rezumatul tezei de doctorat · criterii de clasificare a turbinelor hidraulice 32 1.5.2....
TRANSCRIPT
Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi
Facultatea de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor
REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT
CERCETĂRI PRIVIND REZISTENȚA LA UZURĂ HIDROABRAZIVĂ A
STRATURILOR SUBŢIRI DEPUSE PE OȚELURI INOXIDABILE
SPECIALE
Conducător științific:
Prof.univ.dr.ing. Petrică VIZUREANU
Doctorand:
Ing. Cătălin-Andrei ȚUGUI
Iaşi, 2016
Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi
Facultatea de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor
REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT
CERCETĂRI PRIVIND REZISTENȚA LA UZURĂ HIDROABRAZIVĂ A
STRATURILOR SUBŢIRI DEPUSE PE OȚELURI INOXIDABILE
SPECIALE
Conducător științific:
Prof.univ.dr.ing. Petrică VIZUREANU
Doctorand:
Ing. Cătălin-Andrei ȚUGUI
Iaşi, 2016
Mulţumiri
Deosebită recunoștință datorez domnului prof. univ. dr. ing. Petrică VIZUREANU,
conducătorul științific al tezei de doctorat, căruia îi aduc pe acestă cale, cele mai sincere
mulțumiri pentru îndrumarea științifică și metodologică a domniei sale, răbdarea, tactul și
sprijinul acordat pe tot parcursul elaborării prezentei lucrări.
Mulțumesc în mod special membrilor comisiei de doctorat pentru bunăvoința de a-mi
analiza și aprecia conținutul tezei de doctorat și din partea cărora am beneficiat de recomandări
profesionale și anume prof. univ. dr. ing. Cristian Predescu, prof. univ. dr. ing. Daniel
Munteanu și prof. univ. dr. ing. Corneliu Munteanu.
Mulţumesc domnului conf. univ. dr. ing. Iulian Ioniţǎ, care, în calitatea domniei sale de
Decan al Facultǎţii de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor și doamnei director a Școlii Doctorale a
Facultății de Știința și Ingineria Materialelor, prof. univ. dr. ing. Alina Adriana Minea, care au
depus eforturi deosebite în activitatea administrativǎ, cât şi în rezolvarea aspectelor economice.
Mulţumiri deosebite adresez comisiei de îndrumare pentru presusținere, domnului prof.
univ. dr. ing. Dan - Gelu Gălușcă, domnișoarei şef lucr. univ. dr. ing. Carmen Nejneru şi
domnișoarei şef lucr. univ. dr. ing. Manuela-Cristina Perju, pentru sprijinul acordat la
realizarea tezei.
Adresez alese mulțumiri și domnului prof. dr. ing. Ion Hopulele pentru sfaturile
practice și numeroasele consultări legate de realizarea instalației de hidroabraziune.
De asemenea, doresc să mulţumesc domnilor: conf. univ. dr. ing. Nicanor Cimpoeşu,
C.S. I dr. fiz. Mihail-Liviu Craus, şef lucr. univ. dr. ing. Dragoş-Cristian Achiţei, şef lucr.
univ. dr. ing. Mihai Axinte, şef lucr. univ. dr. ing. Marcelin Benchea, asist. univ. dr. ing.
Bogdan Istrate și conf. univ. dr. ing. Daniel Mareci atât pentru disponibilitate, cât şi pentru
sprijinul oferit la realizarea experimentelor şi investigaţiilor de material.
Adresez mulţumiri colectivului din cadrul laboratorului de Control Tehnic Nedistructiv, al
Institutul Național de Cercetare - Dezvoltare pentru Fizică Tehnică - IFT Iaşi, în special doamnei C.S
II dr. fiz. Adriana Savin.
Doresc să mulțumesc domnului şef lucr. univ. dr. ing. Andrei Victor Sandu, doamnei
asist. univ. dr. ing. Mirabela Georgiana Minciună, doamnei asist. univ. drd. ing. Mădălina
Simona Bălțatu, doamnei asist. univ. dr. ing. Ramona Cimpoeșu, doamnei şef lucr.univ. dr. ing.
Daniela Lucia Chicet și domnului şef lucr. univ. dr. ing. Bogdan Pricop pentru susţinerea şi
prietenia de care au dat dovadă.
De asemenea, dar nu în ultimul rând mulţumesc familiei mele și viitoarei mele soții care
m-au sprijinit pe toată perioada derulării stagiului de doctorat.
Autorul
CUPRINS
INTRODUCERE 11 1
CAPITOLUL 1
STADIUL ACTUAL AL UZURII HIDROABRAZIVE A
STRATURILOR SUBȚIRI DEPUSE PE OȚELURI
INOXIDABILE SPECIALE
22 1
1.1. NOȚIUNI GENERALE 22 1
1.2. METODE DE DEPUNERE A STRATURILOR SUBŢIRI 22 1
1.2.1. Metode fizice de depunere din vapori 23
1.2.1.1. Depunerea fizică prin pulsații laser 23
1.2.1.2. Metoda evaporării termice și condensării din stare de vapori 24
1.2.2. Metode chimice de depunere din vapori 24
1.2.2.1. Depunere chimică din vapori la temperaturi ridicate 24
1.2.2.2. Depunere chimică cu vapori organo - metalici 25
1.2.3. Metode de metalizare prin pulverizare termică folosind
electricitatea ca sursă de energie 26 2
1.2.3.1. Depunerea prin pulverizare termică în jet de plasmă (PTJP) 26 2
1.2.3.2. Depunerea prin metoda electrodului vibrator (EV) 27 2
1.3. REALIZAREA ANSAMBLULUI MATERIAL DE BAZĂ -
MATERIAL DE DEPUNERE 27
1.3.1. Materialul de bază 27
1.3.2. Materiale utilizate la depunerea straturilor subțiri 29
1.3.2.1. Wolframul și aliajelor sale 29
1.3.2.2. Nichelul și aliajelor sale 29
1.4. FLUIDE UTILIZATE LA TESTELE DE UZURĂ
HIDROABRAZIVĂ 30 2
1.5. TURBINELE HIDRAULICE 31 2
1.5.1. Criterii de clasificare a turbinelor hidraulice 32
1.5.2. Construcția turbinelor hidraulice 34
1.6. UZURA HIDROABRAZIVĂ A PALETELOR TURBINELOR
HIDRAULICE 36 2
1.6.1. Noțiuni generale 36 2
1.6.2. Uzura hidroabrazivă a turbinelor Pelton 38 2
1.6.2.1. Sistemul duză (ac-inel) al turbinei Pelton 38
1.6.2.2. Rotorul turbinei Pelton 38
1.6.3. Uzura hidroabrazivă a turbinelor Francis 40 3
1.6.3.1. Sistemul de admisie al turbinei Francis 41 3
1.6.3.2. Sistemul paletelor de ghidare al turbinei Francis 42 3
1.6.3.3. Rotorul turbinei Francis 43
CONCLUZII 44
CAPITOLUL 2
OBIECTIVELE, PROGRAMUL ȘI METODOLOGIA
CERCETĂRILOR EXPERIMENTALE
45 4
2.1. OBIECTIVELE ȘI PROGRAMUL CERCETĂRILOR
EXPERIMENTALE
45 4
2.2. METODOLOGIA CERCETĂRII EXPERIMENTALE 48 6
2.3. METODE ȘI APARATURĂ 49 7
2.3.1. Metode şi instalații de depunere a straturilor subțiri 49 7
2.3.1.1. Metoda şi instalația de depunere prin pulverizare termică în jet de
plasmă (PTJP) 49 7
2.3.1.2. Metoda şi instalația de depunere cu electrod vibrator (EV) 50 7
2.3.2. Echipamente pentru pregătirea probelor în vederea realizării
investigaţiilor metalografice 51 7
2.3.3. Metode şi echipamente utilizate pentru analize structurale 52 8
2.3.4. Metode şi echipamente utilizate pentru determinarea
caracteristicilor mecanice 53 8
2.3.5. Metode şi echipamente utilizate pentru determinarea
caracteristicilor chimice 54 9
CAPITOLUL 3
CARACTERIZAREA MATERIALELOR DE BAZĂ, DE
DEPUNERE ȘI A FLUIDULUI UTILIZAT LA TESTELE
DE HIDROABRAZIUNE. METODE DE DEPUNERE
57 9
3.1. CARACTERIZAREA MATERIALULUI DE BAZĂ 57 9
3.2. CARACTERIZAREA MATERIALELOR DE DEPUNERE 58 10
3.2.1.Caracterizarea pulberilor 59 10
3.2.2. Caracterizarea electrozilor 60 11
3.3. ANALIZA FLUIDULUI UTILIZAT LA TESTELE DE UZURĂ
HIDROABRAZIVĂ 62 11
3.4. OBȚINEREA STRATURILOR SUBȚIRI PRIN DEPUNERE
PE MATERIALUL DE BAZĂ 63 12
3.4.1. Alegerea parametrilor de depunerea straturilor subţiri prin
metoda pulverizării termice în jet de plasmă 63 12
3.4.2 Alegerea parametrilor de depunerea straturilor subţiri prin metoda
electrodului vibrator 63 12
CONCLUZII 66
CAPITOLUL 4
CARACTERIZAREA STRATURILOR SUBŢIRI DEPUSE ÎN
VEDEREA ÎMBUNĂTĂŢIRII REZISTENŢEI LA
HIDROABRAZIUNE
68 12
4.1. ANALIZA STRUCTURALĂ A SUPRAFEŢEI MATERIALULUI
DE BAZĂ ȘI A STRATURILOR SUBȚIRI DEPUSE 68 12
4.1.1. Analiza suprafeţei materialului de bază și a straturilor subțiri
depuse utilizând microscopul electronic cu baleiaj 68 12
4.1.1.1. Analiza SEM a probelor martor 68 12
4.1.1.2. Analiza SEM a probelor depuse cu pulberi pe bază de WC prin
metoda PTJP 71 13
4.1.1.3. Analiza SEM a probelor depuse cu pulberi pe bază de Ni prin
metoda PTJP 72 14
4.1.1.4. Analiza SEM a probelor depuse cu electrozi pe bază de WC prin
metoda EV 75 14
4.1.1.5. Analiza SEM a probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni prin
metoda EV 77 15
4.1.1.6. Analiza SEM a morfologiei stratului depus prin metoda EV 80
4.1.2. Analiza grosimii straturilor depuse 82
4.1.2.1. Analiza grosimii de strat a probelor depuse cu pulberi pe bază de
WC prin metoda PTJP 82
4.1.2.2. Analiza grosimii de strat a probelor depuse cu pulberi pe bază
de Ni prin metoda PTJP 83
4.1.2.3. Analiza grosimii de strat a probelor depuse cu electrozi pe
bază de WC prin metoda EV 84
4.1.2.4. Analiza grosimii de strat a probelor depuse cu electrozi pe
bază de Ni prin metoda EV 86
4.1.3. Examinarea electromagnetică cu ajutorul curenților turbionari 87 16
4.1.4. Determinarea rugozităţii suprafeţei 89 17
4.2. DETERMINAREA CARACTERISTICILOR MECANICE 93 18
4.2.1. Determinarea caracteristicilor de microduritate ale
substratului și ale straturilor depuse 93 18
4.2.2. Analiza prin microamprentare a probelor martor și a probelor
depuse 95 18
4.2.2.1. Analiza prin microamprentare pentru probele martor 96
4.2.2.2. Analiza prin microamprentare pentru probele depuse cu pulberi
pe bază de WC prin metoda PTJP 97
4.2.2.3. Analiza prin microamprentare pentru probele depuse cu pulberi
pe bază de Ni prin metoda PTJP 98
4.2.2.4. Analiza prin microamprentare pentru probele depuse cu
electrozi pe bază de WC prin metoda EV 99
4.2.2.5. Analiza prin microamprentare pentru probele depuse cu
electrozi pe bază de Ni prin metoda EV 100
4.2.3. Determinarea aderenţei straturilor depuse 102 19
4.2.3.1. Analiza de aderență a probelor depuse cu pulberi pe bază de WC
prin metoda PTJP 102
4.2.3.2. Analiza de aderență a probelor depuse cu pulberi pe bază de Ni
prin metoda PTJP 104
4.2.3.3. Analiza de aderenţă a probelor depuse cu electrozi pe bază de WC
prin metoda EV 105
4.2.3.4. Analiza de aderenţă a probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni
prin metoda EV
107 19
4.3. DETERMINAREA CARACTERISTICILOR CHIMICE 108
4.3.1. Obținerea compoziției de fază prin difracție de razații X 108
4.3.1.1. Analiza XRD a probelor martor 108
4.3.1.2. Analiza XRD a probelor depuse cu pulberi pe bază de WC prin
metoda PTJP 109
4.3.1.3. Analiza XRD a probelor depuse cu pulbere pe bază de Ni prin
metoda PTJP 110
4.3.1.4. Analiza XRD a probelor depuse cu electrozi pe bază de WC prin
metoda EV 110
4.3.1.5. Analiza XRD a probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni prin
metoda EV 111
4.3.2. Teste de electrocoroziune a probelor martor și a
probelor depuse 112 20
CONCLUZII 117
CAPITOLUL 5
INSTALAŢIE UTILIZATĂ PENTRU STUDIUL UZURII
HIDROABRAZIVE
119 23
5.1. CONCEPERE 120 23
5.2. PROIECTARE 121 25
5.3. REALIZARE 125 27
5.4. TESTARE 129 30
CONCLUZII 130
CAPITOLUL 6
UZURA HIDROABRAZIVĂ 131 30
6.1. TESTELE DE UZURĂ HIDROABRAZIVĂ 131 30
6.2. ANALIZA SEM A PROBELOR TESTATE LA UZURĂ
HIDROABRAZIVĂ TIMP DE 500 DE ORE 140 39
6.2.1. Analiza SEM a probelor martor 140
6.2.2. Analiza SEM a probelor depuse prin metoda PTJP 141
6.2.2.1. Analiza SEM a probelor depuse cu pulberi pe bază de WC prin
metoda PTJP 141
6.2.2.2. Analiza SEM a probelor depuse cu pulberi pe bază de Ni prin
metoda PTJP 141
6.2.3. 6.2.3. Analiza SEM a probelor depuse prin metoda EV 144
6.2.3.1. Analiza SEM a probelor depuse cu electrozi pe bază de WC prin
metoda EV 144
6.2.3.2. Analiza SEM a probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni prin
metoda EV 145 40
CONCLUZII 147
CONCLUZII FINALE, CONTRIBUȚII PERSONALE,
PERSPECTIVE DE CERCETARE 148 41
CONCLUZII FINALE 148 41
CONTRIBUȚII PERSONALE 150 43
PERSPECTIVE DE CERCETARE 152 44
BIBLIOGRAFIE 153 44
ANEXĂ 161
LISTĂ LUCRĂRI 162 46
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
1
INTRODUCERE
Noile exigențe tehnice impuse de dezvoltarea tehnologică rapidă trebuie să constituie
găsirea unor soluții care să satisfacă aceste cerințe funcționale ale noilor echipamente,
ansamble și subansamble. Obținerea prin diverse soluții tehnice a unor materiale noi este o
provocare continuă pentru cercetare și industrie.
