγω του ότι τα πνευµατικά και τα είναι ηλεκτρολογικά στοιχεία της συσκευής δεν απαιτούν µεγάλο χώρο, τοποθετήθηκαν σε ένα ενιαίο χώρο όπου σε αυτόν συναρµολογήθηκαν µε κατάλληλη σειρά όλα τα πνευµατικά και ηλεκτρολογικά στοιχεία της πειραµατικής διάταξης. Στη πάνω φωτογραφία του σχήµατος 5.5 φαίνεται η διάταξη αυτή, ενώ στη κάτω φωτογραφία φαίνεται το εσωτερικό της µε όλες τις λειτουργικές πνευµατικές και ηλεκτρικές συσκευές. Η κύρια τροφοδοσία των στοιχείων αυτών µε ηλεκτρική τάση γίνεται µε σύνδεση των καλωδίων που βρίσκονται στο δεξί µέρος της διάταξης, µε τοµόνιµο ηλεκτροδοτικό δίκτυο, τάσης 220V και συχνότητας 50Hz. Όσο αφορά τις κύριες ηλεκτρικές συσκευές που βρίσκονται στο εσωτερικό της διάταξης, είναι ένα τροφοδοτικό 24VDC και δύο µικρότερα τροφοδοτικά των 6VDC. Το τροφοδοτικό των 24VDC, τροφοδοτεί µε συνεχή τάση την βαλβίδα ρύθµισης πίεσης και επιπλέον δίνει παλµικό σήµα στην ηλεκτροµαγνητική βαλβίδα για την αλλαγή της παροχής πίεσης στο έµβολο για την αλλαγή της διεύθυνσης του. Τα δύο µικρότερα τροφοδοτικά δίνουν ηλεκτρικό σήµα στηνβαλβίδαρύθµισης πίεσης και στην µικρή οθόνη ένδειξης που βρίσκεται στο µπροστινό µέρος της διάταξης και ανήκει στο χειροκίνητο σύστηµα. Στη πάνω φωτογραφία του σχήµατος βρίσκεται κλειστή η διάταξη αυτή, όπου στο µπροστινό της µέρος φαίνεται ο πίνακας χειροκίνητου χειρισµού, ενώ στο αριστερό πλαϊνό µέρος του είναι συνδεδεµένοτοσύστηµα του προπαρασκευαστή αέρα. Ο προπαρασκευαστής αέρα είναι το -40-

53 5. Κατασκευή αυτοµατοποιηµένης πειραµατικής διάταξης εξάρτηµα το οποίο συνδέεται η πειραµατική συσκευή µε τοδίκτυοπαροχήςαέρα. Μέσω του προπαρασκευαστή αέρα γίνεται η παροχή ή η διακοπή πίεσης στη πειραµατική συσκευή, ρυθµίζεται η µέγιστη πίεση λειτουργίας της και φυσικά καθαρίζεται ο αέρας από τυχόν σκόνες ή υγρασία που θα µπορούσαν να δηµιουργήσουν πρόβληµα κατάτηλειτουργίατηςσυσκευής. Σχήµα 5.5: ιάταξη ηλεκτρολογικών και πνευµατικών στοιχείων της πειραµατικής συσκευής. Στη συνέχεια εφόσον ο αέρας καθαριστεί και αφυγρανθεί, οδηγείται µέσω πλαστικών σωλήνων στο εσωτερικό της διάταξης και συγκεκριµένα στη αναλογική βαλβίδα ρύθµισης πίεσης. Μέσω αυτής της βαλβίδας, γίνεται η ακριβής ρύθµιση της πίεσης µε την οποία θα εκτελεστεί µια συγκεκριµένη πειραµατική διαδικασία. Ηβαλβίδαρύθµισης πίεσης, αφού λάβει το κατάλληλο ηλεκτρικό σήµα ανταποκρίνεται άµεσα µε αποτέλεσµα ναρυθµίζεται η επιθυµητή πίεση στο θάλαµο τουεµβόλου. Επίσης έχει τη δυνατότητα να διατηρεί την συγκεκριµένη πίεση σταθερή για απεριόριστο χρόνο ή να την αλλάζει ανάλογα µε τις ανάγκες της εκάστοτε σειράς πειραµάτων. -41-

54 5. Κατασκευή αυτοµατοποιηµένης πειραµατικής διάταξης Η τελευταία πνευµατική συσκευή που περνάει ο πεπιεσµένος αέρας πριν από την είσοδο του στο θάλαµο τουεµβόλου είναι η ηλεκτροµαγνητική βαλβίδα, όπου εκεί µε την βοήθεια παλµικού ηλεκτρικού σήµατος, γίνεται η ρύθµιση της εξόδου του πεπιεσµένου αέρα στους δύο πλαστικούς σωλήνες, όπου ο ένας σωλήνας δίνει πίεση για να ανεβεί το έµβολο προς τα πάνω και ο άλλος γιανακατεβείπροςτακάτω. 5.2 Πειραµατικός προσδιορισµός της συµπεριφοράς των θερµικών επικαλύψεων σε ερπυσµό µε την βοήθεια του δοκιµαστηρίου στατικής φόρτισης Ηγνώσητηςσυµπεριφοράς των επικαλύψεων κατά την φόρτιση τους µε στατικό φορτίο, είναι πολύ σηµαντική και αναγκαία για την επιλογή αυτών των επικαλύψεων στα διάφορα στοιχεία µηχανών. Ο κυριότερος λόγος στον οποίο οφείλεται η αστοχία µιας επικάλυψης, είναι η υπερφόρτιση της µε στατικά ή δυναµικάφορτίαταοποίαείναιαδύνατονααντέξει. Οι µεγάλες πλαστικές παραµορφώσεις που αναπτύσσονται στο εσωτερικό της επικάλυψης, όταν φορτίζεται µε έναµεγάλο για αυτή στατικό φορτίο, οδηγεί σε αστοχία την συγκεκριµένη επικάλυψη και θέτει εκτός λειτουργίας το εξάρτηµα στο οποίο έχει εναποτεθεί και που είχε σαν σκοπό την προστασία του. Ειδικότερα δε, όταν το φαινόµενο του ερπυσµού επιδρά πάνω στις επικαλύψεις η αστοχία τους θα επέλθει νωρίτερα. Για αυτό τον σκοπό και για να µπορέσει να προσδιοριστεί ο µηχανισµός του ερπυσµού στις διάφορες επικαλύψεις, χρησιµοποιείται η πειραµατική συσκευή που έχει εξελιχθεί και κατασκευαστεί στα πλαίσια της παρούσας διατριβής και που έχει την δυνατότητα εφαρµογής στατικού φορτίου για απεριόριστο χρόνο στα διάφορα δοκίµια. Με την σηµερινή τεχνογνωσία και τεχνολογία έχουν αναπτυχθεί αρκετές µέθοδοι και συσκευές, για την διερεύνηση του µηχανισµού του ερπυσµού, τόσο των κοινών κατασκευαστικών υλικών όσοκαιτωνδιαφόρωνεπικαλύψεωνσεχαµηλές θερµοκρασίες λειτουργίας τους /48, 49, 50/. Λαµβάνοντας υπόψη την ιδιαιτερότητα της δοµής των θερµικών επικαλύψεων, αλλά και την συµπεριφορά τους όταν λειτουργούν σε αντίξοες εντατικές συνθήκες, κρίθηκε αναγκαία η κατασκευή της συγκεκριµένης πειραµατικής διάταξης. Με την χρήση αυτής της συσκευής εκτελείται σε ειδικά κατασκευασµένα δοκίµια, ηπειραµατική διαδικασία για τον προσδιορισµό της συµπεριφοράς σε στατικό ερπυσµό των θερµικών επικαλύψεων. Τα εξεταζόµενα δοκίµια τοποθετούνται στην ειδική βάση της συσκευής, όπου και συγκρατούνται µε σταθερό τρόπο όπως φαίνεται στο σχήµα 5.6. Το κάτω µέρος του κινητού άξονα του εµβόλου διαθέτει σπείρωµα, στο οποίο προσαρµόζεται ο συγκρατητής του σφαιρικού εισβολέα µε τον οποίο εκτελούνται τα πειράµατα. Ανάλογα τώρα µε τηνεπιθυµητή δύναµη σε κάθε πειραµατική διαδικασία, δίνεται το ανάλογο σήµα από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή για να αναπτυχθεί η ζητούµενη πίεση στο θάλαµο του εµβόλου. Με αυτό το τρόπο η σφαίρα -42-

55 5. Κατασκευή αυτοµατοποιηµένης πειραµατικής διάταξης σκληροµετάλλου πιέζει την εξεταζόµενη επιφάνεια για τον χρόνο που προδιαγράφεται από την πειραµατική διαδικασία. Ο επαγωγικός αισθητήρας καταγράφει σε πραγµατικό χρόνο την αύξηση του βάθους διείσδυσης που προκαλείται, λόγω της πλαστικής παραµόρφωσης αλλά και του φαινοµένου του ερπυσµού. Σχήµα 5.6: Πείραµα στατικού ερπυσµού µέσω της πειραµατικής συσκευής. Στο δεξί µέρος του σχήµατος παρουσιάζεται η µεταβολή του επιβαλλόµενου φορτίου στην επιφάνεια της επικάλυψης στη διάρκεια του χρόνου. Η διάταξη έχει σχεδιοµελετηθεί και κατασκευαστεί µε τέτοιο τρόπο, ώστε να µπορεί να κρατάει σταθερή τη δύναµη κατά την διάρκεια µιας πειραµατικής διαδικασίας, όσο χρόνο χρειάζεται. Ορυθµιστής πίεσης ελέγχει την πίεση στο εσωτερικό του εµβόλου, έτσι ώστε να διατηρείται σταθερή η δύναµη η οποία έχει ρυθµιστεί µέσω του προγράµµατος καθοδήγησης της συσκευής. 5.3 Χρήση πειραµατικού δοκιµαστηρίου για την εύρεση των µηχανικών ιδιοτήτων των θερµικών επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους Εκτός από τη διεξαγωγή πειραµάτων ερπυσµού, ηπειραµατική διάταξη χρησιµοποιείται και για την εκπόνηση πειραµατικών αποτελεσµάτων που βοηθούν στον προσδιορισµό τωνµηχανικών ιδιοτήτων των θερµικών επικαλύψεων. Λόγω της ανοµοιόµορφης δοµής αυτών των επικαλύψεων δεν ήταν δυνατή η διερεύνηση τους µέσω του νανοσκληροµέτρου. Έτσι µέσω των πειραµατικών αποτελεσµάτων που προκύπτουν µε την βοήθεια της πειραµατικής συσκευής, σε συνδυασµό µε την χρήση της µεθόδου των πεπερασµένων στοιχείων (FEM), έγινε ο προσδιορισµός της ελαστοπλαστικής συµπεριφοράς των εξεταζόµενων επικαλύψεων. Στο σχήµα 5.7 φαίνεταιηαρχήστηνοποίαβασίστηκεαυτήηµέθοδος για τον προσδιορισµό της ελαστοπλαστικής συµπεριφοράς των διαφόρων εξεταζόµενων επικαλύψεων. Μέσω της ελαστικής σφαίρας µε γνωστέςµηχανικές ιδιότητες και γεωµετρία, γίνεται η διείσδυση της στην -43-

56 5. Κατασκευή αυτοµατοποιηµένης πειραµατικής διάταξης επιφάνεια της επικάλυψης του δοκιµίου. Η διείσδυση της σφαίρας µπορεί να διαχωριστεί σε δύο φάσεις. Η πρώτη φάση της φόρτισης αρχίζει µε το που ακουµπάει η σφαίρα την επιφάνεια και σταµατάει όταν επέλθει ισορροπία µεταξύ του εξωτερικού φορτίου και της επιφάνειας του υλικού λόγω της αντίστασης του να παραµορφωθεί ελαστικά. Στην στιγµιαία επιφάνεια επαφής που δηµιουργείται µεταξύ της σφαίρας και του δοκιµίου αναπτύσσεται µια πολύ µεγάλη πίεση επαφής. Αυτή η πίεση µειώνεται σταδιακά λόγω της ελαστικής παραµόρφωσης της επιφάνειας επαφής, της οποίας η προβολή είναι κάθετη στον άξονα του επιβαλλόµενου φορτίου, σύµφωνα µε την θεωρία του Hertz /41/. Η άλλη φάση είναι η φάση της αποφόρτισης που αρχίζει µε το τέλος της διείσδυσης και τελειώνει µε τηναποµάκρυνση της σφαίρας από την επιφάνεια του δοκιµίου. Σχήµα 5.7: Θεωρητικό µέρος προσδιορισµού των ελαστοπλαστικών ιδιοτήτων των θερµικών επικαλύψεων µέσω των πειραµατικών αποτελεσµάτων που προκύπτουν από το πειραµατικό δοκιµαστήριο στατικής φόρτισης. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα αποτυπώνονται σε ένα διάγραµµα βάθουςδιείσδυσηςπροςτο φορτίο διείσδυσης, όπως φαίνεται στο µέσο το σχήµατος 5.7. Για την εύρεση του µέτρου ελαστικότητας, του ορίου διαρροής και της τελικής καµπύλης τάσης παραµόρφωσης, χρησιµοποιούνται αυτά τα αποτελέσµατα ως εισερχόµενα δεδοµένα στο κατάλληλα εξελιγµένο µοντέλο πεπερασµένων στοιχείων (FEM), το οποίο φαίνεται στο πάνω δεξί µέρος του ιδίου σχήµατος. Λόγω του ότι είναι αρκετά δύσκολο να διαχωριστεί η καθαρά ελαστική από την ελαστοπλαστική περιοχή, ηπειραµατική καµπύλη διακριτοποιείται σε µικρότερα βήµατα (βλ. λεπτοµέρεια Α) έτσι ώστε να γίνει καλύτερη προσέγγιση αυτής της περιοχής µέσω της διαδικασίας της προσοµοίωσης /42, 43/. Το µέτρο ελαστικότητας της επικάλυψης εισάγεται σαν γνωστό δεδοµένο, ενώ αυτό που γίνεται κατά την προσοµοίωση είναι η εφαρµογή µικρής διείσδυσης του σφαιρικού εισβολέα στο εσωτερικό της επικάλυψης η οποία έχει σαν -44-

57 5. Κατασκευή αυτοµατοποιηµένης πειραµατικής διάταξης αποτέλεσµα την ανάπτυξη δύναµης αντίδρασης F y. Αυτό γίνεται για συνεχώς αυξανόµενη διείσδυση και τα αποτελέσµατα της λύσης του µοντέλου πεπερασµένων στοιχειών, συγκρίνονται µε αυτά που προέκυψαν µέσα από την πειραµατική διαδικασία. Στην περίπτωση όπου τα αναλυτικά αποτελέσµατα συµπίπτουν µε τα πειραµατικά, τότε θεωρείται ότι έγινε σωστή εκτίµηση του µέτρου ελαστικότητας της επικάλυψης. Στην αντίθετη περίπτωση γίνεται επαναπροσδιορισµός του µέτρου ελαστικότητας µε ταυτόχρονη επίλυση του προσοµοιωτικού µοντέλου, έτσι ώστε να επιτευχθεί η σύγκλιση των αναλυτικών µε τα πειραµατικά αποτελέσµατα. Με το ίδιο τρόπο γίνεται και ο προσδιορισµός του ορίου διαρροής και ολόκληρης της καµπύλης τάσης παραµόρφωσης της εξεταζόµενης επικάλυψης, λαµβάνοντας τα πειραµατικά αποτελέσµατα που προκύπτουν µετά την ελαστοπλαστική παραµόρφωση της επικάλυψης. Ο τρόπος µε τον οποίο γίνεται ο προσδιορισµός της ελαστικής αλλά και πλαστικής συµπεριφοράς των επικαλύψεων που παράγονται µε την µέθοδο του θερµικού ψεκασµού, µέσω της προσοµοίωσης των πειραµατικών αποτελεσµάτων που προέρχονται από το εξελιγµένο πειραµατικό δοκιµαστήριο, θα επεξηγηθούν και αναλυθούν στο κεφάλαιο

58 6. Προσδιορισµός µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους 6. Μέθοδοι προσδιορισµού των ελαστοπλαστικών ιδιοτήτων των θερµικών επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους Το γεγονός ότι οι επικαλύψεις που παράγονται µε την µέθοδο του ψεκασµού πλάσµατος, παρουσιάζουν το φαινόµενο του ερπυσµού όταν υπερφορτίζονται πάνω από ένα συγκεκριµένο φορτίο, δεν αποτελεί εµπόδιο για τον προσδιορισµό της δοµής και των µηχανικών τους ιδιοτήτων. Φυσικά όλες οι µηχανικές ιδιότητες που προσδιορίζονται µέσα από τις διάφορες µεθόδους, οι οποίες αναφέρονται στις επόµενες παραγράφους, ισχύουν µόνο για την περίπτωση όπου ο µηχανισµός του ερπυσµού δεν έχει καµία επίδραση πάνω στους διάφορους τύπους επικαλύψεων. Στην περίπτωση της ενεργοποίησης του φαινοµένου του ερπυσµού, τότε οι µηχανικές ιδιότητες τους αλλάζουν ανάλογα µε το µέγεθος και την χρονική διάρκεια του φορτίου που επιδρά πάνω σε αυτές. Όπως αναφέρθηκε και στο κεφάλαιο της στάθµης γνώσεων η γνώση των µηχανικών ιδιοτήτων των διαφόρων υλικών επικαλύψεων έχει τεράστια σηµασία, αφού αυτά τα στοιχεία συνιστούν στη σωστή επιλογή για την χρήση τους στα διάφορα στοιχεία µηχανών, έτσι ώστε οι συνθήκες στις οποίες λειτουργούν να µην είναι εκτός των ορίων που είναι σε θέση να αντέξουν. Στην αντίθετη περίπτωση τα προβλήµατα που µπορεί να δηµιουργηθούν είναι αρκετά και πολύπλοκα. Οι χρησιµοποιούµενες επικαλύψεις ενδέχεται να µην µπορούν να αντεπεξέλθουν στις δυσµενείς εντατικές συνθήκες που επικρατούν κατά την λειτουργία τους. Πέρα από αυτό, η ελλιπής γνώση των µηχανικών ιδιοτήτων αυτών των επικαλύψεων, οδηγεί στη λανθασµένη επιλογή τους στα διάφορα στοιχεία µηχανών µε αποτέλεσµα ναµειώνεται η αποδοτικότητα και λειτουργικότητα της ίδιας της επικάλυψης. Όπως θα φανεί και στις επόµενες παραγράφους υπάρχουν αρκετές γνωστές µεθοδολογίες που χρησιµοποιούνται για τον χαρακτηρισµό των κύριων µηχανικών και τεχνολογικών ιδιοτήτων των διαφόρων υλικών, αλλά και των επικαλύψεων που κατασκευάζονται µε τη µέθοδο του ψεκασµού /31, 70, 71/. Λόγω όµως του µικρού πάχους των επικαλύψεων φυσικά ήταν αδύνατο να προσδιοριστεί το µέτρο ελαστικότητας και το όριο διαρροής των υλικών αυτών µετογνωστό πείραµα εφελκυσµού. Έτσι για την εύρεση των ιδιοτήτων αυτών, τόσο των υλικών των επικαλύψεων, όσο και των χρησιµοποιούµενων υποστρωµάτων, χρησιµοποιήθηκε µια πρωτότυπη επαναληπτική πειραµατική - αναλυτική διαδικασία. Τα τελικά αποτελέσµατα έδειξαν ότι αυτή η µέθοδος είναι αρκετά αξιόπιστη και σωστή, αφού κατά την χρήση της σε υλικά µε γνωστά χαρακτηριστικά, βρέθηκαν αποτελέσµατα πολύ κοντά ή ακόµη και τα ίδια µε τα αναµενόµενα. -46-

59 6. Προσδιορισµός µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους Με την εφαρµογή των πειραµατικών και υπολογιστικών µεθόδων που αναφέρονται στο κεφάλαιο της στάθµης γνώσεων, γίνεται ο προσδιορισµός όλων των κύριων µηχανικών ιδιοτήτων τόσο των επικαλύψεων, όσο και των υλικών που χρησιµοποιούνται ως υποστρώµατα για τους διάφορους τύπους επικαλύψεων. Σχεδόνόλατατυπικάυλικάπουχρησιµοποιούνται ως υποστρώµατα, είναι τυποποιηµένα και ευρέως διαδεδοµένα στη βιοµηχανία µε γνωστά χαρακτηριστικά που δίνονται από τους αντίστοιχους κατάλογους. Αυτό όµως δεν σηµαίνει ότι αυτά τα υλικά δεν έχουν έστω και µικρή απόκλιση από αυτά τα στοιχεία. Έτσι αυτά τα υλικά που χρησιµοποιούνται ως υποστρώµατα πέρασαν, από όλες τις δοκιµασίες προσδιορισµού των κύριων µηχανικών τους ιδιοτήτων και τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται στις επόµενες παραγράφους. 6.1 Πειραµατικός αναλυτικός προσδιορισµός του µέτρου ελαστικότητας των υπό εξέταση θερµικών επικαλύψεων Μια από τις κύριες µηχανικές ιδιότητες, που είναι καταχωρηµένη στους πίνακες των σχηµάτων του προηγούµενου κεφαλαίου, είναι το µέτρο ελαστικότητας των διαφόρων εξεταζοµένων επικαλύψεων. Το µέτρο ελαστικότητας των διαφόρων υλικών, εκφράζει την αντίσταση της επικάλυψης σε ελαστική παραµόρφωση. Μια πρώτη παρουσίαση, του τρόπου µε τον οποίο κατορθώνεται ο προσδιορισµός αυτής της ιδιότητας των υλικών, παρουσιάζεται στο κεφάλαιο της στάθµης γνώσεων. Στις επόµενες παραγράφους θα παρουσιαστεί και θα επεξηγηθεί µε κάθε λεπτοµέρεια η µεθοδολογία αυτή, καθώς επίσης και τυπικά αποτελέσµατα µετά από την εκτέλεση αυτής της διαδικασίας. Το µέτρο ελαστικότητας των οµογενών και ισότροπων υλικών, προσδιορίζεται µε τη βοήθεια του µονοαξονικού τεστ εφελκυσµού και εκφράζεται από την κλίση του γραµµικού νόµου κράτυνσης /73/. Στη περίπτωση αυτή, λόγω του περιορισµένου πάχους της επικάλυψης δεν είναι δυνατό να εφαρµοστεί η συγκεκριµένη δοκιµασία. Αυτή όµως η ιδιότητα, είναι πολύ σηµαντική για τον προσδιορισµό της εντατικής κατάστασης, που επικρατεί στην επικάλυψη έτσι ώστε να εκτιµηθεί η ποιότητα της και η αποδοτικότητα της σε συγκεκριµένες µηχανολογικές κατασκευές. Έτσι για τον προσδιορισµό του µέτρου ελαστικότητας των διάφορων τύπων επικαλύψεων, γίνεται η χρήση της πειραµατικής µεθόδου της ελαστικής διεισδύσεως µιας σφαίρας, µε γνωστές ιδιότητες, στην επιφάνεια της επικάλυψης µε την βοήθεια µικρής δύναµης. Κατά την διείσδυση της ελαστικής σφαίρας, πρέπει να αποφευχθεί η πρόκληση πλαστικών παραµορφώσεων στο εσωτερικό της επικάλυψης. Στο σχήµα 6.1 παρουσιάζεται η οθόνη ρύθµισης των διαφόρων παραµέτρων της πειραµατικής διάταξης, καθώςεπίσηςκαιταπειραµατικά αποτελέσµατα του βάθους διείσδυσης προς την -47-

60 6. Προσδιορισµός µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους εφαρµοζόµενη δύναµη. Κατά την διάρκεια της εφαρµοζόµενης δύναµης ηελαστικήχαλύβδινη σφαίρα µε γνωστέςµηχανικές ιδιότητες και γεωµετρία, διεισδύει ελαστικά στην επιφάνεια της επικάλυψης του δοκιµίου /105/. Ηδιάµετρος της χαλύβδινης σφαίρας επιλέγηκε να είναι όσο το δυνατό µεγαλύτερη (D=44,4 mm), έτσι ώστε να µην αναπτύσσονται µεγάλες τάσεις στο εσωτερικό της επικάλυψης. Λόγω του µεγάλου πάχους των θερµικών επικαλύψεων και της µικρής διείσδυσης του σφαιρικού εισβολέα, οι µέγιστες ισοδύναµες και διατµητικές τάσεις αναπτύσσονται σε συγκεκριµένο βάθος κάτω από την επιφάνεια του κέντρου του αποτυπώµατος και µέσα στο εσωτερικό της επικάλυψης. Σχήµα 6.1: Οθόνη προγράµµατος για την ρύθµιση της πειραµατικής συσκευής και τυπικό αποτέλεσµα κατάτηνπειραµατική διαδικασία της επικάλυψης Cr 3 C 2 -NiCr. Μετά το τέλος της πειραµατικής διαδικασίας ακολουθεί η προσοµοίωση µέσω του µοντέλου πεπερασµένων στοιχείων, όπου χρησιµοποιεί τα πειραµατικά αποτελέσµατα ως δεδοµένα για την εύρεση του µέτρου ελαστικότητας της εξεταζόµενης επικάλυψης. Στο σχήµα 6.2 φαίνεται η πειραµατική συσκευή τη στιγµή της διείσδυσης της χαλύβδινης σφαίρας, όπως επίσης και η καµπύλη του βάθους διείσδυσης προς το επιβαλλόµενο φορτίο. Στο πάνω δεξί µέρος του σχήµατος, φαίνεται το µοντέλο πεπερασµένων στοιχείων που χρησιµοποιείται για την εύρεση του µέτρου ελαστικότητας. Λαµβάνοντας υπόψη τη γεωµετρική συµµετρία της θέσης επαφής αλλά και της κατανοµής των φορτίων, µέσω της µεθόδου των πεπερασµένων στοιχείων έχει κατασκευαστεί ένα αξισυµµετρικό δισδιάστατο µοντέλο. Το µοντέλο αυτό είναι παραµετρικό έτσι -48-

61 6. Προσδιορισµός µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους ώστε να µπορεί να µεταβάλλεται εύκολα και γρήγορα, ανάλογα µε την µορφή και τα χαρακτηριστικά της εξεταζόµενης επικάλυψης. Αποτελείται από τουλάχιστον ισοπαραµετρικά στοιχεία τα οποία έχουν ελαστοπλαστικές ιδιότητες. Η κατασκευή του προσοµοιωτικού µοντέλου έγινε µε την χρήση του γενικού πακέτου πεπερασµένων στοιχείων ANSYS 5.5 /74/. Σχήµα 6.2: Πειραµατική δοκιµασία και µοντέλο πεπερασµένων στοιχείων για τον προσδιορισµό τουµέτρου ελαστικότητας της επικάλυψης Cr 3 C 2 -NiCr. Αυτό που γίνεται κατά την επίλυση του προσοµοιωτικού µοντέλου, είναι η παραδοχή µιας αρχικής τιµής µέτρου ελαστικότητας της εξεταζόµενης επικάλυψης, η οποία εισάγεται στο προσοµοιωτικό µοντέλο ως γνωστό δεδοµένο. Κατά την επίλυση του µοντέλου εφαρµόζεται σταδιακά µικρή διείσδυση (σε µικρά βήµατα) του σφαιρικού εισβολέα στην επιφάνεια της επικάλυψης. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα τηνδηµιουργία δύναµης αντίδρασης η οποία αυξάνεται σταδιακά ανάλογα µε την επιβαλλόµενη διείσδυση. Στη περίπτωση όπου τα αποτελέσµατα του βάθουςδιείσδυσηςπροςτηνδύναµηαντίδρασηςσυµπίπτουν µε τα αντίστοιχα πειραµατικά, -49-

