PN 09-160111 – Dezvoltarea de tehnici şi tehnologii moderne de pulverizare termică

 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 moderne de pulverizare termică.” 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  

 

PN 09-160111 – Dezvoltarea de tehnici şi tehnologii moderne de pulverizare termică

 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 

  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.  

Compoziția chimică [%] ‐ 

C  Si (max)  Mn (max) 

P (max)  S (max)  Cr (max)  Mo (max) 

Ni (max)  Cr+Mo+Ni 

0,42‐0,50 

0,40  0,5‐0,8  0,045  0,045  0,40  0,10  0,40  0,63 

 

Fig. 2. Aprelucra

 funcționprobelo

 

PN mo

Aspectul maarea mecani

Capitolul  senale  cu  pulbr după parte

09-1601oderne de

terialului sucă de degroş

e  continuă  cberile  mențioea experimen

Fig

11 – Deze pulveri

bstrat – în paşare a supraf

după pcu  prezentaronate,  punântală de dep

. 3. Aspectul

zvoltareaizare term

artea stângăfeței iar în paprocesul de srea  programându‐se  acceunere este p

 probelor pu

a de tehnmică

ă  materialul artea dreaptsablare 

mului  experiment  pe  analprezentat în f

ulverizate ter

nici şi teh

substrat pretă se observă

mental  de  diza  depunerfigura 3. 

rmic 

hnologii

 ezintă aspectă aspectul su

depunere  derii  de  Ti99. 

 

 

 

 

 

ul după uprafeței 

e  straturi Aspectul 

 

PN 09-160111 – Dezvoltarea de tehnici şi tehnologii moderne de pulverizare termică

   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. 

 

Imaginede  tipulacest lucinterfața 

 

PN mo

F

Fig. 6. Aa SEM a stra  fisurilor.  Stcru datorânda strat ‐ subsAspectul mic

09-1601oderne de

ig. 5. Analiza

Analiza SEM atului depus,traturile  sundu‐se vitezelstrat se constcroscopic al 

11 – Deze pulveri

a SEM a strat

în secțiune a, arată că sut  dense,  comlor ridicate atată că nu apstraturilor d

zvoltareaizare term

tului de titan

a stratului deprafața acesmpacte,  fiinale jetului depar defecte depuse pentr

a de tehnmică

n depus prin 

e titan depusstuia este uşod  formate  de gaz din timde tipul fisuru celelalte p

nici şi teh

metoda HVO

s prin metodor rugoasă şdin  particulepul pulverizăilor sau micrulberi este p

hnologii

 OF 

 da HVOF i nu prezintăe  de  formă  lării. De asemrofisurilor. prezentat în f

ă defecte amelară, menea, la 

figura 7. 

 

PN 09-160111 – Dezvoltarea de tehnici şi tehnologii moderne de pulverizare termică

 

 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. 

 În figuraexecută

În figuraexecută

FigExaminametoda adaptat nivelele adaos, svalori algazele: 5detectordetector

 

PN mo

a 8, afişajul prii probelor d

Fig.8. Poa 9, afişajul prii probelor d

g.9.Indicația area emisiilodirectă, predupă  standde  concent

sunt următoe concentraț5 % CO2; 0 pr)  este  deprului multipl

09-1601oderne de

pompei de prde pulverizar

ompa de prepompei de prde pulverizar

volumului dor de gaze  tozentată în figdardul  ISO  1trație ale gazarele: 0,11‐0ției se situeappm H2; 30 păşită  în  cazu de gaze. 

11 – Deze pulveri

relevare indire. 

elevarea partrelevare indire. 

e aer prelevoxice  la pulvgura 10, în t10882‐2.  În  fzelor emise,0,12 % CO2;ază sub limiteppm CO. În zul  dioxidul

zvoltareaizare term

că valoarea v

ticulelor ampcă valoarea v

at, la terminverizarea  terimpul execufazele  stabil determinat; 0,5‐1,2 ppmele de expunschimb,  limui  de  azot. 

a de tehnmică

volumului de

plasată sub hvolumului de

area executămică a  fost tării probeloizate  ale  prote  la 2,5 m dm NO2; 0‐1 nere (8 ore pita de atențÎn  această

nici şi teh

e aer preleva

 hotă. Volumue aer preleva

 ării probelorefectuată  laor de pulveriocesului  de de  jetul de gppm H2; 10pe zi, 5 zile peie de 0,5 ppă  situație,  e

hnologii

at, la început

ul inițial. at, la termina

r de pulverizaa  ISIM Timişozare tremicăpulverizare gaze  cu pulb0‐23 ppm COe săptămânăm NO2   (preeste  activată

tul 

area 

are oara prin ă, în mod termică, berea de O. Aceste ă) pentru escrisă  la ă  alarma 

 

PN 09-160111 – Dezvoltarea de tehnici şi tehnologii moderne de pulverizare termică

 

 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.