În acest context, teza de doctorat propune soluții pentru creșterea eficienței de
funcționare a turbinelor hidraulice prin implementarea de tehnologii noi pentru îmbunătățirea
caracteristicilor de material care să permită funcționarea turbinei la parametrii optimi.
În prezent, la fabricarea paletelor turbinelor hidraulice se folosește ca și material de
baza un oțel care face parte din clasa oțelurilor inoxidabile speciale care are o slabă rezistență
la uzură hidroabrazivă, ceea ce duce la scoaterea din uz a elementelor dinamice, în cazul
acesta a paletelor turbinelor hidraulice, după un anumit ciclu de funcționare.
Programul experimental asociat prezentei teze a presupus depunerea unor straturi
subțiri, aderente - dure, pe substratul de oțel (GX3CrNi134) pentru a mări randamentul de
funcționare și pentru creșterea rezistenței la hidroabraziune a paletelor, fără a scădea
rezistența la coroziune
Depunerile s-au realizat prin două metode, respectiv pulverizare termică în jet de
plasmă (PTJP) şi electrod vibrator (EV). Prin aceste metode s-au realizat / depus straturi
subţiri cu pulberi / electrozi pe bază de wolfram, care au în componență carbon şi cobalt și pe
bază de nichel, care au în compoziție crom şi bor.
Practica a arătat că uzura hidroabrazivă este un proces foarte complex, evidenţiindu-se
că în unele cazuri acțiunea comună a fluidului şi a particulelor abrazive în procesul de uzură
este mult mai mare decât în cazul în care acestea ar acționa separat.
În aceste condiții, se poate evidenția obiectivul general (cadru) al tezei de doctorat,
respectiv la creșterea fiabilității turbinelor prin modificarea suprafeței materialului paletelor, cu
scopul îmbunătățirii proprietăților tribologice și a menținerii rezistenței la coroziune și
a tenacității.
CAPITOLUL 1
STADIUL ACTUAL AL UZURII HIDROABRAZIVE A
STRATURILOR SUBȚIRI DEPUSE PE OȚELURI
INOXIDABILE SPECIALE
1.1. NOȚIUNI GENERALE
Proprietățile materialelor metalice pot fi îmbunătățite prin mai multe
metode: tratamente superficiale (termice, termochimice, mecanice, de conversie) și
depuneri de straturi (fizice, chimice și prin metalizare).
1.2. METODE DE DEPUNERE A STRATURILOR SUBŢIRI
Depunerile de straturi subțiri se realizează prin metode fizice, chimice și prin metalizare:
Metode de metalizare prin pulverizare termică folosind electricitatea ca
sursă de energie:
metoda depunerii prin Pulverizare Termică în Jet de Plasmă (PTJP);
metoda depunerii cu Electrod Vibrator (EV).
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
2
1.2.3. Metode de metalizare prin pulverizare termică folosind
electricitatea ca sursă de energie
Procesul de metalizare constă în topirea materialului de aport (sârmă sau pulberi
metalice), fuzionarea materialului provenit din pulberi metalice şi pulverizarea şi
proiectarea particulelor topite (Q. Yong et al., 2015).
1.2.3.1. Depunerea prin pulverizare termică în jet de plasmă (PTJP)
Metoda de pulverizare termică în jet de plasmă sebazează pe pulverizarea unei
pulberi(ceramice, metalice etc.) topit / depus pe un suport (material de bază) pentru a
obține straturi subțiri (R. Gadow et al., 2015).
1.2.3.2. Depunerea prin metoda electrodului vibrator (EV)
Metoda EV se bazează pe fenomenul de electroeroziune şi transferul polar al
materialului anodului (electrodului) la catod (piesa metalică) în timpul descărcării electrice
în impulsuri între anod şi catod (T. Cilento et al., 2010).
1.4. FLUIDE UTILIZATE LA TESTELE DE UZURĂ
HIDROABRAZIVĂ
Fluidele caracterizate prin omogenitate şi izotropie pot fi întâlnite în natură sub
formă de apă, iar în industrie sub forma unor lichide de înaltă puritate obținute prin
procedee chimice. Fluidele au proprietăți diferite de curgere şi manifestări diferite la
interacţiunea cu solidele.
1.5. TURBINELE HIDRAULICE
Mașinile care transformă energia hidro-pneumatică în energie mecanică se numesc maşini
de forță sau motoare, cele mai importante fiind turbinele (Y.P.Weijia et al., 2016).
Toate turbinele transformă energia hidraulică în energie mecanică, dar după direcția
admisiei apei se deosebesc turbine cu admisia: tangențială (turbine Pelton); axială (turbine K,
SK, AB, AC, S); radială (turbine F lente); diagonală (turbine F normale și F sau KD rapide).
1.6. UZURA HIDROABRAZIVĂ A PALETELOR TURBINELOR
HIDRAULICE
1.6.1. Noțiuni generale
Uzura constă în modificarea progresivă a (dimensiunilor) unui subansamblu
mecanic, pe durata funcționării sistemului din care face parte.
Uzura hidroabrazivă sau hidroabraziunea se referă la acea uzură a detaliilor paletelor
turbinelor hidraulice, care are loc sub acțiunea comună a particulelor abrazive sau / și a
curentului de fluid ca purtător a acestora.
1.6.2. Uzura hidroabrazivă pe turbinele Pelton
Viteza mare și accelerația particulelor din instalație sunt principalele cauze care
produc uzura hidroabrazivă a acestora. Pentru a studia fenomenul de uzură
hidroabrazivă a turbinei Pelton, au fost alese două sisteme (sistemul duză și rotor),
deoarece aici se manifestă cel mai des acest fenomen.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
3
1.6.3. Uzura hidroabrazivă pe turbinele Francis
În general, turbinele Francis sunt proiectate pentru funcționarea la viteze mari. Capul
turbinei Francis este afectat de cele mai multe ori de efectele hidroabraziunii particulelor
abrazive. Brekke (H. Brekke, 2002) a clasificat componentele turbinei Francis în patru grupe,
în scopul de a studia fenomenul uzurii hidroabrazive. Acestea sunt: sistemul de admisie,
sistemul de palete de ghidare, rotorul și conducta de admisie cu garniturile de etanșare.
1.6.3.1. Sistemul de admisie al turbinei Francis
Sistemul de admisie al turbinei Francis este alcătuit din colector, duză, sistem bypass
și carcasă spiralată. Comparativ cu duza de intrare a turbinei Pelton, duza turbinei Francis
suportă o presiune cu 50 % mai mică în timpul închiderii din cauza presiunii create de
paletele rotorului. Prin urmare, supapa de admisie a turbinei Francis are o garnitură de
cauciuc care are o mai bună rezistență la uzură.
a) b)
Figura 1.18. Uzura hidroabrazivă a paletelor de turbină Francis de la centrala Cahua
(Peru): a) intrarea la paletele staționare; b) canale inelare tipice în apropiere de
marginile conductelor (H.P. Neopane et al., 2010).
1.6.3.2. Sistemul paletelor de ghidare al turbinei Francis
Sistemul paletelor de ghidare este extrem de afectat de fenomenul de uzură hidroabrazivă
din cauza vitezei absolute mari și a accelerării. Hidroabraziunea la paletele de ghidaj, provocată
de apa încărcată cu nisip, poate fi clasificată în următoarele (H. Brekke, 2002): hidroabraziunea
din zona de ieșire este provocată de viteza mare a nisipului fin; fluxul de hidroabraziune secundar
se întâlnește în spațiul dintre paletele de ghidaj și paletele staționare.
a) b)
Figura 1.19. Uzura hidroabrazivă a paletelor de ghidaj și a plăcilor observate la
Centrala electrică Cahua: a) palete erodate; b) vortexuri de tip potcoavă la plăcile cu
care se confruntă (H.P. Neopane et al., 2011).
Hidroabraziunea de pe paletele de ghidare ale turbinei poate fi redusă prin realizarea
unui jet de apă cu o viteză mai uniformă. Unghiul de evacuare al paletelor staționare ar trebui
să fie ales astfel încât paletele de ghidaj să fie în poziție neutră (H. Brekke, 2002).
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
4
CAPITOLUL 2
OBIECTIVELE, PROGRAMUL ȘI METODOLOGIA
CERCETĂRILOR EXPERIMENTALE
2.1. OBIECTIVELE ȘI PROGRAMUL CERCETĂRILOR
EXPERIMENTALE
În concordanță cu importanța temei de cercetare, obiectivul principal al
demersului științific îl constituie obținerea unor depuneri de straturi subțiri cu o aderență
bună care să contribuie la creșterea fiabilității / durabilităţii paletelor turbinelor hidraulice,
să reziste la acțiunea distructivă cauzată de hidroabraziune și să aibă o eficiență economică
ridicată.
Dacă în domeniul de cercetare al uzurii hidroabrazive literatura de specialitate
consemnează puţine lucrări (N. Agrawal, 2009 și K. Komvopoulos, 2008) situaţia în ceea
ce privește cercetarea uzurii hidroabrazive a straturilor subţiri este aproape inexistentă, atât
la nivel național, cât şi la nivel internațional.
Aplicabilitatea acestei teme reiese din faptul că odată cu punerea în practică a
rezultatelor obținute acestea vor avea ca efect creșterea fiabilității / durabilităţii paletelor
turbinelor hidraulice Francis.
Tabelul 2.1. Programul cercetărilor experimentale
1. Stadiul actual al cercetărilor
Realizarea stadiului actual al cercetărilor existente a permis analiza critică a rezultatelor
identificate în literatura de specialitate cu privire la uzura hidroabrazivă, a straturilor subțiri
depuse pe un material de bază şi a avut în vedere teme importante ale programului de
cercetare doctorală cum ar fi: hidroabraziunea, oțelurile inoxidabile speciale, metodele de
depunere, turbinele hidraulice și tipurile de straturi subțiri care pot fi depuse.
2. Alegerea şi analiza materialului de bază
Ca urmare a documentării bibliografice realizate a fost identificat ca material de bază
oţelul ferito - martensitic, GX3CrNi134 (DIN 1.6982), care face parte din clasa oţelurilor
inoxidabile speciale. Această clasă de oțeluri este folosită pentru realizarea valvelor de
aerisire ale motoarelor cu ardere internă şi a paletelor de turbină.
3. Pregătirea materialului de bază
Debitare
Debitarea materialului este necesară pentru obţinerea probelor care
vor fi utilizate ca material de bază pentru depuneri de straturi
subţiri, respectiv pentru investigații cu privire la structura şi
caracteristicile ansamblului strat - substrat.
Șlefuire
Procesul de șlefuire s-a realizat în vederea obţinerii unei suprafeţe
perfect plane, fără zgârieturi; proba a fost curăţată sub jet de apă
pentru a fi îndepărtate toate particulele care au aderat în timpul
operației de șlefuire la suprafaţa probei, pentru a se putea realiza
analizele metalografice.
Sablare
Sablarea s-a realizat cu scopul de a obține o rugozitate
corespunzătoare tipului de depunere (metoda PTJP), rezultând o
aderență cât mai bună între strat şi substrat.
4. Analize ale materialului de bază
Spectrometrie Cu ajutorul spectrometrului de masă s-a determinat
compoziția chimică.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
5
Microscopie optică
Analiza microscopică este necesară pentru a identifica tipul de
structură a materialului de bază, incluziunile metalice, mărimea şi
forma granulației.
Microscopie
electronică
Analizele prin microscopie electronică (SEM - Scanning Electron
Microscope) s-au efectuat pentru a analiza suprafața și
microstructura materialului de bază.
Rugozitate Rugozitatea a furnizat informaţii referitoare la topografia formei
suprafețelor reale pe întinderea lor prin intermediul profilogramei.
Microduritate
Măsurătorile de microduritate au oferit informaţii legate de
microduritatea materialului de bază, pentru ca ulterior aceste valori
ale durității să fie comparate cu valorile obținute la testarea
straturilor subțiri.
Coroziune
Determinarea coroziunii prin metoda electrochimică s-a realizat
prin analiza corelaţiei directe care există între curentul măsurat
între electrozi şi cantitatea de material de bază transferat în
mediul coroziv.
Difractrometrie cu
radiații X
Difracţia cu radiații X reprezintă o tehnică non-distructivă care s-a
utilizat pentru identificarea şi determinarea calitativă şi cantitativă
a compuşilor chimici metalici din materialul de bază.