62 6. Προσδιορισµός µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους θεωρείται ότι έγινε σωστή προσέγγιση του µέτρου ελαστικότητας της εξεταζόµενης επικάλυψης. Στην αντίθετη περίπτωση, γίνεται επαναπροσδιορισµός του µέτρου ελαστικότητας µέχρις ότου τα αναλυτικά µέσω της προσοµοίωσης αποτελέσµατα, ταυτιστούν µε τα αντίστοιχα πειραµατικά. Στο κάτω µέρος του σχήµατος 6.2, παρουσιάζονται οι αναλυτικές λύσεις για δύο διαφορετικά βήµατα διείσδυσης όπως και κατά την αποµάκρυνση του σφαιρικού εισβολέα, όπου φαίνεται η κατανοµή των ισοδύναµων τάσεων στο εσωτερικό της επικάλυψης αλλά και του σφαιρικού εισβολέα. Όπως φαίνεται και στις δύο περιπτώσεις διείσδυσης του σφαιρικού εισβολέα, οι µέγιστες ισοδύναµες τάσεις εµφανίζονται στο εσωτερικό της επικάλυψης ενώ το υπόστρωµα επηρεάζεται σε πάρα πολύ µικρό βαθµό. Οι κατανοµές αυτές προκύπτουν µετά την λύση του προσοµοιωτικού µοντέλου, θεωρώντας ότι το µέτρο ελαστικότητας της συγκεκριµένης επικάλυψης είναι 220 GPa. Η λύση του προσοµοιωτικού µοντέλου δείχνει ότι για βάθος διείσδυσης 0.5 µm προκαλείται δύναµη αντίδρασης ίση µε 15.8 Ν και για βάθος διείσδυσης ίσο µε 1 µm προκαλείται 46.5 Νδύναµη αντίδρασης. Η σύγκριση αυτών των αποτελεσµάτων µε τα αντίστοιχα πειραµατικά δείχνουν ότι αυτές οι τιµές βάθους διείσδυσης προς το φορτίο διείσδυσης συγκλίνουν µεταξύ τους. Κατά την φάση της επιστροφής του σφαιρικού εισβολέα, οι παραµένουσεςεσωτερικέςτάσειςείναιπάραπολύµικρές ενώ καµία πλαστική παραµόρφωση δεν έχει προκληθεί. Μέσω αυτής της προσοµοιωτικής διαδικασίας και στην περίπτωση όπου τα πειραµατικά αποτελέσµατα συµπίπτουν µε τα αντίστοιχα υπολογιστικά, πετυχαίνεται ο προσδιορισµός του µέτρου ελαστικότητας των υπό εξέταση επικαλύψεων. 6.2 Πειραµατική αναλυτική µέθοδος για τον προσδιορισµό τηςκαµπύλης τάσης παραµόρφωσης των υλικών Μια από τις κυριότερες µηχανικές ιδιότητες των διαφόρων κατασκευαστικών υλικών αλλά και επικαλύψεων είναι ο νόµος κράτυνσης τους, όπου εκφράζει την παραµορφωσιµότητα τους κατά την φόρτιση τους µε γνωστό φορτίο /75, 76/. Η γνώση αυτή είναι απαραίτητη τόσο για τα διάφορα κατασκευαστικά υλικά τα οποία παρουσιάζουν διαφορετική ελαστοπλαστική συµπεριφορά, όσο και για τις διάφορες θερµικές επικαλύψεις που παράγονται µε διαφορετικές µεθοδολογίες ή σε διαφορετικές συνθήκες εναπόθεσης. Τα συµβατικά κατασκευαστικά υλικά (χάλυβες, χυτοσίδηροι) µπορεί να παρουσιάσουν διαφορετική καµπύλη τάσης-παραµόρφωσης, ανάλογα µε την κατεργασία ανόπτησης. Ο προσδιορισµός του νόµου κράτυνσης των συµβατικών κατασκευαστικών υλικών, γίνεται µέσω της δοκιµασίας εφελκυσµού (tensile test) και θλίψης (compression test), όπου περιγράφεται η συµπεριφορά αυτών των υλικών σε µονοαξονική καταπόνηση. -50-

63 6. Προσδιορισµός µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους Στην περίπτωση των θερµικών επικαλύψεων που το πάχος τους είναι περιορισµένο, είναι αδύνατο να χρησιµοποιηθούν οι παραπάνω δοκιµασίες εφελκυσµού ή θλίψης για τον προσδιορισµό τηςκαµπύλης τάσης παραµόρφωσης. Παρόλα αυτά η αδυναµία αυτή, στα πλαίσια αυτής της εργασίας, έχει ξεπερασθεί µε την εξέλιξη µιαςνέαςπειραµατικής αναλυτικής διαδικασίας, όπου µέσω σχετικών πειραµατικών αποτελεσµάτων µικροσκληροµέτρησης και της χρήσης ειδικού προσοµοιωτικού µοντέλου πεπερασµένων στοιχείων, µπορεί να προσδιοριστεί ονόµος κράτυνσης τους. Για την εύρεση των µηχανικών ιδιοτήτων διαφόρων υλικών, υπάρχουν παρόµοιες µεθοδολογίες οι οποίες χρησιµοποιούν τα πειραµατικά αποτελέσµατα που προκύπτουν µέσα από σκληροµετρήσεις µε σφαιρικούς εισβολείς και αντίστοιχα προσοµοιωτικά µοντέλα /106, 107, 108, 109, 110/. Η πειραµατική διαδικασία που έχει αναπτυχθεί και εφαρµόζεται στη παρούσα διατριβή, διεξάγεται µε την χρήση του πλήρως αυτοµατοποιηµένου στατικού πειραµατικού δοκιµαστηρίου που φαίνεται στο σχήµα 6.3, το οποίο χρησιµοποιείται και για την εκτέλεση των πειραµατικών διαδικασιών για τον προσδιορισµό του µέτρου ελαστικότητας των εξεταζοµένων θερµικών επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους. Σχήµα 6.3: Πειραµατική διάταξη εύρεσης του νόµου κράτυνσης των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους. Τα υπό εξέταση δοκίµια σε πρώτη φάση υφίστανται επιφανειακή στίλβωση, έτσι ώστε να αποκτήσουνόσοτοδυνατόκαλύτερηεπιφανειακήτραχύτητα. Στη συνέχεια τοποθετούνται µε σταθερότρόποστηβάσητουδοκιµαστηρίου για την διεξαγωγή της πειραµατικής διαδικασίας. Σκοπός της διαδικασίας αυτής είναι η εκπόνηση της πειραµατικής καµπύλης του βάθους διείσδυσης προς το φορτίο διείσδυσης. Ανάλογα µε τηδιάµετρο του χρησιµοποιούµενου εισβολέα τα τελικά πειραµατικά αποτελέσµατα θα είναι διαφορετικά, έστω και αν η δύναµη κατάτοστάδιοτηςφόρτισηςείναιηίδια. Οι σφαίρες αυτές είναι κατασκευασµένες από σκληροµέταλλο ήχάλυβα µε συνηθισµένη διάµετρο 2,5 και 5-51-

64 6. Προσδιορισµός µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους mm. Οτρόποςµε τον οποίο γίνεται η διείσδυση του εισβολέα κατά το στάδιο της φόρτισης και της αποφόρτισης, φαίνεται στη φωτογραφία που βρίσκεται στο δεξί µέρος τους σχήµατος 6.3. Η πειραµατική συσκευή µπορεί να καταγράψει µε αυτόµατο τρόπο τη δύναµη διείσδυσης µέσω του δυναµοµέτρου (load cell), αλλά και το βάθος διείσδυσης που προκαλείται από αυτή τη δύναµη, µέσω του επαγωγικού αισθητήρα µετατόπισης. Σχήµα 6.4: Πειραµατική διαδικασία για την εκπόνηση της καµπύλης του βάθους διείσδυσης ως προς το φορτίο διείσδυσης. Στο σχήµα 6.4 φαίνεται η αρχή λειτουργίας της πειραµατικής διαδικασίας και ο τρόπος µε τον οποίο επιτυγχάνεται η διείσδυση του σφαιρικού εισβολέα στην επιφάνεια της επικάλυψης. Η εφαρµογή της δύναµης διείσδυσης στο πειραµατικό δοκίµιο, τόσο κατά την φόρτιση όσο και κατά την αποφόρτιση γίνεται µε σταθερή ταχύτητα. Στο τέλος της διαδικασίας αυτής όπως φαίνεται και στο σχήµα, παραµένει ένα αποτύπωµα µε συγκεκριµένη γεωµετρική µορφή. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα εκφράζονται µέσα από την καµπύλη του βάθους διείσδυσης προς το φορτίο διείσδυσης, όπως φαίνεται στο δεξί µέρος του σχήµατος. Ητιµή h p εκφράζει το µέγιστο βάθος του παραµένοντος αποτυπώµατος. Όσα πιο σκληρό είναι το εξεταζόµενο υλικό τόσο πιο µικρή είναι η τιµή τουµέγιστου βάθους για ίδιο φορτίο. Στο σχήµα 6.5 παρουσιάζεται η οθόνη του υπολογιστικού προγράµµατος που χρησιµοποιείται για την ρύθµιση όλων των παραµέτρων της πειραµατικής συσκευής, αλλά και για την συνεχιζόµενη σε πραγµατικό χρόνο (on line) καταγραφή της εξέλιξης της πειραµατικής διαδικασίας. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα που φαίνονται στο σχετικό διάγραµµα προέκυψαν µετά την εκτέλεση ενός πειράµατος µε χαλύβδινη σφαίρας διαµέτρου 5 mm, ηοποίαδιείσδυσε στην επιφάνεια της επικάλυψης Cr 3 C 2 -NiCr. Αυτή η διαδικασία επαναλαµβάνεται αρκετές φορές για κάθε διαφορετικό τύπο επικάλυψης, όπου για την περαιτέρω επεξεργασία των πειραµατικών αποτελεσµάτων λαµβάνεται υπόψη, ο µέσος όρος αυτών των αποτελεσµάτων. Κατά την -52-

65 6. Προσδιορισµός µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους διάρκεια των παραπάνω πειραµάτων όλες οι συνθήκες φόρτισης και επαναφοράς παραµένουν σταθερές. Σχήµα 6.5: Οθόνη προγράµµατος για την ρύθµιση της πειραµατικής συσκευής και τυπικό αποτέλεσµα κατά την πειραµατική διαδικασία για την εύρεση του νόµου κράτυνσης της επικάλυψης Cr 3 C 2 -NiCr Η διαδικασία µοντελοποίησης µέσω των πεπερασµένων στοιχείων (FEM) Το µοντέλο πεπερασµένων στοιχείων που αναπτύχθηκε για την προσοµοίωση της συνεχιζόµενης διείσδυσης του σφαιρικού εισβολέα στην εξεταζόµενη επιφάνεια για τον προσδιορισµό τουνόµου κράτυνσης τους παρουσιάζεται στο σχήµα 6.6. Στο πάνω αριστερό µέρος του σχήµατος φαίνεται η πειραµατική καµπύλητουβάθουςδιείσδυσηςπροςτοφορτίο διείσδυσης, όπως προκύπτει µετά την δοκιµασία µέσω της πειραµατικής συσκευής. Η προσοµοίωση της πειραµατικής διαδικασίας έγινε για το στάδιο της φόρτισης, ενώ για την επαλήθευση του σωστού νόµου κράτυνσης που εκφράζει το κάθε εξεταζόµενο δοκίµιο, έγινε η χρήση των αποτελεσµάτων κατά την αποφόρτιση. Όπως φαίνεται και από το σχήµα η πειραµατική καµπύλη κατά την φόρτιση διακριτοποιείται σε πολλά σηµεία, όπου το κάθε σηµείο αποτελεί και ένα επιπλέον βήµα για τον σταδιακό προσδιορισµό τουνόµου κράτυνσης. Στην αρχή της καµπύλης η διακριτοποίηση αυτή είναι πυκνότερη από ότι στην συνέχεια, όπως φαίνεται στην λεπτοµέρεια Α. Ο λόγος που γίνεται αυτό, είναι επειδή το µικρό µέρος της -53-

66 6. Προσδιορισµός µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους καµπύλης αυτής αντιστοιχεί στην ελαστική περιοχή του υλικού. Έτσι δίνοντας µεγαλύτερη βαρύτητα στην περιοχή αυτή µε περισσότερα σηµεία και επαναλαµβανόµενη προσοµοίωση, µπορεί να γίνει ο προσδιορισµός του µέτρου ελαστικότητας και ορίου διαρροής των εξεταζόµενων υλικών. Φυσικά το µέτρο ελαστικότητας προσδιορίζεται µε τον τρόπο που αναφέρθηκε σε προηγούµενες παραγράφους, µε την χρήση σφαίρας µεγαλύτερης διαµέτρου. Σε αυτή την περίπτωση αυτό που γίνεται είναι η επαλήθευση του σωστού προσδιορισµού του µεγέθους αυτού. Όσο καλύτερη διακριτοποίηση γίνεται τόσο στην περιοχή της ελαστικής όσο και στη περιοχή της ελαστοπλαστικής διείσδυσης, τόσο καλύτερη θα είναι η επίτευξη ισορροπίας των κοµβικών δυνάµεων µε σωστότερη προσέγγιση του νόµου κράτυνσης του εξεταζόµενου δοκιµίου /77/. Φυσικά αυτό σηµαίνει και περισσότερη χρονική διάρκεια επίλυσης του προσοµοιωτικού µοντέλου µέσω του ηλεκτρονικού υπολογιστή. Σχήµα 6.6: Προσδιορισµός της καµπύλης τάσης-παραµόρφωσης µε την βοήθεια των πειραµατικών αποτελεσµάτων και της µεθόδου των πεπερασµένων στοιχείων. Για την ανάπτυξη ενός προσοµοιωτικού µοντέλου, ανεξάρτητου από τον γεωµετρικό και δυναµικό προσδιορισµό διακριτών δοκιµασιών, έγινε η χρήση της παραµετρικής προσέγγισης και σχεδίασης µοντέλων, όπου υποστηρίζεται από το πακέτο πεπερασµένων στοιχείων που επιλέγηκε για το σκοπό αυτό. Η χρησιµοποίηση αυτών των παραµετρικών µοντέλων είναι απαραίτητη στην επίλυση προβληµάτων βελτιστοποίησης µε τηνµέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων. Λόγω της µη γραµµικής συµπεριφοράς που παρουσιάζει το υλικό όταν -54-

67 6. Προσδιορισµός µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους παραµορφώνεται πλαστικά, ηεπίλυσητουµοντέλου αυτού είναι µη γραµµική /78, 79, 80, 81, 97/. Η αρχή λειτουργίας του µοντέλου πεπερασµένων στοιχείων στηρίζεται στη σωστή προσέγγιση της αντίδρασης F y, για καθορισµένη εφαρµοζόµενη διείσδυση. Το µοντέλο πεπερασµένων στοιχείων που φαίνεται στο δεξί πάνω µέρος του σχήµατος 6.6, είναι αξισυµµετρικό µε τον άξονα συµµετρίας να περνά από το κέντρο της σφαίρας. Το µοντέλο αποτελείται από πάρα πολλά ισοπαραµετρικά στοιχεία, όπου στην περιοχή της επαφής είναι πιο πυκνά για καλύτερη προσέγγιση του προβλήµατος της επαφής µεταξύ της σφαίρας και της επιφάνειας του υπό εξέταση δοκιµίου. Η σταδιακή προσέγγιση του συνολικού καταστατικού νόµου των εξεταζόµενων δοκιµίων µπορεί να χωριστεί σε δύο στάδια. Το πρώτο είναι αυτό του προσδιορισµού του µέτρου ελαστικότητας και του ορίου διαρροής του. Για µικρή εφαρµοζόµενη διείσδυση του εισβολέα στην επιφάνεια του υλικού, δηµιουργείται ένα ελαστικό αποτύπωµα, όπου µετά την αποµάκρυνση αυτού του εισβολέα, η επιφάνεια επανέρχεται στη αρχική της κατάσταση. Στην διάρκεια της επίλυσης του προσοµοιωτικού µοντέλου για την συγκεκριµένη διείσδυση, γίνεται η καταγραφή του φορτίου διείσδυσης όπου συγκρίνεται µε ταπειραµατικά αποτελέσµατα. Στην περίπτωση της σωστής θεώρησης του µέτρου ελαστικότητας στο προσοµοιωτικό µοντέλο, τα υπολογισµένα αποτελέσµατα συµπίπτουν µε τα αντίστοιχα πειραµατικά. Στην συνέχεια έχοντας ως σταθερό το µέτρο ελαστικότητας γίνεται ο προσδιορισµός του ορίου διαρροής, αυξάνοντας σταδιακά το βάθος διείσδυσης του εισβολέα και δοκιµάζοντας διαφορετικές τιµές ορίου διαρροής. Στο σηµείο εκείνο του βάθους διείσδυσης όπου τα αναλυτικά αποτελέσµατα της αντίδρασης F y είναι µεγαλύτερα από τα πειραµατικά, αυτό σηµαίνει ότι η κλίση της καµπύλης τάσης παραµόρφωσης πρέπει να µειωθεί αφού έχει πλέον αρχίσει η διαρροή του υλικού. Έτσι χρησιµοποιώντας µεγαλύτερα βάθη και πετυχαίνοντας εκείνες τις κλίσεις της καµπύλης τάσης παραµόρφωσης, που δίνουν αποτελέσµατα ίδια µε αυτά της πειραµατικής καµπύλης του βάθους προς το φορτίο διείσδυσης, γίνεται ο προσδιορισµός του καταστατικού νόµου που εκφράζει το εξεταζόµενο υλικό. Στην καµπύλη η οποία παρουσιάζεται στο δεξί κάτω µέρος του ιδίου σχήµατος, φαίνονται τα διάφορα σηµεία σταδιακής προσέγγισης της µε την παραπάνω µεθοδολογία. Για να γίνει η επαλήθευση του σωστού προσδιορισµού της, γίνεται η επίλυση του µοντέλου για τη µέγιστη δύναµη διείσδυσης κατά την πειραµατική διαδικασία, όπου κατά την αποφόρτιση πρέπει να δώσει µέγιστο παραµένων βάθος ίδιο µε τηντιµή h p. Στην αντίθετη περίπτωση ο υπολογισµένος νόµος κράτυνσης χρειάζεται διόρθωση ή επαναπροσδιορισµό. -55-

68 6. Προσδιορισµός µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους Τυπικές καµπύλες του νόµου κράτυνσης των υλικών των επικαλύψεων και υποστρωµάτων, όπως προσδιορίστηκαν µέσω του µοντέλου FEM Η µέθοδος εύρεσης της καµπύλης τάσης παραµόρφωσης που περιγράφηκε στις παραπάνω παραγράφους, εφαρµόστηκε σε όλους του τύπους των θερµικών επικαλύψεων που εξετάζονται στην παρούσα διατριβή, αλλά και σε όλα τα υλικά που χρησιµοποιήθηκαν ως υποστρώµατα. Σε όλες τις περιπτώσεις έγινε ο προσδιορισµός του µέτρου ελαστικότητας τους και του ορίου διαρροής τους, όπου στην περίπτωση των υλικών των υποστρωµάτων, τα χαρακτηριστικά αυτά αποτελέσµατα είναι πολύ κοντά σε αυτά που δίνονται από την αντίστοιχη βιβλιογραφία /3, 33/. Η µεθοδολογία αυτή έδειξε ότι είναι αρκετά αξιόπιστη µε απεριόριστες δυνατότητες εύρεσης του νόµου κράτυνσης των διαφόρων υλικών. Λόγω του ότι η δοκιµασία αυτή δεν δηµιουργεί την οποιοδήποτε καταστροφή του εξεταζόµενου υλικού, παρά µόνοτηδηµιουργία µικρών κυκλικών αποτυπωµάτων, µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε ογκώδη εξαρτήµατα ή αλλά υλικά χωρίς την οποιαδήποτε επίδραση κατά την λειτουργία τους. Αυτό µπορεί να γίνει µε την χρήση φορητού δοκιµαστηρίου που τοποθετείται πάνω στο ίδιο το υλικό µε ειδικούς συγκρατητές έτσι ώστε να εκτελεστεί η πειραµατική διαδικασία. Σχήµα 6.7: Καµπύλες τάσης παραµόρφωσης των επικαλύψεων Cr 3 C 2 /NICr και NiAlCr. Στο σχήµα 6.7 παρουσιάζονται τα πειραµατικά αποτελέσµατα και ο νόµος κράτυνσης δύο διαφορετικών επικαλύψεων, όπως προέκυψαν από την εφαρµογή της πειραµατικής-αναλυτικής διαδικασίας. Στο αριστερό µέρος του σχήµατος φαίνονται τα πειραµατικά αποτελέσµατα των επικαλύψεων Cr 3 C 2 /NiCr και NiAlCr. Όπως φαίνεται από τα αντίστοιχα διαγράµµατα η πρώτη επικάλυψη παρουσιάζει µικρότερα βάθη για ίδιο φορτίο διείσδυσης. Αυτό πιστοποιεί την σκληρότερη συµπεριφορά αυτής της επικάλυψης, που είναι αποτέλεσµα της καλύτερης -56-

69 6. Προσδιορισµός µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους συµπεριφοράς, τόσο κατά την ελαστική όσο και κατά την ελαστοπλαστική της παραµόρφωση. Στο δεξί µέρος του ιδίου σχήµατος φαίνονται οι προσδιορισµένες καµπύλες τάσης - παραµόρφωσης των δύο υλικών, οι οποίες προέκυψαν µέσω της προαναφερόµενης µεθοδολογίας µε την χρήση των πεπερασµένων στοιχείων,. Ηπρώτηεπικάλυψηέχειµέτρο ελαστικότητας Ε C =220 GPa µε όριο διαρροής R Ε =0.50 GPa, ενώ η δεύτερη έχει µικρότερες τιµές που είναι Ε C =125 GPa και R Ε =0.26 GPa αντίστοιχα. Με την χρήση του µέγιστου βάθους διείσδυσης της κάθε πειραµατικής καµπύλης για κάθε διαφορετικό υλικό επικάλυψης, µπορεί να πιστοποιηθεί και να ελεγχθεί κατά πόσο η προσδιορισµένη καµπύλη τάσης παραµόρφωσης τους είναι σωστή ή χρειάζεται να γίνει καλύτερη προσέγγιση. Αυτό που γίνεται είναι η επίλυση του προσοµοιωτικού µοντέλου πεπερασµένων στοιχείων, λαµβάνοντας υπόψη την προσδιορισµένη καµπύλη τάσης παραµόρφωσης και σαν µέγιστη διείσδυση το µέγιστο βάθος που λαµβάνεται κατά την πειραµατική διαδικασία. Η τελική λύση κατά την παραπάνω προσοµοίωση πρέπει να δώσει ίδια αποτελέσµατα µε αυτά που µετρήθηκαν κατά την πειραµατική διαδικασία. Πρέπει δηλαδή το τελικό βάθος αλλά και η αντίδραση F y που θα προκύψουν, να ταυτίζονται όσο το δυνατό καλύτερα µε τοτελικόβάθος και την µέγιστη δύναµη διείσδυσης κατά την διάρκεια της πειραµατικής διαδικασίας. Όπως φαίνεται στο σχήµα 6.8 τα αναλυτικά αποτελέσµατα που έδωσε η λύση του προσοµοιωτικού µοντέλου για την επικάλυψη Cr 3 C 2 /NiCr, είναι πολύ κοντά µε αυτά που µετρήθηκαν µέσω της πειραµατικής διάταξης. Στο πάνω µέρος του σχήµατος παρουσιάζονται οι µέγιστες αναπτυσσόµενες τάσεις κατά von Mises και οι αντίστοιχες ισοδύναµες παραµορφώσεις, κατά το στάδιο της φόρτισης και της αποφόρτισης της εξεταζόµενης επικάλυψης. Στο κάτω µέρος του ιδίου σχήµατος φαίνεται η γεωµετρία του αποτυπώµατος για τα δύο στάδια. Το µέγιστο βάθος που επιβάλλεται σταδιακά στο εσωτερικό της επικάλυψης, είναι 17.5 µm, ενώ κατά την επίλυση του µοντέλου αυτό το βάθος προκαλεί µέγιστη δύναµη αντίδρασης F y =307 N. Το αποτέλεσµα αυτό είναι πολύ κοντά στο αντίστοιχο πειραµατικό που φαίνεται στην σχετική καµπύλη του σχήµατος 6.7. Κατά το στάδιο της επαναφοράς, όπου δηλαδή η σφαίρα σκληροµετάλλου αποµακρύνεται από την επιφάνεια της επικάλυψης, το παραµένων αποτύπωµα έχει µέγιστο βάθος 7.6 µm. Όπως φαίνεται και στο κάτω δεξιά µέρος του σχήµατος 6.8, καιαυτότοαποτέλεσµα είναι αρκετά κοντά στο αντίστοιχο µετρηµένο. Μέσω της παραπάνω διαδικασίας γίνεται ο έλεγχος τόσο της επάρκειας της πειραµατικής αναλυτικής µεθόδου εύρεσης του νόµου κράτυνσης των εξεταζοµένων επικαλύψεων, αλλά και κατά πόσο τα υπολογισµένα αποτελέσµατα είναι σωστά χωρίς ιδιαίτερα µεγάλες αποκλίσεις. -57-

70 6. Προσδιορισµός µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους Σχήµα 6.8: Κατανοµή τωνισοδύναµων τάσεων και των παραµορφώσεων στην επικάλυψη Cr 3 C 2 /NiCr, κατά την φόρτιση και αποφόρτιση της µετά τον προσδιορισµό του νόµου κράτυνσης της. Η χρήση της παραπάνω µεθόδου για την εύρεση του νόµου κράτυνσης των επικαλύψεων, εφαρµόστηκε και για κοινά υλικά που είναι ευρέως διαδεδοµένα στη βιοµηχανία και που έχουν τη δυνατότητα να χρησιµοποιούν ως προστατευτικές στοιβάδες, τις επικαλύψεις που παράγονται µε τηµέθοδο του θερµικού ψεκασµού. Όπως φαίνεται από το σχήµα 6.9, το πιο σκληρό υπόστρωµα είναι ο κοινός χάλυβας κατασκευών St-70 κατά DIN µε µετρηµένη σκληρότητα 195 µετην µέθοδο Brinell (DIN ) σύµφωνα µε τις ανάλογες συστάσεις που -58-

71 6. Προσδιορισµός µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους προδιαγράφονται από αυτή την µέθοδο για τέτοιου είδους υλικά. Αυτού του είδους χάλυβες µπορούν να διαµορφωθούν σε δοκούς ή φύλλα διαφόρων διατοµών µεθερµηλασία και τελική κατεργασία εξοµαλύνσεως. Επίσης οι χάλυβες που ανήκουν σε αυτή την κατηγορία µπορούν να διαµορφωθούν µε ψυχρηλασία. Τα άλλα υλικά που εξετάσθηκαν είναι ο σχετικά µαλακότερος χυτοσίδηρος GG-25 και το πολύ µαλακό αλουµίνιο AlCuMgPb. Ο χυτοσίδηρος είναι τυποποιηµένος κατά DIN 1691, όπου περιλαµβάνονται οι φαιοί χυτοσίδηροι µε βελονοειδή γραφίτη. Η κατάταξη αυτού του τύπου χυτοσιδήρων γίνεται σύµφωνα µε τοόριοθραύσεωςτους και όχι µε τηνχηµική τους σύνθεση ή µε άλλο κριτήριο. Σχήµα 6.9: Τυπικές καµπύλες του νόµου κράτυνσης διαφόρων υλικών που χρησιµοποιούνται ως υποστρώµατα των θερµικών επικαλύψεων. -59-

