Μεταλλογραφική και τριβολογική μελέτη επικαλύψεων TiO2 που έχουν παραχθεί με ατμοσφαιρικό ψεκασμό πλάσματος με in situ αντίδραση σε υπόστρωμα ανοξείδωτου ωστενιτικού χάλυβα 316

Abstract

Στόχος της μεταπτυχιακής αυτής εργασίας είναι η μεταλλογραφική και τριβολογική μελέτη επικαλύψεων TiO2 που παράχθηκαν με τη μέθοδο ατμοσφαιρικού ψεκασμού πλάσματος με in situ αντίδραση σε υπόστρωμα ανοξείδωτου ωστενιτικού χάλυβα 316. Ο ατμοσφαιρικός ψεκασμός πλάσματος ανήκει στην κατηγορία των θερμών κατεργασιών και εφαρμόζεται σε περιπτώσεις προστασίας από τη διάβρωση. Αποτελεί μία διαδικασία απόθεσης σωματιδίων, όπου τηγμένα σωματίδια σκόνης, αποτίθενται σε ένα υπόστρωμα και η μικροδομή των επικαλύψεων προκύπτει από τη στερεοποίηση ή πυροσυσσωμάτωση (sintering) των σωματιδίων. Η πρόσφυση της επικάλυψης είναι μηχανική. Κατά τον ψεκασμό δεν λαμβάνει χώρα τήξη του υποστρώματος αφού η θερμοκρασία εκεί σπάνια ξεπερνά τους 1500οC. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα του ψεκασμού πλάσματος σε σύγκριση με τις άλλες μεθόδους θερμικού δεκασμού (φλόγας και τόξου) είναι η ποιότητα της επικάλυψης. Το μεγαλύτερο μειονέκτημά του είναι το κόστος του αντίστοιχου εξοπλισμού. Στην παρούσα εργασία ο ψεκασμός των δοκιμίων πραγματοποιήθηκε στο Κέντρο Κατεργασίας Πλάσματος (Center for Plasma Processing-C2P) στη Γαλλία. Δημιουργήθηκαν δύο δοκίμια, τα οποία ψεκάστηκαν με τις ίδιες ακριβώς παραμέτρους αλλά είχαν διαφορετικές θερμοκρασίες προθέρμανσης. Στη συνέχεια τα δοκίμια αυτά υποβλήθηκαν σε πειράματα τριβής τύπου “ball-on-disc” με διαφορετικό φορτίο (5N, 10N) και για διαφορετικές στροφές (100, 200, 400, 500 rpm) στο Εργαστήριο Γενικής Χημείας της Σχολής Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ. Το ανταγωνιστικό υλικό αποτέλεσε σφαίρα Al2O3 6mm. Ο χαρακτηρισμός των δοκιμίων και ο μεταλλογραφικός τους έλεγχος έγινε με τη βοήθεια οπτικού μικροσκοπίου, στερεοσκοπίου και ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM), όπου μελετήθηκε τόσο η επικάλυψη όσο και η πίστα τριβής. Παρατηρήθηκαν στην πίστα τριβής γραμμές «άρωσης» και αποκοπή κομματιών γεγονός που υποδεικνύει πως ο μηχανισμός φθοράς είναι αυτός της εκτριβής. Επίσης, στην επικάλυψη έγιναν μετρήσεις τραχύτητας, μικροσκληρότητας Vickers και ανάλυση με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), προκειμένου να αναγνωριστούν οι διαφορετικές οξειδωτικές φάσεις του Ti. Οι επικαλύψεις των δύο δοκιμίων χαρακτηρίστηκαν από ομοιόμορφη και πορώδη δομή με παρόμοια τραχύτητα. Ωστόσο, το δοκίμιο που προθερμάνθηκε σε υψηλότερη θερμοκρασία εμφάνισε μεγαλύτερη μικροσκληρότητα και ελαφρώς βελτιωμένη συμπεριφορά στη φθορά.

Titanium coatings produced on AISI 316 stainless steel substrate by in situ oxidation of Ti powder when air plasma sprayed, were investigated using two different preheating temperatures, which induce different conditions of oxidation produced be moderate cooling (via high preheating temperature) and maximum cooling (via low preheating temperature). Air plasma spray is a thermal process that is applied when a substrate must be protected from corrosion. The principle behind plasma spray is to melt material feedstock (due to the high temperature of the plasma), and to accelerate the molten particles until impact on the substrate where rapid solidifiacation and deposit buildup occurs. The greatest advantage of this method is the high quality of the coating, but it has a high cost of equipment. Surface morphology and microstructure were characterized using optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffractometer (XRD) analysis, while microhardness measurements and friction and wear tests were also performed. Coatings produced with high preheating temperature presented enhanced surface properties compared with those obtained using low preheating temperature. More specifically, coatings formed using high preheating temperature presented higher microhardness and enhanced wear behavior. The wear track of both tested specimens presented similar features. More precisely spallation of the coatings at their external surface is apparent along with marks of ploughing produced by the spalled coating fragments, indicating wear owing to abrasion.