Aderenţă
Prin testele de aderenţă s-a determinat forţele de frecare şi
coeficienţii de frecare statici şi dinamici la scară micro în mişcare
de rotaţie pentru diverse combinaţii de materiale.
Hidroabraziune
Testele de uzură hidroabrazivă pe materialul de bază s-au realizat în
scopul comparării uzurii materialului de bază și a materialelor
depuse cu straturi subțiri, pentru a vedea care rezistă mai bine la
hidroabraziune.
5. Alegerea materialelor de depunere
Pulberi / electrozi pe bază de WC sunt aliaje care au în componenţă wolfram, carbon şi cobalt.
Pulberi / electrozi pe bază de Ni sunt aliaje care au în compoziţie nichel, crom şi bor.
6. Alegerea metodelor de depunere
metoda de depunere prin pulverizare termică în jet de plasmă (PTJP);
metoda de depunere cu electrod vibrator (EV).
5. Parametrii tehnologici de depunere
Depunerile prin metoda EV cu electrozi compacţi se desfăşoară cu o tensiune cuprinsă
între 15 ÷ 220 V, cu o frecvenţă a vibraţiilor cuprinse între 50 ÷ 300 Hz, iar amplitudinea
vibraţiilor în timpul depunerii nu depăşeşte 0,2 ÷ 0,5 mm.
Principalii parametri tehnologici ai depunerii prin metoda PTJP, care influenţează
calitatea stratului depus, sunt: distanţa de pulverizare dintre pistolul de pulverizare şi
suprafaţa substratului, atmosfera de lucru și viteza liniară a jetului de plasmă.
6. Analiza stratului depus şi a interfeţei strat - substrat
Microscopie
Optică
Cu ajutorul microscopului optic s-a studiat calitatea suprafeţei
stratului depus (fisuri, defecte microscopice etc.).
Microscopie
electronică
Analiza SEM pe strat s-a realizat pentru a determina
microstructura, grosimea stratului depus, precum și aria picăturilor
formate pe suprafața depusă.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
6
Rugozitate Determinarea rugozității s-a realizat pentru a vedea cum
influențează aceasta uzura hidroabrazivă.
Microduritate Măsurătorile de microduritate se fac pentru a evidenţia influenţa
stratului depus asupra caracteristicilor stratului.
Coroziune
Testele de coroziune ale straturilor depuse folosite la depunerea
paletelor turbinelor hidraulice se realizează pentru a evidenţia
rezistenţa materialului depus la mediile corozive în care lucrează
(mediu acid sau bazic).
Hidroabraziune Testele de uzură hidroabrazivă pe materialul depus s-au făcut pentru a
determina rezistența la uzură hidroabrazivă a paletelor de turbină.
Măsurarea
pierderii de masă
Măsurarea pierderii de masă cauzate de procesul de uzură
hidroabrazivă pentru probele depuse s-a făcut cu ajutorul
balanței electronice.
Difractrometrie cu
radiații X
Difractrometria cu radiații X se utilizează pentru a identifica
compuşii chimici și fazele formate în stratul depus.
Aderenţă
Testele de aderenţă s-au desfășurat pentru a studia procesul de
alunecare sacadată (stick - slip), forţele de adeziune şi procesele
de uzare pentru a determina rezistenţa straturilor subțiri.
7. Analiza grafică
Rezultatele obţinute sunt reprezentate grafic pentru a putea fi analizate și pentru a
evidenţia valori minime, medii și maxime pentru testele de rugozitate, microduritate și
uzură hidroabrazivă.
8. Discuţii asupra rezultatelor
Discuţiile asupra rezultatelor asigură integrarea contribuţiilor personale în sistemul de
cunoştinţe anterioare. Sunt necesare discuţii teoretice pentru justificarea formulării
stadiului iniţial în planul lucrării, încadrarea temei cercetate în contextul domeniului şi
aportul cercetării la clarificarea şi precizarea unor aspecte legate de uzura hidroabrazivă.
9. Interpretarea rezultatelor
Rezultatele obţinute au fost interpretate în scopul identificării unor explicaţii corecte a testelor
experimentale şi a depistării unor soluţii de creștere a fiabilității paletelor de turbină.
10. Concluzii
Concluziile tezei prezintă rezultatele obţinute într-o manieră concisă şi coerentă, astfel încât
acestea să fie în conformitate cu rezultatele demersului ştiinţific iniţiat în această lucrare,
evidenţiind, atât contribuţiile personale, cât şi perspectivele de dezvoltare ale tematicii.
Prin experimentele care s-au realizat s-a urmărit obţinerea unor straturi subţiri, cu
proprietăți chimice, mecanice şi structurale care completează caracteristicile oţelurilor
inoxidabile speciale utilizate la realizarea paletelor turbinelor hidraulice.
2.2. METODOLOGIA CERCETĂRII EXPERIMENTALE
Oţelurile inoxidabile speciale au slabe proprietăţi de rezistenţă la uzură abrazivă şi
hidroabrazivă, iar scopul cercetării reprezintă remedierea acestor dezavantaje prin
depunerea de straturi subţiri dure pentru îmbunătăţirea rezistenţei la uzură (hidroabrazivă).
Depunerea de straturi subţiri prin metoda PTJP are avantajul că poate folosi
materiale cu punct de topire foarte ridicat. Depunerea de straturi subţiri prin metoda EV a
fost aleasă deoarece se pot obţine straturi subţiri cu aderenţă bună la substrat şi pot fi
realizate grosimi diferite de strat în funcţie de numărul de treceri ale electrodului pe piesă.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
7
Pentru verificarea rezistenţei la uzură hidroabrazivă a straturilor depuse s-a utilizat o
instalaţie (de concepţie proprie) cu viteze variabile şi cu unghiuri de incidență diferite între
probe şi particulele abrazive.
2.3. METODE ȘI APARATURĂ
2.3.1.Metode şi instalații de depunere a straturilor subțiri
2.3.1.1.Metoda şi instalația de depunere prin pulverizare termică în jet de plasmă (PTJP)
Pulverizarea termică în jet de plasmă figura 2.1 reprezintă topirea şi pulverizarea
pulberilor de metal sau nemetal cu ajutorul plasmatroanelor. Temperatura din interiorul
norului de plasmă poate ajunge la 16000 0C.
Figura 2.2. Instalaţia de depunere în jet de plasmă Sulzer Metco 9MCE.
Datorită vitezei şi presiunii mari a plasmei, pulberea este pulverizată pe suprafața
materialului de bază cu o viteză cuprinsă între 450 ÷ 650 m/s, iar distanța de pulverizare
este cuprinsă între 25 ÷ 200 mm figura 2.2.
2.3.1.2.Metoda şi instalația de depunere cu electrod vibrator (EV)
Principiul depunerii de straturi subţiri cu electrod vibrator figura 2.3 se bazează pe
fenomenul de electroeroziune şi transferul polar al materialului anodului (electrod) la catod
(piesa metalică) în timpul descărcării electrice.
Figura 2.4. Instalația de depunere prin metoda EV tip Elitron 22A.
Etapele realizării depunerilor prin metoda EV cu electrozi sunt: stabilirea regimurilor
de lucru, a amplitudinii şi a intensității.
2.3.2.Echipamente pentru pregătirea probelor în vederea realizării
investigaţiilor metalografice
Echipamentele utilizate pentru pregătirea probelor se găsesc în laboratorul
Proprietăţile materialelor metalice din Departamentul de Tehnologii şi Echipamente pentru
Procesarea Materialelor de la Facultatea de Știința şi Ingineria Materialelor din Iași.
Maşina de debitat probe Metacut - M 250. În cazul probelor obţinute prin cele
două metode de depunere (EV, PTJP), debitarea se realizează folosind mașina de debitat cu
discuri abrazive cu lichid de răcire (Manual de utilizare Metacut).
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
8
Maşina de şlefuire şi lustruire Forcipol 2V. Procesul de șlefuire se realizează în
vederea obţinerii unei suprafeţe perfect plane, fără zgârieturi. După ce procesul de șlefuire
a luat sfârşit, proba este curățată sub jet de apă pentru îndepărtarea tuturor particulelor care
au aderat în timpul operației de șlefuire, la suprafața probei. După operația de șlefuire
urmează operația de lustruire care se realizează pe aceeași mașină FORCIPOL 2V
(realizată de firma Metkon) cu pâslă și se execută în scopul înlăturării ultimelor zgârieturi
de la șlefuire şi pentru a obţine o suprafață cu un luciu oglindă (www.metkon.com, 2016).
Instalaţia de sablare. Sablarea este procesul de curățare sau finisare prin suflare abrazivă
a suprafețelor cu ajutorul nisipului sau altor materiale abrazive granulare care sunt propulsate cu
viteză, cu ajutorul unui jet de gaze (aer comprimat) spre suprafețele de prelucrat. Instalaţia de
sablare utilizată pentru a pregăti probele depuse prin metoda pulverizării termice în jet de plasmă
este Sealey SB974.
2.3.3. Metode şi echipamente utilizate pentru analize structurale
Microscopie optică. Microscopul metalografic optic este utilizat pentru a realiza
cercetări în ceea ce privesc incluziunile metalice, mărimea și forma granulației (F.
Hanning et al., 2014). De asemenea cu acest microscop se poate vedea distribuția
constituenților structurali existenți într-un material metalic supus unor procese
tehnologice: de prelucrare prin așchiere, turnare, deformare plastică și sudare.
Microscopie electronică cu baleiaj (SEM) este o metodă modernă, neinvazivă pentru
analiza imagistică obiectivă şi specializată a caracteristicilor anatomice ale materialelor la nivel
microscopic.
Microscopul electronic cu baleiaj are în componenţă un modul EDX cu care se poate
identifica compoziția chimică de pe o suprafață mică, iar în timpul analizei proba este
expusă unei unde de electroni în interiorul unui microscop electronic.
Examinarea nedistructivă electromagnetică cu ajutorul curenților turbionari.
Pentru a testa suprafața materialului de bază și a straturilor subţiri depuse, adică pentru a se
identifica eventualele crăpături din strat și substrat, s-a utilizat un nou tip de metamaterial,
inventat şi brevetatla INCDFT- IFT Iaşi, Laboratorul de Control Nedistructiv şi denumit
Swissroll conic utilizat la realizarea unui traductor electromagnetic.
Acest traductor a fost proiectat să funcționeze într-o gamă de radiofrecvență de la zeci de
Hz la sute de MHz. În cazul de față, frecvența optimă de funcționare determinată experimental
este de 105 MHz, frecvență determinată de parametrii geometrici ai Swissroll conic (A.
Savinet al., 2015). Traductorul a fost cuplat la un Network Spectrum Impedance Analyser
4395A – Agilent USA.
2.3.4. Metode şi echipamente utilizate pentru determinarea
caracteristicilor mecanice
Determinări de rugozitate. Rezultatele măsurătorilor constau în determinarea unor
parametri topografici (abaterea medie aritmetică a profilului evaluat, Rq; înălțimea
maximă a profilului, Rz; abaterea medie pătratică a profilului evaluat, Rq), care oferă
informații despre calitatea suprafeţei straturilor subțiri.
Microdurimetrie. Testarea microdurității la metale este utilă pentru o varietate de
aplicații pentru care măsurătorile de duritate nu sunt posibile: testarea materialelor foarte
subţiri, cum ar fi folii, măsurarea straturilor subţiri obţinute prin depuneri.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
9
Analiza microamprentării şi a aderenței suprafeţei depuse. Evaluarea
proprietăților mecanice esențiale ale straturilor subţiri, se face prin măsurarea a două
caracteristici ale materialelor şi anume duritatea (H) şi modulul de elasticitate Young (E)
cu ajutorul tehnicii de amprentare, iar pe baza acestora se determină indicele de elasticitate
(H / E) (X. Xu et al., 2015).
2.4.5. Metode şi echipamente utilizate pentru determinarea
caracteristicilor chimice
Difractometrie cu radiații X. Analiza XRD a fost utilizată pentru determinarea
compuşilor chimici metalici şi nemetalici numiţi și faze. Acești compuși se formează în
materialele solide compacte cât şi în pulberi. Identificarea fazelor se realizează prin
compararea difractogramei de radiații X obținută pe proba de test cu una din difractogramele
din baza de date (actualizată periodic de către firma producătoare a echipamentului).
Determinări de coroziune. Metodele electrochimice ajută la studierea fenomenului de
coroziune al acoperirilor, deoarece coroziunea aliajelor în fluide sunt de natură electrochimică.
Evaluarea comportamentului la coroziunea electrochimică a straturilor subțiri se va realiza cu
următoarele metode de analiză: voltametria ciclică şi spectroscopia de impedanţă
electrochimică, folosind un echipament VoltaLab 21 care este produs de firma Princeton
Applied Research (Manual de utilizare, Potenţiostat VoltaLab 21).
Procesul de demineralizare. Fluidul utilizat în cadrul testelor de uzură
hidroabrazivă va fi supus, înainte, unui proces de demineralizare, pentru a evita apariția
factorilor care influențează uzura hidroabrazivă.
CAPITOLUL 3
CARACTERIZAREA MATERIALELOR DE BAZĂ, DE
DEPUNERE ȘI A FLUIDULUI UTILIZAT LA TESTELE DE
HIDROABRAZIUNE. METODE DE DEPUNERE
3.1. CARACTERIZAREA MATERIALULUI DE BAZĂ
Ca material de bază pentru depuneri s-a utilizat un oţel inoxidabil special provenit de
la o paletă de turbină Francis a cărui compoziţie chimică, prezentată în tabelul 3.1, a fost
determinată cu ajutorul Spectrometrului Foundry Master din dotarea Facultăţii de Ştiinţa şi
Ingineria Materialelor, Laboratorul Proprietăţile Materialelor Metalice.