72 6. Προσδιορισµός µηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους Αυτού του τύπου χυτοσίδηροι συνήθως βρίσκουν εφαρµογή στην κατασκευή διαφόρων κελυφών µηχανών. Το µαλακό αλουµίνιο µε την τυποποίηση κατά DIN 1725, χρησιµοποιείται για την κατασκευή τορνευτών εξαρτηµάτων και κατασκευή οπτικών οργάνων. Στο αριστερό µέρος του σχήµατος 6.9, παρουσιάζονται οι καµπύλες τάσης παραµόρφωσης και στο δεξί µέρος του ιδίου σχήµατος, οι κύριες µηχανικές τους ιδιότητες όπως έχουν προσδιοριστεί από την προαναφερόµενη επαναληπτική διαδικασία, µε την οποία γίνεται η προσοµοίωση της συνεχής διείσδυσης της σφαίρας σκληροµετάλλου στην επιφάνεια του εξεταζόµενου υλικού µε την χρήση των πεπερασµένων στοιχείων. -60-

73 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και στατικού ερπυσµού, µετην βοήθεια πειραµατικών και αναλυτικών µεθοδολογιών Η διαδικασία προσδιορισµού της δυναµικής και της στατικής συµπεριφοράς σε ερπυσµό, των διαφόρων υλικών που παράγονται µε την µέθοδο του θερµικού ψεκασµού, ακολουθεί µια συγκεκριµένη µεθοδολογία, η οποία συνιστά στην εκτέλεση µιαςσειράςπειραµάτων. Τα τελικά πειραµατικά αποτελέσµατα που προκύπτουν µέσα από αυτή τη διαδικασία, χρησιµοποιούνται ως δεδοµένα στο προσοµοιωτικό µοντέλο πεπερασµένων στοιχείων FEM, µε σκοπό τον αναλυτικό προσδιορισµό τηςσυµπεριφοράς σε δυναµικό ή στατικό ερπυσµό των εξεταζόµενων επικαλύψεων /82, 83, 84, 98/. Όσο αφορά την πειραµατική διαδικασία, σκοπός είναι να γίνει η καταγραφή της γεωµετρικής µορφής συγκεκριµένου αριθµού αποτυπωµάτων, για διαφορετικά φορτία διείσδυσης σε διαφορετικούς χρόνους πραγµατικής φόρτισης. ηλαδή για κάθε πείραµα όπου η δύναµη διείσδυσης παραµένει σταθερή, το πείραµα σταµατάει σε συγκεκριµένους πραγµατικούς χρόνους φόρτισης της υπό εξέταση επικάλυψης, όπου γίνεται η µέτρηση της γεωµετρικής µορφής του δηµιουργούµενου αποτυπώµατος. Στηπερίπτωσηπουτοδοκίµιο υποβάλλεται σε δοκιµασία επαναληπτικών κρούσεων, το πείραµα σταµατάει σε συγκεκριµένο αριθµό κρούσεων. Εάν αυτός ο αριθµός κρούσεων πολλαπλασιαστεί µε τονπραγµατικό χρόνο επαφής του σφαιρικού εισβολέα µε την επιφάνεια της επικάλυψης, τότε µπορεί να υπολογιστεί ο πραγµατικός χρόνος φόρτισης της. Στη συνέχεια της διαδικασίας, τα πειραµατικά αποτελέσµατα χρησιµοποιούνται ως δεδοµένα σε ένα αλγόριθµο, οοποίοςµέσω της µεθόδου των πεπερασµένων στοιχείων υπολογίζει για κάθε σταθερό χρόνο φόρτισης την καµπύλη τάσης παραµόρφωσης του εξεταζόµενου υλικού. Λόγω του φαινόµενου του ερπυσµού που παρουσιάζεται στις επικαλύψεις που παράγονται µε την µέθοδο του θερµικού ψεκασµού, όταν φορτίζονται µε δυνάµεις µεγαλύτερες από τις επιτρεπόµενες και για συγκεκριµένο χρόνο φόρτισης, µεταβάλλεται η ελαστοπλαστική τους συµπεριφορά /85, 86, 87/. Μετά τον προσδιορισµό τουνόµου κράτυνσης των εξεταζόµενων επικαλύψεων για διαφορετικό χρόνο λειτουργίας τους, µέσω της προσοµοίωσης της διείσδυσης του εισβολέα στο εσωτερικό τους µε την µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων, γίνεται ο γραφικός προσδιορισµός των ισοτασικών τους καµπυλών. Αυτές οι καµπύλες αντιστοιχούν στην ισοδύναµη παραµόρφωση που δηµιουργείται για σταθερή ισοδύναµη τάση, καθώςαυξάνεταιοχρόνοςφόρτισηςτους. Το επόµενο και τελευταίο βήµα είναι ο προσδιορισµός, µέσα από τις προηγούµενες καµπύλες, της -61-

74 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού τελικής καµπύλης ερπυσµού της εξεταζόµενης επικάλυψης, όπου εκφράζει την ταχύτητα παραµόρφωσης του υλικού της επικάλυψης, κατά την ανάπτυξη συγκεκριµένης ισοδύναµης τάσης στο εσωτερικό της επικάλυψης. Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν τόσο τα πειραµατικά όσο και τα αναλυτικά αποτελέσµατα που προκύπτουν από αυτή τη διαδικασία, για διαφορετικούς τύπους θερµικών επικαλύψεων, τόσο κατά την δυναµική όσο και κατά την στατική τους δοκιµασία στις αντίστοιχες πειραµατικές συσκευές του δοκιµαστηρίου κρούσης και του στατικού δοκιµαστηρίου. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα έδειξαν ότι στην περίπτωση δυναµικής φόρτισης το φαινόµενο του ερπυσµού είναι πιο έντονο, λόγω της ενέργειας που προσδίδεται στην επικάλυψη µέσω της εναλλασσόµενης κρούσης του σφαιρικού εισβολέα. Στην περίπτωση της στατικής φόρτισης, δεν προσδίδεται κανενός είδους επιπλέον ενέργειας στην επικάλυψη, µε αποτέλεσµα τοφαινόµενο του ερπυσµού να αναπτύσσεται αναλόγως της στιβαρότητας της επικάλυψης, ηοποίαεκτός απότοείδοςτουυλικούτης, έχει άµεση σχέση µε το ποσοστό του πορώδους της και γενικότερα µε τις ατέλειες που παρουσιάζει η δοµή της/98/. Όσοαφοράτηνανάπτυξητουφαινοµένου του ερπυσµού σε άλλου είδους επικαλύψεις και µεταλλικά υλικά, σε συνηθισµένη θερµοκρασία, υπάρχει σχετική βιβλιογραφία η οποία έχει να επιδείξει σηµαντικά αποτελέσµατα για τον τρόπο µε τον οποίο αναπτύσσεται το φαινόµενο αυτό /48, 99, 100, 101, 102, 103, 111, 112, 113, 114/. 7.1 Πειραµατική διαδικασία µέσω του δοκιµαστηρίου κρούσης Η συσκευή δοκιµασίας κρούσης έχει αποδειχτεί µέσα από την πράξη ότι είναι µια αρκετά χρήσιµη και αξιόλογη πειραµατική διαδικασία, που βοηθά στη µελέτη της συµπεριφοράς των επικαλύψεων σε συνθήκες εναλλασσόµενων κρουστικών φορτίων. Το µεγάλο εύρος δυναµικής φόρτισης που µπορεί να αναπτύξει, αλλά και οι πειραµατικές συνθήκες λειτουργίας του δοκιµαστηρίου, που µπορούν πολύ εύκολα και µε αυτόµατο τρόπο να µεταβάλλονται σύµφωνα µε τιςπραγµατικές συνθήκες λειτουργίας της εκάστοτε επικάλυψης και σε συνδυασµό µε τη βελτιωµένη µονάδα αξιολόγησης και ελέγχου, αποδεικνύουν ότι µπορούν να εκτελεστούν πειράµατα σε ένα µεγάλο φάσµα από διαφορετικούς τύπους επικαλύψεων και συνθήκες λειτουργίας. Όπως αναφέρεται στο κεφάλαιο της στάθµης γνώσεων, ηαρχήλειτουργίαςτουδοκιµαστηρίου περιγράφεται από τη σηµειακή επαφή που αναπτύσσεται µεταξύ του σφαιρικού εισβολέα και του επικαλυµµένου δοκιµίου. Στη περίπτωση των πολύ σκληρών και λεπτών επικαλύψεων το φορτίο που προκαλείται από την επαφή αυτή, οδηγεί σε αστοχία λόγω κόπωσης τους. Αυτός ο µηχανισµός αστοχίας περιγράφεται από τα διαγράµµατα της δύναµης κρούσηςωςπροςτον αριθµό των κρούσεων και τα αντίστοιχα διαγράµµατα Smith και Woehler, που προκύπτουν µετά -62-

75 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού από την επεξεργασία των πειραµατικών αποτελεσµάτων µέσω προσοµοιωτικών µοντέλων πεπερασµένων στοιχείων. Είδη έχουν γίνει αρκετά πειράµατα από το ΕΕ Μ στα πλαίσια ερευνητικών δραστηριοτήτων, µέσα από τα ευρωπαϊκά προγράµµατα σε σκληρές λεπτές επικαλύψεις που παράγονται µε τηνµέθοδο PVD και τα αντίστοιχα πειραµατικά και αναλυτικά αποτελέσµατα έχουν δηµοσιευτεί σε εγκεκριµένα επιστηµονικά περιοδικά και συνέδρια /62, 64, 65, 66, 67/. Στη περίπτωση όµως των παχιών επικαλύψεων που παράγονται µε την µέθοδο του ψεκασµού, ησυµπεριφορά που παρατηρείται κατά την διάρκεια της δυναµικής δοκιµασίας δεν είναι η ίδια µε αυτή των σκληρών λεπτών επικαλύψεων, αλλά παρουσιάζουν το φαινόµενο το δυναµικού ερπυσµού /115, 116, 117, 118, 119, 120/. Σχήµα 7.1: οκιµαστήριο κρούσης και χαρακτηριστικά αποτελέσµατα της αύξησης της γεωµετρικής µορφής του κύκλου επαφής κατά την αύξηση του χρόνου φόρτισης. Στο πάνω µέρος του σχήµατος 7.1 παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας του δοκιµαστηρίου κρούσης (impact tester) και ο τρόπος µε τον οποίο τοποθετούνται τα δοκίµια πάνω σε αυτό. Όπως φαίνεται και από το σχήµα, η σφαίρα σκληροµετάλλου διεισδύει στην επιφάνεια της επικάλυψης περιοδικά διατηρώντας την δύναµη σταθερή. Κάθε φορά που ο εισβολέας προσκρούει πάνω στο δοκίµιο καταγράφεται ένα σήµα που αντιστοιχεί στην δύναµη κρούσης και το οποίο µπορεί να προσοµοιαστεί από ένα ορθογώνιο παλµό διάρκειαςt imp και µέγιστη τιµή φορτίου F imp. Στην περίπτωση της έναρξης του µηχανισµού του ερπυσµού, καθώς ο αριθµός τωνκρούσεωναυξάνεται, το παραµένων αποτύπωµα πουδηµιουργείται από την κρούση της σφαίρας γίνεται µεγαλύτερο. Αυτό φαίνεται πολύ καθαρά στις φωτογραφίες του σχήµατος, οι -63-

76 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού οποίες πάρθηκαν µε την βοήθεια του ηλεκτρονικού σαρωτικού µικροσκοπίου (SEM). Τα αποτυπώµατα αυτά είναι αποτέλεσµα τηςπειραµατικής διαδικασίας, όπου η δύναµη κρούσης του σφαιρικού εισβολέα στην υπό εξέταση επιφάνεια παραµένει σταθερή, ενώ ο αριθµός των κρούσεων αυξάνεται. Ηδιάµετρος και το βάθος των αποτυπωµάτων προσδιορίστηκε µε την βοήθεια του οπτικού µικροσκοπίου και του προφιλοµέτρου. Όπως φαίνεται και στο πάνω δεξί µέρος του σχήµατος, τοποθετώντας την ακίδα του προφιλοµέτρου στο εσωτερικό του κάθε αποτυπώµατος και µετακινώντας την µε σταθερό βήµα, γίνεται η ακριβής µέτρηση της γεωµετρίας του αποτυπώµατος. Η αύξηση της ακτίνας του κύκλου επαφής σε σχέση µετο χρόνο για την υπό εξέταση µαλακότερη επικάλυψη Ni-5%AI παρουσιάζεται στο ίδιο σχήµα, όπου όπως αναφέρθηκε και προηγουµένως οφείλεται στην ενεργοποίηση του µηχανισµού του ερπυσµού. Το διάγραµµα τουσχήµατος δείχνει την προοδευτική αύξηση της ακτίνας του κύκλου επαφής των πειραµατικών αποτυπωµάτων, καθώς αυξάνεται ο χρόνος φόρτισης η οποία µετά από συγκεκριµένο χρόνο παραµένει σταθερή. Αυτό εξηγείται από το γεγονός της σταδιακής µείωσης της πίεσης επαφής, λόγω του ότι ενώ η δύναµη κρούσης παραµένει σταθερή, η επιφάνεια επαφής αυξάνεται ανάλογα µε τηνεπίδρασηπουέχειτοφαινόµενο του ερπυσµού στο υλικό της επικάλυψης. Το ηλεκτρονικό πρόγραµµα που υποστηρίζει τη συσκευή του δοκιµαστηρίου κρούσης /62/, υπολογίζει το χρόνο επαφής µεταξύ της σφαίρας και της επιφάνειας του δοκιµίου, κατά τη διάρκεια της πειραµατικής διαδικασίας όπως επίσης και τον αριθµό των κρούσεων. Σε κάθε πειραµατική διαδικασία ο χρόνος επαφής µεταξύ της σφαίρας και της επιφάνειας της επικάλυψης, υπολογίζεται εύκολα από τον πολλαπλασιασµό τουαριθµού των κρούσεων µε τον χρόνο επαφής κατά την διάρκεια µιας κρούσης. Ο χρόνος διάρκειας κάθε µεµονωµένης κρούσης, µπορεί να θεωρηθεί σταθερός για συγκεκριµένο συνδυασµό υλικών που έρχονται σε επαφή και συγκεκριµένο εύρος δυνάµεων κρούσης. Η επίδραση αυτού του φαινοµένου που αρχίζει να επηρεάζει την µηχανική συµπεριφορά των µονοστρωµατικών επικαλύψεων που παράγονται µε τηνµέθοδο του θερµικού ψεκασµού, όταν φορτίζονται µε κρίσιµα γιααυτέςδυναµικά φορτία, φαίνεται µε καλύτεροτρόποστοσχήµα 7.2. Σε αυτό το σχήµα παρουσιάζονται φωτογραφίες που πάρθηκαν µέσω του σαρωτικού ηλεκτρονικού µικροσκοπίου (SEM), των πειραµατικών αποτυπωµάτων που έγιναν µε την βοήθεια του δοκιµαστηρίου κρούσης για διαφορετική χρονική διάρκεια φόρτισης (αριθµό κρούσεων) και διαφορετικό δυναµικό φορτίο, για την επικάλυψη µε τον τύπο Ni-5%Al. Στη περίπτωση αυτών των δύο διαφορετικών δυναµικών φορτίων, όπου η µέση ταχύτητα της σφαίρας σκληροµετάλλου που διεισδύει στην επικάλυψη είναι 0.15 m/s, το φαινόµενο του ερπυσµού προκαλεί έντονες αλλαγές στο δηµιουργούµενο αποτύπωµα, καθώς ο χρόνος φόρτιση αυξάνεται. Στην περίπτωση της µεγαλύτερης δυναµικής φόρτισης (300 Ν), φαίνεται πολύ καθαρά η απότοµη αύξησητουκρατήρακαθώςαυξάνεταιτοφορτίοκαιοαριθµός των κρούσεων. Αυτό είναι αποτέλεσµα της εντονότερης ενεργοποίησης του φαινόµενου του -64-

77 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού ερπυσµού. Το µέγεθος και η µορφή των δηµιουργούµενων κρατήρων καταγράφεται µέσω ειδικού προφιλοµέτρου. Σχήµα 7.2: Χαρακτηριστικές φωτογραφίες πειραµατικών αποτελεσµάτων σε δυναµικό ερπυσµό για διαφορετικά φορτία και αριθµό κρούσεων. Οτρόποςµε τον οποίο υπολογίζεται η ταχύτητα της κρούσης του εισβολέα στο εσωτερικό της επικάλυψης φαίνεται στο σχήµα 7.3. Στο αριστερό µέρος του σχήµατος φαίνεται η αρχή λειτουργίας του δοκιµαστηρίου, όπως επίσης και τα σήµατα της δύναµης κρούσης όπως λαµβάνονται από την µονάδα επεξεργασίας δεδοµένων της συσκευής. Στο δεξί µέρος του σχήµατος φαίνεται σε µεγέθυνση ένα από αυτά τα σήµατα και το ολοκλήρωµα µε τοοποίο -65-

78 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού υπολογίζεται η ταχύτητα διείσδυσης του εισβολέα, η οποία εκφράζει την ταχύτητα παραµόρφωσης του υλικού. Αυτήητιµή για διαφορετικά φορτία κρούσης είναι διαφορετική αλλά για την αξιολόγηση των αποτελεσµάτων παίρνεται η µέση τιµή πουείναι0.15 m/s. Σχήµα 7.3: Βασικές αρχές του δοκιµαστηρίου κρούσης και προσδιορισµός της ταχύτητας διείσδυσης του σφαιρικού εισβολέα. Η καταγραφή των πειραµατικών αποτελεσµάτων των διαφόρων κρατήρων καταγράφονται σε πίνακες που στην συνέχεια για την περαιτέρω αξιολόγηση τους παίρνουν την µορφή διαγραµµάτων. Τέτοια διαγράµµατα παρουσιάζονται στο σχήµα 7.4 για δύο διαφορετικούς τύπους επικαλύψεων. Στο πάνω µέρος του σχήµατος φαίνονται τα πειραµατικά αποτελέσµατα της γεωµετρικής µορφής των αποτυπωµάτων και της µέγιστης πίεσης επαφής, της επικάλυψης µε τοντύποni-5%al. Στις επόµενες παραγράφους θα παρουσιαστεί πως αυτά τα πειραµατικά αποτελέσµατα χρησιµοποιούνται ως δεδοµένα στο προσοµοιωτικό µοντέλο πεπερασµένων στοιχείων (FEM), για τον προσδιορισµό της συµπεριφοράς σε ερπυσµού αυτών των επικαλύψεων. Όπως φαίνεται από τα διαγράµµατα της µέγιστης αναπτυσσόµενης πίεσης στη θέση επαφής, για σταθερό δυναµικό φορτίο και όσο η διάρκεια του χρόνου επαφής αυξάνεται, η τιµή της µέγιστης πίεσης µειώνεται λόγω του ότι το αποτύπωµα µεγαλώνει ανάλογα µε την επίδραση που έχει το φαινόµενο του ερπυσµού στην επικάλυψη. Το υπολογιστικό πρόγραµµα που συνοδεύει το δοκιµαστήριο κρούσης, υπολογίζει το χρόνο επαφής µεταξύ της σφαίρας σκληροµετάλλου και της επιφάνειας της επικάλυψης, αλλά και τον αριθµό των κρούσεων. Ο συνδυασµός αυτών των δύο δίνει τον συνολικό πραγµατικό χρόνο ερπυσµού σε κάθε πειραµατική διαδικασία. Παρόµοια διαγράµµατα για τη σκληρότερη επικάλυψη ΑΙ1031(W-based), που δείχνουν το µέγιστο βάθος του αποτυπώµατος και το ηµιεύρος της ζώνης επαφής, σε σχέση µε τοχρόνο επαφής του φορτίου (σε λογαριθµική κλίµακα χρόνου), παρουσιάζονται στο κάτω µέρος του ιδίου σχήµατος. -66-

79 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού Σχήµα 7.4: Τυπικά πειραµατικά αποτελέσµατα της γεωµετρικής µορφής των αποτυπωµάτων και υπολογισµός της µέγιστης αναπτυσσόµενης πίεσης για τις επικαλύψεις Ni- 5%Al και AI1031 (W-based). Λόγω της µεγαλύτερης σκληρότητας που έχει αυτή η επικάλυψη σε σχέση µε τηνni-5%ai, παρουσιάζει καλύτερη συµπεριφορά στο φαινόµενο του ερπυσµού, όπου για να ενεργοποιηθεί, πρέπει το επιβαλλόµενο φορτίο να πάρει τιµές µεγαλύτερες από αυτές της µαλακότερης επικάλυψης. Στο κάτω δεξί µέρος του ίδιου σχήµατος φαίνεται η µέγιστη πίεση επαφής κατά Hertz για διαφορετικό αριθµό κρούσεων, δηλαδή σε διαφορετικό πραγµατικό χρόνο φόρτισης. Η µείωση της πίεσης επαφής προκαλείται µε την αύξηση των διαστάσεων του αποτυπώµατος που οφείλεται στην εµφάνιση του φαινοµένου του ερπυσµού στο υλικό της επικάλυψης. Στην περίπτωση όπου το φορτίο κρούσης είναι 1100 Ν, ηεπίδρασητουφαινοµένου του ερπυσµού είναι πολύ έντονη µε αποτέλεσµα την απότοµη αύξησητης µορφής του αποτυπώµατος. Για αυτό τον λόγο παρουσιάζεται µια κάθετη πτώση της µέγιστης πίεσης επαφής, αφού ενώ η -67-

80 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού δύναµη κρούσης παραµένει αµετάβλητηηδιάµετρος του αποτυπώµατος αυξάνεται µε έντονο ρυθµό. Σχήµα 7.5: Σύγκριση των πειραµατικών αποτελεσµάτων της γεωµετρικής µορφής των αποτυπωµάτων των επικαλύψεων Ni-5%Al και AI1031 (W-based). Το σχήµα 7.5 δείχνει συγκριτικά τα πειραµατικά αποτελέσµατα που λαµβάνονται από τη δοκιµασία της κρούσης για σταθερό φορτίο κρούσης ίσο µε 300 Νκαιγιατιςδύοεξεταζόµενες επικαλύψεις Ni-5%AI και AI1031 (W-based). Οι συγκριτικές αυτές καµπύλες δείχνουν ότι οι κλίσεις των καµπυλών των γεωµετρικών στοιχείων των αποτυπωµάτων της µαλακότερης επικάλυψης είναι µεγαλύτερες από αυτές του σκληρότερου υλικού. ηλαδήγιατοίδιοφορτίοκαι για τον ίδιο πραγµατικό χρόνο φόρτισης τους τα αποτυπώµατα της πρώτης επικάλυψης είναι κατά πολύ µεγαλύτερα από τα αντίστοιχα της δεύτερης. Τα αποτελέσµατααυτάαποδεικνύουν έµπρακτα ότι το φαινόµενο του ερπυσµού εµφανίζεται και στις δύο εξεταζόµενες επικαλύψεις, αλλά σε διαφορετικό βαθµό. 7.2 Πειραµατική διαδικασία µέσω του δοκιµαστηρίου στατικής φόρτισης Η ίδια µεθοδολογία για την καταγραφή της γεωµετρικής µορφής των πειραµατικών αποτυπωµάτων, εφαρµόστηκε και στην περίπτωση της στατικής δοκιµασίας των θερµικών επικαλύψεων. Το πλήρως αυτοµατοποιηµένο δοκιµαστήριο στατικής φόρτισης παρουσιάζεται στο κεφάλαιο 5. Η αρχή λειτουργίας του είναι παρόµοια µε αυτήτουδοκιµαστηρίου κρούσης, µε µόνη διαφορά το ότι σε αυτή την περίπτωσης ο σφαιρικός εισβολέας δεν προσκρούει στην εξεταζόµενη επιφάνεια, αλλά διεισδύει και παραµένει σε αυτή µε σταθερή δύναµη και για χρονική διάρκεια που προδιαγράφεται από την εκάστοτε πειραµατική διαδικασία. Σκοπός αυτής της διαδικασίας, είναι να γίνει η καταγραφή της γεωµετρίας των πειραµατικών αποτυπωµάτων για διαρκώς αυξανόµενο χρόνο και για σταθερή στατική φόρτιση. -68-

81 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού Αυτό που παρατηρήθηκε κατά τον στατικό έλεγχο των θερµικών επικαλύψεων σε ερπυσµό, είναι ότι σε αυτή την περίπτωση φόρτισης η επίδραση που έχει το φαινόµενοαυτόστηναύξηση της γεωµετρικής µορφής των πειραµατικών αποτελεσµάτων, είναι πολύ µικρότερη από αυτή που εµφανίζεται στην περίπτωση του δυναµικού φορτίου. Αυτό οφείλεται στον διαφορετικό τρόπο µε τον οποίο φορτίζονται οι εξεταζόµενες επικαλύψεις, αλλά και στην διαφορετική ταχύτητα διείσδυσης του σφαιρικού εισβολέα στο εσωτερικό της επικάλυψης, όπου στη περίπτωση του δυναµικού φορτίου είναι 0.15 m/s, ενώ αντίθετα για στατικό φορτίο αυτή η τιµή είναι περίπου µηδέν. Αυτό που γίνεται κατά την δυναµική δοκιµασία είναι η γεµάτο πόρους και ατέλειες δοµή της επικάλυψης, να δέχεται µε εναλλασσόµενο ρυθµό επιπλέον ενέργεια, ηοποία έχει ως αποτέλεσµα την εντονότερη ανάπτυξη του φαινόµενο του ερπυσµού. Στην αντίθετη περίπτωση της στατικής φόρτισης, το φορτίο παραµένει σταθερό µεαποτέλεσµατοφαινόµενο του ερπυσµού να περιορίζεται. Σχήµα 7.6: Χαρακτηριστικές φωτογραφίες πειραµατικών αποτελεσµάτων σε στατικό και δυναµικό ερπυσµό για διαφορετικό χρόνο φόρτισης. Στο σχήµα 7.6 παρουσιάζονται φωτογραφίες που λήφθηκαν µέσω του σαρωτικού ηλεκτρονικού µικροσκοπίου (SEM), των πειραµατικών αποτυπωµάτων που έγιναν µε στατικό και δυναµικό -69-

82 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού φορτίο και για διαφορετική χρονική διάρκεια φόρτισης, για την επικάλυψη µε τον τύπο Cr 3 C 2 /NiCr. Όπως φαίνεται και από τις φωτογραφίες στο πάνω µέρος του σχήµατος, στην περίπτωση του στατικού φορτίου διείσδυσης, όσο αυξάνεται ο χρόνος φόρτισης, το φαινόµενο του ερπυσµού δεν επηρεάζει πάρα πολύ την γεωµετρική µορφή του αποτυπώµατος. Στη περίπτωση τώρα του δυναµικού φορτίου, όπου η µέση ταχύτητα της σφαίρας σκληροµετάλλου που διεισδύει στην επικάλυψη είναι 0.15 m/s, ο ερπυσµός έχει έντονη επίδραση στο δηµιουργούµενο αποτύπωµα, όσο αυξάνεται ο χρόνος φόρτισης (φωτογραφίες στο κάτω µέρος του σχήµατος 7.6). Ηαπότοµη αύξηση του κρατήρα φαίνεται πολύ καθαρά και είναι αποτέλεσµα του δυναµικού φορτίου που φορτίζει την επικάλυψη και ενεργοποιεί το φαινόµενο του ερπυσµού. Ο κρατήρας, για µικρό χρόνο φόρτισης και στην περίπτωση που ενεργεί το δυναµικό φορτίο, είναι µικρότερος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, η ταχύτητα παραµόρφωσης στην περίπτωση του δυναµικού φορτίου είναι µεγαλύτερη από ότι στην περίπτωση του στατικού φορτίου και που έχει σαν συνέπεια το ίδιο το υλικό να συµπεριφέρεται σαν πιο σκληρό. Στην συνέχεια αφού ενεργοποιηθεί το φαινόµενο του ερπυσµού (σε µεγαλύτερο χρόνο φόρτισης), ο κρατήρας αυτός γίνεται πολύ µεγαλύτερος από τον αντίστοιχο σε στατικό φορτίο. Σχήµα 7.7: Σύγκριση των δυναµικών και στατικών πειραµατικών αποτελεσµάτων της γεωµετρικής µορφής των αποτυπωµάτων και της µέγιστηςπίεσηςεπαφήςτης επικάλυψης Cr 3 C 2 /NiCr για αυξανόµενο φορτίο. -70-

