Wprowadzenie

Powłoki natryskiwane cieplnie są z powodzeniem stosowane od wielu lat do zmniejszania zużycia, korozji i ochrony termicznej w różnych dziedzinach przemysłu. Powłoki te są rutynowo spotykane w turbinach elektrowni, silnikach lotniczych, przemyśle papierniczym oraz w wielu innych gałęziach przemysłu, w których występuje nadmierne zużycie elementów lub uszkodzenia w wysokiej temperaturze. Najczęstsze metody osadzania tego typu powłok to napylanie plazmowe (woda lub gaz stabilizowany), HVOF, etc.

Aby osiągnąć jak najlepszą funkcjonalność powłoki należy znać relacje między mechanizmami tworzenia się powłoki, a jej właściwościami mechanicznymi. Chociaż mechanizmy tworzenia się tych powłok były badane, szczegółowe informacje dotyczące właściwości mechanicznych dalej pozostają trudne do poznania z powodu niejednorodności powłoki.

1

Obecnie stosowane metody; głównie w skali makro; do pomiaru właściwości mechanicznych, to czteropunktowe zginanie lub badanie mikrotwardości przy stosunkowo dużych obciążeniach. Takie metody pozwalają uzyskać wynik uśredniony właściwości mechanicznych badanej powłoki na dużym obszarze powierzchni, nie nadają się jednak do badań poszczególnych struktur w materiałach silnie heterogenicznych, złożonych zazwyczaj z twardych cząstek oraz bardziej miękkiej osnowy wiążącej. W badaniach adhezji i kohezji sytuacja jest jeszcze bardziej skomplikowana, gdyż jednym z kilku standaryzowanych testów jest testowanie rozciągania przez klejenie lub lutowanie dwóch próbek, oraz odciągnięcie ich na zewnątrz. Ocena przyczepności powłoki przy użyciu tej metody jest bardzo trudna, a także ograniczona przez wytrzymałość na rozciąganie kleju lub lutu.

Przedstawiamy nowe metody badań właściwości mechanicznych powłok natryskiwanych cieplnie:

  1. Badania twardości instrumentalnej oraz
  2. Testy zarysowania – scratch testy

Twardość instrumentalna powłok natryskiwanych cieplnie

Urządzenia do pomiaru twardości Anton Paar umożliwiają pomiary w różnych zakresach oraz warunkach (np. wysoka i niska temperatura, próżnia, mieszanina gazów):

  • dla właściwości pojedynczych punktów lub ziaren przy niskich obciążeniach, np. Nanotwardościomierz (0 – 500 mN),
  • W odniesieniu do „kompozytowych” właściwości przy wyższych obciążeniach, Mikrotwardościomierz (0,03 – 30 N).

Twardość instrumentalna nie ogranicza się do pomiarów optycznych na podstawie przekątnej wgłębienia.

3

Praca indentacji Wel, Wpl, Wtot

Bardzo ważną cechą materiału jest stosunek pracy sprężystej Wel do pracy całkowitej Wtot . Ten parametr (zdefiniowany przez normę ISO 14577) charakteryzuje również właściwości sprężysto-plastyczne materiału. W przypadku powłok natryskiwanych cieplnie wartość Wtot zmienia się znacznie w zależności od objętości materiału zaangażowanych w pomiar. Przy niewielkich obciążeniach pole deformacji rozciąga się tylko do pojedynczych ziaren.

7

Test zarysowania – scratch test

Scratch tester Anton Paar Revetest z zakresem obciążenia od 1 N do 200 N umożliwia badania powłok natryskiwanych cieplnie, ich adhezję i odporność na zarysowania. Badania adhezji i odporności na zarysowania można wykonać z wykorzystaniem automatycznej mapy z np. stałym obciążeniem lub rosnącym, malejącym. Długość rysy może mieć maksymalnie 7cm długości a najczęściej  stosowanym wgłębnikiem jest diamentowy Rockwell C o promieniu 200 µm. Wgłębniki można dowolnie wymieniać dostosowując nacisk do grubości i twardości powłok. Testy te umożliwiają charakteryzację spójności powłok, która ściśle związana jest z jej zużyciem i ścieraniem.

Wnioski

Nowe metody testów twardości, adhezji i odporności na zarysowannia świetnie sprawdzają w badaniach mikroskopowych i makroskopowych właściwości warstw natryskiwanych cieplnie. Takie metody dają nowe światło na zrozumienie właściwości mechanicznych w skali makro, mikro i nano. Obserwowane zmiany twardości potwierdzają, że przy bardzo niskich obciążeniach mierzone są właściwości pojedynczych ziaren, natomiast wraz ze wzrostem obciążenia widoczny jest wpływ osnowy.

Nowy parametr pracy został użyty do scharakteryzowania powłoki: stosunek sprężystej do całkowitej pracy Wtot. Parametr ten pozwala na charakterystykę właściwości sprężysto-plastycznych powłok, które są ściśle związane z jego odpornością na uszkodzenia.

Zapraszamy do zapoznania się z naszą ofertą urządzeń do badań mechanicznych.

Zespół Technolutions

 

Referencje

  1. A. C. Fischer-Cripps: Nanoindentation. Springer Verlag, p. 198
  2. ASTM E 2546 – 07 Standard Practice for Instrumented Indentation Testing.
  3. ISO 14577 Metallic materials – Instrumented indentation test for hardness and material parameters.
  4. E. Lopez, F. Beltzung, G. Zambelli: Measurement of cohesion and adhesion strengths in alumina coatings produced by plasma spraying. Journal of Materials Science Letters 8, (1989) 346-348.
  5. L.-M. Berger, R. Zieris, S. Saaro: Oxidation of HVOF-sprayed hardmetal coatings. Conf. Proc. Int. Thermal Spray Conference ITSC 2005, 2-4 May 2005 Basel, Switzerland. DVS-Verlag 2005, CD (ISBN 3-87155-793-5), pp. 969-976.