Tabelul 3.1. Compoziţia chimică a materialului de bază
Element chimic Fe C Cr Ni Mn Mo restul
Procente, [%] 80,6 0,105 13 4,38 0,637 0,521 0,757
În urma analizei chimice și a compoziției obținute a oțelului inoxidabil utilizat s-a
identificat ca fiind un oțel inoxidabil special cu un conținut mare de crom şi de nichel.
Acest oțel face parte din clasa oțelurilor inoxidabile şi este GX3CrNi13-4 (1.6982)
EN 10213-2007.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
10
Figura 3.1. Analiza microscopică a probei din oţel inoxidabil, 400 X, atac Nital 2 %.
Analiza structurii materialului de bază GX3CrNi134 (oţel inoxidabil) este
prezentată în figura 3.1. Acesta prezintă o structură aciculară martensitică printre care se
găsesc grăunți de Fα alungiți. De asemenea din imaginea obținută pe microscopul optic
din dotarea Facultății de Știința și Ingineria Materialelor a probei martor atacate se
observă prezența unor zone cu oxizi.
Justificarea alegerii materialului de bază este dată de faptul că acest tip de oţel inoxidabil
special este utilizat în principal la elementele active (de mişcare de contact) şi de transmitere a
forţei (palete de turbine). Oţelul inoxidabil special are o bună rezistenţă la coroziune, dar are
caracteristici slabe de rezistenţă mecanică la uzură de contact şi hidroabraziune. Din acest motiv
este importantă modificarea proprietăților de suprafaţă, prin realizarea depunerilor, fără a scădea
calităţile de refractaritate şi de rezistenţă la coroziune.
3.2. CARACTERIZAREA MATERIALELOR DE DEPUNERE
Pentru depunerea de straturi subțiri s-au utilizat pulberi/electrozi pe bază de WC a
căror compoziții chimice sunt prezentate în tabelele 3.2 și 3.4 și pulberi/electrozi pe bază
de Ni a căror compoziții chimice sunt prezentate în tabelele 3.3 și 3.5.
Pulberile s-au folosit pentru depunerea prin metoda PTJP, iar electrozii pentru
depunerea prin metoda EV.
3.2.1.Caracterizarea pulberilor
Pulberile au fost studiate la microscopul optic Zeiss pentru evidenţierea formei
granulelor și la microscopul electronic SEM.
Pulberile pe bază de WC au în componenţă carbură de wolfram cu cobalt, iar
compoziția chimică este prezentă în tabelul 3.2. Straturile depuse cu acestea au o bună
rezistenţă la eroziune şi hidroabraziune.
Tabelul 3.2. Compoziţia chimică a pulberilor pe bază de WC
Element chimic W Co C
Procente, [%] restul 11,0 ÷ 13,0 3,6 ÷ 4,2
Pulberile pe bază de Ni sunt utilizate pentru acoperirea pistoanelor de la
pompe, inelelor de etanşare şi a pieselor unor maşini care intră în contact de alunecare
cu particulele abrazive. Compoziția chimică a acestora este prezentată în tabelul 3.3.
Tabelul 3.3. Compoziţia chimică a pulberilor pe bază de Ni
Element chimic Ni B Cr Fe Si C
Procente, [%] restul 3,1 ÷ 3,5 14 ÷ 15 4 2 ÷ 4,5 0,7
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
11
S-a ales această pulbere deoarece are în compoziție bor care creşte duritatea şi
tenacitatea materialului, chiar și în procente de numai 0,05 %.
3.2.2. Caracterizarea electrozilor
Electrozii utilizați pentru depunerea prin metoda electrodului vibrator au fost
studiați cu ajutorul microscopului optic și a microscopului SEM.
Electrozii pe bază de WC conțin carburi de wolfram cu cobalt cu granulații fine,
rezistente la abraziune și la hidroabraziune, cu ajutorul cărora se pot obține suprafețe foarte
dure care pot fi utilizate la realizarea mecanismelor supuse la uzură prin frecare uscată sau
umedă. Compoziția chimică obținută la EDX a acestor electrozi este prezentată în tabelul 3.4.
Tabelul 3.4. Compoziţia chimică a electrozilor pe bază de WC
Element chimic W Co C O Si
Procente, [%] restul 11,64 3,89 1,14 0,32
Wolframul este larg utilizat pentru alierea oţelurilor şi obţinerea materialelor foarte
dure, turnate (stellite) sau sinterizate din carburi metalice (WC+Co).
Electrozii pe bază de Ni sunt realizați prin sinterizarea pulberilor de nichel, crom,
fier și bor figura 3.6 și sunt utilizați pentru a depune suprafețe dure și foarte compacte.
Compoziția chimică obținută la EDX a acestor electrozi este prezentată în tabelul 3.5.
Tabelul 3.5. Compoziţia chimică a electrozilor pe bază de Ni
Element chimic Ni B Cr Fe Si O
Procente, [%] restul 3,04 14,45 4,63 3,74 2,31
Electrozii pe bază de Ni conțin și Cr, elemente care se regăsesc și în materialul de
bază, ceea ce conduce la o bună aderență între materialul de bază și stratul depus.
3.3. ANALIZA FLUIDULUI UTILIZAT LA TESTELE DE UZURĂ
HIDROABRAZIVĂ
În cadrul experimentului se va utiliza ca fluid de lucru apa de Argeș, demineralizată la
temperatura mediului ambiant şi cu adaos de suspensii solide (carborund - în concentrații
de 10 %). În aceste condiţii mărimile specifice vor fi:
Mărimea medie particulelor solide de carborund d = 104 µm;
Densitatea amestecului bifazic este ρn = 10 %.
Din testele efectuate pe apa de Argeș (probă de apă luată din zona Bucureștiului) a
rezultat Din testele efectuate pe apa de Argeș (probă de apă luată din zona Bucureștiului) a
rezultat faptul că aceasta este ușor alcalină şi are un conținut de oxigen dizolvat de peste 6,9
mg/l, iar valorile pH-ului sunt cuprinse între 7,29 ÷ 7,78. O observație notabilă este că
bicarbonatul de amoniu este complet absent, acesta fiind înlocuit de ioni ai clorului (Cl-) şi
într-o mai mică măsură de sulfat (SO4-). În ciuda acestor factori mineralizarea a fost mai
mică de 450 mg/l.
Valorile de reziduuri fixe au fost destul de scăzute, ele fiind cuprinse între
396 ÷ 1,184 mg/l. De asemenea, duritatea apei a fost ridicată (52 dH), în mod exclusiv
carbonic, ceea ce înseamnă că poate să dispară complet prin fierbere.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
12
3.4. OBȚINEREA STRATURILOR SUBȚIRI PRIN DEPUNERE
PE MATERIALUL DE BAZĂ
3.4.1. Alegerea parametrilor de depunerea straturilor subţiri prin
metoda pulverizării termice în jet de plasmă
În cadrul cercetărilor doctorale se va utiliza ca instalație de depunere prin metoda PTJP
echipamentul Sulzer Metco 9MCE.
Acesta funcționează în regim automatizat și permite reglarea parametrilor de lucru,
realizând straturi subțiri uniforme.
Parametrii de depunere ai metodei PTJP sunt pentru cele două tipuri de pulberi:
tipul pistolului: 9MB;
parametrii argonului: presiune - 5,17 bari; debitul de gaz - 138 m3/s;
parametrii hidrogenului: presiune - 3,44 bari; debitul de gaz - 17 m3/s;
parametrii electrici: curent continuu: intensitatea 400 A; tensiune 74 ÷ 80 V;
distanța de pulverizare: ≈ 0,1 m.
3.4.2. Alegerea parametrilor de depunerea straturilor subţiri prin
metoda electrodului vibrator
Depunerea prin metoda EV este un proces de microaliere utilizat pentru
îmbunătățirea proprietăților de suprafață (rezistență la uzură și coroziune) și creșterea
fiabilității componentelor turbinelor hidraulice (palete).
Instalaţia, cu care s-au obținut straturile subţiri utilizând metoda EV, este de tip
Elitron 22A și prezintă 9 mărimi de amplitudini şi 6 regimuri de lucru.
Parametrii de depunere pentru metoda EV sunt:
pentru depunerea cu electrozi pe bază de WC: amplitudine 8; regim 4;
pentru depunerea cu electrozi pe bază de Ni: amplitudine 9; regim 6.
CAPITOLUL 4
CARACTERIZAREA STRATURILOR SUBŢIRI DEPUSE ÎN
VEDEREA ÎMBUNĂTĂŢIRII REZISTENŢEI LA
HIDROABRAZIUNE
4.1. ANALIZA STRUCTURALĂ A SUPRAFEŢEI
MATERIALULUI DE BAZĂ ȘI A STRATURILOR SUBȚIRI DEPUSE
4.1.1.Analiza suprafeţei materialului de bază și a straturilor subțiri
depuse utilizând microscopul electronic cu baleiaj
4.1.1.1. Analiza SEM a probelor martor
Ca material de bază s-a utilizat un oţel inoxidabil ferito-martensitic GX3CrNi134
(DIN 1.6982). Otelurile C - Cr, care au mai mult de 12 % Cr şi un conţinut de 1 % C sunt
denumite oţeluri inoxidabile.
În cazul celor două tipuri de depunere, suprafaţa probei nu trebuie să aibă o
rugozitate mică (luciu oglindă) deoarece în cazul metodei EV microasperitățile se topesc
mult mai uşor, creând microbăi metalice de aliere între probă şi materialul depus, ridicând
nivelul de aderenţă a stratului subțire depus.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
13
În cazul depunerii prin metoda PTJP, suprafaţa probei trebuie să fie mai rugoasă
decât cea rezultată după rectificare, fiind necesare nu doar rizuri ci chiar microcratere
(obţinute după sablare) astfel încât picăturile jetului de plasmă să poată fi ancorate în
substrat atât prin componenta termică, cât şi prin cea dinamică, lucru care nu s-ar realiza la
o suprafaţă netedă figura 4.1.
4.1.1.2. Analiza SEM a probelor depuse cu pulberi pe bază de WC prin metoda PTJP
Analizând imaginile obţinute la microscopul electronic cu baleiaj de pe suprafaţa
depunerii cu pulberi pe bază de WC prin metoda PTJP se observă un aspect rugos al
suprafeței cu multe, microadâncituri, microcratere și pulberi parțial topite figura 4.4.
Figura 4.4. Analiza microscopică SEM a probelor depuse cu pulberi pe bază de WC prin
metoda PTJP: a) 250 X; b) 750 X; c) 1250 X; d) 5000 X.
Suprafaţa prezintă oxizi vizibili şi arderi de strat, adâncituri şi zone stratificate
caracteristice pulberii pe bază de WC care se topeşte la temperaturi foarte ridicate, creând
zone cu oxizi şi material parţial topit în depuneri figura 4.4.
Figura 4.6. Analiza EDX pe o zonă de suprafață pe care s-a făcut repartiția elementelor
chimice pe strat a probei depuse cu pulberi pe bază de WC prin metoda PTJP: a) zona
analizată; b) repartiția tuturor elementelor.
Analiza compoziției chimice figura 4.6 determinată cu ajutorul sondei EDX
evidențiază o depunere relativ compactă de carbură de wolfram. Pe suprafață apar și
zone mari (în special adâncituri) cu oxizi și picături aplatizate sferoidale de cobalt,
ceea ce oferă informații despre faptul că pulberea conține particule separate de
carbură de wolfram și particule de cobalt.
4.1.1.3. Analiza SEM a probelor depuse cu pulberi pe bază de Ni prin metoda PTJP
Spre deosebire de depunerea cu pulberi pe bază de WC (W > 80 %), depunerile cu
pulberi pe bază de Ni (Ni > 70 %), prin metoda PTJP prezintă un aspect cu picături
multiple interţesute şi aplatizate.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
14
Figura 4.7. Analiza microscopică SEM a probei depuse cu pulberi pe bază de Ni prin
metoda PTJP: a) 250 X; b) 750 X; c) 1250 X; d) 5000 X.
Studiind repartiția nichelului de pe suprafața depunerii cu pulberi pe bază de Ni
figura 4.9 se observă o distribuire bună a acestuia. De asemenea din analiza EDX de pe
suprafața depusă cu pulberi pe bază de Ni prin metoda PTJP se observă că o concentrare
mai mare de nichel care se găsește în centrul picăturii şi mai puţin spre margine.
4.1.1.4. Analiza SEM a probelor depuse cu electrozi pe bază de WC prin metoda EV
Din imaginea 3D din figura 4.11 a suprafeţei depuse prin metoda EV se observă
puţine maxime de rugozitate, această suprafaţă creată fiind în general netedă. Acest lucru
prezintă un real avantaj în cazul mișcărilor paletei, deoarece nu creează turbulenţe la
nivelul suprafeţei care pot deveni periculoase prin crearea de zone cavitaţionale.
Figura 4.11. Imaginea 3D a probei depuse cu electrozi pe bază de WC prin metoda EV.
Imaginea 3D prezintă o suprafață relativ compactă, cu aspect vălurit figura 4.11.
Din harta de reprezentație a elementelor de pe suprafaţa piesei realizată cu ajutorul
sondei EDX, se observă prezenţa unor zone relativ întinse depuse cu W, dar şi zone cu o
cantitatea ridicată de crom. Acest lucru se datorează prezentei unor compuși chimici tip
oxizi de crom sau carburi figura 4.12 b.
Analizând compoziția chimică cu ajutorul EDX, prezentată în tabelul 4.4 se poate
observa prezenţa wolframului într-un procent de aproximativ 39 %. Acest procent de
wolfram este mai scăzut decât la depunerea cu pulberi pe bază de WC prin metoda PTJP
deoarece la acest tip de depunere se creează microbăi de aliaj care conţine material de
bază şi material de depunere.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
15
Figura 4.12. Analiza EDX pe o zonă de suprafață pe care s-a făcut repartiția elementelor
chimice pe stratul probei depusă cu electrozi pe bază de WC prin metoda EV: a) zona
analizată; b) repartiția tuturor elementelor.
