Faza 2: Cercetări exploratorii de acoperiri materiale folosind procedeul de pulverizare termică HVOF. Program experimental de realizare tehnologii de pulverizare pentru materialele supuse cercetării Rezumatul fazei: Lucrarea elaborată Dezvoltarea de tehnici şi tehnologii. reprezintă a doua fază a proiectului PN 09 160111/2015 cu titlul Cercetări exploratorii de acoperiri materiale folosind procedeul de pulverizare termică HVOF. Program experimental de realizare tehnologii de pulverizare pentru materialele supuse cercetării. În primul Capitol, în partea introductivă, se prezintă informații referitoare la interdisciplinaritatea domeniului de pulverizare termică apoi se face o prezentare a echipamentelor împreună cu specificații tehnice cu privire la instalația de pulverizare termică HVOF în mediul gazos, din dotarea institutului, pe care s au realizat cercetările experimentale de depunere de straturi funcționale rezistente la uzare şi coroziune. De asemenea, se prezintă succint principiul procedeului HVOF împreună cu caractersiticile acestuia, cu referire la gradul de aplicabilitate cât şi la materialele utilizate pentru realizarea acestor tipuri de depuneri de suprafață. În Capitolul 2 Tipuri de pulberi se prezintă studiul realizat asupra pulberilor care au fost utilizate în cadrul programului experimental din capitolul următor. S a analizat un număr de cinci pulberi care prezintă bune caracteristici de rezistență la uzură şi coroziune. Cele cinci tipuri de pulberi sunt constituite din pulberea de titan cu o puritate de 99,5% (Ti 99,5), pulberea compozită din carbură de wolfram şi cobalt (WCCo), pulberea de molibden cu puritate de 99% (Mo99), pulberea de oțel inoxidabil (Metco 41 C 316 L) şi pulberea compozită din nichel crom (NiCr). În tabelul 1 se prezintă informații referitoare la compoziția chimică şi caracteristicile fizice ale pulberilor studiate. Tabelul 1. Compoziții chimice şi caracteristici fizice pulberi Pulbere Compoziție chimică [%] Ti99,5 (Metco 4017) Ti=rest Fe<0,5 O<0,4 Cl<0,2 C<0,1 Ha<0,19 H<0,05 Si<0,04 WCCo (Metco 31C NS) WC=88 Co=12 Mo99 (Metco 63NS) Mo=rest Alte elemente <0,5 Inox 316L (Metco 41C) Fe=rest Cr=17 Ni=12 Mo=2,5 Si=2,3 C=0,03 NiCr (Metco 44) Ni=rest Cr=18 Al=5 Fe=max 1 Mg=1 Si=1 Dimensiunea particulelor [μm] Ti99,5 (Metco 4017) 180+53 WCCo (Metco 31C NS) 125+45 Mo99 (Metco 63NS) 75+25 Inox 316L (Metco 41C) 106+45 NiCr (Metco 44) 95+45
A fost studiată de asemenea, morfologia pulberilor în discuție prin examinarea aspectului acestora la microscopul electronic cu baleiaj, prezentat în continuare în figura 1. a) b) c) d) e) Fig. 1. Aspectul SEM al pulberilor studiate a) Ti99,5 (Metco 4017); b) WCCo (Metco 31C NS); c) Mo99 (Metco 63NS); d) Inox 316L (Metco 41C); e) NiCr (Metco 44). Din analiza morfologiei pulberilor se poate observa că aspectul acestora este similar şi se încadrează în două categorii, si anume, cu aspect colțuros neregulat şi respectiv aspect sferoidal. Forma sferoidală a particulelor creşte fluxul de pulbere în timpul pulverizării şi generează o mai bună rezistență la abraziune şi eroziune a stratului. În cadrul acestui capitol se mai specifică şi informații referitoare la aplicabilitatea acestor pulberi, date referitoare la temperaturile de topire şi temperaturile recomandate de lucru. În capitolul 3 se prezintă programul experimental de depunere de straturi prin pulverizare termică HVOF. În partea de început se specifică tipul materialului utilizat ca substrat (oțelului carbon C45 conform SR EN 10083:2007) împreună cu compoziția chimică a acestuia (tabelul 2). Tabelul 2. Compoziția chimică pentru oțel carbon utilizat ca substrat experimental C Si (max) Mn (max) 0,42 0,50 Compoziția chimică [%] P (max) S (max) Cr (max) Mo (max) Ni (max) Cr+Mo+ Ni 0,40 0,5 0,8 0,045 0,045 0,40 0,10 0,40 0,63 Se prezintă modul de pregătire a materialului substrat care este foarte important deoarece influențează semnificativ rezistența îmbinării dintre strat substrat după procesul de pulverizare termică. Calitatea stratului pulverizat, prezența impurităților şi a grăsimilor pe suprafața substratului conduc la scăderea aderenței stratului depus, putând apărea fisuri sau exfolieri. În majoritatea cazurilor, este necesară îndepărtarea oxizilor de pe suprafața substratului. Cea mai importantă etapă în ceea ce priveşte pregătirea substratului este obținerea unei rugozități ridicate, îmbunătățind astfel aderența stratului la substrat. Astfel, se prezintă procesul de pregătire prin sablare şi aspectul substratului (figura 2) pregătit pentru operația de pulverizare.