83 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού Μια περαιτέρω σύγκριση των δυναµικών και στατικών πειραµατικών αποτελεσµάτων της γεωµετρικής µορφής των αποτυπωµάτων και της µέγιστης πίεσης επαφής για την ίδια επικάλυψη σε αυξανόµενο φορτίο, παρουσιάζονται στο σχήµα 7.7. Το γεγονός της διαφορετικής επίδρασης που έχει ο ερπυσµός στην εξεταζόµενη επικάλυψη, φαίνεται µέσα από αυτές τις καµπύλες, όπου για δύο ακραίους χρόνους φόρτισης στην περίπτωση της δυναµικής δοκιµασίας η αύξηση των γεωµετρικών στοιχείων των αποτυπωµάτων είναι πολύ µεγαλύτερη απόαυτήσεστατικόφορτίο. Παρά το γεγονός του κατά πολύ µεγαλύτερου χρόνου φόρτισης στην περίπτωση της στατικής δοκιµασίας, η αύξηση της γεωµετρικής µορφής των αποτυπωµάτων είναι µικρή, ένδειξη της µικρής ενεργοποίησης του µηχανισµού του ερπυσµού σε αυτή την επικάλυψη. Σχήµα 7.8: Σύγκριση των δυναµικών και στατικών πειραµατικών αποτελεσµάτων της γεωµετρικής µορφής των αποτυπωµάτων και της µέγιστηςπίεσηςεπαφήςτης επικάλυψης Cr 3 C 2 /NiCr για µεταβαλλόµενο χρόνο φόρτισης. Στο σχήµα 7.8 παρουσιάζονται παρόµοια πειραµατικά αποτελέσµατα της γεωµετρικής µορφής των αποτυπωµάτων και της µέγιστης αναπτυσσόµενης πίεσης επαφής στη διάρκεια του χρόνου φόρτισης και για διαφορετικές δυνάµεις. Και σε αυτές τις καµπύλες φαίνεται η µεγαλύτερη επίδραση που έχει το φαινόµενο του ερπυσµού στην περίπτωση της δυναµικής φόρτισης, αφού η κλίση των αντίστοιχων καµπύλων είναι µεγαλύτερη από αυτές στην περίπτωση της στατικής δοκιµασίας. Όπως αναφέρθηκε και προηγουµένως τα πειραµατικά αποτελέσµατα των -71-

84 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού αποτυπωµάτων µε την µορφή που παρουσιάζονται στο σχήµα 7.8, χρησιµοποιούνται µε κατάλληλο τρόπο ως εισερχόµενα δεδοµένα για τον προσδιορισµό της συµπεριφοράς σε ερπυσµό των διαφόρων εξεταζόµενων επικαλύψεων, στο προσοµοιωτικό µοντέλο πεπερασµένων στοιχείων όπως θα επεξηγηθεί στο επόµενο κεφάλαιο. 7.3 Αναλυτικός προσδιορισµός της δυναµικής και στατικής συµπεριφοράς σε ερπυσµό µέσω της προσοµοίωσης µε την µέθοδο FEM Μετά τη εκτέλεση της προαναφερόµενης πειραµατικής διαδικασίας για την συλλογή των πειραµατικών αποτελεσµάτων, µέσω του δοκιµαστηρίου κρούσης και του στατικού δοκιµαστηρίου, το επόµενο και πιο σηµαντικό στάδιο είναι ο χαρακτηρισµός αυτής της συµπεριφοράς τους µε τη βοήθεια ενός αλγόριθµου βελτιστοποίησης και της µεθόδου των πεπερασµένων στοιχείων (FEM). Με την χρήση της µοντελοποίησης µε την µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων και µε κατάλληλη πειραµατικοαναλυτική διαδικασία, µπορεί να γίνει γνωστός ο µηχανισµός ανάπτυξης αυτού του φαινοµένου. Τελικά µέσα από αυτή την διαδικασία, τα αποτελέσµατα µπορούν να γίνουν πραγµατικά εργαλεία για την σωστή επιλογή του τύπου της επικάλυψης στα διάφορα στοιχεία µηχανών µε αυξηµένες λειτουργικές απαιτήσεις. Σκοπός αυτής της διαδικασίας είναι ο προσδιορισµός της καµπύλης τάσης - παραµόρφωσης του υλικού εκφρασµένης µε πολυγραµµικό νόµο κράτυνσης, για συγκεκριµένους σταθερούς πραγµατικούς χρόνους λειτουργίας τους σε δυναµικό ή στατικό φορτίο. Λόγω του φαινοµένου του ερπυσµού η ελαστοπλαστική συµπεριφορά του υλικού της επικάλυψης µεταβάλλεται, καθώς αυξάνεται η χρονική διάρκεια εφαρµογής του δυναµικού ή στατικού φορτίου στην επικάλυψη. Το µοντέλο πεπερασµένων στοιχείων που αναπτύχθηκε για την προσοµοίωση της δοκιµασίας κρούσης και της στατικής δοκιµασίας που παρουσιάζεται και στο κεφάλαιο της στάθµης γνώσεων, φαίνεται στο σχήµα 7.9 /88, 89/. Στο αριστερό µέρος του σχήµατος, φαίνεται η γεωµετρική και δυναµική συµµετρία που παρουσιάζεται και στις δύο περιπτώσεις φόρτισης, η οποία συνιστά µια αρκετά απλή προσοµοίωση µετην µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων /74/. Το δισδιάστατο αξισυµµετρικό στερεό µοντέλο το οποίο προσοµοιώνει τον ηµιάπειρο διαστρωµατοµένο χώρο, φαίνεται στο δεξί µέρος του ιδίου σχήµατος. Το µοντέλο αυτό αποτελείται από τουλάχιστον ισοπαραµετρικά και αξισυµµετρικά στοιχεία, τα οποία είναι πυκνότερα στην περιοχή επαφής και αραιότερα στο υπόλοιπο µοντέλο. Ο τύπος των πεπερασµένων στοιχείων που χρησιµοποιήθηκε επιτρέπει µη γραµµικές επιλύσεις /90, 91, 92/. -72-

85 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού Σχήµα 7.9: ιαδικασία παραµετρικής µοντελοποίησης της επαφής του σφαιρικού εισβολέα µε την εξεταζόµενη επιφάνεια. Η ηµιστατική προσοµοίωση της πειραµατικής διαδικασίας έγινε θεωρώντας δύο βήµατα φόρτισης. Κατά την διάρκεια του σταδίου φόρτισης, οι επιφανειακοί κόµβοι που εξασφαλίζουν την εξίσωση της ηµιελειπτικής κατανοµής της πίεσης µέσα στον µετρηµένο κύκλο επαφής, δέχονται το αντίστοιχο φορτίο πίεσης. Η µέγιστη επιφανειακή πίεση υπολογίζεται θεωρώντας σαν διάµετροτουκύκλουεπαφήςτηνπραγµατική, ηοποίαµετρήθηκε µε τηχρήσηοπτικού µικροσκοπίου και επιβεβαιώθηκε από την αντίστοιχη προφιλοµέτρηση, όπως παρουσιάζεται στο προηγούµενο κεφάλαιο. Η κατανοµή της πίεσης στην πραγµατική επιφάνεια επαφής υποτέθηκε ότι έχει ελλειπτική κατανοµή. Κατά την διάρκεια της αποφόρτισης και της αποµάκρυνσης της πίεσης, το υλικό της επικάλυψης ηρεµεί κατά ένα ποσοστό και κατά ένα άλλο ποσοστό παραµορφώνεται πλαστικά. Και τα δύο στάδια φόρτισης διαιρούνται αυτόµατα σε κατάλληλο αριθµό στοιχειωδών βηµάτων επίλυσης, µε στόχο την διαρκή επίτευξη ισορροπίας των κοµβικών δυνάµεωνκαιτηνεπίτευξηεπαρκούς δείκτη σύγκλισης κατά την διάρκεια της επίλυσης. Ο νόµος κράτυνσης που καθορίζει την απόκριση του εξεταζόµενου σώµατος, περιγράφει ουσιαστικά την µεταβολή της επιφάνειας διαρροής σε αυξανόµενηπλαστικήπαραµόρφωση, έτσι ώστε οι εντατικές καταστάσεις σε συνεχιζόµενη διαρροήνα µπορούν να πραγµατοποιηθούν /93/. Στην περίπτωση του πολυγραµµικού νόµου σκλήρυνσης, η µονοαξονική συµπεριφορά αναπαρίσταται µε µία τεθλασµένη γραµµή. Η κλίση του πρώτου τµήµατος αυτής της γραµµής αντιστοιχεί στο µέτρο ελαστικότητας του υλικού και περιγράφει την συσχέτιση τάσεων και παραµορφώσεων στην ελαστική περιοχή φόρτισης. Όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω, ο αλγόριθµος βελτιστοποίησης έχει σαν στόχο τον καθορισµό της καµπύλης τάσης παραµόρφωσης του προς εξέταση υλικού της επικάλυψης. -73-

86 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού Σχήµα 7.10: Αλγόριθµος προσδιορισµού δυναµικής ή στατικής καµπύλης τάσης παραµόρφωσης της υπό εξέταση επικάλυψης. Αυτή η µεθοδολογία βασίζεται στην αρχή η οποία λέει ότι κατά τον αναλυτικό υπολογισµό µε πεπερασµένα στοιχεία, η µετρηµένη µορφή της γεωµετρίας των αποτυπωµάτων δεν µπορεί να επιτευχθεί παρά µόνο εάν γίνει βέλτιστη επιλογή του νόµου κράτυνσης του εξεταζόµενου υλικού. Στο σχήµα 7.10 παρουσιάζεται ο αλγόριθµος βελτιστοποίησης µε τον οποίο γίνεται ο προσδιορισµός αυτός. Ο αλγόριθµος αυτός εφαρµόζεται κάθε φορά για την εύρεση της καµπύλης τάσης παραµόρφωσης των εξεταζόµενων υλικών, για σταθερό χρόνο δυναµικής ή στατικής φόρτισης /94/. Για παράδειγµα γιαπολύµικρό χρόνο φόρτισης των υλικών, ηκαµπύλη που προκύπτει από αυτή τη διαδικασία είναι ίδια µε αυτή που προσδιορίζεται µε την -74-

87 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού µεθοδολογία που αναφέρεται στο κεφάλαιο 6. Μέσω της διαδικασίας που αναφέρεται σε αυτό το κεφάλαιο γίνεται ο προσδιορισµός του νόµου κράτυνσης των διαφόρων υλικών. Το µέτρο ελαστικότητας και το όριο διαρροής που χρησιµοποιούνται σε αυτό το αλγόριθµο, έχουν προσδιοριστεί µε την ενεργοποίηση του µοντέλου πεπερασµένων στοιχείων όπως περιγράφεται στο προηγούµενο κεφάλαιο. Σχήµα 7.11: Γεωµετρική µορφή των αποτυπωµάτων καθώς αυξάνεται το φορτίο κρούσης και οχρόνοςφόρτισηςγιατηνεπικάλυψηαι1031 (W-based). Έτσι θεωρώντας ως γνωστά το µέτρο ελαστικότητας και το όριο διαρροής του κάθε εξεταζόµενου τύπου επικάλυψης και χρησιµοποιώντας τα πειραµατικά αποτελέσµατα της γεωµετρικής µορφής των αποτυπωµάτων στον αλγόριθµο βελτιστοποίησης, γίνεται ο προσδιορισµός της καµπύλης τάσης - παραµόρφωσης του υλικού για συγκεκριµένο χρόνο φόρτισης. Στο σχήµα 7.11 φαίνεται η γεωµετρική µορφή των αποτυπωµάτων όπως προέκυψαν από την πειραµατική διαδικασία για αυξανόµενο φορτίο κρούσης και χρόνο φόρτισης, για την επικάλυψη µε τοντύποαι1031 (W-based). Λαµβάνοντας τα αποτυπώµατα που αντιστοιχούν σε συγκεκριµένο χρόνο φόρτισης και εισάγοντας αυτά στον αλγόριθµο βελτιστοποίησης, γίνεται ο προσδιορισµός του καταστατικού νόµου που αντιστοιχεί στο συγκεκριµένο χρόνο φόρτισης. Για την προσέγγιση της καµπύλης αυτής, εισάγονταιόλαταγνωστάδεδοµένα στον αλγόριθµο και γίνεται η τµηµατική προσέγγιση της καµπύλης τάσης παραµόρφωσης υποθέτοντας κάθε φορά διαφορετική κλίση. Κατά την λύση του προσοµοιωτικού µοντέλου για κάθε ξεχωριστό αποτύπωµα πρέπει να πετυχαίνεται η γεωµετρία του µετρηµένου αποτυπώµατος να είναι -75-

88 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού παρόµοια µε αυτή που υπολογίζεται. Στην αντίθετη περίπτωση γίνεται επαναπροσέγγιση της κλίσης αυτής, µέχρι να επιτύχει ο παραπάνω περιορισµός. Σχήµα 7.12: Προσδιορισµός της καµπύλης τάσης-παραµόρφωσης της εξεταζόµενης επικάλυψης ΑΙ1031 (W-based) για πραγµατικό χρόνο φόρτισης 0.25 min, όπως προέκυψε από την εφαρµογή της µεθόδου. Στο σχήµα 7.12 παρουσιάζεται η διαδικασία µε την οποία µπορεί να προσδιοριστεί η ελαστοπλαστική συµπεριφορά της επικάλυψης ΑΙ1031 (W-based) για χρόνο λειτουργίας της επικάλυψης ίσο µε 0,25 λεπτά. Στο πάνω µέρος του σχήµατος φαίνονται τα στάδια των δοκιµών του βελτιστοποιηµένου αλγόριθµου, έτσι ώστε µε βάση τα πειραµατικά αποτελέσµατα να προσδιοριστεί σωστά ο νόµος κράτυνσης για την επικάλυψη, στο συγκεκριµένο χρόνο λειτουργίας της. Τα τρία πρώτα βήµατα της επαναληπτικής διαδικασίας αναφέρονται στον προσδιορισµό του ορίου διαρροής και της κλίσης του πρώτου τµήµατος της καµπύλης τάσης- -76-

89 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού παραµόρφωσης µέσω του πρώτου αποτυπώµατος. Στην πρώτη περίπτωση γίνεται η εκτίµηση του ορίου διαρροής. Η σωστή εκτίµησή της πραγµατικής τιµής του ορίου διαρροής, συνιστά στη ταύτιση της µετρηµένης µε την υπολογισµένη γεωµετρική µορφή του αποτυπώµατος. Το όριο διαρροής που έχει προσδιοριστεί µε την παραπάνω διαδικασία έχει άµεση σχέση µε την κλίση του πρώτου τµήµατος της τεθλασµένης καµπύλης. Όπως φαίνεται και από το πρώτο βήµα τουσχήµατος, ενώ το όριο διαρροής έχει προσδιοριστεί σωστά, δενέχειεπιτευχθείτο βάθος του αποτυπώµατος µε αποτέλεσµα η κλίση του πρώτου τµήµατος να µην είναι σωστή. Στη δεύτερη και τρίτη περίπτωση το µοντέλο δίνει το σωστό βάθος του πειραµατικά µετρηµένου αποτυπώµατος, χωρίς όµως να επιτυγχάνεται η µορφή του. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα τησωστή µεν κλίση του πρώτου τµήµατος της καµπύλης µε λανθασµένο προσδιορισµό του ορίου διαρροής του υλικού. Έτσι µετά από τον επαναπροσδιορισµό αυτών των στοιχείων και τη λύση του µοντέλου, τελικά επιτυγχάνεται η σωστή µορφή και το βάθος του µετρηµένου αποτυπώµατος µε το σωστό όριο διαρροής και κλίση του πρώτου τµήµατος. Στη συνέχεια εφαρµόζεται η ίδια διαδικασία µε τααµέσως επόµενα πειραµατικά αποτυπώµατα για τον προσδιορισµό της κλίσης των υπόλοιπων τµηµάτων της καµπύλης. Στην τέταρτη περίπτωση παρουσιάζεται το τελικό τµήµα της καµπύλης και οι περιπτώσεις οι οποίες αντιπροσωπεύουν την επιλογή µικρότερης ή µεγαλύτερης κλίσης του. Υπάρχει µόνο µια βέλτιστη κλίση όπου µέσω του προσοµοιωτικού µοντέλου υπολογίζεται σωστά τη γεωµετρία του πειραµατικού αποτυπώµατος. Στο κάτω µέρος του σχήµατος παρουσιάζεται η τελική µορφή της πλαστικότητας της επικάλυψης για το συγκεκριµένο πραγµατικό χρόνο λειτουργίας της. Στον πίνακα που βρίσκεται στα δεξιά της καµπύλης, αποτυπώνονται όλα τα δεδοµένα και αποτελέσµατα που βοήθησαν στον προσδιορισµό τωντµηµάτων αυτής της καµπύλης τάσης παραµόρφωσης. Στο σχήµα 7.13 φαίνεται ο τρόπος µε τον οποίο επιτυγχάνεται η µορφή του µετρηµένου αποτυπώµατος, µέσα από την προσοµοίωση ενός πειραµατικού αποτελέσµατος για συγκεκριµένο πραγµατικό χρόνο λειτουργίας και δύναµης. Αυτό το αποτέλεσµα είναι ένα ενδιάµεσο βήµα της προηγούµενης επικάλυψης για τον προσδιορισµό όλωντωνεπίµέρους τµηµάτων της τεθλασµένης καµπύλης του νόµου κράτυνσης του για χρόνο λειτουργίας 0.25 λεπτά και δύναµη 300 Ν. Στο πάνω µέρος του σχήµατος φαίνονται η κατανοµή τωνισοδύναµων τάσεων και παραµορφώσεων στο εσωτερικό της επικάλυψης, κατά το στάδιο της φόρτισης και αποφόρτισης της επικάλυψης ΑΙ1031 (W-based). -77-

90 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού Σχήµα 7.13: Κατανοµή των ισοδύναµων τάσεων και παραµορφώσεων στο εσωτερικό της επικάλυψης ΑΙ1031 (W-based), κατά την φόρτιση και αποφόρτιση µέσω της µεθόδου FEM. Ανάλογα µε τον επιλεγµένο νόµο κράτυνσης που ακολουθεί το υλικό της επικάλυψης για αυτές τις συνθήκες θα υπολογιστεί αντίστοιχο παραµένων αποτύπωµα. Έτσι µόνο στην περίπτωση όπου ο νόµος αυτός είναι σωστά προσδιορισµένος, το αποτύπωµα θα έχει την ίδια µορφή µε αυτό που µετρήθηκε κατά την διάρκεια του πειράµατος. Όλα τα υπόλοιπα στοιχεία που καταγράφονται κατά την διάρκεια της πειραµατικής διαδικασίας φαίνονται στο κάτω µέρος του σχήµατος. -78-

91 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού Σχήµα 7.14: Προσδιορισµός της καµπύλης ερπυσµού µέσω των καµπυλών τάσηςπαραµόρφωσης και των καµπυλών ισοδύναµης παραµόρφωσης προς χρόνο φόρτισης για την επικάλυψη ΑΙ1031 (W-based). Το διάγραµµα που βρίσκεται στο αριστερό µέρος του σχήµατος 7.14, δείχνει τις καµπύλες τάσης - παραµόρφωσης µετά τον προσδιορισµό τους µέσω της πειραµατικής - αναλυτικής διαδικασίας και για διαφορετικούς χρόνους φόρτισης. Μέσω αυτών των διαγραµµάτων µπορούν να προσδιοριστούν οι καµπύλες της παραµόρφωσης λόγω ερπυσµού για σταθερές ισοδύναµες τάσεις, στη διάρκεια του χρόνου. Αυτά τα διαγράµµατα δηλώνουν ότι καθώς η ισοδύναµη τάση S eqv αυξάνεται, η κλίση των σχετικών καµπυλών µεταβάλλεται, που αυτό σηµαίνει ότι η ίδια παραµόρφωση επιτυγχάνεται σε λιγότερο χρόνο. Το διάγραµµα που φαίνεται στο δεξί µέρος του ιδίου σχήµατος, δείχνει την ταχύτητα της παραµόρφωσης που εµφανίζεται στην εξεταζόµενη επικάλυψη, καθώς η ισοδύναµη τάση αυξάνεται και που φυσικά αυτό οφείλεται στην ενεργοποίηση του µηχανισµού του ερπυσµού. Η πιο κάτω µαθηµατική εξίσωση προσδιορίζεται από αυτή την καµπύλη ερπυσµού, όπου η µορφή της καθορίζεται από τους συντελεστές k και m /85, 86/. dε m n ε= =k Seqv T dt (1) Η σταθερά n της πιο πάνω εξίσωσης εξαρτάται από την θερµοκρασία που σε αυτή τη περίπτωση είναι µηδέν, αφού όλα τα πειράµατα ερπυσµού έγιναν σε θερµοκρασία δωµατίου. Η σταθερά m έχει άµεση σχέση µε την αναπτυσσόµενη ισοδύναµη τάση. Η εξίσωση του ερπυσµού χρησιµοποιείται στις προσοµοιώσεις που γίνονται µε τηνµέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων, για τον προσδιορισµό της εντατικής κατάστασης του υλικού σε διαφορετικά φορτία, σύµφωνα µε την εξέλιξη του φαινοµένου του ερπυσµού. -79-

92 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού Σχήµα 7.15: Προσδιορισµός της καµπύλης ερπυσµού µέσω των καµπυλών τάσηςπαραµόρφωσης και των καµπυλών ισοδύναµης παραµόρφωσης προς χρόνο φόρτισης για την επικάλυψη Μο. Αντίστοιχα αποτελέσµατα του νόµου κράτυνσης και της καµπύλης ερπυσµού για ακόµη δύο τύπους θερµικών επικαλύψεων που προσδιορίστηκαν µέσω της παραπάνω διαδικασίας, παρουσιάζονται στα σχήµατα 7.15 και Στο πρώτο σχήµα παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα για την επικάλυψη Μο η οποία έχει κατασκευαστεί µε τηνµέθοδο flame spray και µε την χρήση σύρµατος από το ίδιο υλικό. Στο δεύτερο σχήµα παρουσιάζονται τα ίδια αποτελέσµατα για την κεραµική επικάλυψη Al 2 O 3 -TiO 2. Και στις δύο περιπτώσεις καθώς αυξάνεται ο πραγµατικός χρόνος λειτουργίας, η κλίση της καµπύλης τάσης παραµόρφωσης µειώνεται. Στη περίπτωση τώρα της επικάλυψης Μο, λόγω του ότι η µέθοδος µε την οποία κατασκευάζεται δηµιουργεί µεγαλύτερο ποσοστό πορώδους µε περισσότερες ατέλειες στο εσωτερικό της δοµής της, εµφανίζεται µια έντονη µείωση της καµπύλης τάσης παραµόρφωσης κατά το πρώτο χρόνο λειτουργίας της. Σύντοµα όµως η µείωσηαυτήγίνεταιπιοοµαλή αφού τόσο οι πόροι όσο και οι εσωτερικές ατέλειες στη δοµή της εξαφανίζονται. Σχήµα 7.16: Προσδιορισµός της καµπύλης ερπυσµού µέσω των καµπυλών τάσηςπαραµόρφωσης και των καµπυλών ισοδύναµης παραµόρφωσης προς χρόνο φόρτισης για την επικάλυψη Al 2 O 3 -TiO

93 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού Σχήµα 7.17: Σύγκριση των καµπύλων τάσης παραµόρφωσης και ερπυσµού της επικάλυψης Cr 3 C 2 /NiCr για δυναµικό και στατικό φορτίο διείσδυσης. Στο σχήµα 7.17 παρουσιάζονται παρόµοια αποτελέσµατα για την επικάλυψη Cr 3 C 2 /NiCr όπως προέκυψαν µέσω του αλγόριθµου και της µεθόδου των πεπερασµένων στοιχείων για τις δύο διαφορετικές µορφές δυναµικής και στατικής φόρτισης. Οι καµπύλες τάσης παραµόρφωσης στην περίπτωση της στατικής δοκιµασίας δεν αλλάζουν σηµαντικά, καθώς αυξάνεται ο χρόνος λειτουργίας της επικάλυψης, όπως συµβαίνει στην περίπτωση του δυναµικού φορτίου. Το ίδιο συµβαίνει και στις καµπύλες ταχύτητας παραµόρφωσης σε σχέση µε την αναπτυσσόµενη ισοδύναµη τάση. Η διαφορά αυτή φαίνεται να είναι τουλάχιστον δύο τάξεις µεγέθους µεγαλύτερη στην περίπτωση του δυναµικού φορτίου. Κατά την στατική φόρτιση η κλίση της καµπύλης αυτής δεν µεταβάλλεται κατά πολύ. Στη περίπτωση όµως του δυναµικού φορτίου, µετά από την τιµή 1.1 GPa ηκαµπύλη αυτή παρουσιάζει µια κάθετη αύξηση που αυτό σηµαίνει και την τελική αστοχία της επικάλυψης, αν φορτιστεί πέρα από αυτή τη τιµή για κάποιο χρονικό διάστηµα. 7.4 Τυπικά αποτελέσµατα των εξεταζόµενων επικαλύψεων Με την βοήθεια της προαναφερόµενης µεθοδολογίας µπορεί να γίνει ο προσδιορισµός της συµπεριφοράς σε ερπυσµό των διαφόρων τύπων θερµικών επικαλύψεων. Στο σχήµα 7.18 παρουσιάζονται οι καµπύλες ερπυσµούτωνδιαφόρωντύπωνεπικαλύψεων, καθώςεπίσηςκαι οι µηχανικές τους ιδιότητες στο πίνακα που βρίσκεται στο κάτω µέρος του σχήµατος /72, 73/. -81-

94 7. ιαδικασία προσδιορισµού του δυναµικού και του στατικού ερπυσµού Σχήµα 7.18: Συγκριτικά αποτελέσµατα της καµπύλης ερπυσµού των εξεταζοµένων τύπων επικαλύψεων. Στο πίνακα αυτό, φαίνεται το όριο διαρροής των επικαλύψεων που είναι και το κρίσιµο φορτίο πριν από την ενεργοποίηση του φαινόµενου του ερπυσµού. Ηδιαφορετικήσυµπεριφορά σε ερπυσµό των διαφόρων τύπων επικαλύψεων εξαρτάται από το χρησιµοποιούµενο βασικό υλικό, τις µηχανικές του ιδιότητες, τις συνθήκες εναπόθεσης και το βαθµό του πορώδους που εµφανίζεται στην επικάλυψη. Οι επικαλύψεις οι οποίες παρουσιάζουν µεγαλύτερη αντοχή σε ερπυσµό αλλά και γενικά καλύτερες µηχανικές ιδιότητες, όπως είναι η 85%WC-Co, η W-based και η Cr 3 C 2 /NiCr, είναι αυτές που χρησιµοποιούνται για την προστασία των διαφόρων υποστρωµάτων από την φθορά λόγω κόπωσης ή τριβής. Η λιγότερο στιβαρές, όπως είναι η Ni-5%Al και η NiCrAl, χρησιµοποιούνται πιο πολύ για την προστασία σε διάβρωση ή οξείδωση σε µεγάλες θερµοκρασίες. Η επικάλυψη NiCrAl µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την προστασία σε φθορά, στη περίπτωση όπου η περιεκτικότητα σε χρώµιο, είναι τέτοια ώστε να αυξάνει την σκληρότητα της. -82-