Tabelul 4.4. Compoziția chimică EDX a probei depuse cu electrozi pe bază de WC prin
metoda EV
Fier 40,05
Wolfram 38,62
Crom 10,39
Cobalt 7,35
Nichel 2,56
Altele 1,02
Transferul termic la acest tip de electrozi cât și restul electrozilor pe bază de carbură de
wolfram este foarte mare și este datorat în special temperaturii foarte ridicate de
topire a wolframului. Acest transfer termic favorizează înglobarea particulelor de carbon din
lamele din baia metalică, lucru ce este întâlnit doar la electrozii pe bază de carbură de wolfram.
4.1.1.5. Analiza SEM a probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV
Pe suprafaţa depusă cu electrozi pe bază de Ni se observă mici găuri datorate unei
activităţi mai intense din punct de vedere chimic între elementele chimice, componente ale
substratului şi ale electrodului care duc la formarea de bule cu gaze de ardere, oxizi şi
carburi figura 4.13.
Figura 4.13. Analiza microscopică SEM a probei depuse cu electrozi pe bază de Ni prin
metoda EV: a) 250 X; b) 750 X; c) 1250 X; d) 5000 X.
Din harta de distribuţie a elementelor realizată cu ajutorul sondei EDX se observă că
nichelul este distribuit în principal pe marginile picăturilor de depunere şi în mai mică
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
16
măsură pe zonele de mijloc ale picăturilor, lucru datorat dinamicii stropilor și a
temperaturii ridicate a arcului electric care duce la o topire a materialului de bază în zona
de contact dintre electrodul de nichel și materialul de bază, creând astfel un amestec între
acesta şi materialul electrodului figura 4.15.
Figura 4.15. Analiza EDX pe o zonă de suprafață pe care s-a făcut repartiția elementelor
chimice pe strat a probei depuse cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV: a) zona
analizată; b) repartiția tuturor elementelor.
De asemenea se observă în figura 4.15b prezenţa locală, în centrul picăturilor
formate prin depunerea cu metoda EV, a unor compuşi chimici ai cromului.
Tabelul 4.5. Compoziţia chimică EDX a probei depuse cu electrozi pe bază de Ni
prin metoda EV
Elemente %
Nichel 72,40
Crom 13,86
Fier 10,12
Carbon 1,60
Bor 1,22
Altele 0,8
Din tabelul 4.5 cu compoziţia chimică a probei depuse cu electrozi pe bază de Ni
prin metoda PTJP se observă o creştere a procentului de fier de la o valoare de aproximativ
6,05 % la o valoarea de 10,12 % în cazul depunerii cu metoda EV, acest lucru datorându-se
amestecului de material topit din materialul de bază cu cel al electrodului.
4.1.3. Examinarea electromagnetică cu ajutorul curenților turbionari
Pentru a identifica crăpăturile din strat și substrat, s-a utilizat un nou tip de
traductor electromagnetic realizat dintr-un metamaterial denumit Swiss roll conic, iar
rezultatele obținute au fost prelucrate cu ajutorul soft-ului Matlab 2014b.
Figura 4.28. Răspunsul traductorului electromagnetic la trecerea peste proba depusă cu
pulberi /electrozi pe bază de WC prin: a) metoda PTJP; b) metoda EV.
Comparativ cu metoda EV, depunerea prin metoda PTJP prezintă o aderență mult
mai slabă pentru pulberi pe bază de WC figura 4.28 a și b, comparativ cu pulberi pe bază
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
17
de Ni figura 4.28 d, în condițiile în care la 5 treceri proba cu acoperire cu pulberi pe bază
de Ni are o suprafață mai compactă a stratului depus.
Figura 4.29. Răspunsul traductorului electromagnetic la trecerea peste proba depusă cu
pulberi / electrozi pe bază de Ni prin: a) metoda PTJP; b) metoda EV.
Pentru depunerea cu electrozi pe bază de WC prin metoda EV, figura 4.29 a, se observă
un profil mai ascuțit al fazei semnalului iar din punct de vedere al aderenței la suport, există
zone în care este posibil ca stratul să nu aibă o aderență foarte bună acest lucru fiind marcată
prin zonele galbene.
4.1.4. Determinarea rugozităţii suprafeţei
Rugozitatea suprafeţei este o componentă a texturii suprafeţei. Aceasta este
cuantificată prin abaterile în direcţia vectorului normal al unei suprafeţe reale de la
forma sa ideală.
În urma testelor realizate şi a valorilor obţinute au fost create grafice pentru a pune mai
bine în evidenţă rezultatele obţinute, aceste rezultate fiind prezentate în figurile 4.31, 4.32 şi
4.33. Aceste teste de rugozitate au fost realizate deoarece există o strânsă legătură între
rugozitatea unui material şi rezistenţa acestuia la hidroabraziune şi la coroziune.
Figura 4.31. Analiza comparativă a rugozităţii medii Rz (μm) pentru proba martor şi cele
4 tipuri de depuneri.
Parametrul Rz este înălţimea în n puncte a profilului şi anume media valorilor
absolute ale înălţimilor celor de mai sus proeminenţe n / 2 şi a celor mai adânci n / 2 goluri
în limitele lungimii de referinţă. După cum se observă din figura 4.31 cea mai mică
rugozitate a avut-o proba martor cu o valoare Rz de 11,37 μm, urmată de acoperirea cu
pulberi pe bază de WC prin metoda PTJP care are o valoare de aproximativ 12,79 μm.
Valoarea cea mai mare a lui Rz, de 42,76 μm, o are depunerea cu pulberi pe bază de Ni
prin metoda PTJP.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
18
4.2. DETERMINAREA CARACTERISTICILOR MECANICE
4.2.1. Determinarea caracteristicilor de microduritate ale
substratului și ale straturilor depuse
Microdurimetrul utilizat în cadrul cercetărilor doctorale este de tip CV-400 DM
din cadrul Facultăţii de Știinţa şi Ingineria Materialelor din Iaşi, Departamentul de
Tehnologii şi Echipamente pentru Procesarea Materialelor din cadrul laboratorului de
deformări plastice.
Testele experimentale au fost efectuate pe 5 probe diferite, atât pe proba martor,
cât și pe probele depuse. Analiza aspectelor legate de procesele de deformare ale
stratului superficial s-a realizat cu ajutorul metodei Vickers, iar probele au fost
încercate la un nivelul de solicitare de 50 gf (HV50).
Figura 4.34. Analiza comparativă a microdurităţii probei martor și a celor 4 tipuri de
depuneri obţinute.
Din analiza graficului de variaţie a microdurității figura 4.34 se observă că toate cele
patru depuneri au microdurități mai mari decât ale materialului de bază care are o duritate
de aproximativ 280 HV.
Depunerea cu pulberi pe bază de Ni este cea mai dură depunere din toate cele patru
tipuri de depuneri. Din figura 4.34 se observă de asemenea că ambele tipuri de depuneri
prin metoda EV au o duritate mai mare decât cele depuse cu metoda PTJP.
Testele de microduritate s-au realizat datorită grosimii mici a stratului de ordinul
micronilor. Penetratorul microdurimetrului a fost acţionat în secţiunea probei depuse şi nu
pe suprafaţa de depunere. Prin testele realizate cu ajutorul microdurimetrului în secţiune s-
a dorit determinarea valorilor microdurității doar pentru stratul depus, astfel încât acestea
să nu fie influenţate de duritatea materialului de bază.
4.2.2. Analiza prin microamprentare a probelor martor și a probelor
depuse
Microamprentările s-au efectuat cu ajutorul unui echipament pentru determinări
tribologice şi mecanice, numit Universal Micro - Tribometer (CETR-UMT - 2) care se află
în dotarea Laboratorului de Tribologie de la Facultatea de Mecanică din Iaşi.
Se observă că depunerile prin metoda EV nu au diferențe foarte mari de elasticitate.
Dacă depunerea cu electrozi pe bază de WC prin metoda EV are valori medii ale elasticității de
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
19
aproximativ 15 GPa, depunerea cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV are valori ale
elasticității de aproximativ 5 ori mai mari decât a probelor depuse prin metoda PTJP.
Figura 4.42. Analiza comparativă a Modulului lui Young la microamprentare pentru
proba martor și probele depuse.
Probele depuse prin metoda PTJP au valori ale elasticităţii mici şi apropiate,
depunerea cu pulberi pe bază de WC are o valoare maximă de 12,36 GPa, iar depunerea cu
pulberi pe bază de Ni are o valoare maxima de 11,90 GPa figura 4.42. Din analiza
comparativă a elasticităţii (Modulul lui Young), se observă că trei din cele patru depuneri
au module de elasticitate mai mici decât a materialului de bază, care are un modul de
elasticitate mai mare, acesta fiind aproximativ 44,6 GPa, excepţie făcând depunerea cu
electrozi pe bază de Ni prin metoda EV care are o valoare mai mare.
4.2.3. Determinarea aderenţei straturilor depuse
Testele de aderenţă s-au efectuat cu ajutorul unui echipament pentru determinări
tribologice şi mecanice, numit Universal Micro - Tribometer (CETR-UMT-2) care se află în
dotarea laboratorului de Tribologie de la Facultatea de Mecanică din Iaşi. Cu ajutorul
programului echipamentului s-au calculat şi s-au reprezentat grafic următorii parametrii: variaţia
forţei de răspuns Fx (N), variaţia forţei de încărcare normală, Fz (N), variaţia forţei de frecare, Ff
(N) şi variaţia coeficientului de frecare, COF.
Metoda folosită pentru a testa cele 4 probe depuse cu pulberi / electrozi pe bază de WC și
Ni utilizate în cadrul tezei de doctorat este cea a încărcării progresive. Parametrii de testare sunt:
viteza de deplasare a penetratorului care este egală cu l mm/s, forţa de încărcare normală care
variază liniar de la 0 ÷ 19 N. Durata de încărcare a fost de 10 secunde şi lungimea pe care s-a
realizat încercarea de aderență a fost de 10 mm.
4.2.3.4. Analiza de aderenţă a probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni prin
metoda EV
Din analiza testelor de aderență efectuate pe probele depuse cu electrozi pe bază de
Ni prin metoda EV figura 4.52 a rezultat o variaţie medie a coeficientului de frecare
(COF) de 1,64, o medie a forţei de răspuns (Fx), de 8,98 N și o variaţie medie a forţei de
frecare (Ff), de 7,921 N.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
20
Figura 4.52. Graficul încercării la aderenţă ale probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni prin
metoda EV.
Aceste valori indică o aderență foarte bună a stratului depus cu electrozi pe bază
de Ni prin metoda EV la substrat.
Figura 4.53. Testele de aderență şi analiza profilometrică a probelor depuse cu electrozi pe
bază de Ni prin metoda EV: a) zona mediană a zgârieturii; b) zona finală a zgârieturii;
c)imagine SEM pentru zona finală a zgârieturii; d) analiza EDX pentru zona finală a
zgârieturii.
Din imaginea obținută la SEM figura 4.53 c se observă că urma lăsată de către
penetrator pe stratul depus cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV are o adâncime
foarte mică, ceea înseamnă că stratul are o aderență bună.
4.3.2. Teste de electrocoroziune a probelor martor și a probelor depuse
Datele de impedanță electrochimică pentru proba martor și pentru probele depuse
obţinute la diverse perioade de timp: 10 min, 1 h, 10 h, în apă de ploaie acidă (apă acidă cu
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
21
pH 5.4), sunt prezentate în figura 4.60 (diagrame Nyquist) şi figura 4.61 a și b
(diagrame Bode).
Figura 4.60. Diagrama Nyquist pentru: a) proba martor; b) probele depuse; menținute
diferite perioade de timp în apă acidă, pH 5,4.
Figura 4.61. Diagramele Bode pentru: a) proba martor; b) probele depuse; menținute
diferite perioade de timp în apă acidă, pH 5,4.
În cazul probei martor ambele diagrame de impedanță indică prezența unei singure
constante de timp. Astfel modelarea datelor experimentale s-a efectuat cu ajutorul
circuitului echivalent prezentat în figura 4.62, iar rezultatele sunt prezentate în
tabelul 4.14. Se constată o scădere a valorii rezistenței, R1, care în acest caz reprezintă
rezistența transferului de sarcină. Stratul pasiv nu se mai formează în cazul depunerilor
prin metoda PTJP.
Pentru toate cele trei tipuri de depuneri studiate (una dintre cele patru tipuri de
depuneri, mai precis cea depusă cu pulberi pe bază de WC prin metoda PTJP nu a mai fost
studiată din cauza rezultatelor foarte slabe la electrocoroziune), se observă din datele
prezentate în tabelul 4.13 comportarea lor la electrocoroziune în apă acidă.
Se constată că ambele rezistențe ale transferului de sarcină (R1) cât şi rezistența
stratului de produși de coroziune (R2) sunt mici, de ordinul a 103kΩ cm
2 și scad cu
timpul de imersare.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
22
În urma imersării în apă acidă, pH 5,4 proba martor neacoperită și probele depuse au
stratul pasiv deteriorat. Din datele prezentate în tabelul 4.13 se constată că rezistența
transferului de sarcină este de 20 de ori mai mare în cazul probei neacoperite față de cea
acoperită cu pulberi pe bază de Ni prin metoda PTJP. Exponentul n2 prezintă valori mici
datorate rugozității stratului de produși de coroziune.
