Ανάπτυξη και μελέτη δομής και ιδιοτήτων επικαλύψεων νανοϋλικών με τεχνολογίες θερμικού ψεκασμού

Abstract

Στην παρούσα διατριβή εξετάστηκε η ανάπτυξη και βελτιστοποίηση επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού με χρήση νανοϋλικών με τις τεχνικές APS και HVOF και χρήση της τεχνικής σχεδιασμού πειραμάτων Taguchi, καθώς και η επίδραση των παραμέτρων αμμοβολής στην επιφανειακή τραχύτητα υποστρώματος και την αντοχή πρόσφυσης επικάλυψης, ενώ έγινε και εκτίμηση της ποιότητας της ατμόσφαιρας στον εσωτερικό χώρο βιομηχανίας θερμικού ψεκασμού. Για τις επικαλύψεις Fe–31Mo–2C, η μελέτη της βέλτιστης επικάλυψης από νανοφασική πούδρα κατέδειξε ότι οι ιδιότητές της υπερκαλύπτουν τις ισχύουσες προδιαγραφές για τη συμβατική επικάλυψη. Επίσης, εμφάνισε μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε οξείδια, ενώ τα σωματίδια Μο είχαν μικρότερο μέγεθος και καλύτερη διασπορά. Κατά τον ψεκασμό αναπτύχθηκαν τα οξείδια FeO και Fe3O4, τα οποία δρουν ως στερεά λιπαντικά. Παρατηρήθηκε ο σχηματισμός μαρτενσιτικής φάσης, καθώς και άμορφης φάσης, γεγονός που υποδηλώνει ότι δε διατηρήθηκε η νανοδομή της πούδρας μετά τον ψεκασμό. Ο συντελεστής τριβής της επικάλυψης από νανοφασική πούδρα εμφάνισε βελτίωση κατά 30% σε σύγκριση με τον αντίστοιχο συντελεστή της συμβατικής. Η φθορά ήταν υψηλότερη, λόγω της μεγαλύτερης αρχικής επιφανειακής τραχύτητας, όμως στην πορεία των δοκιμών ο ρυθμός φθοράς ήταν παραπλήσιος και για τις δύο επικαλύψεις. Για τις επικαλύψεις Fe–1,5Cr–1,1C, παρατηρήθηκε και σε αυτή την περίπτωση η ανάπτυξη των οξειδίων FeO και Fe3O4, ενώ επετεύχθη η διατήρηση της νανοδομής μετά τον ψεκασμό. Σε αυτό συνετέλεσε η μικρότερη ηλεκτρική ισχύς ψεκασμού που οδηγεί σε χαμηλότερες θερμοκρασίες στη φλόγα πλάσματος και το μεγαλύτερο μέγεθος σωματιδίων της πούδρας. Η τριβολογική συμπεριφορά της νανοφασικής επικάλυψης ήταν βελτιωμένη, παρουσιάζοντας χαμηλότερο συντελεστή τριβής και μικρότερη φθορά από τη συμβατική. Για τις επικαλύψεις WC-12Co, επετεύχθη η διατήρηση μέρους της νανοδομής της αρχικής πούδρας στην επικάλυψη και παρατηρήθηκε η εμφάνιση της φάσης Co3W3C, εξαιτίας της διάλυσης του WC στη μήτρα Co. Η μείωση του μεγέθους των σωματιδίων της νανοφασικής πούδρας οδήγησε σε έντονα φαινόμενα εξανθράκωσης στην επικάλυψη. Η προσθήκη Al αύξησε τη μικροσκληρότητα και μείωσε το πορώδες, ενώ παράλληλα περιόρισε τη διάλυση του WC προς Co3W3C. Τόσο η συμβατική όσο και η νανοφασική επικάλυψη παρουσίασαν παρόμοιους συντελεστές τριβής, ενώ η προσθήκη Al προκάλεσε αύξηση του συντελεστή. Η φθορά των επικαλύψεων ήταν αμελητέα και μη μετρήσιμη. Ως προς το ανταγωνιστικό υλικό, η νανοφασική επικάλυψη προκάλεσε τη μικρότερη φθορά εκτριβής, ενώ η συμβατική τη μεγαλύτερη. Η φθορά του ανταγωνιστικού υλικού παρουσιάζει γραμμική συσχέτιση με τη μικροσκληρότητα των επικαλύψεων. Αναφορικά με τη μελέτη της αμμοβολής, βρέθηκε ότι τη μεγαλύτερη αυξητική επίδραση στη διαμόρφωση της επιφανειακής τραχύτητας και της αντοχής πρόσφυσης είχε το μεγαλύτερο μέγεθος των αποξεστικών κόκκων. Ως προς την εκτίμηση της ποιότητας της ατμόσφαιρας, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι μετρούμενες συγκεντρώσεις ήταν χαμηλές και εντός των ορίων της νομοθεσίας.

The purpose of the present dissertation was the development and optimization of HVOF and APS thermal spray coatings from nanophased materials, using the Taguchi design of experiments method. The influence of grit–blasting on surface roughness and coating adhesion strength was also studied. Moreover, an evaluation of air quality inside the building of a thermal spray industry was performed. For the Fe–31Mo–2C coatings, the optimized nanophased coating properties meet the current conventional coating specifications. The oxide content was larger in the nanophased coating and the Mo particles were smaller and more widely dispersed. FeO and Fe3O4 were formed during spraying, which act as solid lubricants. The formation of martensitic and amorphous phases were detected, while there were no Fe peaks, thus indicating that the initial powder nanostructure was not maintained in the coating after deposition. The coefficient of friction of the nanophased coating showed an improvement of 30% compared to the respective coefficient of the conventional coating. The wear was initially higher, because of the higher surface roughness, however as the tests evolved, the wear rate was similar for both nanophased and conventional coatings. Regarding the Fe–1,5Cr–1,1C coatings, FeO and Fe3O4 were also formed in this case. The nanostructure was maintained in the coatings, as a result of lower electrical power and higher particle size. The nanophased coating exhibited lower coefficient of friction and wear compared to the conventional one. Regarding the HVOF WC–12Co nanophased coatings, part of the initial powder nanostructure was maintained in the coating. The formation of Co3W3C was observed, because of the dissolution of WC into the Co matrix. The reduction of the particle size of the nanophased powder led to severe decarburization phenomena, similar to the conventional coating. The addition of Al reduced coating porosity, increased microhardness and limited the dissolution of WC to Co3W3C. The coefficient of friction was similar for both the nanophased and the conventional coating, while the addition of Al increased the coefficient. The wear of the coatings was negligible and could not be defined. The abrasive wear of the counter body was lower in the case of the nanophased WC–12Co coating and higher in the case of the conventional coating and showed a linear correlation with the coating microhardness. Regarding grit–blasting, it was found that larger grit size led to higher surface roughness and coating adhesion strength. Finally, results showed that the measured airborne particles and heavy metals concentrations were low and well within the limits set by national and European legislation.