95 8. ιερεύνηση και βελτιστοποίηση της δυναµικής συµπεριφοράς των πολυστρωµατικών επικαλύψεων 8. ιερεύνηση και βελτιστοποίηση της δυναµικής συµπεριφοράς των πολυστρωµατικών επικαλύψεων Με σκοπό την βελτίωση της συνάφειας των παραγόµενων επικαλύψεων µε τουπόστρωµα, χρησιµοποιείται ένα ενδιάµεσο συγκολλητικό στρώµα επικάλυψης. Αυτό είναι µια συνηθισµένη πρακτική που εφαρµόζεται σε υποστρώµατα ταοποίαδεν µπορούν να αναπτύξουν ισχυρούς δεσµούς συνάφειας µε την ίδια την επικάλυψη. Έτσι πριν από την εναπόθεση της κύριας επικάλυψης πάνω στο υπόστρωµα, γίνεται ο θερµικός ψεκασµός ενός συγκεκριµένου τύπου επικάλυψης, η οποία µπορεί να παίξει το ρόλο της συγκολλητικής ουσίας µεταξύ του υποστρώµατος και της κύριας επικάλυψης. Μέχρι τώρα το αναπτυσσόµενο πάχος αυτής της συγκολλητικής στοιβάδας δεν ενδιέφερε και τόσο πολύ τους κατασκευαστές τέτοιων επικαλύψεων, οι οποίοι προσπαθούσαν να πετύχουν πάχη που να είναι λίγο µικρότερα από το πάχος της κύριας στοιβάδας. Πέρα από την χρήση ενδιάµεσων συγκολλητικών στοιβάδων που έχουν ως αποτέλεσµα την δηµιουργία θερµικών επικαλύψεων µε δύοδιαφορετικάστρώµατα, µε τον ίδιο τρόπο µπορούν να κατασκευαστούν επικαλύψεις µε περισσότερα από δύο στρώµατα. Αυτές οι επικαλύψεις ονοµάζονται πολυστρωµατικές και µπορεί να αποτελούνται από µικρό ή µεγάλο αριθµό διαφορετικών επιστρώσεων ή ακόµη καιδιαφορετικότύποεπικάλυψης. Ηχρήσηαυτώντων επικαλύψεων είναι περιορισµένη, αφού χρησιµοποιούνται σε ειδικές περιπτώσεις όταν οι συνθήκες λειτουργίας είναι αρκετά σύνθετες. Το κόστος παραγωγής τους είναι µεγαλύτερο από αυτό των µονοστρωµατικών επικαλύψεων. Όπως θα περιγραφεί και στις επόµενες παραγράφους το πάχος των χρησιµοποιούµενων επικαλύψεων, βρέθηκε να παίζει σηµαντικό ρόλο στην εµφάνιση του φαινοµένου του ερπυσµού, όταν ο συνδυασµός αυτός φορτίζεται µε κρίσιµα δυναµικά ή στατικά φορτία. Για την επίτευξη του προσδιορισµού αυτής της συµπεριφοράς και του τρόπου µε τον οποίο συµπεριφέρονται αυτού του είδους επικαλύψεις, εξετάσθηκαν δύο διστρωµατικές επικαλύψεις, όπου η µία είναι η Cr 3 C 2 /NiCr, µε ενδιάµεση επίστρωση την Ni-5%Al και η άλλη η Μο, µε την ίδια ενδιάµεση επικάλυψη (συγκολλητική επικάλυψη). 8.1 οκιµασία κρούσης σε πολυστρωµατικές επικαλύψεις Ο τρόπος µε τον οποίο κατασκευάσθηκαν οι θερµικές επικαλύψεις µε δύο διαφορετικά στρώµατα, αλλά και οι φωτογραφίες της τοµής δύο από αυτών όπου και εξετάσθηκαν όσο αφορά την συµπεριφορά τους σε ερπυσµό, παρουσιάζονται στο σχήµα 8.1. Τα διάφορα πάχη -83-

96 8. ιερεύνηση και βελτιστοποίηση της δυναµικής συµπεριφοράς των πολυστρωµατικών επικαλύψεων των ενδιάµεσων και κύριων επικαλύψεων φαίνονται στον πίνακα που βρίσκεται κάτω από τις φωτογραφίες. Και οι δύο συνδυασµοί επικαλύψεων έχουν το ίδιο υπόστρωµα που είναι ο χάλυβας κατασκευών µε την τυποποίηση St-70. Το πάχος της κύριας επικάλυψης είναι το ίδιο και για τις δύο περιπτώσεις των εξεταζοµένων δοκιµίων. Πριν από την εναπόθεση της ενδιάµεσης επικάλυψης, γίνεται µια διαδικασία προετοιµασίας του υποστρώµατος µε µικροκοκκοβολή, έτσι ώστε να αποκτήσει τραχιά επιφάνεια για καλύτερη προσκόλληση της επικάλυψης πάνω σε αυτό. Η διαδικασία εναπόθεσης της συγκολλητικής αλλά και της κύριας επικάλυψης φαίνεται στο δεξί µέρος του σχήµατος 8.1. Η µεθοδολογία εναπόθεσης και των δύο στρωµάτων είναι η ίδια µε αυτή που χρησιµοποιείται και για την κατασκευή µονοστρωµατικών επικαλύψεων. Η µόνη διαφορά είναι ότι σε αυτή την περίπτωση αφού γίνει η εναπόθεση της ενδιάµεσης επικάλυψης, η συσκευή εναπόθεσης καθαρίζεται και αναγοµώνεται µε τοείδοςτης σκόνης ή σύρµατος της κύριας επικάλυψης όπου γίνεται η εναπόθεση της, πάνω στη ενδιάµεση. Με αυτό τον απλό τρόπο µπορούν να κατασκευαστούν διάφοροι τύποι διστρωµατικών ή ακόµη καιπολυστρωµατικών επικαλύψεων. Σχήµα 8.1: Φωτογραφίες της τοµής των εξεταζόµενων πολυστρωµατικών επικαλύψεων. Μετά την εναπόθεση του συνδυασµού της επικάλυψης στο υπόστρωµα, τα έτοιµα δοκίµια περνούν στην τελική τους φάση που είναι η υπερλείανση της επιφάνεια τους. Ηπρώτηδοκιµή που γίνεται σε αυτά τα δοκίµια είναι η παρατήρηση τους µε την βοήθεια του ηλεκτρονικού µικροσκοπίου, όπου εκτελούνται οι ανάλογες µικροφασµατικές αναλύσεις (EDX analysis) στη δοµή τηςδιστρωµατικής επικάλυψης. Μέσω αυτών των µικροφασµατικών αναλύσεων γίνεται γνωστή η µεταλλική ή κεραµική σύνθεση των διαφόρων τύπων θερµικών επικαλύψεων. Αυτό είναι πολύ σηµαντικό αφού µε αυτό τον τρόπο µπορεί να επιβεβαιωθεί η γνησιότητα της εξεταζόµενης επικάλυψης, αλλά και ο τρόπος µε τον οποίο επηρεάζεται η µηχανική συµπεριφορά του κάθε διαφορετικού τύπου επικάλυψης, αναλόγως του ποσοστού των στοιχείων που αποτελείται. Για την πειραµατική διερεύνηση της συµπεριφοράς σε ερπυσµό του συνδυασµού αυτού, εφαρµόζεται η ίδια πειραµατική διαδικασία όπως και στην περίπτωση των µονοστρωµατικών επικαλύψεων. Τα έτοιµα δοκίµια τοποθετούνται στην βάση του δοκιµαστηρίου, όπου µετά την -84-

97 8. ιερεύνηση και βελτιστοποίηση της δυναµικής συµπεριφοράς των πολυστρωµατικών επικαλύψεων διείσδυση του σφαιρικού εισβολέα στην επιφάνεια της διστρωµατικής επικάλυψης, καταγράφονται τα πειραµατικά αποτελέσµατα της γεωµετρίας του δηµιουργούµενου αποτυπώµατος. Λόγω της διαφορετικής συµπεριφοράς του κάθε τύπου επικάλυψης, τα πειραµατικά αποτελέσµατα δεν έχουν σχέση µε αυτά που λαµβάνονται όταν αυτές οι επικαλύψεις δοκιµάζονται υπό µορφή µεµονωµένων στρωµάτων. 8.2 Σύγκριση µεταξύ των µονοστρωµατικών και πολυστρωµατικών επικαλύψεων Για να γίνει κατανοητός ο τρόπος µε τον οποίο συµπεριφέρονται αυτές οι επικαλύψεις όταν χρησιµοποιείται ενδιάµεσο συγκολλητικό στρώµα από διαφορετικό υλικό επικάλυψης, εκτελέστηκε η πειραµατική διαδικασία σε διάφορα επικαλυµµένα δοκίµια µε ή χωρίς το ενδιάµεσο στρώµα. Με αυτό τον τρόπο µπορεί να γίνει σύγκριση µεταξύ τέτοιων διστρωµατικών επικαλύψεων και αντίστοιχων µονοστρωµατικών. Αυτό που παρατηρείται µέσα από αυτή την συγκριτική πειραµατική διαδικασία, είναι ότι στην περίπτωση που η εναπόθεση αυτή γίνεται χωρίς να λαµβάνονται υπόψη ορισµένα χαρακτηριστικά, τότε η συµπεριφορά του συστήµατος αυτού παρουσιάζει χειρότερα αποτελέσµατα από ότι στην περίπτωση όπου αυτές οι επικαλύψεις εξετάζονται ως µονοστρωµατικές. Σχήµα 8.2: Σύγκριση µεταξύ των πειραµατικών αποτελεσµάτων των µονοστρωµατικών και πολυστρωµατικών επικαλύψεων. Η πιο πάνω παρατήρηση φαίνεται µέσα από τα διαγράµµατα του σχήµατος 8.2, όπου παρουσιάζεται η ακτίνα του κύκλου επαφής και το µέγιστο βάθος των κρατήρων που -85-

98 8. ιερεύνηση και βελτιστοποίηση της δυναµικής συµπεριφοράς των πολυστρωµατικών επικαλύψεων δηµιουργούνται κατά την εκτέλεση της πειραµατικής διαδικασίας. Αυτά τα διαγράµµατα δείχνουν τη γεωµετρική µορφή των αποτυπωµάτων που δηµιουργούνται κατά την διάρκεια της δοκιµασίας της κρούσης για σταθερό φορτίο και σε διαφορετικούς χρόνους λειτουργίας. Και οι δύο επικαλύψεις στην περίπτωση της µονοστρωµατικής τους µορφής, φαίνεται να παρουσιάζουν σχεδόν την ίδια συµπεριφορά, όπου ελαφρώς καλύτερα αποτελέσµατα φαίνεται να έχει η επικάλυψη µε τοντύποcr 3 C 2 /NiCr, αφού έχει καλύτερες µηχανικές ιδιότητες από την Μο. Και στις δύο περιπτώσεις χρησιµοποίησης της ενδιάµεσης συγκολλητικής στοιβάδας, η συµπεριφορά του συνδυασµού τους γίνεται χειρότερη µε σαφώςµεγαλύτερους κρατήρες για τις ίδιες συνθήκες φόρτισης. Στην περίπτωση της επικάλυψης Μο µε ενδιάµεσο συγκολλητικό στρώµα την Ni-5%Al, τα πειραµατικά αποτελέσµατα παρουσιάζουν εντονότερο πρόβληµα ερπυσµού µε αρκετάµεγαλύτερα αποτυπώµατα. Αυτό οφείλεται καθαρά στην προσθήκη της ενδιάµεσης στοιβάδας που όπως έχει αναφερθεί στα προηγούµενα κεφάλαια είναι λιγότερο στιβαρή και από τις δύο κύριες επικαλύψεις. Σχήµα 8.3: Σύγκριση µεταξύ των πειραµατικών αποτελεσµάτων των µονοστρωµατικών και πολυστρωµατικών επικαλύψεων όσο αφορά την µέγιστη πίεση επαφής. Η µεταβολή της µέγιστης αναπτυσσόµενης πίεσης P max που επικρατεί κατά την διάρκεια της πειραµατικής διαδικασίας, φαίνεται στο σχήµα 8.3. Αυτό που παρατηρείται είναι ότι στην περίπτωση της µονοστρωµατικής ή πολυστρωµατικής επικάλυψης όπου η κύρια είναι η Cr 3 C 2 /NiCr, η µείωση της µέγιστης πίεσης επαφής στην διάρκεια του χρόνου είναι και στις δύο περιπτώσεις σχεδόν η ίδια. Στην περίπτωση τώρα που σαν κύρια επικάλυψη χρησιµοποιείται η Μο η µείωσηαυτήείναιδιαφορετική. Όπως έχει επεξηγηθεί και προηγουµένως όσο αφορά την συνεισφορά που έχει η κάθε επικάλυψη στην δηµιουργία του αποτυπώµατος, έτσι και τώρα η συνεισφορά που έχει η ενδιάµεσηστρώσηστηνµείωση της µέγιστης πίεσης είναι µεγαλύτερη από ότι στον προηγούµενο συνδυασµό, αφού και πάλι η κλίση της συγκεκριµένης καµπύλης είναι µεγαλύτερη από αυτή της µονοστρωµατικής. -86-

99 8. ιερεύνηση και βελτιστοποίηση της δυναµικής συµπεριφοράς των πολυστρωµατικών επικαλύψεων 8.3 Ανάπτυξη του µηχανισµού του ερπυσµού σε πολυστρωµατικές επικαλύψεις Λαµβάνοντας υπόψη τις µηχανικές ιδιότητες και την συµπεριφορά σε ερπυσµό του κάθε ξεχωριστού τύπου επικάλυψης και µε την βοήθεια της προσοµοίωσης µέσω των πεπερασµένων στοιχείων, µπορεί να προσδιοριστεί η συµπεριφορά σε ερπυσµό του συνδυασµού της πολυστρωµατικής επικάλυψης (βλέπε σχήµα 8.4). Κατά την διαδικασία της προσοµοίωσης, ο σφαιρικός εισβολέας θεωρείται ότι είναι ένα άκαµπτο σώµα τοοποίοδιεισδύει στην ελαστοπλαστική επικάλυψη. Οι γνωστές καµπύλες τάσης παραµόρφωσης της επιφανειακής και της ενδιάµεσης επικάλυψης, οι οποίες έχουν προσδιοριστεί µε τον τρόπο που αναφέρεται στο κεφάλαιο 7 της παρούσας εργασίας, χρησιµοποιούνται στο µοντέλο πεπερασµένων στοιχείων για τον προσδιορισµό της συνδυασµένης µηχανικής τους συµπεριφοράς. Στο αριστερό µέρος του σχήµατος φαίνονται αυτές οι καµπύλες και για τις δύο επικαλύψεις. Όπως έχει αναφερθεί και προηγουµένως οι καµπύλες αυτές, προσδιορίστηκαν µε την βοήθεια του δοκιµαστηρίου κρούσης και της αναλυτικής µεθοδολογίας µέσω των πεπερασµένων στοιχείων (FEM) που ακολουθείται, πάνω σε δοκίµια µε µια µοναδική στρώση επικάλυψης /83, 92/. Σχήµα 8.4: Προσδιορισµός τωνεσωτερικώντάσεωνκάθεεπικάλυψης, λαµβάνοντας υπόψη τη συµπεριφορά τους σε ερπυσµό. Η ενεργοποίηση του µηχανισµού του ερπυσµού, γίνεται όταν στο εσωτερικό της επικάλυψης αναπτύσσονται τάσεις οι οποίες είναι µεγαλύτερες από κάποια κρίσιµη τιµή. Αυτήηισοδύναµη τάση για κάθε διαφορετικό υλικό επικάλυψης είναι διαφορετική. Στο δεξιό µέρος του σχήµατος 8.4 φαίνεται η κατανοµή τωνισοδύναµων τάσεων στο εσωτερικό της ενδιάµεσης και της κύριας επικάλυψης, για δυναµικό φορτίο 300 N και για χρόνο λειτουργίας 2.5 λεπτά, κατά το στάδιο της φόρτισης και της αποφόρτισης. -87-

100 8. ιερεύνηση και βελτιστοποίηση της δυναµικής συµπεριφοράς των πολυστρωµατικών επικαλύψεων Το τελικό αποτύπωµα είναι αποτέλεσµα της παραµόρφωσης λόγω ερπυσµού και των δύο στοιβάδων επικάλυψης, όπου η κάθε µια συνεισφέρει ανάλογα µε το µέγεθος της µέγιστης αναπτυσσόµενης ισοδύναµης τάσης που εµφανίζεται στο εσωτερικό της. Μια σύγκριση µεταξύ του µετρηµένου και του υπολογισµένου µέγιστου βάθους των αποτυπωµάτων, παρουσιάζεται στο κάτω µέρος του σχήµατος, όπου υπάρχει καλή σύγκλιση µεταξύ του µετρηµένου µετο υπολογισµένο. Σχήµα 8.5: Προσδιορισµός τωνεσωτερικώντάσεωνκάθεεπικάλυψης, λαµβάνοντας υπόψη τη συµπεριφορά τους σε ερπυσµό. Στο σχήµα 8.5 παρουσιάζονται παρόµοια αποτελέσµατα της κατανοµής των εσωτερικών τάσεων κατά την φόρτιση και αποφόρτιση της διστρωµατικής επικάλυψης, η οποία έχει την ίδια ενδιάµεση συγκολλητική στοιβάδα µε τον προηγούµενο συνδυασµό επικαλύψεων, αλλά ως επιφανειακή στοιβάδα την Μο. Αυτή η επικάλυψη έχει σαφώς µικρότερη αντοχή σε ερπυσµό για αυτό και παρουσιάζει µεγαλύτερο αποτύπωµα, όπου το µέγιστο βάθος του είναι 27 µm, εκ του οποίου τα 10 µικρόµετρα οφείλονται στην υποχώρηση της ενδιάµεσης επικάλυψης. Σε αυτή την περίπτωση το προσοµοιωτικό µοντέλο λύθηκε για πραγµατικό χρόνο φόρτισης 0.25 λεπτά. Οι µέγιστες ισοδύναµες τάσεις που αναπτύσσονται στην ενδιάµεση συγκολλητική στοιβάδα είναι αρκετά µεγαλύτερες από ότι στην προηγούµενη περίπτωση διστρωµατικής επικάλυψης. Έτσι η ενδιάµεση επικάλυψη καταπονείται περισσότερο µε αποτέλεσµα να συνεισφέρει κατά µεγαλύτερο ποσοστό στην δηµιουργία του µεγαλύτερου κρατήρα. Ακόµη στην χειρότερη περίπτωση υπάρχει πιθανότητα να επέλθει η αστοχία του συνδυασµού αυτού, µέσω της ενδιάµεσης επικάλυψης προτού επηρεασθεί η κύρια επικάλυψη, η οποία είναι αυτή που βρίσκεται σε επαφή µε την σφαίρα σκληροµετάλλου κατά την διάρκεια της πειραµατικής διαδικασίας. -88-

101 8. ιερεύνηση και βελτιστοποίηση της δυναµικής συµπεριφοράς των πολυστρωµατικών επικαλύψεων Περαιτέρω διερεύνηση που έγινε µε την βοήθεια του δοκιµαστηρίου κρούσης, έδωσε παρόµοια αποτελέσµατα τα οποία και παρουσιάζονται σε διαγράµµατα στο σχήµα 8.6. Σε αυτά τα διαγράµµατα φαίνεται η καλή σύγκλιση που έχουν τα πειραµατικά µε τα αναλυτικά αποτελέσµατα, αλλά και πόσο υποχωρεί η κάθε στρώση επικάλυψης, έτσι ώστε να δηµιουργηθεί το τελικό µέγιστο βάθος του αποτυπώµατος. Με αυτό το τρόπο επιδεικνύεται η επάρκεια της µεθόδου για τον προσδιορισµό τηςσυµπεριφοράς σε ερπυσµό των διαφόρων τύπων πολυστρωµατικών θερµικών επικαλύψεων. Σχήµα 8.6: Υπολογισµένο και µετρηµένο βάθος αποτυπώµατος των δύο εξεταζοµένων πολυστρωµατικών επικαλύψεων. Η κλίση της καµπύλης του µέγιστου βάθους στην περίπτωση του Mo, είναι πιο απότοµη λόγω του ότι αυτή η επικάλυψη είναι λιγότερο στιβαρή από την Cr 3 C 2 /NiCr, αλλά και επειδή η µέγιστη τάση που επικρατεί στην ενδιάµεση επικάλυψη είναι πολύ µεγαλύτερη, µε αποτέλεσµα σεαυτή την περίπτωση ο ερπυσµός να ενεργοποιείται σε µεγαλύτερο βαθµό. Αυτό φαίνεται καλύτερα µέσα από τις καµπύλες ταχύτητας παραµόρφωσης προς την ισοδύναµη αναπτυσσόµενη τάση, οι οποίες παρουσιάζονται στο κάτω µέρος του σχήµατος 8.6. Αυτές οι καµπύλες, οι οποίες εκφράζουν τον τρόπο µε τον οποίο συµπεριφέρεται ο κάθε τύπος θερµικής επικάλυψης σε ερπυσµό σύµφωνα µε τις αναπτυσσόµενες ισοδύναµες τάσεις στο εσωτερικό της, έχουν προσδιοριστεί στο προηγούµενο κεφάλαιο µε τη χρήση του δοκιµαστηρίου κρούσης και ανάλογων προσοµοιωτικών µοντέλων πεπερασµένων στοιχείων. -89-

102 8. ιερεύνηση και βελτιστοποίηση της δυναµικής συµπεριφοράς των πολυστρωµατικών επικαλύψεων Στην περίπτωση της διστρωµατικής επικάλυψης όπου χρησιµοποιείται ως κύρια η Cr 3 C 2 /NiCr, η µέγιστη ταχύτητα παραµόρφωσης για χρόνο λειτουργίας λεπτά είναι περίπου 0.01 min -1 όσο αφορά την ενδιάµεση στρώση, ενώ στην κύρια στοιβάδα αυτή η ταχύτητα είναι µικρότερη µε τιµή περίπου min -1. Αντίστοιχα για την δεύτερη περίπτωση εξεταζόµενης διστρωµατικής επικάλυψης και για τον ίδιο χρόνο λειτουργίας, η ταχύτητα αυτή είναι περίπου min -1 όσο αφορά την επικάλυψη Ni-5%Al, ενώ η ταχύτητα αυτή στο εσωτερικό της επικάλυψης Μο είναι περίπου 0,007 min -1. Μέσω αυτών των αποτελεσµάτων φαίνεται ότι και στις δύο περιπτώσεις ενδιάµεσης και κύριας επικάλυψης η ταχύτητα παραµόρφωσης είναι µεγαλύτερη για τον συνδυασµό Μο// Ni-5%Al. Έτσι εξηγείται και το γεγονός ότι αυτός ο τύπος διστρωµατικής επικάλυψης παρουσιάζει µεγαλύτερο αποτύπωµα απόότιοσυνδυασµός της Cr 3 C 2 /NiCr // Ni-5%Cr στον ίδιο χρόνο λειτουργίας. Για µεγαλύτερους χρόνους λειτουργίας οι ταχύτητες παραµόρφωσης είναι µικρότερες, αλλά και πάλι η επικάλυψη µε κύρια την Μο εµφανίζει µεγαλύτερες τιµές από την Cr 3 C 2 /NiCr που έχει σαν αποτέλεσµα να παρουσιάζει µεγαλύτερα αποτυπώµατα. Ηεµφάνιση µικρής ή µεγάλης ταχύτητας παραµόρφωσης εξαρτάται πάντα από την µέγιστη ισοδύναµη τάση που αναπτύσσεται στο εσωτερικό του κάθε τύπου επικάλυψης. Σχήµα 8.7: Πειραµατικός και αναλυτικός προσδιορισµός της γεωµετρικής µορφής των αποτυπωµάτων σε διαφορετικό χρόνο λειτουργίας τους. Η αύξηση της γεωµετρικής µορφής των αποτυπωµάτων (λόγω της ενεργοποίησης του φαινοµένου του ερπυσµού), για σταθερό φορτίο κρούσης και αυξανόµενο χρόνο λειτουργίας για τις εξεταζόµενες πολυστρωµατικές επικαλύψεις, παρουσιάζονται στο σχήµα 8.7. Η µορφή του µετρηµένου αποτυπώµατος µετά την δοκιµασία της κρούσης και η µορφή του υπολογισµένου -90-

103 8. ιερεύνηση και βελτιστοποίηση της δυναµικής συµπεριφοράς των πολυστρωµατικών επικαλύψεων που δίνει το µοντέλο πεπερασµένων στοιχείων, βρίσκονται σε καλή συµφωνία µεταξύ τους. Και σε αυτή την περίπτωση φαίνεται πολύ καθαρά ότι τα αποτυπώµατα του συνδυασµού επικαλύψεων όπου η κύρια στοιβάδα παρουσιάζει καλύτερες µηχανικές ιδιότητες και συµπεριφορά σε ερπυσµό, δίνει µικρότερα σε µέγεθος και γεωµετρική µορφή αποτυπώµατα. Στο σχήµα αυτό, φαίνονται οι γεωµετρικές µορφές των αποτυπωµάτων που προκλήθηκαν µετά από τις πειραµατικές διαδικασίες στα αντίστοιχα δοκίµια και για πραγµατικό χρόνο λειτουργίας τους 12.5 (5x10 5 ) και 25 λεπτά (1x10 6 κρούσεις). Αυτοίοιχρόνοιπροκύπτουνµετά από τον πολλαπλασιασµό τουαριθµού των κρούσεων, µε το χρόνο όπου διαρκεί η επαφή της σφαίρας σκληροµετάλλου µε την επιφάνεια της υπό εξέταση επικάλυψης. 8.4 Βελτιστοποίηση του σχεδιασµού των πολυστρωµατικών επικαλύψεων λαµβάνοντας υπόψη την συµπεριφορά τους σε ερπυσµό Για να βελτιστοποιηθεί ο σχεδιασµός αυτών των πολυστρωµατικών επικαλύψεων, πρέπει να ληφθούν υπόψη παράγοντες όπως είναι οι µηχανικές ιδιότητες των επιµέρους επικαλύψεων, η συµπεριφορά τους σε ερπυσµό αλλά και το πάχος της κάθε επικάλυψης. Για να γίνει αυτό πρέπει να προσδιοριστεί ο τρόπος µε τον οποίο κατανέµονται οι ισοδύναµες αναπτυσσόµενες τάσεις, στο εσωτερικό του κάθε στρώµατος και να καταγραφούν οι µέγιστες τάσεις S 1max και S 2max. Εάν αυτές οι µέγιστες ισοδύναµες τάσεις είναι µεγαλύτερες από τις αντίστοιχες κρίσιµες τάσεις ερπυσµού για την κάθε επικάλυψη S C1 και S C2, τότε το φαινόµενο του ερπυσµού ενεργοποιείται και στις δύο επικαλύψεις /95, 96/. Με την χρήση του µοντέλου πεπερασµένων στοιχείων έχει διαπιστωθεί ότι το πάχος των χρησιµοποιούµενων επικαλύψεων, µπορεί να επηρεάσει την κατανοµή των κύριων ισοδύναµων τάσεων στο εσωτερικό τους. Γιατολόγοαυτό, το πάχος της επιφανειακής επικάλυψης πρέπει να είναι τόσο µεγάλο, έτσι ώστε να προστατεύει την ενδιάµεση επικάλυψη από την έναρξη του φαινοµένου του ερπυσµού. ηλαδή πρέπει το πάχος της επιφανειακής επικάλυψης που είναι και η κύρια επικάλυψη, να έχει τέτοιο πάχος έτσι ώστε οι αναπτυσσόµενες µέγιστες ισοδύναµες τάσεις στο εσωτερικό της ενδιάµεσης και της κύριας επικάλυψης S 1max και S 2max να έχουν τιµή µικρότερη από τις αντίστοιχες S C1 και S C2. Όπως φαίνεται και από το σχήµα 8.8, η µέγιστη ισοδύναµη τάση που αναπτύσσεται στο εσωτερικό της ενδιάµεσης επικάλυψης µειώνεται, καθώς το πάχος της επιφανειακής επικάλυψης αυξάνεται. Αυτά τα αποτελέσµατα έχουν προσδιοριστεί µε τη βοήθεια των πεπερασµένων στοιχείων, θεωρώντας ως σταθερές παραµέτρους το πάχος της ενδιάµεσης επικάλυψης και επιτυγχάνοντας πάντα η µέγιστη αναπτυσσόµενη ισοδύναµη τάση στο εσωτερικό της κύριας επικάλυψης να είναι ίση µε τηνκρίσιµη τάσηερπυσµού της. -91-