Tabelul 4.14.Parametrii circuitului echivalent pentru probele acoperite și neacoperite
imersate la diferite perioade de timp în apă acidă pH 5,4
Proba R1
(Ω cm2)
Q1(F cm-2
sn-1
) n1 R2(Ω cm2) Q2(F cm
-2 s
n1) n2
După 10 minute de la imersare în apă acidă
Probă martor 44,6 x 103
1,9 x 10-5
0,81 - - -
Pulberi pe bază de Ni prin
metoda PTJP 2,2 x 10
3 3,5 x 10
-5 0,82 1,1 x 10
3 3,8 x 10
-4 0,75
Electrozi pe bază de WC prin
metoda EV 13,2 x10
3 2,5 x 10
-5 0,82 1,5 x 103
3,8 x 10-4
0,77
Electrozi pe bază de Ni prin
metoda EV 22 x 10
3 2,3 x 10
-5 0,81 1,7 x 103
3,8 x 10-4
0,77
După60 minute de la imersare în apă acidă
Probă martor 41,4 x 103
1,9 x 10-5
0,81 - - -
Pulberi pe bază de Ni prin
metoda PTJP 1,9 x 10
3 3,6 x 10
-5 0,81 1,1 x 10
3 3,8 x 10
-5 0,73
Electrozi pe bază de WC prin
metoda EV 3,2 x10
3 3,1 x 10
-5 0,81 1,1 x103
3,7 x 10-5 0,75
Electrozi pe bază de Ni prin
metoda EV 19,1 x 10
3 2,4 x 10
-5 0,81 - - -
După600minute de la imersare în apă acidă
Proba martor 22,5 x 103
2,3 x 10-5
0,81 - - -
Pulberi pe bază de Ni prin
metoda PTJP 1,5 x 10
3 4,1 x 10
-5 0,80 1,1 x 10
3 3,9 x 10
-5 0,69
Electrozi pe bază de WC prin
metoda EV 1,4 x 10
3 4,1 x 10
-5 0,80 1,1 x 103
3,9 x 10-5 0.72
Electrozi pe bază de Ni prin
metoda EV 8,1 x 10
3 2,9 x 10
-5 0,80 4,3 x 103
3,3 x 10-5 0,75
În tabelul 4.13 se observă că rezistența la coroziune R1 a probei martor este mai
ridicată decât a probelor acoperite, lucru justificat prin faptul că în cazul acoperirilor apar
pile galvanice (2 sau mai multe tipuri de metale în soluție).
Cu ajutorul microscopiei electronice se constată apariția produșilor de coroziune
figura 4.64 mai ales în cazul depunerilor cu pulberi pe bază de Ni prin metoda PTJP. De
asemenea pentru toate cele 4 probe, coroziunea este uniformă, dar mai puțin vizibilă pentru
proba electrozi pe bază de Ni prin metoda EV.
Cea mai bună rezistență la agenți chimici o are proba acoperită cu electrozi pe bază
de Ni prin metoda EV. Se observă că depunerile prin metoda EV sunt mult mai bune din
punct de vedere al rezistenței la coroziune decât cele depuse prin metoda PTJP.
Depunerea prin metoda PTJP cu pulberi pe bază de WC a fost atât de dezavantajoasă
încât rezultatele nici nu au mai fost trecute în tabel şi pe grafic.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
23
Figura 4.65. Analizele SEM a probelor imersate timp de 600 de minute în apă acidă,
pH 5,4: a) probă martor; b) probă depusă cu pulberi pe bază de Ni prin metoda PTJP;
c) probă depusă cu electrozi pe bază de WC prin metoda EV; d) probă depusă cu electrozi
pe bază de Ni prin metoda EV.
Depunerile prin metoda PTJP au o structură a stratului mai puţin compactă decât
cea prin metoda EV, iar prezenţa golurilor şi a oxizilor în interiorul stratului depus şi la
interfaţa cu materialul de bază înrăutăţeşte proprietăţile la agresiuni chimice.
CAPITOLUL 5
INSTALAŢIE UTILIZATĂ PENTRU STUDIUL UZURII
HIDROABRAZIVE
În literatura de specialitate pentru studiul hidrodinamicii, curgerii fluidelor specifice
mașinilor hidraulice și pentru studiul uzurii hidroabrazive a elementelor componente ale
turbinelor hidraulice sunt prezentate instalații de testare a hidrodinamicii (cum ar fi
tunelele hidrodinamice dezvoltate de cei de la firma CREMHyG) și de testare a
hidroabraziunii prezentată în figura 5.1, care a fost dezvoltată de către inventatorii Preece
și Brunton (C.M. Preece et al., 1980).
5.1. CONCEPŢIE
Ca urmare a dezavantajelor de ordin constructiv şi funcțional ale instalaților
prezentate anterior a fost concepută o instalație astfel încât uzura probelor să aibă loc în
condiţii similare celor din funcționare (a paletelor de turbină), dar realizate în laborator.
Instalația concepută va fi utilizată pentru a testa la hidroabraziune probele din materialul
de bază, precum și probele depuse prin cele două metode (metoda PTJP și metoda EV).
Instalaţia concepută pentru testarea uzurii hidroabrazive trebuie să permită realizarea
următoarele tipuri de reglaje:
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
24
reglarea unghiului de incidență (unghiul de atac) (α). Este unghiul la care
este poziționată proba față de direcția generală de curgere a fluidului (figura 5.2).
Figura 5.2. Reglarea unghiului de incidență: 1- axa de simetrie a probei; 2 - tijă cu filet și
mecanism de prindere a probei; 3 - unghiul de incidență; 4 - direcția de curgere a fluidului.
viteza periferică v este viteza cu care fluidul din instalație se deplasează pe
circumferință. Circumferința de testare este data de distanța de la axul motorului la probă.
reglarea distanței dintre axul motorului şi probă. În figura 5.3 este prezentată
reglarea distanței dintre axul motorului şi probă, care se poate realiza prin înșurubarea sau
deșurubarea tijei cu filet și mecanism de prindere a probei (2) ce favorizează mișcarea
acestuia (apropiind sau îndepărtând proba (1) de axul motorului (3)).
Figura 5.3. Reglarea distanței dintre axul motorului şi probă (vedere de sus):
1) probă; 2) tijă cu filet și mecanism de prindere a probei; 3) ax motor.
reglarea distanţei probei faţă de baza rezervorului. Reglarea distanței probei
de față de baza rezervorului se face pentru a realiza diverse grade de uzură, deoarece în
partea mai apropiată de baza rezervorului densitatea de particule abrazive (carborund, nisip)
este mai mare decât în partea mai îndepărtată de baza rezervorului. Pe axul motorului (1)
sunt înfiletate tijele cu mecanismul de prindere (2) a probelor (3), iar reglarea distanței se
face prin poziționarea probelor pe o tijă mai apropiată sau mai îndepărtată față de baza
rezervorului figura 5.4.
Figura 5.4. Reglarea înălțimii (H) probei față de baza rezervorului:
1)vaxul motorului; 2) tijă cu filet și mecanism de prindere a probei; 3) probă.
reglarea vitezei de rotație a axului figura 5.5. Reglarea vitezei în vederea
obținerii unei turații variabile se face cu un potențiometru, astfel se poate regla viteza
necesară realizării unor teste de uzură hidroabrazivă diferite.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
25
5.2. PROIECTARE
Proiectarea părții mecanice a instalaţiei de testare a uzurii hidroabrazive, întâlnită la
paletelor de turbină şi la paletelor de ghidare, a fost proiectată în Catia V5 (Dassault
Systemes CATIA P2 V5R19). Aceasta este alcătuită dintr-un rezervor cilindric din inox, în
interiorul căruia este imersat într-un lichid, cu particule abrazive, un ax care este acţionat
de un motor cu viteze reglabile. La celălalt capăt al axului este realizat un sistem de
prindere pe care sunt montate probele (figura 5.6).
a)
b)
Figura 5.6. Instalaţia de testare a uzurii hidroabrazive proiectată în Catia: a) vedere de
ansamblu; b) detaliu.
Proiectarea părții electrice a fost realizată cu ajutorul programului Circuit Wizard
deoarece acest program oferă posibilitatea de a combina realizarea circuitului cu proiectarea
PCB (Printed Circuit Board - placă cu circuit imprimat), de asemenea se poate simula şi
realiza CAD/CAM întregul circuit, într-un singur program. Prin integrarea întregului proces
de proiectare, Circuit Wizard oferă instrumentele necesare pentru a produce un proiect
electronic de la început până la sfârşit, inclusiv testarea pe ecran a PCB înainte de construcția
propriu-zisă.
Schema bloc a instalației conține două circuite de alimentare:
un circuit de alimentare pentru alimentarea motorului cu turație variabilă,
acesta având o tensiune de 60 V;
un circuit de alimentare pentru instrumentele de măsurare care au o tensiune
de alimentare de 18 V.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
26
În figura 5.7 este prezentată schema bloc a instalaţiei experimentale proiectată în
Circuit Wizard.
D – Celulă de redresare;
C – Condensator de filtraj;
RT – Regulator de tensiune;
P – Potenţiometru;
IM – Invertor de turaţie;
V – Voltmetru;
ST – Stabilizator de tensiune;
TRM – Tahometru;
Tt– Traductor de turaţie;
CE – Ceas;
TR – Termometru;
TC – Termocuplu;
M – Motor;
S – Siguranţă;
I – Întrerupător;
B – Semnalizator prezență tensiune;
TM – Transformatorul sistemului de
măsură;
T – Transformatorul motorului.
Figura 5.7. Schema bloc a instalaţiei experimentale.
Pe circuitul de alimentare de la rețeaua cu o tensiune de 220V sunt montate o
siguranță şi un întrerupător. Prezenţa curentului de alimentare este semnalizată prin becul
B care este în paralel cu transformatorul de alimentare T prevăzut cu un circuit secundar de
60 de V ce urmează a fi transformat în curent continuu de către celula de redresare D şi
condensatorul electric C.
Realizarea turației variabile a motorului se face prin intermediul unui regulator de
tensiune RT prevăzut cu potențiometrul P utilizat pentru reglarea tensiunii. Tensiunea
obținută este afișată de voltmetrul legat în paralel cu sursa, iar pentru semnalizarea
curentului de alimentare a motorului se folosește ampermetrul A legat în serie cu sursa.
Instalaţia este prevăzută cu un întrerupător IM, care realizează şi inversarea sensului
de mers al motorului reversibil de curent continuu. Stabilirea turației motorului M se face
prin intermediul unui traductor Tt compus dintr-un senzor magnetic montat pe rotorul
motorului, un senzor de proximitate montat pe partea fixă a motorului în apropierea
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
27
rotorului, pentru a prelua semnalul de pe senzorul de pe rotor, şi un modul cu display care
afișează numărul de rotații al motorului.
Circuitul de alimentare a instrumentelor de măsură este prevăzut cu un transformator
TM de reducere a tensiunii și un redresor cu stabilizator de tensiune ST care alimentează
circuitul electronic de măsurare a turației TRM prevăzut cu traductorul Tt. Tot la acesta este
alimentat şi instrumentul electronic digital de măsurare a tensiunii şi a curentului.
Proiectarea şi verificarea circuitului electric al instalaţiei de testare a uzurii hidroabrazive
a straturilor subţiri a fost realizată cu programul Circuit Wizard 1.15 figura 5.8.
Figura 5.8. Schema electrică a instalaţiei de testare a uzurii hidroabrazive proiectată şi
testată cu ajutorul programului Circuit Wizard.
Proiectarea schițelor de circuit s-a realizează prin selectarea componentelor necesare
dintr-o bibliotecă de date care trebuie conectate între ele şi apoi apăsat butonul „Play”
pentru a începe procesul de simulare.
Cu ajutorul acestui program, în urma desenării circuitelor, s-a creat cu o funcție
automată a modelului circuitului electronic al instalaţiei de testare a uzurii hidroabrazive
folosind diferite diagrame.
5.3. REALIZARE
În partea de realizare a instalației s-a executat instalaţia propriu-zisă şi panoul de
comandă şi control. Instalaţia propriu-zisă este formată din rezervor și motor de agitare cu
senzor tahometru.
Panoul de comandă şi control are următoarele elemente componente: cronometru,
buton oprire - pornire, afişaj tahometru, buton de reglare a vitezei, comutator de reglare
a direcţiei motorului, afişaj termocuplu, ampermetru cu voltmetru figura 5.9.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
28
Figura 5.9. Instalaţia de testare a uzurii hidroabrazive cu panoul de comandă şi
control.
În figura 5.13 sunt prezentate componentele din interiorul panoului de comandă
şi control.
Figura 5.13. Componentele din interiorul panoului de comandă şi control.
Pentru măsurarea temperaturii lichidului din rezervorul unde se produce uzura
hidroabrazivă este utilizat un termocuplu cu afişaj digital cu sursă proprie de curent. De
asemenea, sistemul de măsurare a timpului dispune de sursă proprie de curent.
Reglarea tensiunii în vederea obţinerii unei turații variabile se face cu un stabilizator
de tensiune electronic prevăzut cu 2 tranzistoare de putere legate în paralel şi un tranzistor
de comandă BD135 legat în sistem Darlington.
Instalația realizată prezintă următoarele tipuri de reglaje:
reglarea unghiului de incidență figura 5.14;
Figura 5.14. Reglarea unghiului de incidență.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
29
viteza periferică v figura 5.15;
Figura 5.15. Reglarea vitezei periferice.
reglarea distanței dintre axul motorului şi probă figura 5.16;
Figura 5.16. Reglarea distanţei dintre axul motorului şi probă.
reglarea distanței probei faţă de baza rezervorului figura 5.17;
Figura 5.17. Reglarea înălțimii probei faţă de baza rezervorului.
reglarea vitezei de rotație a axului figura 5.18;
Figura 5.18. Reglarea vitezei de rotaţie a motorului
(numărul de rotații indicat de tahometru).
Odată trasate aceste diagrame pot fi uşor simulate şi animate permiţând testarea şi
rafinarea circuitului. În mod alternativ, Circuit Wizard Professional Edition oferă o gamă
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
30
variată de instrumente concepute pentru a analiza performanţa unui circuit PCB şi de
aranjare a plăci pe o singură faţă şi / sau faţă-verso figura 5.19.