PN 09-160111 Dezvoltareaa de tehnici şi tehnologii moderne de pulverizare termică Fig. 2. Aspectul materialului substrat în partea stângăă materialul substrat prezintă aspectul după prelucrarea mecanică de degroşare a suprafeței iar în partea dreaptă se observăă aspectul suprafeței după procesul de sablare Capitolul se continuă cu prezentarea programului experimental de depunere de straturi funcționale cu pulberile menționate, punându se accent pe analiza depunerii de Ti99. Aspectul probelor după partea experimentală de depunere este prezentat în figura 3. Fig. 3. Aspectul probelor pulverizate termic
Continuarea programului experimental a constat din prelevarea de probe pentru realizarea de măsurători de rugozitate, examinări sclerometrice şi microscopie electronică. S au prezentat de asemenea parametrii tehnologici utilizați la realizarea straturilor pulverizate. Deoarece s a pus accent pe studiul stratului de titan depus, au fost realizate două probe, cu grosimi diferite de strat depus. Examinările sclerometrice asupra straturilor depuse prin pulverizare termică cu flacără de mare viteză, HVOF s a testat utilizând o sarcină de 100 gf şi un aparat, Volpert Micro Vickers Hardness Tester digital, din dotarea institutului. Rezultatele de microduritate obținute pentru cele două grosimi de strat, 60 μm şi respectiv 120 μm, în cazul probelor pulverizate cu Ti99, sunt reprezentate grafic în figura numărul 4, în funcție de distanța în μm de suprafața piesei. Fig. 4. Variația microdurității pe secțiunea stratului depus Pentru celelalte straturi depuse, valorile măsurate ale microdurității sunt prezentate tabelar în tabelul 3. Tabelul 3. Valori măsurate ale microdurităților Strat depus HV 0,1 NiCr (Metco 44) 425 392 394 441 365 411 WCCo (Metco 31C NS) 974 974 946 946 1064 982 Inox 316L (Metco 41C) 413 317 357 297 297 336 Mo99 (Metco 63NS) 410 490 324 423 358 402 Examinările microscopice au constat în microscopie electronică cu baleiaj pentru probele cu strat depus de Ti99 şi microscopie optică electronică. În figura 5 este prezentată analiza SEM a stratului depus de Ti iar în figura 6 se prezintă analiza SEM în secțiune a stratului depus de Ti.
PN 09-160111 Dezvoltareaa de tehnici şi tehnologii moderne de pulverizare termică Fig. 5. Analizaa SEM a stratului de titan depus prin metoda HVOF Fig. 6. Analiza SEM în secțiune a stratului de titan depus prin metoda HVOF Imaginea SEM a stratului depus, arată că suprafața acestuia este uşor rugoasă şi nu prezintăă defecte de tipul fisurilor. Straturile sunt dense, compacte, fiind formate din particule de formă lamelară, acest lucru datorându se vitezelor ridicate ale jetului de gaz din timpul pulverizării. De asemenea, la interfațaa strat substrat se constată că nu apar defecte de tipul fisurilor sau microfisurilor. Aspectul microscopic al straturilor depuse pentru celelalte pulberi este prezentat în figura 7.
a) b) c) d) Fig. 7 Aspectul microscopic al pulberilor depuse a) Inox 316L (Metco 41C); b) WCCo (Metco 31C NS); c) Mo99 (Metco 63NS); d) NiCr (Metco 44) Din analiza microscopică s au tras concluzii cu privire la grosimea straturilor depuse a defectelor apărute cât şi a gradului de depunere funcție de materialul ales. Capitolul 4 a fost dedicat măsurătorilor de noxe emanate în timpul procesului de pulverizare. În timpul executării probelor de pulverizare termică, au fost efectuate concomitent aceste măsurători ale debitului de particule de noxe emise în spațiul de lucru, precum şi măsurători ale concentrației gazelor toxice şi periculoase emanate în incinta de lucru. Sistemul mobil pentru examinarea particulelor şi a gazelor emise în timpul procesului de pulverizare termică este format din două aparate: a. Pompa de prelevare a eşantioanelor de aer cu particule metalice şi nemetalice; b. Detectorul multiplu de gaze. Probele de pulverizare termică au fost executate la Institutul Național de Cercetare Dezvoltare în Sudură şi Încercări de Materiale ISIM Timişoara, concomitent cu examinarea noxelor, în mod adaptat după standardul ISO 10882 1, referitor la prelevarea de probe de particule din aer și a gazelor din zona de respirație a operatorului. Capul de prelevare este amplasat în interiorul hotei de aspirație a instalației de exhaustare, iar pompa este fixată sub hotă, pentru a determina rata de emisie a particulelor emise în interiorul cabinei de pulverizare termică, pentru analiză, conform ISO 15011 1.