104 8. ιερεύνηση και βελτιστοποίηση της δυναµικής συµπεριφοράς των πολυστρωµατικών επικαλύψεων Σχήµα 8.8: Ανάπτυξη της µέγιστης ισοδύναµης τάσης στην ενδιάµεση επικάλυψη σε σχέση µε τοπάχοςτηςκύριαςεπικάλυψης. Τα αποτελέσµατα αυτά δείχνουν ότι στη περίπτωση που το πάχος της επιφανειακής επικάλυψης είναι µικρότερο από κάποιο κρίσιµο t 1min, τότε η µέγιστη ισοδύναµη τάση στο εσωτερικό της συγκολλητικής επικάλυψης υπερβαίνει την κρίσιµη για αυτή τάση ερπυσµού S C2. Για τις εξεταζόµενες επικαλύψεις αυτό το πάχος βρέθηκε να είναι 400 µm για την επικάλυψη Cr 3 C 2 /NiCr και 450 µm για την Mo. Αυτός ο συνδυασµός πάχους των επιφανειακών και ενδιάµεσων επικαλύψεων, είναι ο βέλτιστος συνδυασµός όπου δεν παρουσιάζεται πρόωρα το φαινόµενο του ερπυσµού. Σχήµα 8.9: Ανάπτυξη της µέγιστης ισοδύναµης τάσης στην ενδιάµεση επικάλυψη σε σχέση µε το πάχος και των δύο επικαλύψεων. -92-

105 8. ιερεύνηση και βελτιστοποίηση της δυναµικής συµπεριφοράς των πολυστρωµατικών επικαλύψεων Τα τρισδιάστατα διαγράµµατα στο σχήµα 8.9, δείχνουν την επίδραση που έχει το πάχος του κάθε στρώµατος, όσο αφορά το µηχανισµό τουερπυσµού στο εσωτερικό της συγκολλητικής επικάλυψης. Και σε αυτά τα διαγράµµατα η µέγιστη ισοδύναµη τάση που αναπτύσσεται στην επιφανειακή επικάλυψη είναι ίση µε τηνκρίσιµη για αυτή τάση ερπυσµού. Όπως φαίνεται και από τα διαγράµµατα, όσο αυξάνεται το πάχος της ενδιάµεσης επικάλυψης δεν παρουσιάζεται σχεδόν καµιά διαφορά στις µέγιστες αναπτυσσόµενες τάσεις στο εσωτερικό της. Έτσι εάν το πάχος της επιφανειακής επικάλυψης είναι µεγαλύτερο από κάποιο κρίσιµο, είναι βέβαιο ότι ο συνδυασµός αυτός πρόκειται να λειτουργήσει µε το βέλτιστο δυνατό τρόπο, χωρίς το οποιοδήποτε πρόβληµα ερπυσµού. Με την παραπάνω διαδικασία γίνεται ο προσδιορισµός της επίδρασης που έχει ο µηχανισµός του ερπυσµού, στις επικαλύψεις που παράγονται µε την µέθοδο του θερµικού ψεκασµού µε ενδιάµεση συγκολλητική στοιβάδα. Με τον ίδιο τρόπο µπορεί να εξετασθεί η οποιαδήποτε πολυστρωµατική επικάλυψη, έχονταςωςγνωστάτιςµηχανικές ιδιότητες και τη συµπεριφορά σε ερπυσµό του κάθε µεµονωµένου τύπου επικάλυψης. Μεσκοπότοβέλτιστοσχεδιασµό αυτών των πολυστρωµατικών επικαλύψεων, προσδιορίζεται η επίδραση που έχει κάθε ξεχωριστό στρώµα στη συµπεριφορά σε ερπυσµό του συνδυασµού της, µέσω αναλυτικών και πειραµατικών µεθοδολογιών. Με αυτό τον τρόπο προτείνεται το βέλτιστο πάχος της κάθε στοιβάδας, έτσι ώστε να αποφεύγονται τα ανεπιθύµητα προβλήµατα που µπορεί να προκληθούν λόγω της επίδρασης του φαινοµένου του ερπυσµού. -93-

106 9. ηµιουργία βάσης δεδοµένων των µηχανικών ιδιοτήτων των εξεταζόµενων θερµικών επικαλύψεων 9. ηµιουργία βάσης δεδοµένων των µηχανικών ιδιοτήτων των εξεταζόµενων θερµικών επικαλύψεων, για την αποφυγή του ερπυσµού κατά την λειτουργία τους Στην σηµερινή κοινωνία της πληροφορίας και της επεξεργασίας των διαφόρων πληροφοριών µέσω των πληροφοριακών συστηµάτων, είναι επιτακτική η ανάγκη για την όσο το δυνατό καλύτερη καταγραφή και εκµετάλλευση όλων των αποτελεσµάτων που προκύπτουν µέσα από συστηµατικές διαδικασίες. Πέρα από αυτό και σε όλα τα επίπεδα συλλογής πληροφοριών, υπάρχει µια κρίσιµη µάζα δεδοµένων όπου είναι ικανή να δώσει κατευθύνσεις για την επίλυση διαφόρων νέων προβληµάτων που µπορεί να προκύψουν. Μετά την εκτέλεση µιας σειράς πειραµάτων και την αξιολόγηση των αποτελεσµάτων που προκύπτουν µέσα από αυτή την διαδικασία, είναιαπαραίτητηηδηµιουργία βάσης δεδοµένων όπου καταγράφονται όλα τα πειραµατικά αποτελέσµατα, µε τέτοιο τρόπο έτσι ώστε να µπορεί να γίνεται άµεσα η χρησιµοποίηση τους, αλλά και η επεξεργασία τους µε σκοπό την πρόβλεψη και επίλυση διαφόρων προβληµάτων. Έτσι µετά την εκτέλεση όλων των πειραµατικών διαδικασιών και την εκπόνηση πειραµατικών και αναλυτικών αποτελεσµάτων, όσο αφορά τις τεχνολογικές και µηχανικές ιδιότητες των επικαλύψεων που παράγονται µε την µέθοδο του θερµικού ψεκασµού, δηµιουργήθηκε µια πλήρης βάση δεδοµένων. Για την δηµιουργία αυτής της βάσης δεδοµένων χρησιµοποιήθηκε γνωστό υπολογιστικό πακέτο, το οποίο έχει πολύ µεγάλες δυνατότητες στο τοµέα της επεξεργασίας πληροφοριών και δεδοµένων. Αυτή η βάση δεδοµένων έχει σαν σκοπό την πλήρη καταγραφή µε συστηµατικό τρόπο, όλων των πειραµατικών και αναλυτικών αποτελεσµάτων που προέκυψαν µέσααπότιςδιάφορεςπειραµατικές διαδικασίες, έτσι ώστε να µπορεί να γίνει η περαιτέρω αξιοποίηση τους. Μέσω αυτού του υπολογιστικού προγράµµατος µπορεί να γίνει η βέλτιστη επιλογή του τύπου της επικάλυψης σε συγκεκριµένη εφαρµογή, που µπορεί να λειτουργήσει χωρίς την εµφάνιση του φαινοµένου του ερπυσµού. Φυσικά προϋπόθεση για να γίνει αυτό, είναι η γνώση όλων των συνθηκών λειτουργίας της εφαρµοζόµενης επικάλυψης. Πέρα από την καταγραφή και επεξεργασία των πειραµατικών αναλυτικών αποτελεσµάτων των εξετασθέντων επικαλύψεων, αυτήηβάσηδεδοµένων έχει την δυνατότητα ενσωµάτωσης νέων πειραµατικών αποτελεσµάτων µε εύκολο και γρήγορο τρόπο. Μπορεί να ενηµερώνεται µε νέα στοιχεία, όσο αφορά νέους τύπους εξεταζόµενων θερµικών επικαλύψεων. Μετά την εκτέλεση -94-

107 9. ηµιουργία βάσης δεδοµένων των µηχανικών ιδιοτήτων των εξεταζόµενων θερµικών επικαλύψεων όλων των πειραµατικών διαδικασιών εύρεσης των µηχανικών ιδιοτήτων, µέσω των διαφόρων συσκευών και του δοκιµαστηρίου κρούσης, τα αποτελέσµατααυτάεισάγονταιστοπρόγραµµα και έτσι εµπλουτίζεται η βάση δεδοµένων µε νέα στοιχεία. Ο αριθµός των πειραµατικών αναλυτικών αποτελεσµάτων διαφορετικών τύπων θερµικών επικαλύψεων που µπορεί να δεχθεί το πρόγραµµα είναι απεριόριστος. Σχήµα 9.1: Γενικά στοιχεία της επικάλυψης και του υποστρώµατος. Στο σχήµα 9.1 παρουσιάζεται το πρώτο παράθυρο του υπολογιστικού προγράµµατος της βάσης δεδοµένων, όπου εµφανίζονται οι κύριες µηχανικές και τεχνολογικές ιδιότητες µιας εκ των εξετασθέντων θερµικών επικαλύψεων, καθώςεπίσηςκαιτουυποστρώµατος στο οποίο έχει εναποτεθεί. Μέσω αυτού του παραθύρου γίνονται γνωστά όλα τα κύρια στοιχεία του κάθε εξεταζόµενου τύπου θερµικής επικάλυψης. Είναι µια πρώτη ένδειξη για την ποιότητα της επικάλυψης όσο αφορά τις ίδιες τις µηχανικές και τεχνολογικές της ιδιότητες, όπως έχουν -95-

108 9. ηµιουργία βάσης δεδοµένων των µηχανικών ιδιοτήτων των εξεταζόµενων θερµικών επικαλύψεων προσδιορισθεί µέσω των πειραµατικών αναλυτικών διαδικασιών που εξελίχθηκαν στην παρούσα διατριβή. Ένα άλλο σηµαντικό στοιχείο που φαίνεται είναι ο τρόπος παραγωγής του κάθε διαφορετικού τύπου της επικάλυψης. Φυσικά ένα βασικό στοιχείο που δεν φαίνεται σε αυτό το παράθυρο και που είναι πολύ σηµαντικό για την αποτελεσµατική λειτουργία της επικάλυψης, είναι η δυνατότητα ανάπτυξης ισχυρών δεσµών συνάφειας της επικάλυψης µε τουπόστρωµα. Για να γίνει αυτό πρέπει να εκτελεστεί µια τεράστια γκάµα πειραµάτων, µε όλους τους δυνατούς συνδυασµούς διαφορετικών τύπων επικαλύψεων εναποτεθειµένα σε διαφορετικά υλικά υποστρωµάτων, που θα έχουν σαν αποτέλεσµα την καταγραφή της συµπεριφοράς αυτών των συνδυασµών όσο αφορά την συναφειακή τους ικανότητα. Αυτό όµως για να γίνει χρειάζεται αρκετό χρόνο και προετοιµασία, αφού οι συνδυασµοί επικάλυψης υποστρώµατος που µπορούν να επιτευχθούν µέσω του θερµικού ψεκασµού είναι πάρα πολλοί. Στην περίπτωση των θερµικών επικαλύψεων που εξετάζονται στη παρούσα διατριβή όλοι οι συνδυασµοί επικάλυψης υποστρώµατος παρουσίασαν εξαιρετικά καλή συγκολλητότητα και ισχυρούς δεσµούς συνάφειας. Όπως διαπιστώνεται µέσα από την διερεύνηση αυτών των συνδυασµών θερµικών επικαλύψεων υποστρωµάτων, στην περίπτωση της σωστής προετοιµασίας του υποστρώµατος µέσω της µεθόδου της µικροκοκκοβολής, οι δεσµοί συνάφειας που αναπτύσσονται στην διεπιφάνεια είναι πολύ ισχυροί, χωρίς να παρουσιάζουν κανένα πρόβληµα αποκόλλησης της επικάλυψης µε το υπόστρωµα. Το πρώτο παράθυρο έχει την δυνατότητα εκτύπωσης, έτσι ώστε να λαµβάνονται όλα αυτά τα δεδοµένα για τον κάθε διαφορετικό τύπο επικάλυψης και υποστρώµατος. Στην συνέχεια πατώντας το εικονίδιο Edit Experimental Data, εµφανίζεται το δεύτερο παράθυρο το οποίο φαίνεται στο σχήµα 9.2, όπου εµφανίζονται όλα τα πειραµατικά αποτελέσµατα, όπως προέκυψαν από την πειραµατική διαδικασία µέσω του δοκιµαστηρίου κρούσης (impact tester). Η πειραµατική διαδικασία από την οποία λαµβάνονται αυτά τα αποτελέσµατα περιγράφεται αναλυτικά και µε σαφή τρόπο στα προηγούµενα κεφάλαια. Αυτό ο πίνακας αναφέρεται σε ένα συγκεκριµένοτύποθερµικής επικάλυψης. Επίσης έχει την δυνατότητα εισαγωγής και αποθήκευσης νέων πειραµατικών αποτελεσµάτων για νέους τύπους εξεταζόµενων θερµικών επικαλύψεων. Αυτό που πρέπει να τηρείται κατά τη δοκιµασία µέσω του δοκιµαστηρίου κρούσης, έτσι ώστε το πρόγραµµα να δώσει αξιόπιστα αποτελέσµατα, είναι οαριθµός των διαφορετικών δυνάµεων κρούσης. Το πρόγραµµα για να λειτουργήσει σωστά, πρέπει η πειραµατική διαδικασία σε κάθε διαφορετικό τύπο επικάλυψης να περιλαµβάνει τέσσερα διαφορετικά κρουστικά φορτία. -96-

109 9. ηµιουργία βάσης δεδοµένων των µηχανικών ιδιοτήτων των εξεταζόµενων θερµικών επικαλύψεων Σχήµα 9.2: Πειραµατικά αποτελέσµατα της επικάλυψης µέσω του δοκιµαστηρίου κρούσης. Στη συνέχεια ενεργοποιώντας το εικονίδιο Experimental Curves, εµφανίζεται το τρίτο παράθυρο το οποίο κάνει την επεξεργασία των προηγούµενων αποτελεσµάτων για την δηµιουργία πειραµατικών διαγραµµάτων. Στο πάνω αριστερό µέρος του σχήµατος 9.3, παρουσιάζονται όλα τα κύρια στοιχεία του τύπου της επικάλυψης που έχει επιλεγεί. Στο πάνω δεξί µέρος, φαίνεται το µέγιστο βάθος των κρατήρων σε σχέση µε τον πραγµατικό χρόνο φόρτισης τους για διαφορετικό δυναµικό φορτίο. Στο κάτω αριστερό και δεξί µέρος του σχήµατος παρουσιάζονται οι πειραµατικές καµπύλες της ακτίνας του κύκλου του κρατήρα και της µέγιστης αναπτυσσόµενης πίεσης, σε σχέση µε τον πραγµατικό χρόνο φόρτισης σε διαφορετικά φορτία. Αυτές οι πειραµατικές καµπύλες είναι πολύ σηµαντικές, αφού δίνουν µια πρώτη ένδειξη για τον τρόπο µε τον οποίο αναπτύσσεται το φαινόµενο του ερπυσµού στο εσωτερικό των επικαλύψεων. -97-

110 9. ηµιουργία βάσης δεδοµένων των µηχανικών ιδιοτήτων των εξεταζόµενων θερµικών επικαλύψεων Σχήµα 9.3: Πειραµατικές καµπύλες του µέγιστου βάθους διείσδυσης, της ακτίνας του κύκλου του αποτυπώµατος και της µέγιστης αναπτυσσόµενης πίεσης προς το πραγµατικό χρόνο φόρτισης. Μέσω αυτών των πειραµατικών αποτελεσµάτων και κατάλληλης αναλυτικής µεθοδολογίας µε την χρήση των πεπερασµένων στοιχείων, η οποία περιγράφεται σε προηγούµενο κεφάλαιο, γίνεται ο προσδιορισµός του τρόπου µε τον οποίο αναπτύσσεται το φαινόµενο του ερπυσµού στην συγκεκριµένη επικάλυψη. Έτσι ενεργοποιώντας το εικονίδιο Creep Curves εµφανίζονται οι καµπύλες τάσης παραµόρφωσης της επικάλυψης για διαφορετικούς πραγµατικούς χρόνους λειτουργίας της, όπως φαίνεται στο σχήµα 9.4. Μέσα από αυτές τις καµπύλες φαίνεται η επίδραση που έχει το φαινόµενο του ερπυσµού στην ελαστοπλαστική συµπεριφορά της επικάλυψης. -98-

111 9. ηµιουργία βάσης δεδοµένων των µηχανικών ιδιοτήτων των εξεταζόµενων θερµικών επικαλύψεων Σχήµα 9.4: Καµπύλες τάσης παραµόρφωσης για διαφορετικούς χρόνους φόρτισης. Αυτές οι καµπύλες τάσης παραµόρφωσης στη διάρκεια του χρόνου, είναι άµεσα συνδεδεµένες µε τιςεπόµενες καµπύλες που εµφανίζονται στο επόµενο παράθυρο του σχήµατος 9.5, αφού πρώτα ο χρήστης ενεργοποιήσει το εικονίδιο Total Strain Loading Time Curve. Αυτές οι καµπύλες οι οποίες κατασκευάζονται µε την βοήθεια των προηγούµενων διαγραµµάτων, εκφράζουν το µέγεθος της παραµόρφωσης που εµφανίζεται στο εσωτερικό της επικάλυψης, στην διάρκεια πραγµατικής τους φόρτισης και στην περίπτωση που η εντατική κατάσταση στο εσωτερικό της παραµένει σταθερή. ηλαδή αυτά τα διαγράµµατα δίνουν την παραµορφωσιµότητα της επικάλυψης, κατά την διάρκεια σταθερής φόρτισης και καθώς αυξάνεται ο χρόνος λειτουργίας τους. -99-

112 9. ηµιουργία βάσης δεδοµένων των µηχανικών ιδιοτήτων των εξεταζόµενων θερµικών επικαλύψεων Σχήµα 9.5: Καµπύλες παραµόρφωσης προς πραγµατικό χρόνο λειτουργίας για σταθερή ισοδύναµη τάση. Το πιο βασικό και κρίσιµο διάγραµµα που δίνει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για την συµπεριφορά της επικάλυψης, όσο αφορά τον τρόπο ανάπτυξης του φαινοµένου του ερπυσµού κατά την λειτουργία της, παρουσιάζεται στο σχήµα 9.6. Η ενεργοποίηση του παραθύρου αυτού γίνεται µέσω του εικονιδίου Total Strain Rate Equivalent Stress Curve. Αυτό το διάγραµµα προκύπτει µέσα από τα προηγούµενα διαγράµµατα της παραµόρφωσης προς την διάρκεια φόρτισης της επικάλυψης και εκφράζει την ταχύτητα παραµόρφωσης σε σχέση µε την αναπτυσσόµενη ισοδύναµη τάση. Όπως έχει επεξηγηθεί σε προηγούµενο κεφάλαιο, για κάθε επικάλυψη η χαρακτηριστική αυτή καµπύλη είναι διαφορετική. Η πιο ουσιαστική πληροφορία που λαµβάνεται µέσα από αυτού του είδους τα διαγράµµατα, είναι το µέγεθος της µέγιστης ισοδύναµης τάσης, όπου η επικάλυψη -100-

113 9. ηµιουργία βάσης δεδοµένων των µηχανικών ιδιοτήτων των εξεταζόµενων θερµικών επικαλύψεων µπορεί να λειτουργεί χωρίς την εµφάνιση του ερπυσµού στο εσωτερικό της. Αν κατά την λειτουργία της επικάλυψης, αναπτυχθούν τάσεις µεγαλύτερες από αυτή τη κρίσιµη, τότε ενεργοποιείται το φαινόµενο του ερπυσµού µε αποτέλεσµα τη δηµιουργία διαφόρων προβληµάτων που µπορούν να οδηγήσουν ακόµη και στην τελική αστοχία της. Σχήµα 9.6: Καµπύλη ερπυσµού (ταχύτητα παραµόρφωση προς ισοδύναµη τάση) της εξεταζόµενης επικάλυψης. Όπως φαίνεται και από το διάγραµµα όσο αυξάνεται το µέγεθος της αναπτυσσόµενης ισοδύναµης τάσης, τόσο αυξάνεται και η ταχύτητα του ερπυσµού στο εσωτερικό της δοµής της επικάλυψης. Μέσω αυτών των καµπυλών µπορεί να γίνει η βέλτιστη επιλογή για τον τύπο της επικάλυψης, η οποία θα χρησιµοποιηθεί ως προστατευτικό στρώµα στα διάφορα στοιχεία µηχανών, µε σκοπό την αύξηση της απόδοσης και την λειτουργικότητας τους, χωρίς κανένα πρόβληµα εµφάνισης ερπυσµού στο εσωτερικό της

114 10. Σύνοψη και συµπεράσµατα 10. Σύνοψη και συµπεράσµατα Ηχρήσητωνλεπτώνεπιφανειακώνστοιβάδωνστηνεπιφάνειατουβασικούυλικού, έχει πλέον γίνει µια συνηθισµένη πρακτική για την προστασία του, από δυναµικά ή στατικά φορτία, την διάβρωση, την οξείδωση και την αντοχή σε υψηλή θερµοκρασία. Με αυτό τον τρόπο τα διάφορα στοιχεία µηχανών που χρησιµοποιούν αυτές τις επικαλύψεις, παρουσιάζουν καλύτερη συµπεριφορά µε βελτιωµένες µηχανικές ιδιότητες. Τελικό αποτέλεσµα είναι η αύξηση της διάρκεια ζωής τους αλλά και της λειτουργικότητα τους. Οι επικαλύψεις που παράγονται µε τη µέθοδο του θερµικού ψεκασµού, µπορούν να αυξήσουν τόσο την απόδοση των διαφόρων εξαρτηµάτων όσο και την διάρκεια ζωής τους όταν δουλεύουν σε αντίξοα δυναµικά, στατικά, θερµικά ή άλλα περιβάλλοντα. Γιαναγίνειαυτόµε αποτελεσµατικό τρόπο, πρέπει οι ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά του κάθε διαφορετικού τύπου επικάλυψης να είναι γνωστά, έτσι ώστε να χρησιµοποιούνται σύµφωνα µε τις δυνατότητες τους. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής και µέσα από τη συστηµατική και πολύχρονη ερευνητική δραστηριότητα, έγινε η ανάλυση και η αξιολόγηση των επικαλύψεων που παράγονται µε τηνµέθοδο του θερµικού ψεκασµού. Η συνεισφορά αυτής της εργασίας στην επίτευξη του παραπάνω στόχου, συνίσταται από τα ακόλουθα κεφάλαια: Εξέλιξη ενός ολοκληρωµένου πακέτου για την εύρεση των τεχνολογικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων που παράγονται µε τηνµέθοδο του θερµικού ψεκασµού. Το στάδιο αυτής της διαδικασίας συνιστά στην οπτική και µικροφασµατική ανάλυση (EDX analysis), µέσω του ηλεκτρονικού σαρωτικού µικροσκοπίου (SEM), των υπό εξέταση δοκιµίων για την διαπίστωση της γνησιότητας των στοιχείων που την αποτελούν, αλλά και την καθαρότητα της. Προσδιορισµός των µηχανικών τους ιδιοτήτων, όπως είναι η σκληρότητα τους µέσω γνωστών µεθοδολογιών. Για το µέτρο ελαστικότητας τους, το όριο διαρροής και του νόµου κράτυνσης, τόσο των θερµικών επικαλύψεων όσο και των υποστρωµάτων τους, αναπτύχθηκε ειδική πειραµατικοαναλυτική µεθοδολογία. Η µέθοδος αυτή βασίζεται σε δοκιµασία µικροσκληροµέτρησης µέσω διαφόρων διαµέτρων ελαστικών χαλύβδινων σφαιρών και στην αντίστοιχη προσοµοίωση της µε την χρήση της µεθόδου των πεπερασµένων στοιχείων. Για τον προσδιορισµό τωνµηχανικών ιδιοτήτων των εξεταζόµενων επικαλύψεων και των υποστρωµάτων τους, αλλά και για διερεύνηση των επικαλύψεων αυτών σε στατικό -102-

115 10. Σύνοψη και συµπεράσµατα ερπυσµό, κατασκευάστηκε ειδική αυτόµατη πειραµατική διάταξη, η οποία και χρησιµοποιήθηκε στην διεξαγωγή και καταγραφή των διαφόρων µετρήσεων. Αυτά τα πειραµατικά αποτελέσµατα χρησιµοποιήθηκαν ως δεδοµένα σε προσοµοιωτικά µαθηµατικά µοντέλα, για τον προσδιορισµό τωνµηχανικών τους ιδιοτήτων και της συµπεριφοράς τους σε ερπυσµό. Πειραµατική διερεύνηση της συµπεριφοράς σε δυναµικό και στατικό ερπυσµό, µέσω του δοκιµαστηρίου επαναλαµβανόµενης κρούσης και του στατικού δοκιµαστηρίου. Για την καταγραφή των πειραµατικών αποτελεσµάτων έγινε η χρήση σαρωτικού ηλεκτρονικού µικροσκοπίου (SEM) και ειδικού προφιλοµέτρου, έτσι ώστε να αποτυπώνεται η ακριβής γεωµετρική µορφή των πειραµατικών αποτυπωµάτων. Αναλυτική αξιολόγηση των πειραµατικών αποτελεσµάτων που προέκυψαν κατά τη στατική και δυναµική πειραµατική διαδικασία, µέσω ειδικά εξελιγµένου αλγόριθµου µε την χρήση της µεθόδου των πεπερασµένων στοιχείων (FEM). Με αυτό το τρόπο προσδιορίζεται η εξέλιξη της συµπεριφοράς σε ερπυσµό των επικαλύψεων που παράγονται µε µέθοδο του θερµικού ψεκασµού, κάτω από δυναµικά και στατικά εντατικά πεδία. Πειραµατική και αναλυτική διερεύνηση της εξέλιξης του µηχανισµού του ερπυσµού σε πολυστρωµατικές θερµικές επικαλύψεις κατά την φόρτιση τους µε δυναµικά και στατικά φορτία, µέσω των προαναφερόµενων πειραµατικών διατάξεων. Η βέλτιστη επιλογή του πάχους των µεµονωµένων στοιβάδων οδηγεί στην αποφυγή του ερπυσµού κατά την λειτουργία των πολυστρωµατικών επικαλύψεων. Τέλος δηµιουργήθηκε µια βάση δεδοµένων, όπου καταγράφονται όλα τα στοιχεία των µηχανικών ιδιοτήτων των εξετασθέντων επικαλύψεων. Μέσω αυτής της βάσης δεδοµένων µπορεί να γίνει η σωστή επιλογή των τεχνικών χαρακτηριστικών της επικάλυψης, που θα χρησιµοποιηθεί στα διάφορα στοιχεία µηχανών, χωρίς να υπάρχει πρόβληµα ανάπτυξης του φαινοµένου του ερπυσµού στο εσωτερικό τους κατά την λειτουργία τους. Σύµφωνα µε τις παραπάνω πειραµατικές και αναλυτικές µεθοδολογίες µπορούν να προσδιοριστούν όλες οι µηχανικές και τεχνολογικές ιδιότητες του κάθε εξεταζόµενου τύπου επικάλυψης που παράγεται µε τηνµέθοδο του θερµικού ψεκασµού. Επίσης η εφαρµογή των παραπάνω µεθοδολογιών επιτρέπουν τον ποιοτικό χαρακτηρισµό όχι µόνο των µονοστρωµατικών επικαλύψεων, αλλά και κάθε διαφορετικού συνδυασµού πολυστρωµατικής επικάλυψης