Figura 5.19. Circuitul integrat al instalaţiei de testare a uzurii hidroabrazive: 1) punte
redresoare; 2) tranzistor de putere; 3) condensatori electrolitici; 4) tranzistori de putere - BD
135; 5) borne de conexiune; 6,7) rezistență; 8,9,11) diodă; 12) bypass; 13)circuit imprimat.
Circuitul Wizard Professional Edition este o soluție completă şi fiabilă de proiectare
electronică care oferă diagrame de circuit şi care permite efectuarea simulării PCB.
5.4. TESTARE
Pentru testarea instalației este necesar un volum total de 20 litri de apă
demineralizată în care sunt adăugate 2 kilograme de material abraziv (10 % din volumul
lichidului). În cazul testării s-au folosit particule de carbură de siliciu (carborund) şi nu
nisip, deoarece nisipul sau pietrișul de râu au formă rotunjită, ceea ce nu favorizează
abraziunea de contact, pe când carborundul are muchii ascuțite şi duritatea foarte ridicată
(figura 5.20 şi figura 5.21), ceea ce accentuează hidroabraziunea, reducând timpul de
efectuare a testelor.
Figura 5.20. Analiza microscopică a pulberilor de carborund:
a) 100 X; b) 200 X; c) 400 X.
Figura 5.21. Analiza SEM a pulberilor de carborund:
a) 250 X; b) 750 X; c) dimensiune particule.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
31
Probele se pot regla la diferite unghiuri de contact producând în același timp şi
agitarea lichidului împreună cu particulele hidroabrazive. Agitarea este necesară pentru a
împiedica procesul de decantare a particulelor abrazive.
CAPITOLUL 6
UZURA HIDROABRAZIVĂ
6.1. TESTELE DE UZURA HIDROABRAZIVĂ
Testele de uzură hidroabrazivă au fost realizate cu ajutorul instalaţiei concepută şi
prezentată în capitolul 5, folosind ca mediu de testare apa demineralizată cu suspensii de
carborund. Mediul de hidroabraziune şi parametrii de lucru ai instalaţiei cât și parametrii
de testare sunt prezentaţi în tabelul 6.1.
Tabelul 6.1.Parametrii de lucru ai instalaţiei
Denumire Simbol Unitate de
măsura
Valoare
Detalii rezervor
Diametrul rezervorului Dr [mm] 300
Nivelul de umplere Hu [mm] 150
Nivelul de umplere/diametrului rezervorului Hu/Dr [-] 1/2
Tip de agitator
Unghi de incidență Ua grade 4x45°
Diametrul agitatorului (axa centrală a probei) Da [mm] 120
Proporţie adimensională a diametrului Dr/Da [-] 0.6
Înălţimea medie de instalare a agitatorului Ha [mm] 40
Înălţimea relativă de instalare a agitatorului Ha/Da [-] 0.267
Informaţii testare
Numărul de rotaţie Nr [rot / min] 300
Viteza periferică a agitatorului Vp [m/s] 3,1
Durata testului (între două măsurători) t [min] 300
Numărul de probe n [-] 4
Instalația este alcătuită dintr-un rezervor cilindric din inox, în interiorul căruia
este imersat într-un lichid (cu particule abrazive), un ax care este acţionat de un motor
la se care poate regla viteza. La celălalt capăt al axului se regăseşte un sistem de
prindere pe care sunt montate probele.
Probele au fost cântărite iniţial cu ajutorul balanţei analitice, apoi după fiecare
testare la uzură hidroabrazivă au fost cântărite din nou pentru a se vedea pierderea de
masă, ca diferenţă între masa iniţială a probei şi masa după testare.
Perioada de testare este de 10 ore pentru primele zece teste, iar pentru
următoarele cinci teste este de 100 de ore. Toate valorile rezultate în urma cântăririi şi
calculării diferenţelor de masă a probelor testate la uzură hidroabrazivă până la 100 de
ore, au fost înregistrate tabelul 6.2, respectiv tabelul 6.3, iar cele până la 500 de ore au
fost consemnate în tabelul 6.4 respectiv în tabelul 6.5.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
32
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
33
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale
34
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe inoxidabile speciale
35
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe inoxidabile speciale
36
Aceste caracteristici ale suprafeţei duc la posibilitatea smulgerii oxizilor şi a particulelor cu
aderenţă mică ceea ce duce la o uzură hidroabrazivă mai mare a probelor depuse prin metoda PTJP.
Picăturile formate pe suprafaţa de depunere prin această metodă, împreună cu oxizii de pe
suprafaţă, creează microturbulenţe în apa din instalația de testare, care smulg picăturile de pe
suprafaţă figura 6.1.
Figura 6.1. Prezentarea schematică a curenţilor turbionari datoraţi neuniformităţilor de pe
suprafaţă.
Se observă astfel că, atât pulberile, cât şi electrozii pe bază de Ni, utilizați la realizarea
depunerilor de straturi subțiri prezintă o rezistenţă mai mare la hidroabraziune decât cele
realizate folosind pulberi și electrozi pe bază de WC pentru cele două metode de depunere
(metoda PTJP, respectiv metoda EV).
Pulberile / electrozii pe bază de WC are ca principal element W, care se topeşte la
temperaturi de peste 3000 0C, găsindu-se în stare vâscoasă (parţial topit) atât la metoda PTJP, cât
la metoda EV. Pulberile / electrozii pe bază de Ni conţin ca element principal Ni, care are o bună
aderenţă şi formează, la depunerea prin metoda EV, picături plane bine înglobate în suprafaţă,
datorită unor tensiuni superficiale mari ale picăturilor topite.
Figura 6.2. Schema de reprezentare a tensiunilor superficiale ale picăturilor formate la
depunerea prin metoda EV: a) depunerea cu electrozi pe bază de WC; b) depunerea cu electrozi
pe bază de Ni.
Tensiunea superficială a picăturilor de electrod pe bază de WC este mai mare, ceea ce face
ca suprafaţa depusă cu acest material să fie rugoasă cu denivelări neaplatizate formate din
picături sferoidale figura 6.2.
În tabelul 6.6 sunt prezentate valorile pierderilor de masă medii pe probă pentru probele martor
și pentru toate tipurile de depuneri care au fost testate de uzură hidroabrazivă și care sunt
necesare pentru a calcula ulterior pierderile de masă medii pe cm2, valori care sunt prezentate în
tabelul 6.7.
Analizând graficele de uzură hidroabrazivă în care sunt reprezentate valorile obținute până
la 100 de ore de testare figura 6.3 și tabelul 6.7, se observă o uzură hidroabrazivă mai intensă la
toate probele testate, lucru datorat uzurii vârfurilor de rugozitate ale probelor.
Rugozitatea probelor este relativ mare, deoarece în timpul depunerii (metoda PTJP şi
metoda EV) se formează pe suprafaţă suprapuneri de material de depunere, stropi parţial topiţi şi
înglobaţi în microbăile metalice solidificate etc. Aceste proeminenţe de pe suprafaţă, în timpul
testării în lichidul cu particule abrazive, creează microturbulențe ce erodează zona de exterior
smulgând oxizi şi stropi parţial topiţi, formaţi în urma depunerii prin cele două metode.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe inoxidabile speciale
37
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe inoxidabile speciale
38
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe inoxidabile speciale
39
După primele 100 de ore de testare la uzură hidroabrazivă se observă netezirea suprafeţelor
probelor depuse, datorită şlefuirii vârfurilor mari al stratului subțire și o scădere a intensităţii
uzurii hidroabrazive figura 6.3. Comparând rezistenţa la uzură hidroabrazivă a probelor testate
se observă că proba nedepusă are o uzură mai mare decât probele depuse, pentru cazul în care
sunt testate mai mult de 100 de ore. Probele cu rezultatele cele mai bune la testele de uzură
hidroabrazivă au fost cele depuse cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV figura 6.4.
Se observă că straturile depuse prin metoda PTJP au rezistenţa la hidroabraziune mai slabă
decât probele depuse prin metoda EV pe perioade scurte de funcţionare, însă acest lucru poate fi
remediat prin depunerea unui strat de grosime mai mare, lucru posibil la acest tip de depunere şi
mai puţin posibil la depunerea prin metoda EV, unde grosimea de strat maxim admisibilă nu
poate fi depăşită.
Uzura hidroabrazivă mai crescută, pe perioade scurte de timp, a depunerilor prin metoda
PTJP se datorează neuniformităţii stratului depus care prezintă numeroase maxime de rugozitate.
De asemenea, suprafaţa depusă prin metoda PTJP este formată din numeroase micropicături
formate în urma dezintegrării unor picături mai mari. Dezintegrarea se datorează vitezei foarte
mari a jetului de plasmă format şi a forţelor de contact foarte mari a picăturilor care se lovesc de
materialul de bază.
6.2. ANALIZA SEM A PROBELOR TESTATE LA UZURĂ
HIDROABRAZIVĂ TIMP DE 500 DE ORE
Depunerile cu pulberi pe bază de Ni depuse prin metoda PTJP au o uzură neuniformă,
aceasta fiind mai pronunțată printre picăturile şi stropii ce se formează. Zonele dintre picături
au o hidroabraziune mai puternică datorită turbulențelor care apar la contactul apei
demineralizate din instalația de testare a uzurii hidroabrazive cu denivelările de la nivelul
suprafeţei formate de picături figura 6.10.
Figura 6.10. Analiza microscopică SEM a probelor depuse cu pulberi pe bază de Ni prin metoda
PTJP testate la hidroabraziune timp de 500 de ore:
a) 250 X; b) 750 X; c) 1250 X; d) 5000 X.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe inoxidabile speciale
40
Figura 6.11. Analiza EDX pe o zonă de suprafață pe care s-a făcut repartiția elementelor
chimice pe strat a probelor depuse cu pulberi pe bază de Ni prin metoda PTJP testate la
hidroabraziune timp de 500 de ore: a) zona analizată; b) repartiția tuturor elementelor.
Din analiza EDX figura 6.11 realizată pe proba depusă cu pulberi pe bază de Ni prin metoda
PTJP se observă că suprafața stratului subțire are zone întinse de nichel (pe zona unde picăturile au fost
compacte) iar acolo unde suprafața depusă nu a fost compactă (la marginea picăturilor) hidroabraziunea
s-a manifestat mai pregnant, lucru care a dus la apariția unor zone cu o cantitate mare de fier.
Din harta de distribuție a elementelor chimice figura 6.11 realizată cu ajutorul sondei EDX se
observă și prezența unor cantități mari de siliciu între picături, acesta provenind din carbura de siliciu
(carbura de siliciu).
6.2.3.2. Analiza SEM a probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV
Proba care rezistă cel mai bine la hidroabraziune este proba depusă prin metoda EV cu
electrozi pe bază de Ni. Acest lucru se datorează compatibilității stratului depus și aderenței
nichelului la substrat (care conține și el 4% Ni), ceea ce duce la o compatibilitate strat -
substrat forte bună dar și a borului, care este în cantitate suficientă pentru a crește proprietăţile
mecanice de duritate şi tenacitate și pentru a forma boruri complexe, dure, mici ca dimensiuni,
plasate pe marginile grăunţilor ferito - martensitici ai materialului de bază, chiar dacă s-a
pierdut parţial prin ardere în procesul de depunere.
Figura 6.14. Analiza microscopică SEM a probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni prin metoda
EV testate la hidroabraziune timp de 500 de ore: a) 250 X; b) 750 X; c) 1250 X; d) 5000 X.
Borurile simple sau complexe, se găsesc poziționate la marginea grăunților sub formă de
lanțuri microprecipitate figura 6.14.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe inoxidabile speciale
41
Figura 6.15. Analiza EDX pe o zonă de suprafață pe care s-a făcut repartiția elementelor
chimice pe strat a probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV testate la
hidroabraziune timp de 500 de ore: a) zona analizată; b) repartiția tuturor elementelor.
Analiza EDX figura 6.15 realizată după testele de hidroabraziune evidențiază, prezența
unui strat de depunere relativ uniform din punct de vedere al compoziției chimice cu mici zone
cu oxizi în interiorul porilor.
CONCLUZII FINALE, CONTRIBUȚII PERSONALE,
PERSPECTIVE DE CERCETARE
CONCLUZII FINALE
Prin finalizarea acestei teme am obţinut un ansamblu metalic compus din materiale
realizate prin depunerea de straturi subţiri cu proprietăţi bune de uzură hidroabrazivă, de duritate,
de rezistenţă la coroziune, pentru a putea fi folosite în industria chimică, în industria
medicamentelor, în industria producătoare de energie electrică, industria constructoare de utilaje
agricole, la crearea de palete de turbină ale hidrocentralelor, industria petrochimică și industria
navală (elicea vapoarelor).
Concluziile finale cu privire la cercetările experimentale privind rezistența la uzură
hidroabrazivă a straturilor subțiri depuse pe oțeluri inoxidabile speciale au în vedere
următoarele:
• o bună rezistenţă la uzură hidroabrazivă o au straturile depuse cu aliaje pe bază de
wolfram, care au în componenţă carbon şi cobalt și cu aliaje pe bază de nichel, care au
în compoziţie crom și bor;
• cu cât duritatea materialului de bază pe care se va depune stratul pe bază de wolfram
și stratul pe bază de nichel utilizat la realizarea de acoperiri dure este mai mare, cu
atât materialul obținut prin depunere va avea o rezistenţă mai bună la uzură
hidroabrazivă;
• piesele din componenţa turbinelor şi pompelor hidraulice care sunt supuse cel mai mult
la hidroabraziune sunt rotorul şi paletele sale, de aceea testele au fost realizate pe
materiale din care sunt confecționate paletele de turbină;
• uzura hidroabrazivă poate fi definită ca fiind un fenomen complex care apare la generatoarele
şi motoarele hidraulice prin care tranzitează fluide ce conțin particule abrazive;
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe inoxidabile speciale
42
• particulele care provoacă cele mai mari daune la paletele rotorului turbinei Pelton sunt
cele mai mari de 0,5 mm, acestea provocând uzură hidroabrazivă la intrarea în paletă și
în cavitatea acesteia;
• la turbinele Francis sistemul paletelor de ghidare este extrem de afectat de fenomenul
uzurii hidroabrazive, datorită vitezei absolute mari și a accelerării, iar regiunea de admisie
a rotorului este predispusă la o distribuție incorectă a jetului de apă, lucru poate provoca
grave uzuri hidroabrazive, locale, la intrare, datorită nisipului cu granulație fină;
• rugozitatea influențează modul de acționare a jetului de lucru prin posibilitatea apariției
de zone cu microturbulențe.