PN 09-160111 Dezvoltareaa de tehnici şi tehnologii moderne de pulverizare termică În figura 8, afişajul pompei de prelevare indică valoarea volumului de aer prelevat, la începutul executării probelor de pulverizare. Fig.8. Pompa de prelevarea particulelor amplasată sub hotă. Volumul inițial. În figura 9, afişajul pompei de prelevare indică valoarea volumului de aer prelevat, la terminarea executării probelor de pulverizare. Fig.9.Indicația volumului de aer prelevat, la terminarea executării probelorr de pulverizare Examinarea emisiilor de gaze toxice la pulverizarea termică a fost efectuată la ISIM Timişoara prin metoda directă, prezentată în figura 10, în timpul executării probelor de pulverizare tremică, în mod adaptat după standardul ISO 10882 2. În fazele stabilizate ale procesului de pulverizare termică, nivelele de concentrație ale gazelor emise, determinate la 2,5 m de jetul de gaze cu pulberea de adaos, sunt următoarele: 0,11 0,12 % CO2; 0,5 1,2 ppm NO2; 0 1 ppm H2; 10 23 ppm CO. Aceste valori ale concentrației se situează sub limitele de expunere (8 ore pe zi, 5 zile pe săptămână) pentru gazele: 5 % CO2; 0 ppm H2; 30 ppm CO. În schimb, limita de atenție de 0,5 ppm NO2 (prescrisă la detector) este depăşită în cazul dioxidului de azot. În aceastăă situație, este activatăă alarma detectorului multiplu de gaze.
Fig.10. Indicație reprezentativă la detectorul multiplu de gaze, în cabina de pulverizare termică A fost înregistrată o indicație mare a concentrației momentane a monoxidului de carbon de 23 ppm CO, în timpul fazei stabile de durată a procesului de pulverizare. Capitolul 5 final se referă la concluziile extrase din examinările programului experimental de depunere straturi funcționale cât şi cele obținute din partea de măsurători de noxe, si anume: Calitatea unui strat depus prin pulverizare termică, în special în ceea ce privește porozitatea și aderența la substrat, este în mare măsură dependentă de temperatura și viteza de proiectare a particulelor. Pentru a obține straturi dense cu o bună aderență, este de dorit ca particulele să fie complet topite și să fie proiectate cu o viteză mare atunci când acestea lovesc substratul. Viteza particulelor reprezintă o caracteristică importantă în procesul de pulverizare termică, valorile mari ale acesteia având ca rezultat o putere de stratificare înaltă şi porozitate redusă, întrucât particulele au un timp redus pentru a se răci, ele lovind substratul în stare topită sau semitopită. Procesul HVOF este proiectat astfel încât să producă viteze înalte, aceasta contribuind la avantajele pe care le oferă HVOF în comparație cu alte procese de pulverizare termică. Ca urmare a vitezei mari de proiectare a particulelor, materialul depus este mai puțin supraîncălzit rezultând temperaturi finale ale particulelor mai reduse, comparativ cu a altor procese (de exemplu pulverizare cu plasmă sau cu arc operează la temperaturi de cca. 16000 C respectiv 6000ºC, în opoziție, procesul HVOF (amestec oxigen/propan) operează la max. 3000ºC. Procesul de pulverizare HVOF reprezintă o variantă atractivă de obținere a straturilor de suprafață din punct de vedere economic: depunerea se realizează în aer deci nu necesită o cameră vidată, diferite componente pot fi acoperite cu straturi de protecție chiar la locul de operare nemaifiind astfel necesară dezansamblarea lor. Emisiile de gaze toxice la pulverizarea termică prezintă risc de sănătate pentru operator în cazul în care el se află în interiorul cabinei de pulverizare. Totodată, în urma măsurătorilor s a stabilit că procesul de pulverizare termică nu prezintă pericol de incendiu cauzat de hidrogen, întrucât concentrația de hidrogen emis în timpul acestui proces este zero sau foarte mică. Aceste concluzii vor sta la baza activităților de cercetare care se vor desfăşura în cadrul fazei următoare.