Wprowadzenie

Powłoki natryskiwane cieplnie były stosowane od wielu lat do zmniejszania zużycia, korozji i ochrony termicznej w różnych dziedzinach przemysłu. Powłoki te są rutynowo stosowane w turbinach elektrowni, silnikach lotniczych, przemyśle papierniczym oraz w wielu innych zastosowaniach, w których występują nadmierne zużycie lub uszkodzenie 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 uzyskania z powodu niejednorodności powłoki.

1

Obecnie stosowane metody głównie w skali makro do pomiaru właściwości mechanicznych, to czteropunktowe zginanie lub mikrotwardość przy stosunkowo dużych obciążeniach. Takie metody pozwalają uzyskać wynik uśredniony właściwości 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. Nie tylko oceny przyczepności powłoki przy użyciu tej metody jest bardzo trudne, lecz jest ona także ograniczona przez wytrzymałość na rozciąganie kleju lub lutu.

Projekt badawczy przedstawiony tutaj zajmuje się nowymi metodami badań właściwości mechanicznych powłok natryskowych cieplnie poprzez badania twardości instrumentalnej i testy zarysowania.

Powłoki natryskiwane cieplnie: materiały niejednorodne

Podczas badania powłok natryskiwanych cieplnie wielkość ziarna jest ważnym czynnikiem dla określenia parametrów pomiaru. Przy bardzo małych obciążeniach rzędu kilku milinewtonów właściwości poszczególnych ziaren można zmierzyć podczas zwiększania nacisku, wtedy większa część jest zaangażowana, dzięki czemu ujawniają się „kompozytowe” wartości właściwości mechanicznych. Wartość ta pomija heterogeniczności materiału. Jednak, aby lepiej zrozumieć związek między parametrami osadzania i funkcjonalności, właściwości materiału w różnych skalach muszą być znane. Pomiar tych właściwości jest możliwy tylko przy użyciu twardości instrumentalnej i zaawansowanych automatycznych pomiarów matrycy.

Ponadto, dzięki ciągłej rejestracji siły i głębokości wgniecenia możliwe jest obliczenie wielu innych ważnych właściwości materiału (oprócz twardości), takich jak moduł sprężystości oraz wkładu pracy elastycznej i plastycznej. Pozwala to na lepsze zrozumienie sprężysto-plastycznego zachowania powłoki, która może być ściśle związana z jej zużyciem i odpornością na uszkodzenia.

Twardość instrumentalna powłok natryskiwanych cielnie

Urządzenia do pomiaru twardości Anton Paar umożliwiają pomiar w różnych zakresach:

  • 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, chociaż konwencjonalna twardość Vickersa może zostać obliczona na podstawie resztkowej głębokości wgłębienia, oraz dostarcza innych bardzo użytecznych informacji, takich jak moduł sprężystości i informacji dotyczących pełzania.

Pomiar kohezji i adhezji wykorzystując testy zarysowania

Ostatnio dokonano prób określenia adhezji powłok natryskiwanych cieplnie za pomocą próby zarysowania w taki sam sposób jak w przypadku cienkich warstw, tj. test pod wzrastającym obciążeniem. Jednakże, ze względu na grubość i znacznie wyższą chropowatości powierzchni powłok natryskiwanych cieplnie metoda ta okazała się niewystarczająca.

Zaproponowany został tutaj sposób, który polega na prowadzeniu ciągłego testu zarysowania przy obciążeniu przekroju powłoki. Metoda ta została po raz pierwszy zaproponowana przez Lopez et al. [4]. Próbką jest przekrój poprzeczny, zatopiony w żywicy, a następnie szlifowany. Zarysowanie odbywa się pod stałym obciążeniem i wgłębnik porusza się od podłoża przez powłokę do żywicy w której próbka jest osadzona- rysunek poniżej. Badanie powtarza się przy kilku obciążeniach. Na ogół obserwuje się dwa rodzaje wyników. Gdy zarysowanie powstaje w powłoce można określić kohezję, natomiast gdy powstaje na granicy można określić adhezję.

2

Próbka

Próbki stosowane w tym badaniu były napylane WC-17% Co, Cr3C2-25% NiCr i specjalnie opracowywane (Ti, Mo) (C, N) -39% NiCo. Powłoki będą dalej określane jako WC-Co, Cr3C2-NiCr i (Ti, Mo)(C, N)-NiCo.