116 11. Βιβλιογραφία 11. Βιβλιογραφία 1. L. I. Maissel, et. al., 1970, Handbook of thin film technology, McGraw-Hill. 2. K. N. Strafford, et. al., 1984, Coatings and surface treatment for corrosion and wear resistant, Ellis Horwood Ltd. 3. Ρ. Γραικούση, Στοιχεία Μηχανών Α -Β, 1983, Εκδόσεις Γιαχούδη Γιαπούλη, Θεσσαλονίκη. 4. J. C. Bravman, et. al., Thin films: Stresses and mechanical properties, Material Research Society, 1988, Pittburg, Pennsylvania. 5. H.-K. Toenshoff, A. Mohlfeld, C. Spengler, C. Podolsky, PVD-coated tools for metal cutting applications, 1 st int. conf. "THE Coatings" October 1999 Thessaloniki, Editors: K.D. Bouzakis H.K. Toenshoff M. Geiger, Publisher: ZITI Thessaloniki, (1999), F. Klocke, Coated Tools for Metal Cutting Features and Applications, Annals of the CIRP, 48, (1999), K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, N. Vidakis, K. Efstathiou, T. Leyendecker, G. Erkens, R. Wenke, G. Fuss, Optimization of the cutting edge radius of PVD coated inserts in milling considering film fatigue failure mechanisms, Surface and Coatings Technology, 133/134, (2000), K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, S. Hadjiyiannis, E. Pavlidou, G. Erkens, An effective way to improve the cutting performance of coated tools through annealing, accepted for oral presentation in ICMCTF 2001, April 30 - May in San Diego, California. 9. K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, N. Vidakis, K. Efstathiou, S. Kompogiannis, G. Erkens, Interpretation of PVD coated inserts wear phenomena in turning, Annals of the CIRP, 2000, vol. 49(1), pp Pischow, K., A., Eriksson, L., Harju, E., Korhonen, A., S., Ristolainen, E., O., The influence of titanium interlayers on the adhesion of PVD TiN coatings on oxidized stainless steel substrates, Surface and Coatings Technology, 1993, Vol. 58, pp

117 11. Βιβλιογραφία 11. Filiaggi, M., J., Pilliar, R., M., Mechanical testing of plasma-sprayed ceramic coatings on metal substrates: interfacial fracture toughness and tensile bond strength, Journal of Materials Science, 1991, vol. 26, pp C. Coddet, G. Montavon, S. Ayrault-Costil, O. Freneaux, F. Rigolet, G. Barbezat, F. Folio, A. Diard and P. Wazen, Surface Preparation and Thermal Spray in a Single Step: The PROTAL Process Example of Application for an Aluminum-Base Substrate, 1999, Journal of Thermal Spray Technology, vol. 8, Issue 2, pp Μ. Η. Staia,Ε. Ramos, Α. Carrasquero, A. Roman, J Lesage, D. Chicot, G. Mesmacque, Effect of substrate roughness induced by grit blasting upon adhesion of WC-17% Co thermal sprayed coatings, Thin Solid Films, 2000, vol , pp Shigeyasu, H. Tohru, Influence of grit blasting pre-treatment on the adhesion strength of plasma sprayed coatings: fractal analysis of roughness, 1998, Surface and Coatings Technology, vol. 102, Issues 1-2, pp G. Montavon, C. Coddet, Quantification of particle morphologies in view of quality control of the thermal spray process, 1996, Materials Characterization, vol. 36, pp C. Moreau, P. Cielo, M. Lamontagne, Flattening and solidification of thermally sprayed particles, 1992, Journal of Thermal Spray Technology, vol. 1(4), pp H.D. Steffens, K. Nassenstein, Influence of the spray velocity on Arc-sprayed coating structures, 1998, Journal of Thermal Spray Technology, vol. 8(3), pp J. Moastaghimi, Modeling droplet impact in plasma spray processes, Pure & Appl. Chem., 1998, vol. 70, No 6, pp Υ. Wang, Application of ceramic thermal spray coatings for molten metal handling tools and moulds, Surface Engineering, 1999, vol. 15(3), pp S. Sampath, S. Usmani, D. L. Houck, Applications of Mo and Mo-alloys as thermal spray coatings, Molybdenum and Molybdenum Alloys; TMS Annual Meeting, 1998, pp M. Pasandideh-Fard, J. Mostaghimi, On the spreading and solidification of molten particles in a thermal spray process: Effect of the thermal contact resistance, 1996, Plasma Chemistry and Plasma Processing, vol. 16, No 1, pp R. W. Smith, Plasma Spray Processing The State of the Art and future- From a Surface to a Material Processing Technology, 2 nd Plasma-Technik-Symposium, Vol

118 11. Βιβλιογραφία 23. C.K. Lin, C. C. Berndt, Measurement and analysis of adhesion strength for thermally sprayed coatings, Journal of Thermal Spray Technology, 1994, vol. 3, Issue 1, pp S. H. Leigh, C. C. Berndt, Evaluation of off-angle thermal spray, Surface and Coatings Technology, 1997, vol. 89, pp J. Tikkanen, K. A. Gross, V. Pitkänen, J. Keskinen, C. C. Berndt, S. Raghu, J. Karthikeyan, M. Rajala, Characteristics of the liquid flame spray process, 1997, Surface and Coatings Technology, vol. 90, Issue 3, pp , 26. H. D. William, Coatings, applied by the flame spray process, 1976, SME Tech Pap Ser FC J. Sturgeon, High velocity oxyfuel spraying promises better coatings, 1992, Metals and Materials (Institute of Metals), vol. 8, Issue 10, pp , 28. O. C. Brandt, Mechanical properties of HVOF coatings, 1996, International Journal of Fatigue, vol. 18, Issue 6, pp L. Hernández, F. Oliveira, J. A. Berríos, C. Villalobos, A. Pertuz, E. S. Puchi Cabrera, Fatigue properties of a 4340 steel coated with a Colmonoy 88 deposit applied by high-velocity oxygen fuel, 2000, Surface and Coatings Technology, vol , pp D. Lescribaa, A. Vincent, Ultrasonic characterization of plasma-sprayed coatings, 1996, Surface and Coatings Technology, vol. 81, pp J. S. Wallace, J. Llavsky, Elastic modulus measurement in plasma sprayed Cr 3 C 2 - NiCr, WC-Co and Cr 2 O 3 coatings, 1998, Journal of Thermal Spray Technology, vol 7(4), pp M. Factor, I. Roman, Vickers microindentation of WC-12%Co thermal spray coatings, Part 1: Statistical analysis of microhardness data, 2000, vol. 132, pp Α. Τζαβάρας, Ηδοµή και η ιδιότητες των υλικών, τόµος ΙΙΙ, Μηχανικές ιδιότητες, Εκδόσεις Γιαχούδη Γιαπούλη, 1981, Θεσσαλονίκη. 34. D. Tabor, The hardness of metals, 1951, Clarendon press, Oxford. 35. B. Joensson, S. Hogmark, Hardness measurements of thin films, Thin Solid Films, 1984, vol. 114, pp R. Bigot, Hardness of coatings, Surface and Coatings Technology, 1996, vol. 80, pp

119 11. Βιβλιογραφία 37. V. M. Rosario, M. C. Chaturvedi, G. J. Kipouros, W. F. Caley, Development of a thermal barrier material using combustion synthesis, Materials Science and Engineering, 1999, Vol. A270, pp Lost, R. Bigot, Hardness of coatings, Surface and Coatings Technology, 1996, vol. 80, pp Θ. Κερµανίδης, Αντοχή υλικών, Αφοι Κυριακίδη, 1990, Θεσσαλονίκη. 40. O. C. Zienkiwicz, Stress analysis, John Willey, 1965, London. 41. K. L. Jonson, 1985, Contact Mechanism, Cambridge University Press, London. 42. A. Sackfield, D. A. Hills, D. Nowell, The Stress Field Induced by a General Elliptical Hertzian Contact, Journal of Tribology, 1993, Vol., 115: Tangena, A., G., Wijnhoven, P., J., M., 1986, The correlation between mechanical stresses and wear in a layered system, 11 th Meeting of the International Research Group on Wear of Engineering Materials IRG-OECD, Uppsala, Sweden, April 28-30, Verein Deutcher Ingenieure, 1991, VDI J. Sekler, P. A. Steinmann, H. E. Hintermann, The Scratch Test: Different Critical Load Determination Techniques, Surface and Coatings Technology, 1998, Vol., 36: M. V. Swain, M. Wittling, Comparison of acoustic emission from pointed and spherical indentation of TiN films on silicon and sapphire, Surface and Coatings Technology, 1995, Vol., 76-77: B. Wei, K. Komvopoulos, Nanoscale Indentation Hardness and Wear Characterization of Hydrogenated Carbon Thin Films, Journal of Tribology, 1995, Vol., 117: L. Cheng, L. Ping, Z. Zhenbo, O. N. Derek, Room temperature creep of a high strength steel, 2001, Materials and Design, vol. 22, pp M. P. Taylor, H. E. Evans, C. B. Ponton, J. R. Nicholls, A method for evaluating the creep properties of overlay coatings, 2000, Surface and Coatings Technology, vol. 124, Issue 1, pp S. J. Bull, The effect of creep on the residual stress in vapour-deposited thin films, Surface and Coatings Technology, 1998, vol. 107, Issues 2-3, pp

120 11. Βιβλιογραφία 51. Ν. Βλασίου, 2001, Σχεδιοµελέτη και κατασκευή πνευµατικού πειραµατικού δοκιµαστηρίου µε δυνατότητα εξάσκησης κάθετης εφελκυστικής και θλιπτικής δύναµης, ιπλωµατική εργασία ΕΕ Μ 1/2001, Επιβ. Κ.-. Μπουζάκης, Συνεπιβ. Α. Λόντος. 52. K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, N. Michailidis, T. Leyendecker, G. Erkens, G. Fuss, Quantification of properties modification and cutting performance of (Ti 1-x Al x )N coatings at elevated temperatures, 1999, Surface and Coatings Technology, vol. 120, pp K. -D. Bouzakis, N. Michailidis, N. Vidakis and K. Efstathiou, Failure mechanisms of physically vapour deposited coated hardmetal cutting inserts in turning, 2001, Wear, vol. 248, Issues 1-2, 2001, pp K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, S. Mitsi, A. Lontos, Enhancement of machine tool spindle performance through hybrid bearings with low temperature PVD coated rings, 1 st International Conference THE Coatings, pp , October, Thessaloniki, K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, A. Lontos, S. Mitsi, K. David, Implementation of low temperature deposited coating lifetime parameters in commercial catalogues of roller bearings. International Conference ICMCTF 2000, April 10-14, San Diego, California, USA. 56. K.-D. Bouzakis, A. Michailidis, N. Vidakis, V. Bakolas, A. Siganos, A. Lontos, N. Drivakos, The influence of the substrate roughness on the stress distribution in PVD coated hybrid bearings, 1 st International Conference THE Coatings, pp , October, Thessaloniki, K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, A. Lontos, S. Mitsi, Implementation of low temperature deposited coating fatigue parameters in commercial roller bearings catalogues, The First International Tribology Conference, 8-9 November 2000, Jerusalem Israel 58. K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, K. David, N. Michailidis, A. Lontos, Thin hard coatings fatigue prediction and typical applications in cutting tools and machine elements, Proceedings of the Third International Conference for Mesomechanics, Editor G.C. Sih, Tsingua University Press Beijing , P.R. China, vol II, 2000, pp: K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, A. Lontos, S. Mitsi, K. David, Implementation of low temperature deposited coating fatigue parameters in commercial roller bearings catalogues, Surface and Coatings Technology, (2000)

121 11. Βιβλιογραφία 60. K.-. Μπουζάκης, N. Βιδάκης, Σ. Μήτση, A. Λόντος, Αύξηση της απόδοσης υψηλόστροφων ατράκτων εργαλειοµηχανών µέσω της χρήσης υβριδικών εδράνων κύλισης µε PVD επικαλύψεις χαµηλών θερµοκρασιών, Πρακτικά 5ου Συνεδρίου «Εργαλειοµηχανές Μηχανουργικές Κατεργασίες», Εκδόσεις ΖΗΤΗ, 2-3 εκεµβρίου 1999, Θεσσαλονίκη, σελ O. Knotek, B. Bosserhoff, A. Schrey, T. Leyendecker, O. Lemmer, S. Esser, Anew technique for the testing of thin films: the coating impact test, Surface and Coatings Technology, 1992, vol. 54/55, pp K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, K. David, 1999, The concept of an advanced impact tester supported by evaluation software for the fatigue strength characterization of hard layered media, Thin Solid Films 351, pp S. M. Kulkarni, G. T. Hahn, C. A. Rubin, V. Bhargava, Elasto-Plastic Finite Element Analysis of Repeated Three-Dimensional, Elliptical Rolling Contact With Rail Wheel Properties, Journal of Tribology, 1991, Vol., 113: K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, T. Leyendecker, O. Lemmer, H.-G. Fuss, G. Erkens, 1996, Determination of the fatigue behaviour of thin hard coatings using the impact test and a FEM simulation, Surface and Coatings Technology, vol , pp K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, T. Leyendecker, G. Erkens, R. Wenke, 1997, Determination of the fatigue properties of multilayer PVD coatings on various substrates, based on the impact test and its FEM simulation, Thin Solid Films , pp K.-D. Bouzakis, K. David, N. Vidakis, 1999, Prediction of the fatigue performance of coated systems through an advanced impact tester and the software supported evaluation of the experimental data, 1 st International Conference "The Coatings", CMPC2, Thessaloniki, Greece. 67. K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, D. Kallinikidis, T. Leyendecker, R. Wenke, H.-G.Fuss, 1998, Fatigue failure mechanisms of multi- and monolayer physically vapour-deposited coatings in interrupted cutting processes, Surface and Coatings Technology, vol , pp K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, A. Lontos, Implementation of coating life time prediction in commercial hybrid bearing catalogues, 3rd International Conference of Tribology Balkantrib 99, 2-4 June 1999, pp , vol. II, Sinaia Romania. 69. K.-. Μπουζάκης, Ν. Μιχαηλίδης, Α. Λόντος, Κ. αυίδ, Ν. Βιδάκης, Μέθοδος προσδιορισµού αντοχής σε κόπωση λεπτών σκληρών PVD επικαλύψεων και τυπικές εφαρµογές της σε κοπτικά εργαλεία και υβριδικά έδρανα κύλισης, -109-

122 11. Βιβλιογραφία Πρακτικά 5ου Συνεδρίου «Εργαλειοµηχανές Μηχανουργικές Κατεργασίες», Εκδόσεις ΖΗΤΗ, 2-3 εκεµβρίου 1999, Θεσσαλονίκη, σελ K.-D. Bouzakis, V. Vidakis, A. Lontos, The rolling contact fatigue performance of PVD coated systems using linear and point contact test rings, 1 st International Conference THE Coatings, pp , October, Thessaloniki, K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, A. Lontos, Study of a linear contact coating RCF test rig, 3 rd International Conference of Tribology Balkantrib 99, 2-4 June 1999, pp , vol. III, Sinaia Romania. 72. Σ. Χατζηγιάννης, 2000, Προσδιορισµός των µηχανικών ιδιοτήτων και της συµπεριφοράς σε ερπυσµό των µονοστρωµατικών επικαλύψεων που κατασκευάζονται µετην µέθοδο thermal spray, ιπλωµατική εργασία ΕΕ Μ 8/2000, Επιβ. Κ.-. Μπουζάκης, Συνεπιβ. Α. Λόντος. 73. R. Davis, et. al., Metals handbook, volume 1, Properties and selection: Irons, Steels and high performance alloys, 1989, Materials Park, OH Swanson Analysis System, INC., 1995, ANSYS user manuals. 75. C. R. Calladine, Engineering plasticity, 1970, Pergamon press 76. W. Johnson, P. B. Mellor, Plasticity for mechanical engineers, 1962, D.van Nostrad. 77. K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, G. Erkens, Thin hard coatings stress-strain curves determination through a FEM supported evaluation of nanoindentation test results, Surface and Coating Technology, 2001, vol , pp G. Dumas, C. N. Baronet, Elastoplastic indentation of a half-space by an infinitely long rigid circular cylinder, Int., J., mech., Sci., 1971, Vol., 13: K. Komvopoulos, Finite Element Analysis of a Layered Elastic Solid in Normal Contact With a Rigid Surface, Journal of Tribology, 1988, Vol., 110: W. Lin, C. H. Kuo, L. M. Keer, Analysis of a Transversely Isotropic Half Space Under Normal and Tangential Loadings, Journal of Tribology, 1991, Vol., 113: P. K. Gupta, J. A. Walowit, Contact Stresses Between an Elastic Cylinder and a Layered Elastic Solid, Journal of Lubrication Technology, 1974: K.-D. Bouzakis, A. Lontos, N. Vidakis, K. David, V. Kechagias, Determination of mechanical properties of thick coatings producted by the plasma spray method, 1 st International Conference THE Coatings, pp , October, Thessaloniki,

123 11. Βιβλιογραφία 83. K.-D. Bouzakis, A. Lontos, N. Vidakis, K. David, V. Kechagias, Determination of creep behaviour of monolayer thick plasma sprayed coatings, by means of the impact test and an analytical FEM supported evaluation procedure, Thin Solid Films, (2000) Ν. Βιδάκης, Προσδιορισµός της αντοχής σε κόπωση σκληρών λεπτών επικαλύψεων για τον υπολογισµό τηςδιάρκειαςζωήςτουςσευβριδικάέδρανα κύλισης υψηλόστροφων ατράκτων εργαλειοµηχανών, 1997, ιδακτορική διατριβή. 85. R. K. Penny, D. L. Marriott, 1995, Design For Creep, Second Edition, London. 86. H. Kraus, 1980, Creep Analysis, Hartford, Connectlcut, USA. 87. Ι. Χριστοδούλου, 2001, ιερεύνηση της συµπεριφοράς των µονοστρωµατικών επικαλύψεων που κατασκευάζονται µε τηνµέθοδο thermal spray και εύρεση των µηχανικών τους ιδιοτήτων, ιπλωµατική εργασία ΕΕ Μ 3/2001, Επιβ. Κ.-. Μπουζάκης, Συνεπιβ. Α. Λόντος. 88. Κ.-. Μπουζάκης, Ν. Βιδάκης, Περιγραφή της συµπεριφοράς σε κόπωση σκληρών λεπτών επικαλύψεων µε χρήσητηςδοκιµασίας πρόσκρουσης και της µεθόδου των πεπερασµένων στοιχείων, 1996, Πρακτικά του 4ου Συνεδρίου, παρουσίασης ερευνητικών δραστηριοτήτων του ΕΕ Μ, , σελ K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, A. Lontos, A CAE supported ball indentation method for the stress strain curves of hard materials, such as hardened and high speed steels, 6 th ICTP International Conference on Technology of Plasticity, September 19-24, Vol.III, pp , Nuremberg, Germany, Κ.-. Μπουζάκης, Ν. Βιδάκης, Γ. Γιακουµάκης, Καθορισµός της πλαστικής συµπεριφοράς σκληρών και ψαθυρών υλικών µέσω σκληροµέτρησης κατά Rockwell B και την προσοµοίωσής της µε την µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων, 1996, Πρακτικά του 4ου Συνεδρίου, παρουσίασης ερευνητικών δραστηριοτήτων του ΕΕ Μ, , σελ K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, A. Lontos, 1999, A CAE supported ball indentation method for the stress strain curves of hard materials such as hardened and high speed steels, Advance Technology of Plasticity, Proceedings of the 6 th ICTP, Nuremberg, vol. II, p K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, Superficial plastic response determination of hard isotropic materials using ball indentations and a FEM Optimization technique, Journal of Materials Characterization,1999, 42:

124 11. Βιβλιογραφία 93. J. R. Cahoon, W. H. Broughton, A. R. Kutzak, 1971, The determination of yield strength from harness measurements, Metallurgical Transaction, vol. 2: Κ.-. Μπουζάκις, Α. Λόντος, Ν. Βιδάκης, Κ. αυίδ, Β. Κεχαγιάς, Προσδιορισµός µηχανικών ιδιοτήτων επικαλύψεων κατασκευασµένων µέσω ψεκασµού πλάσµατος, 1999, Πρακτικά 5ου Συνεδρίου, Παρουσίαση Ερευνητικών ραστηριοτήτων του ΕΕ Μ, pp K.-D. Bouzakis, A. Lontos, K. David, V. Kechagias, Creep behaviour prediction and optimum design of plasma sprayed coatings with intermediate bonding layer, Surface & Coatings Technology, (2001) Lontos, V. Kechagias, Creep behaviour prediction and layer thickness optimization of multilayer plasma sprayed coatings, operating under dynamic loads, 2 nd International Conference THE Coatings in Manufacturing Engineering, Hannover, May 9-10, 2001, pp C1-1 C K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, G. Erkens, Thin hard coatings stress-strain curves determination through FEM supported evaluation of nanoindentation test results, Surface and Coatings Technology, 2001, , p K.-D. Bouzakis, A. Lontos, N. Michailidis, O. Knotek, E. Lugscheider, K. Bobzin, A. Etzkorn, Μechanical investigations on electron beam-physical vapor depositionthermal barrier coatings (EB-PVD-TBCs) by means of nanoindentation and impact testing, Ιn Press in the International Conference on Metallurgical Coating and Thin Films, ICMCTF 2002, San Diego, S.M. Lane, S.B. Biner, O. Buck, Room temperature fracture and high temperature creep, Materials Science and Engineering, 1998, vol. A246, pp T. Chudoba, F. Richter, Investigation of creep behaviour under load during indentation experiments and its influence on hardness and modulus results, Surface and Coatings Technology, 2001, vol. 148, pp Sheng-Hui Wang, Weixing Chen, Room temperature creep deformation and its effect on yielding behaviour of a line pipe steel with discontinuous yielding, Materials Science and Engineering, 2001, vol. A301, pp Β. Α. Σωτηρόπουλος, Συσκευές διεργασιών, εξαµενές οχεία Πίεσης, 1981, Εκδόσεις Γιαχούδη-Γιαπούλη Yang-Tse Cheng, Che-Min Cheng, What is indentation hardness?, Surface and Coatings Technology, 2000, vol , pp

125 11. Βιβλιογραφία 104. A. Shigeyasu, H. Tohru, Influence of grit blasting pre-treatment on the adhesion strength of plasma sprayed coatings: fractal analysis of roughness, Surface and Coatings Technology, 1998, Vol. 102, pp T. Chudoba, N. Schwarzer, F. Richter, Determination of elastic properties of thin films by indentation measurements with a spherical indenter, 2000, Surface and Coatings Technology, Vol. 127, pp K.C. Tang, R. D. Arnell, Determination of coating mechanical properties using spherical indenters, 1999, Thin Solid Films, Vol , pp T. Chudoba, N. Schwarzer, F. Richter, U. Beck, Determination of mechanical film properties of a bilayer system due to elastic indentation measurements with a spherical indenter, 2000, Thin Solid Films, Vol , pp A.C. Fischer-Cripps, A review of analysis methods for sub-micron, indentation testing, 2000, Vacuum, Vol. 58, pp N. Schwarzer, T. Chudoba, D. Billep, F. Richter, Investigation of coating substrate compounds using inclined spherical indentation, 1999, Surface and Coatings Technology, Vol , pp T. Chudoba, N. Schwarzer, F. Richter, New possibilities of mechanical surface characterization with spherical indenters by comparison of experimental and theoretical results, 1999, Thin Solid Films, Vol , pp V. Sagar Dwivedi, B. K. Jha, Characterization of a precrept modified 9Cr 1Mo steel through room temperature tensile and strain rate change tests, 2001, Materials Science and Engineering, Vol. A301, pp S. C. Deevi, R. W. Swindeman, Yielding, hardening and creep behavior of iron aluminides, Materials Science and Engineering, 1998, Vol. A258, pp S. M. Lane, S. B. Biner, O. Buck, Room temperature fracture and high temperature creep characteristics of 20 vol.% Nb particulate reinforced alumina, 1998, Materials Science and Engineering, Vol. A246, pp Sheng-Hui Wang, Weixing Chen, A study on the pre-cyclic-load-induced burst of creep deformation of a pipeline steel under subsequent static load, 2002, Materials Science and Engineering, Vol. A325, pp Nordic Road and Transport Research, Rutting and weathering characteristics of Danish asphalt pavements, 2000, Danish Road Directorate, No

126 11. Βιβλιογραφία 116. D. J. Xie, A new experimental method to evaluate creep fatigue life of flip-chip solder joints with underfill, 2000, Microelectronics Reliability, Vol. 40, pp Q. C. Jiang, J. R. Fang, Q. F. Guan, Thermomechanical fatigue behavior of Cr-Ni-Mo cast hot work die steel, 2001, Vol. 45, pp Y. Zhi, W. Zhirui, Effect of prestrain on cyclic creep behaviour of a high strength spring steel, 1996, Materials Science and Engineering, Vol. A210, pp C. E. Jaske, S.C. Deevi, S. S. Shademan, Fatigue and cyclic deformation behavior of iron aluminide, 1998, Materials Science and Engineering, Vol. A258, pp L. Kunz, P. Lukas, Cyclic stress-strain behavior of 9Cr1Mo steel at positive mean stress, 2001, Materials Science and Engineering, Vol. A , pp

127 ARISTOTELES UNIVERSITY OF THESSALONIKI (A.U.TH.) MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT LABORATORY FOR MACHINE TOOLS AND MANUFACTURING ENGINEERING ANTONIOS EYG. LONTOS Diplomatouchos Mechanicos (Α.U.TH.) DETERMINATION OF THE MECHANICAL AND CREEP BEHAVIOUR OF MONO AND MULTI LAYER THICK THERMAL SPRAYED COATINGS, OPERATING UNDER DYNAMIC OR STATIC LOADS DOCTORAL DISSERTATION Extended summary Submitted to the Mechanical Engineering Department of the Aristoteles University of Thessaloniki (A.U.T.H.) THESSALONIKI, 26 FEBRUARY 2002

128

129 Extended summary in English DETERMINATION OF THE MECHANICAL AND CREEP BEHAVIOUR OF MONO AND MULTI LAYER THICK THERMAL SPRAYED COATINGS, OPERATING UNDER DYNAMIC OR STATIC LOADS Doctoral Thesis of Diplomatouchos Mechanicos A. Lontos, Extended summary in English ABSTRACT The material surface enhancement that is being used in tribosystems, with the aid of the plasma spray method, is nowadays a well-known practice. This flexible and relatively economically efficient method enables improved properties for machine elements that are designed for demanding purposes. Hereby the plasma and flame spray method is widely used for new parts as well as for repair aims to produce mono or multilayer coatings in a wide variation of mechanical properties. The deposition strategy and the applied conditions are responsible for the occurring properties of such coating types, as for instance for their porosity. This property might induce creep phenomena during the operation of the coated machine elements according the acting loads. In the present work investigations of the dynamic and static creep mechanism at low temperatures and under various loads of various plasma spray deposited coatings, by means of the impact tester, the static tester and a FEM supported method are described. These established analytical and experimental tools offer the ensemble of the coatings bulk mechanical, creep properties and may be used to characterize quantitatively the quality of such coatings and their loading limitations. In addition to this, multilayer coatings consisting of an intermediate bonding layer and a superficial one with different material specifications, both produced by the plasma spray method, were investigated regarding their creep behaviour with the aid of experimental and analytical procedures. Considering the mechanical and creep properties of the individual coating layers, through a FEM supported simulation of the material deformation during the impact test, the creep behaviour of the entire structure of two-layer coatings is determined. In this way the thickness of the individual coating layers to avoid creep can be optimized improving herewith the overall coating performance under load. 1. Introduction The superficial improvement of base materials with restricted properties, with the aid of plasma spray deposited coatings, has become a well-known and economically satisfactory practice [1]. In this way, adequate mechanical, physical and chemical properties can be achieved, by means of thick mono or multilayer coatings on conventional constructive materials. The thermal spray method is appropriate for developing new processes and innovative solutions since it is based on mild procedures to achieve the film growth. Such coatings enable resistance against wear, for new and used parts, with low installation cost and high process flexibility. The wider applications of this method can be met to the machine parts manufacturing and repairing industry. In the upper part of figure 1 the deposition process onto the used specimens is presented. The plasma gun consists of a cathode, which operates within a mixture gas atmosphere. The anode in shown in the same figure and the coating metallic components are fed in powder phase within the plasma. The specimen holder and a section of it, indicating the specimen seats, is demonstrated in the middle part of the same figure. The film grows in the radial direction of the cylindrical holder and the coating thickness is a function of the rotational speed and of the accumulated number of successive revolutions. The rectangular specimens having the geometry shown in the bottom figure part are removed - page 1-

130 Extended summary in English easily from the holder, in order to be used in further investigations. impact tester, the creep behaviour of these coatings can be experimentally investigated. These extracted data are inserted into developed FEM supported procedure, in order to determine the static and dynamic creep behaviour of the investigated thermal sprayed coatings. In case of multilayer coatings, the thickness of the upper or of the intermediate coating layers, can affect the entire creep behaviour of the coating system. Considering the mechanical and creep properties of the individual coating layers, through a further FEM supported simulation of the material deformation during the impact or static test, the creep behaviour of the entire structure of multi-layer coatings is determined. In this way the thickness of the individual coating layers to avoid creep can be optimized, improving herewith the overall coating performance under load. 2. The aim of this dissertation Fig. 1: The plasma spray deposition process and typical application. Parameters that are affecting the properties of this coating type, besides their composition, are their deposition temperature and porosity, which may enable rate dependent phenomena in operation, such as rate dependent plasticity or creep [2]. In the present work different types of coatings are investigated by means of static tester in order to determine the basic mechanical properties such as yield strength, elasticity modulus and stress-strain curve. By means of this static tester and the Due to fact that thermal sprayed coatings can enhance the mechanical properties of various machine parts, a number of institutes and industries are working on these coatings, in order to improve the deposition processes and the way that these coatings are applied. In the present work a number of different experimental and analytical processes are applied on various thermal spray coatings and mechanical and creep properties are determined. The static tester and a FEM modeling procedure was used in order to predict yield strength, elasticity modulus and stress-strain curve of the investigated coatings as well as the substrate material. The same static tester and an impact tester were used in order to investigate dynamic and static creep behaviour of various thermal sprayed coatings. By means of a FEM model the creep behaviour of these coatings was simulated and the final creep curve for each coating type was determined. In addition to this multi-layer thermal sprayed coatings were examined regarding their creep behaviour and the thickness of the individual coating layers was optimized in order to avoid creep problems. By means of these established experimental and analytical procedure, thermal sprayed coatings can be examined in order to characterize quantitatively the quality of such coatings and their loading limitations. 3. Determination of material structure and bulk mechanical properties The investigated coatings were deposited on steel. The substrate material was pre-treated with the aid of microblasting, which is a usual practice in order to achieve the desired interfacial adhesion. - page 2-

131 Extended summary in English analyses (EDX). Figure 2 illustrates the results of such investigations for both coatings. In the upper part of this figure the micrographs of the Ni-5%Al coating in the as deposited status and after its metallographic preparation are presented. The rough surface of this coating type in the as deposited status results of the deposition strategy, and requires a further finishing process, such as precision grinding or polishing. The structure of this coating is finer grained, owing to the finer grained powder that was used and homogeneous as the inserted EDX microanalyses shows. Corresponding results are presented in the middle part of figure 2, for the harder coating AI 1031 (W-based). EDX microanalyses on the region A and B of the specimen surface as well as on its cross-section revealed two discrete phases. The phase A consisting mainly of Ni and the phase B of W, as a result of the power mixture during the plasma sprayed procedure. The table inserted in the bottom part of the same figure summarizes the bulk mechanical and other technological properties of the examined coatings, such as the film thickness, the deposition temperature on the substrate surface during the deposition procedure. Both coatings may be considered as thick, as the corresponding cross section micrographs illustrate. The elasticity modulus and yield strength are determined using the static tester and well-established experimental analytical procedure, described in the following paragraphs. Due to the limited thickness of these coatings the uniaxial tensile test is unattainable in this case. The microhardness measurements were performed with respect to the 1/10th rule [3], which states that the maximum indentation depth to get bulk coatings hardness must be ten times less than the coating thickness. It is evident that the hardness of both coatings, especially of the softer Ni-5%Al one, is limited comparing them with other coating types, such as the PVD and CVD ones [4]. 4. Determination of the plasma sprayed coating yield strength, elasticity modulus and stressstrain curve Fig. 2: Structure and material properties of investigated Ni-5%Al and AI 1031 coatings. The coated specimens, after their preparation and polish were examined initially with the aid of Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-Ray Using the micro-indentation test procedure by means of the static tester and the developed FEM model the basic mechanical properties of thermal sprayed coatings and their substrate material can be determined. The mechanical part as well as the pneumatic and electrical devices of the static test device is shown in the upper part of figure 3. The design of the static tester permits high indentation loads without elastic deformation of the test device. - page 3-

132 Extended summary in English depth are variables and changeable parameter of the model. The simulation of the indentation test has been performed considering two load steps. The first load step represents the indentation phase into the coating (loading stage) and the second step represents the recovery phase, leading to a material elastic-plastic remaining crater. Fig. 3: The used static tester with its peripherical units. The analogue high-density cylinder valve as well as the direction of the rod of the cylinder can be monitored. The load cell on the metallic base is used for the on line load measurement during the experimental procedure. An inductive transducer is used for the displacement measurement of the carbide ball penetration depth into the coating material, when a static load is acting. In the bottom figure part the displacement transducer, the indentation probe and the load cell with the specimen holder are shown. The experimental procedure for the determination of the mechanical properties of the investigated coatings is shown at the bottom figure part whereas the ball penetrates on the specimen and at the same time the penetration load as well as the indentation depth are record at real time. The axisymmetric FEM model of the semi-infinite layered half space that performs the continuous FEM simulation for the determination of the stress strain curve, is illustrated in the bottom part of figure 4 [5]. In order to describe the interface between the spherical indentor and the surface of the coating contact elements were used. The diameter of indentor, the coating and substrate material properties as well as the penetration Fig. 4: Experimental and FEM simulation procedure to determine the elastoplasric properties of the coatings. For the determination of elasticity modulus and yield strength of the coating materials, the developed FEM model is solved using small penetration depth, before plastic deformation occurs. For this reason the elastic region of the indentation depth-penetration load experimental curve is divided to short steps, in order to determine by means of FEM model, the elastic properties of the investigated materials. After this, further penetration depth of the indentor, occur elastoplastic strains into the coating material. The whole experimental curve is divided to small pieces which are used as solving steps for the FEM model to determine the elastic and elastoplastic behaviour of the examine coating material. Figure 5 shows the operation program that is uses for the static tester adjustment, in order to extract - page 4-

133 Extended summary in English the indentation depth versus penetration load curve. The illustrated in this form curve, was extracted after steel ball penetration of 5 mm diameter into the Cr 3 C 2 /NiCr coated specimen. creep results shows, at that time there is no creep affect on the coating materials. At the bottom part of the same figure the determined by means of the described FEM procedure are shown. As it was expected the harder Cr 3 C 2 /NiCr coating illustrates better mechanical behaviour than the NiAlCr. 5. Investigation of the creep behaviour of plasma sprayed coatings by means of the impact test Fig. 5: Setting parameters of the static tester and experimental results Creep is activated in thick plasma sprayed single layer coatings, if they are stressed over a critical load. This time dependent phenomenon was detected by means of successive impacts of a cemented carbide ball onto a coated plane specimen, inducing intensive contact loads and straining superficially the layered compound. The used impact tester with its control and power supply unit is illustrated in figure 7. The operation of this new impact tester is fully automatic. This novel test rig is a further development of the device, presented in [6]. Fig. 7: The used impact tester with its peripherical units. The carbide ball penetrates into the coating periodically. The measured signal of the acting impact force is Fig. 6: Experimental results and determined stress strain curve through the developed FEM procedure. The upper part of figure 6 shows the indentation curve derives thought static tester for both examined coating materials. The diameter of indentation carbide ball during this experimental procedure was 2.5 mm and the elasticity modulus is 740 GPa. The time duration for the specify experiment is about 10 seconds and as the static approximated through an orthogonal pulse of a t imp duration and F imp height. In case of a creep phenomenon as the number of impacts increased, the remaining contact circle is getting bigger. The diameter and the depth of each imprint were determined by means of an optical microscopy and profilometry. Herewith the precise imprint geometry at successive displacements of the pin is monitored and the biggest crater diameter and depth determined. The software that supports the device of the impact tester [7] approximates the time for each contact between the indentor ball and the specimen during the - page 5-

134 Extended summary in English impact test and counts the number of the impacts as well. At each experiment the time of the ball-specimen contact can be easily computed through a multiplication of one impact time and the number of impacts. The time for an individual impact is practically constant for a given substrate-coating-indentor and impact load combination, all over the creep impact test duration. middle part of figure 8 respectively. The bottom diagram of the same figure shows the maximum Hertzian contact pressure at various number of impacts, that means at different stages of the overall loading time. The enlargement of the width of the contact zone due to the involved creep of the coating material induces the decrement of the contact pressure. The introduced experimental results, gathered with the aid of the impact tester, are the input data to a FEM supported calculating procedure, presented in the following paragraph. This procedure enable the quantitative description of the plasma sprayed coatings creep phenomenon, placing it within the content of its mechanical behavior, so that it can be incorporated into the design phase of plasma sprayed coated machine element. 6. FEM supported determination of time-dependent stress strain curves of thermal sprayed coatings, due to creep phenomenon The determination of the coating materials stress-strain curve at each constant operating loading times, is based on a FEM supported optimization algorithm. The main steps of this algorithm are explained in figure 9. This algorithm can be used for both dynamic and static tests, in order to determine the dynamic or static stress-strain curves of the investigated coating materials. The input data corresponds to results that measured by means of profilometer, which is the geometrical shape of the dynamic or static maximum crater. The elasticity modulus and yield strength of the coating material, are determined by means static tester and FEM simulation as is already mentioned. For each measured imprint shape, the algorithm assumes different tangent slopes in order to find out the one that best meet the settle criteria. The FEM model is solve, both for the loading and the relaxation stage. The optimum slope is the one that give at relaxation stage, the same calculated imprint shape as the measured one. Using the geometrical shapes at increased impact or static loads, the whole stress-strain curve at constant loading time can be determined. Fig. 8: The maximum depth and semi-width of contact zone of experimental imprints during the impact testing and the contact pressure versus time. The related diagrams for the harder coating AI 1031 (Wbased), illustrating the maximum depth of imprint and the semi-width of the contact zone versus loading time (logarithmic time scale) are shown in the upper and The main dimensions of the impact test imprints (diameter, depth) for various loads at concrete values of the total loading time as for example at 0.25 min, are inserted in the table at the top part of figure 10. Withthe aid of these data, through the previous mentioned method [8, 9] the constitutive coating material law after a loading time 0.25 min is determined and shown in the lower diagram of this figure. - page 6-

135 Extended summary in English Fig. 10: Typical record of the experimental imprints and determination of the stress strain curve at constant time by means of the method [8, 9]. 7. Determination of the strain rate stress laws of the investigated thermal sprayed coatings Fig. 9: Flow chart diagram for the determination of the stress-strain curves. Considering the determined loading time dependent coating material hardening law, the imprint geometry during the loading and relaxation stage after the loading time of 0.25 min can be determined through FEM supported calculations, simulating the penetration of the cemented carbide ball indentor into the coating material. The calculated contour of the remaining imprint due to the coating plastic deformation, according to the previous determined stress strain law after the loading period of 0.25 min, is practically identical to the corresponding measured one. Herewith the accuracy of the applied method to determine time dependent stress strain laws is considered to be adequate. Using the imprint data obtained by means of the impact tester and the mentioned in the previous paragraph procedure to determine the material constitutive law, the stress strain curves for the AI 1031 (W-based) plasma sprayed coating, after concrete loading times are depicted. The upper diagram of figure 11 illustrates the corresponding hardening laws after the accomplishment of various loading times. Considering these dependencies the steady stress creep curves that are illustrated in the middle part of the same figure, are determined. This diagram state that as the equivalent von Mises stress S eqv is increasing, the inclination of the related curve is increasing as well. Moreover, the diagram inserted in the bottom part of the same figure enables the determination of the creep strain rate of the coating material and the constants k and m of the following equation [10, 11], describing the strain rate of the creep mechanism. - page 7-

136 Extended summary in English stress and strain distributions according to the creep effect. In this way the creep development may be easily determined for various potentials loading cases. Fig. 12: Determined creep strain rate laws of various coating materials. Total strain rate (ε=dε/dt) By means of the afore-demonstrated procedure the creep laws of various coatings were determined as illustrated in figure 12. The curves indicate the creep evolution, ie. the total strain rate versus the equivalent stress. The creep critical stresses of each coating type are also inserted. The different creep strain rate behaviour depends on the coating parameters, such as porosity, deposition conditions, coating mechanical properties etc. The mechanical and technological properties of the used coating and substrate materials are inserted in the bottom part of the same figure. Fig. 11: Determination of the total creep strain rate versus equivalent stresses. The temperature exponent n of this equation is in this case zero, due to the fact that the creep phenomenon is investigated at room temperature /14, 15, 16, 17/. dε m ε= =k S T n eqv dt (1) The creep law (1) is used in FEM modeling simulations and yields directly to the time dependent equivalent 8. Comparison of the experimental results, between dynamic and static creep behaviour of plasma sprayed coatings In order to compare creep behaviour of thermal sprayed coatings under dynamic and static loads the same method as is already mentioned is used. For this reason both static and dynamic testers are employed. The experimental procedure provides the geometrical imprint shapes (imprint depth and contact zone width) versus the loading time as the diagrams in figure 13 show. The development of the imprint depth and width during the - page 8-

137 Extended summary in English impact or static test are shown in the corresponding diagrams. The diagrams in the bottom figure part indicate the reduction of the maximum contact pressure as the loading time (number of impacts for the impact testing) increases. This fact is explained through the degressive creep deformation, since the Hertzian contact pressure due to the enlargement of the contact width is diminished. Regarding the dynamic test, the software that supports the impact tester, approximates the time for each contact between the indentor ball and the specimen, counts the number of the impacts, calculates the overall creep time and the impact velocity [12, 13]. Fig. 14: The stress-strain curves and the total strain rate versus loading time for both dynamic and static cases. Fig. 13: Experimental data for both dynamic and static experimental procedure at different penetration loads and loading times. The determination of the coating materials stress-strain curve at each constant operating loading times, is based on a FEM supported optimization algorithm. The main steps of this algorithm are explained in figure 9. This algorithm can be used for both dynamic and static tests, in order to determine the dynamic or static stress-strain curves of the investigated coating materials. The upper part of figure 14 illustrates the determined through FEM simulation, stress-strain curves for both dynamic and static loading cases of a plasma sprayed coating. At early loading time (t<0.25min), the dynamic stress-strain curve indicates an elevated plastic-elastic coating behaviour. As is already mentioned, this fact occurs due to the increased coating material deformation resistance at the high impact velocity, before the creep mechanism start affecting the behaviour of the coating material [10, 11]. After a 25 minutes loading period under dynamic loads at a mean impact speed of 0.15 m/s, the coating material behaves almost as perfectly plastic. On the other hand the corresponding static stress-strain curves indicate a minor creep development comparing to the corresponding dynamic ones. The steady stress creep curves (total strain versus loading time) derived from the above stress-strain laws for dynamic and static loading cases, are illustrated in the bottom figure part. It is evident that for the dynamic loading case, the inclination of the related curves is more intensive in comparison to the corresponding static loading cases. - page 9-

138 Extended summary in English main upper layer is the same in both investigated cases. The substrate material was pre-treated with the aid of microblasting, which is a common practice in order to increase the surface roughness and to enhance herewith the interfacial adhesion. The coated specimens, after their preparation and polishing were examined with the aid of Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-Ray analyses (EDX). Fig. 15: The creep strain rate law of Cr 3 C 2 /NiCr coating for both dynamic and static cases. The determined creep laws describing the total strain rate at various equivalent stresses are illustrated in figure 15. The creep critical stress of the coating in both loading cases is almost the same. However the further creep development is more intensive in the case of the dynamic loads as the corresponding curves clearly show. 9. Determination of the creep behaviour of multilayer coatings In order to improve the adhesion with the substrate, coatings with an intermediate bonding layer are used. Hereby the optimum lay out of the layer thickness is very significant parameter for a coating operation without creep. To elucidate the creep behaviour of coatings with intermediate bonding layers two plasma sprayed coatings, the Cr 3 C 2 /NiCr one, with a bonding layer consisting of Ni-5%Al and the relatively softer Mo coating with the same bonding layer, are examined. The SEM micrographs of the cross sections of the used specimens are shown in the upper part of figure 16. The layer thickness of the individual coatings is inserted in the corresponding table. Both two-layer coatings were deposited onto a steel substrate. The thickness of the Fig. 16: Cross-section SEM micrographs of the investigated two-layer coatings. Taking into account the mechanical and creep properties of the individual coating layers, the creep development of the entire coating system can be predicted by means of a FEM supported simulation of the coating material deformation during the impact test (see figure 17). Due to the high elasticity modulus of the carbide ball, the indentor contact with the coating is assumed to be a contact between a rigid ball and an elastic-plastic specimen. The stress strain curves of the coating layer materials at various creep times, used in the corresponding FEM calculations, are inserted in the upper figure part. These data were experimentallyanalytically determined, as already described, by means of the impact test on single layer plasma sprayed specimens [12, 13]. The creep mechanism starts to be active when the maximum developed stresses in the coating layers are beyond the creep critical stress, associated to each time investigated coating material. The stress distributions in the bonding and in the upper layer, under the same - page 10-

139 Extended summary in English loads, due to their mechanical properties and plastic deformation occurring in each layer after the corresponding creep time are illustrated for the loading and relaxation stage, in the bottom figure part. The deformation of each coating layer contributes to the overall imprint crater. The total imprint depth for a certain combination of load and creep time can be calculated through an overlay of the superficial layer plastic deformation with the corresponding one, of the intermediate bonding layer. A comparison between the measured and the calculated total imprint depth is shown in the bottom figure part. The good correlation between the calculated and the measured values is evident. herewith the adequacy of the developed methodology to predict the creep behaviour of multilayer coatings. Upper coating Fig. 18: Calculated and measured maximum crater depths for both investigated coatings The inclinations of the imprint depth curves versus the creep time in the case of the less creep resistant Mo coating in comparison to Cr 3 C 2 -NiCr one are more intensive, also due to the occurring higher creep deformation in the intermediate coating layer. 10. Optimum design of thermal sprayed coatings considering the creep behaviour of their bonding layers Fig. 17: Prediction of the creep deformation at various creep times, considering the creep behaviour of each layer. Further investigations were performed by means of the impact tester, in order to determine experimentally the occurring imprints at various creep times. The corresponding to these cases FEM calculation results are illustrated in figure 18. The sufficient correlation between the measured and the calculated total imprint depths in both coating cases is obvious, ensuring The intermediate bonding layer improves the adherence between the superficial coating layer and the substrate. By means of the introduced in the previous paragraphs analytical-experimental procedure, plasma sprayed coatings with intermediate bonding layers can be examined whether they can be applied onto mechanical parts, operating under prescribed conditions without creep. The same procedure is applicable in every multilayer coating case. A problem that may occur in intermediate bonding layer applications is that superficial coatings with comparable creep behaviours, deposited on the same bonding layer, can lead to various intensive creep laws of the corresponding compound coatings. For an optimum two-layer coating design, considering the mechanical properties, thickness and the creep - page 11-

140 Extended summary in English behaviour of the individual layers, the following dependencies have to be taken into account. Owning to the different layer properties, the stress distribution in the coating layers, as well as the corresponding occurring maximum stresses S 1max and S 2max can be determined. If these maximum stress values in each layer are greater than the corresponding creep critical stresses S C1 and S C2 the creep phenomenon start affecting the compound coating. Due to these facts under a minimum thickness of the superficial layer, creep cannot be avoided in the intermediate bonding one. Therefore the coating thickness of the fist layer has to be adequate thick, so maximum developed superficial layer stresses are considered to be equal to their associated creep critical ones. that the maximum developed stresses S 1max and S 2max are lower than the critical creep stresses S C1 and S C2 respectively. Fig. 19: Stress development in the intermediate bonding layer versus the superficial layer thickness. The stress increasing in the intermediate bonding layer through diminishing the superficial coating thickness is illustrated in figure 19. These diagrams are elaborated with the aid of FEM calculations, considering as constant parameter the bonding layer thickness and as maximum occurring stress in the superficial layer its critical creep stress. The results show that if the superficial coating thickness is less than a critical value t 1min, the maximum stress in the bonding layer exceed its safe creep critical stress S C2. The herewith-determined minimum thickness is approximately 400 µm forthecr 3 C 2 -NiCr coating and 450 µm for the Mo one, both deposited on Ni-5%Al bonding layer. Over these minimum coating thickness values the maximum developed stress in the intermediate bonding layer, is less than the creep critical one and thus the compound coating can operate without creep danger. The diagrams in figure 20 demonstrate the influence of both coating layer thickness on the creep phenomenon activation in the bonding intermediate layer. Hereby the Fig. 20: Stress development in the intermediate bonding layer versus both layer thickness. It is obvious that in both coating cases the growth of the bonding layer thickness does not affect significantly the maximum developed stress in it. Hence, if the thickness of the superficial layer is greater than a critical one, also thin bonding layers can ensure an operation of a coated mechanical part without creep. 11. Conclusions The elaboration of plasma spray coating techniques, in association with well-established quality control procedures is capable of producing very promising coating systems with superior properties. The doubtless coating defensive action against factors that are able to destroy or wear conventional uncoated materials is responsible for the extension of this method to new applications. - page 12-

141 Extended summary in English The applied deposition strategy and the specification of the used powders offer a variety of mechanical properties. On the other hand, each coating obeys to different material laws, which may be rate dependent or not. In the present work, a variety of test procedures to characterize the creep performance at room temperature conditions of various thermal sprayed coatings were presented. Besides the deposition strategy, other parameters, such as the film porosity, were found to have a very significant effect on the bulk material properties. Herewith properties, such as elasticity modulus, hardening laws and fatigue resistance were determined with the aid of experimental and analytical tools. Taking into account the mechanical and creep properties of single layer coatings, the creep behaviour of multilayer ones, with an intermediate bonding layer can be investigated. The influence of the individual layers on the creep phenomenon activation of the entire coating is introduced and analytical-experimental procedures to determine the thickness to avoid creep are proposed. 12. References 1. R. W. Smith, Plasma Spray Processing The State of the Art and future- From a Surface to a Material Processing Technology, 2nd Plasma- Technik-Symposium, Vol K.-D. Bouzakis, A. Lontos, et. al., Μechanical investigations on electron beam-physical vapor deposition-thermal barrier coatings (EB-PVD- TBCs) by means of nanoindentation and impact testing, Metallurgical Coating and Thin Films, ICMCTF 2002, San Diego, B. W. Mott, Microindentation Hardness Testing, Butterworths, London, K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, A. Lontos, S. Mitsi, K. David, Implementation of low temperature deposited coating fatigue parameters in commercial roller bearings catalogues, Surface and Coatings Technology, 2000, Vol , p K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, G. Erkens, Thin hard coatings stress-strain curves determination through FEM supported evaluation of nanoindentation test results, Surface and Coatings Technology, 2001, , p Bouzakis K.-D., N. Vidakis, K. David,, The concept of an advanced impact tester supported by evaluation software for the fatigue strength characterization of hard layered media, Thin Solid Films, 1999, Vol , p K.-D. Bouzakis, K. David and N. Vidakis, 1st International Conference "The Coatings", Thessaloniki, Greece, 1999, p K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, Superficial plastic response determination of hard isotropic materials using ball indentations and a FEM Optimization technique, Journal of Materials Characterization, 1999, 42: K.-D. Bouzakis, N. Vidakis and A. Lontos, Advance Technology of Plasticity, Vol. II, Proceedings of the 6 th ICTP, Nuremberg, 1999, p R. K. Penny and D.L. Marriott, Design For Creep, London, 2 nd Edition, London, H. Kraus, Creep Analysis, A Wiley- Interscience publication, USA, K.-D. Bouzakis, A. Lontos, N. VidakFis, K. David, V. Kechagias, Determination of creep behaviour of monolayer thick plasma sprayed coatings, by means of the impact test and an analytical FEM supported evaluation procedure, Thin Solid Films, 2000, Vol , p K.-D. Bouzakis, A. Lontos, K. David, V. Kechagias, Creep behaviour prediction and optimum design of plasma sprayed coatings with intermediate bonding layer, Surface & Coatings Technology, 2001, Vol , p L. Cheng, L. Ping, Z. Zhenbo, O. N. Derek, Room temperature creep of a high strength steel, 2001, Materials and Design, vol. 22, pp V. Sagar Dwivedi, B. K. Jha, Characterization of a precrept modified 9Cr 1Mo steel through room temperature tensile and strain rate change tests, 2001, Materials Science and Engineering, Vol. A301, pp S. C. Deevi, R. W. Swindeman, Yielding, hardening and creep behavior of iron aluminides, Materials Science and Engineering, 1998, Vol. A258, pp S. M. Lane, S. B. Biner, O. Buck, Room temperature fracture and high temperature creep characteristics of 20 vol.% Nb particulate reinforced alumina, 1998, Materials Science and Engineering, Vol. A246, pp page 13-

142

143 ΒΙΟΓΡΑΦΙΚΟ ΣΗΜΕΙΩΜΑ Προσωπικά Στοιχεία: Αντώνιος Λόντος του Ευγενίου και της Ελένης Γεννηθείς στις 22 Νοεµβρίου του 1973 στη Πάφο - Κύπρου Βασική Εκπαίδευση: Από Στοιχειώδης Εκπαίδευση στο ηµοτικό Σχολείο Χλώρακας Πάφου Από Γυµνάσιο Αγίου Νεοφύτου Πάφου Από Λύκειο Κύκκου Πάφου Σπουδές: Από Οκτώβριο 1993 µέχρι Ιούλιο 1998 Φοιτητής στο Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης Από Σεπτέµβριο 1998 µέχρι Φεβρουάριο 2002 Υποψήφιος ιδάκτωρ του Τµήµατος Μηχανολόγων Μηχανικών Α.Π.Θ. Επαγγελµατική ραστηριότητα: Εκπόνηση µελετών Η/Μ εγκαταστάσεων Εκπόνηση Μελετών Ποιοτικού Ελέγχου Εκπόνηση Επενδυτικών σχεδίων για την ενίσχυση Επιχειρήσεων Από Σεπτέµβριο 1998 Επιστηµονικός συνεργάτης στο Εργαστήριο Εργαλειοµηχανών και ιαµορφωτικής Μηχανολογίας του Τµήµατος Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης

144

145 ÅÑÃÁÓÔÇÑÉÏ ÅÑÃÁËÅÉÏÌÇ ÁÍÙÍ ÄÉÁÌÏÑÖÙÔÉÊÇÓ ÌÇ ÁÍÏËÏÃÉÁÓ ÔÌÇÌÁ ÌÇ ÁÍÏËÏÃÙÍ ÌÇ ÁÍÉÊÙÍ ÁÑÉÓÔÏÔÅËÅÉÏ ÐÁÍÅÐÉÓÔÇÌÉÏ ÈÅÓÓÁËÏÍÉÊÇÓ ÄéåõèõíôÞò: ÊáèçãçôÞò Dr.-Ing. habil. Ê.-Ä. ÌðïõæÜêçò ÈÅÓÓÁËÏÍÉÊÇ Ôçë , Fax LABORATORY FOR MACHINE TOOLS AND MANUFACTURING ENGINEERING MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT ARISTOTELES UNIVERSITY OF THESSALONIKI Director: Prof. Dr.-Ing. habil. Ê.-D. Bouzakis Thessaloniki, Greece Tel , Fax