Proszek (Ti, Mo)(C, N) -39% NiCo został opracowany specjalnie przez H.C. Stark GmbH (Goslar, Niemcy), do wykorzystania w zastosowaniach ślizgowych i testowany przez L-M Berger [5]. Wszystkie próbki zostały spryskane przy wcześniej zoptymalizowanych parametrach przy użyciu Praxair JP- 5000 system HVOF w Skoda Research Ltd. w Pilznie, Czechy. Grubość powłoki zmieniała się od 300 µm do 500 µm. Wszystkie próbki w przekroju, osadzono w żywicy LECO (nr 811-563-101) i metalurgicznie polerowane. Mikrostruktura dla wszystkich powłok składa się z ziaren o wymiarach kilku mikrometrów (WC-17%Co) ok. dziesięć mikrometrów (Cr3C2-NiCr) i mniej niż trzy mikrometry ((Ti, Mo)(C, N) -NiCo) rozproszoną w osnowie.

Procedura pomiaru twardości i wyniki

Pomiar twardości interumentalnej przeprowadzono używając NHT (nanotwardościomierz) Anton Paar przy czterech obciążeniach 2 mN, 20 mN, 100 mN i 200 mN. Natomiast pomiary przy użyciu Mikrotwardościomierza (MHT) Anton Paar przeprowadzono pomiary z obciążeniami od 0,05 N do 30 N. Oba urządzenia wykorzystują metodę instrumentalnej twardości. Wszystkie pomiary przeprowadzono w przekroju powłoki. Czas obciążania i odciążania wynosił 30 sekund bez przerwy. Dokładne pozycje pomiarów ustalono wykorzystując „Visual advanced matrix”, który umożliwia precyzyjny wybór miejsca za pomocą zintegrowanego mikroskopu optycznego. Pomiary odbywają się automatycznie na tych miejscach. Obszary na wszystkich badanych powłokach zostały wybrane tak, aby były one jak najbardziej jednorodne, to znaczy bez widocznych porów i granic ziaren. Taki pomiar wykonano przy każdym z czterech wybranych obciążeń, aby zwiększyć wiarygodność statystyczną wyników. Wartości skrajne (różniące się znacznie od pozostałych) spowodowane obecnością porów i niejednorodności zostały odrzucone.

3

Wyniki pomiarów twardości przedstawiono poniżej, wyraźnie pokazują one spadek wraz ze wzrostem maksymalnej siły. Ta tendencja może być wyjaśniona na podstawie ilości materiału poddawanego procesowi. Przy małych obciążeniach, objętość zaangażowana we wgłębieniu (w odniesieniu do maksymalnej głębokości hmax) odpowiada wielkości pojedynczych ziaren które składają się z węglików lub metali ciężkich. Wraz ze wzrostem siły objętości materiału pod wpływem wzrostu siły obejmuje również bardziej miękką osnową metaliczną. Prowadzi to do obserwowanego zmniejszenia twardości ze wzrastającą siłą wgniecenia. Nietypowego zachowania (Ti, Mo)(C, N)-  NiCo nie można wyjaśnić, chociaż zakłada się, że jest to spowodowane obecnością bardzo mały rozmiar cząstek twardych w tej powłoce. Wzrost twardości przy obciążeniu 20 mN jest najprawdopodobniej wynikiem przesuwania twardych cząstek w kierunku bardziej miękkiej osnowy.

4 5

Jednocześnie wraz z twardością obliczono wartości modułu sprężystości stosując współczynnik Poissona 0,3. Wyniki przedstawione są poniżej. Należy zauważyć, że w przeciwieństwie do twardość, moduł sprężystości utrzymywał się na stałym poziomie dla wszystkich powłok, niezależnie od maksymalnej siły. Nieznaczny spadek modułu sprężystości zaobserwowano przy wyższych obciążeniach (1 N do 10 N).

6

Praca indentacji ηIT

Bardzo ważną cechą materiału jest stosunek pracy elastycznej do pracy ogólnej ηIT. Ten parametr (zdefiniowany przez normę ISO 14577) charakteryzuje również właściwości sprężysto-plastyczne materiału. W przypadku powłok natryskiwanych cieplnie wartość ηIT zmienia się znacznie w zależności od objętości materiału zaangażowanych w pomiar. Przy niewielkich obciążeniach pole deformacji rozciąga się tylko do pojedynczych ziaren. Pomiary te wykazują bardzo dużą elastyczność w porównaniu do powłoki jako całości: wartość ηIT dla wszystkich trzech badanych powłok była znacznie wyższa przy niższych obciążeniach i stopniowo zmniejszyła się wraz ze wzrostem obciążenia. Pomiary przy niskich obciążeniach w stosunkowo jednorodnej mikrostrukturze pojedynczego ziarna składającego się z węglików skutkują wysokim stosunkiem pracy elastycznej do całkowitej pracy. Przy wyższych obciążeniach (powyżej 100 mN) rośnie udział odkształcenia plastycznego w osnowie metalicznej i powstawanie pęknięć międzykrystalicznych prowadzi do rozpraszania energii co znajduje odzwierciedlenie w dolnej frakcji elastycznej pracy. Co ciekawe, wartość ηIT była bardzo podobna dla wszystkich trzech badanych powłok przy obciążeniach powyżej 1 N. Przy najniższym obciążeniu, powłoki WC-Co i Cr3C2-NiCr wykazały podobną wartość ηIT natomiast (Ti, Mo)(C, N)-NiCo pokazała wartość ηIT około 13% niższą. Wartości ηIT mogą być stosowane do oceny zdolności materiału do przeciwstawiania się zużyciu lub uszkodzeniu, ponieważ charakteryzuje ona sprężysto-plastyczne odpowiedzi materiału na obciążenia zewnętrzne.

7

Test zarysowania- procedura i wyniki

Badania przeprowadzono przy użyciu testera Anton Paar REVETEST z zakresem obciążenia od 1 N do 200 N. Testy przeprowadzono na przekroju poprzecznym próbki osadzonej w żywicy LECO. Testy scratch zostały wykonane z wykorzystaniem automatycznej mapy ze stałym obciążeniem 5 N, 29 N, 52 N, 76 N i 100 N. Długość wynosiła 1,2 mm, prędkości 2,4 mm/min, stosowano włębnik Rockwella C diamentowy o promieniu 200 µm (we wszystkich badaniach).

Wyniki pokazują, że głębokość rysy rośnie wraz ze wzrostem obciążenia zarysowania. Wzrost ten był prawie liniowy dla próbek WC-17Co i Cr3C2-NiCr natomiast dla próbki (Ti, Mo)(C, N) –NiCo wykazał bardziej paraboliczny trend. Wskazuje to na istnienie innego mechanizmu uszkodzenia z (Ti, Mo)(C, N) -NiCo przy dużych obciążeniach w porównaniu z powłoką Cr3C2-NiCr: dla obu powłok głębokość rysy była bardzo podobna przy obciążeniach do 50 N. Przy wyższych obciążeniach szkody w (Ti, Mo)(C, N) -NiCo były większe niż w przypadku innych badanych powłok.

Wszystkie pęknięcia pochodziły z powłoki, tym samym potwierdzając, że testy umożliwiają charakteryzację spójności powłok. Spójność powłoki jest ściśle związana z jej zużyciem i ścieraniem.

Wnioski

Przedstawione wyniki przedstawiają nowe zastosowania oprzyrządowania do indentacji i zarysowania w badaniach mikroskopowych i makroskopowych właściwości warstw natryskiwanych cieplnie. Te metody dają nowy wgląd w zrozumienie właściwości mechanicznych w skali mikro i nano. Zmiany obserwowanych wyników twardości potwierdzają, że przy bardzo niskich obciążeniach mierzone są właściwości pojedynczych ziaren, natomiast wraz ze wzrostem obciążenia obserwowano wpływ bardziej miękkiej i ciągliwej osnowy metalu.

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

Stałe obciążenie podczas testów zarysowania przekroju poprzecznego jest bardzo intuicyjnym, szybkim i skutecznym sposobem charakterystyki spójności, a w niektórych przypadkach, przyczepność powłoki.

Zaprasszamy 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.