• rugozităţile medii se întâlnesc la metoda electrodului vibrator lucru datorat, atât
tehnologiei de depunere, cât şi formării băii de topire strat - substrat care aplatizează
forma picăturilor ce constituie stratul de depunere;
• la depunerea cu jet de plasmă rugozitatea este influenţată de granulaţia pulberilor. La
depunerea cu pulberi pe bază de Ni, care are o granulaţie mai grosolană, rugozitatea este
mai mare (Ra = 7,79 μm) faţă de depunerea cu pulberi pe bază de WC, care are o
rugozitate mai mică (Ra = 3,86 μm), datorită pulberii mai fine;
• depunerile cu pulberi / electrozi pe bază de WC au în compoziţie mai mult de 80 %
wolfram, ceea ce ar trebui să ducă la obţinerea de straturi deosebit de dure. Analiza
microdurităţii arată însă o duritate mai ridicată a depunerilor cu pulberi / electrozi pe
bază de Ni care are ca principal component chimic nichelul, 75 %, acest lucru
datorându-se însă prezenţei borului. Acest element, chiar în procente mai mici de 0,2 %,
duce la creşterea durităţii, rezistenţei mecanice şi a tenacităţii;
• procentul de bor, în cazul pulberilor pe bază de Ni, este de 3,1 ÷ 3,5 %, o cantitate
suficient de mare să formeze compuşi complecşi, duri de Fe, Cr, Ni şi Mo. Analizând
mai atent compoziţia chimică a celor două tipuri de depunere se observă că pulberile /
electrozii pe bază de Ni au în compoziţie şi o cantitate semnificativă de bor, care este şi
elementul principal care face ca depunerea cu pulberi / electrozi pe bază de Ni să fie mai
dură decât cea cu pulberi / electrozi pe bază de WC;
• electrodul pe bază de Ni conține 15 % Cr, 3 % B, 75 % Ni, de asemenea și materialul de
bază conține Ni, Cr, ceea ce conduce la o aderență foarte bună între acestea prin
coerența dintre substrat și stratul depus;
• depunerile prin metoda EV cu electrozi pe bază de Ni, comparativ cu depunerea cu
electrozi pe bază de WC și cu depunerile prin metoda PTJP, formează suprafețe cu
puțini oxizi și puține aderențe spre deosebire de celelalte depuneri unde se întâlnesc
oxizi complecși și gaze înglobate în stratul depus sau în principal între strat și substrat
(depunerile realizate prin metoda PTJP);
• nichelul nu are o duritate ridicată, dar pentru rezistența la hidroabraziune mai
importante sunt aderența la substrat, tenacitatea și calitatea stratului depus (să fie fără
microaderențe, microfisuri, goluri și arderi). Aderența bună este dată de prezenţa
nichelului, iar tenacitatea este dată de prezenţa borului;
• borul poate forma microprecipitate pe bază de bor cu dimensiuni foarte mici, la fel și
compuși de azot și au ca efect principal creșterea tenacității, deoarece favorizează
alunecarea planelor cristaline la nivel intergranular pe spațiile dintre grăunți.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe inoxidabile speciale
43
CONTRIBUȚII PERSONALE
Aplicabilitatea acestei teme reiese din faptul că odată cu punerea în practică a
rezultatului obținut acesta poate avea ca efect creșterea fiabilității paletelor turbinelor
hidraulice Francis. Investigaţiile materialelor realizate prin depuneri de straturi subțiri depuse
pe oțelul inoxidabil special GX3CrNi134 (DIN 1.6982), utilizat la realizarea paletelor de
turbină Francis, au avut drept scop evidenţierea creşterii proprietăţilor fizico - chimice și
mecanice ale ansamblului strat - substrat.
Principalele contribuții personale sunt:
• instalația concepută pentru testarea la uzură hidroabrazivă este originală şi dispune de mai
multe tipuri de reglaje cum ar fi: unghiul de incidență, distanța dintre probe, viteza
periferică diferită, înălţimea diferită față de baza rezervorului;
• am realizat o instalație de testare a uzurii hidroabrazive care să satisfacă cerinţele
experimentului și să permită o testare la uzură hidroabrazivă cât mai apropiată de cazurile
de funcționare a paletelor turbinelor hidraulice;
• am caracterizat din punct de vedere microstructural, chimic și mecanic straturile depuse pe
materialul de bază GX3CrNi134;
• am efectuat investigații metalografice cu privire la structurile materialelor depuse cu
ajutorul microscopului optic, care apoi au fost investigate cu tehnici moderne: analiza
2D/3D prin microscopie electronică;
• am analizat microscopic depunerile cu pulberi pe bază de WC depuse prin metoda PTJP,
iar acestea prezintă o suprafaţă cu aspect granular fin, cu puține microparticule netopite
înglobate în suprafaţă, microexfolieri şi microaderenţe;
• am obținut straturi subțiri cu pulberi pe bază de Ni prin metoda PTJP cu o aderenţă foarte
bună la substrat şi o duritate mare de aproximativ 59 - 62 HRC a noului ansamblu strat –
substrat obţinut;
• am examinat electromagnetic, cu ajutorul curenților turbionari, straturile depuse și din
imaginile obținute prin prelucrare se observă că cea mai bună aderență o are proba depusă
cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV, iar suprafaţa realizată prin această depunere
este cea mai compactă;
• testele de rugozitate efectuate pe depunerile obținute prin metoda PTJP au pus în evidenţă
variaţii mari ale valorilor rugozităţii Rz pentru cele două tipuri de depuneri, variaţie care poate
fi cauzată de granulaţiile diferite ale pulberilor, deoarece o rugozitate mare duce la crearea de
microturbulențe care accentuează hidroabraziunea;
• au fost efectuate determinări cu privire la microduritățile obținute pe cele patru depuneri și
s-a observat că toate cele patru straturi depuse au microdurități mai mari decât a
materialului de bază (280 HV) și că depunerile cu pulberi / electrozi pe bază de Ni sunt
mai dure decât depunerile cu pulberi / electrozi pe bază de WC pentru ambele metode de
depunere;
• am realizat teste de microamprentare și am comparat elasticitatea depunerilor obținute
(modulul lui Young) și s-a observat că trei din cele patru depuneri au module de elasticitate
mai mici decât ale materialului de bază (acesta fiind de aproximativ 44,6 GPa), excepţie
făcând depunerea cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV care are o valoare mai mare;
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe inoxidabile speciale
44
• am identificat prin testele de microaderență că cea mai bună aderență la substrat o are
stratul depus cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV;
• am realizat teste de electrocoroziune și am identificat că cele mai bune rezistenţe la
coroziune le au probele depuse cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV, de
asemenea am observat că depunerile cu electrozi pe bază de Ni și WC prin metoda EV
sunt mult mai bune din punct de vedere a rezistenţei la coroziune decât cele depuse
prin metoda PTJP;
• testele de hidroabraziune au pus în evidenţă că proba depusă cu electrozi pe bază de Ni prin
metoda EV are rezistenţa cea mai bună la uzură hidroabrazivă. Aceasta se datorează
prezenţei borului, care este în cantitate suficientă pentru a determina creșterea proprietăţilor
mecanice (duritate, tenacitate) și pentru a forma boruri complexe, dure, mici ca dimensiuni,
situați pe marginile grăunţilor ferito-martensitici ai materialului de bază.
PERSPECTIVE DE CERCETARE
Tema abordează mai multe domenii de cercetare de mare interes științific şi poate
determina perspective pentru noi direcții de cercetare:
• pe baza studiilor realizate prin diverse metode de depunere prin metalizare termică se pot
realiza cercetări ulterioare cu privire la depunerea straturilor subțiri care pot fi utilizate
pentru aplicații diverse cum ar fi pompe de noroi sau agitatoare chimice, echipamente care
amestecă lichide cu conținut mare de particule abrazive;
• domeniul depunerilor suprafețelor metalice prin pulverizare în jet de plasmă oferă diverse
posibilități de modificare a parametrilor de depunere (distanța de pulverizare, presiunea
gazului purtător al pulberi, tipul de pulbere folosită, arii de depunere etc.) și posibilitatea
de a obține o diversitate de suprafețe depuse cu proprietăți foarte bune din punct de vedere
mecanic, fizic și chimic;
• instalația realizată poate fi folosită pentru continuarea cercetărilor care să aibă în vedere
testarea uzurii hidroabrazive prin variaţia unor parametri cum ar fi: înălțimea față de baza
rezervorului, viteza periferică a probei, distanța față de axul motorului etc.
BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ
1. Alexandru I., Popovici R., Călin M., Bulancea V., Alexandru A., Baciu C., Cojocaru V.,
Carcea I., Paloșanu G., (1997), Alegerea și utilizarea materialelor metalice, Ed. Didactică și
pedagogică, București, pp.265÷263;
2. Anton, I., (1979), Turbine Hidraulice; Ed. Facla, Timişoara, pp. 123÷134;
3. Avram P., (2015), Îmbunătăţirea proprietăților fizico-mecanice ale rolelor de ghidare prin
depuneri termice, Iași pp. 87÷93;
4. Axinte M, Perju M., Nejneru C., Ţugui C. A., (2013) Unconventionally Microstructure
Behaviour Analysis For W1.8507, International Conference TEME, Analele Universității
Dunărea de Jos din Galați, ISSN 1453-083X, pp. 18÷22;
5. Bordeaşu I., (2006), Eroziunea cavitaţională a materialelor, Ed. Politehnica, Timişoara
pp. 78÷62;
6. Brânzea N., (2016), Tehnici de recondiționare prin metalizare - Laborator RRP, pp. 3÷4;
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe inoxidabile speciale
45
7. Brekke, H., Wu, Y. L., B. Y. Cai, (2002), Design of hydraulic machinery working in sand
laden water, Book series on Hydraulic machinery, Vol. 2 pp. 53÷64;
8. Câmpian V.C., (2003), Turbine hidraulice de mică putere şi microturbine. Principii de
funcţionare. Soluţii constructive, Ed. Orizonturi Universitare, ISBN 973-638-036-X,
Timişoara,pp. 23÷28;
9. Ciobanu, B., (2008), Turbo maşini hidraulice – Partea I Hidrogeneratoare, Iaşi, pp. 108÷109;
10. Florea J., Petrovici T., Robescu D., Stamatoiu D., (1987), Dinamica fluidelor polifazice și
aplicațiile tehnice, Ed. Tehnica , București pp. 409÷430;
11. Florescu I. (2007), Maşini hidraulice - Note de curs pentru uzul studenţilor, Ed. Alma
Mater, Bacău, pp.18÷19;
12. Neopane, H. P., Dahlhaug O. G., Thapa B., (2007), Alternative Design of a Francis Turbine
for sand-ladenwater, International Conference on Small Hydropower - Hydro Sri Lanka, Sri
Lanka, Kendy, pp. 78÷99;
13. Neopane, H. P., Dahlhaug Ole. G, and M. Eltvik, (2010) Numerical prediction of particle
shape factor effect on sediment erosion in Francis turbine blades, 6th International
conference on hydropower, Tromso Norway, pp. 31÷49;
14. Palamarciuc I., Galusca D., Țugui C. A., Nutescu C., (2015), Contamination of steels in
petroleum products, International Conference BRAMAT, Advanced Materials Research,
Vol. 1128, pp. 378÷383;
15. Perju M. C, Țugui C.A., Nejneru C., (2015) Assessment of Synthetic Quenching Media for
Hardening, International Conference, Innovative Research, Key Engineering Materials Vol.
660, pp. 143 ÷ 149;
16. Preece C.M.; Brunton J.H., (1980), Liquid impact erosion of Al-Mg and Al-Cu alioys, WEAR
Vol.60, pp. 249÷308;
17. Preece C.M.; Brunton J.H., Lawn R.F., (1980), A comparison of liquid impact erosion and
cavitation erosion, WEAR, Vol.60, no 1, pp. 269÷284;
18. Thapa B., (2004), Sand erosion in hydraulic machinery, PhD thesis, Trondheim:
Norwegian University of Scienceand Technology, Faculty of Engineering
Science and Technology, pp. 59÷62;
19. Țugui C.A, Axinte M., Nejneru C., Vizureanu P., Perju M.C., Chicet D., (2015) Active
Screen Plasma Nitriding Efficiencyand Ecology, Applied Mechanicsand Materials, Vol. 657,
pp. 369÷373;
20. Țugui C.A, Nejneru C., Găluşcă D. G., Perju M.C., Axinte M., Cimpoeşu N., Vizureanu P.,
(2015), The influence of the al depositionby MOC-CVD method on stainless steel thermal
conductivity depending on the substrate roughness, International Conference BRAMAT,
Journal of OptoelectronicsandAdvanced Materials-17, pp. 855÷861(Fi=0,35);
21. Țugui C.A, Vizureanu P., Nejneru C., Perju M. C., Axinte M., (2015) Quality surface
modification for refractory stainless steel by tungsten deposition, using electro-spark
deposition method, IMANE - Innovative Manufacturing Engineering International
Conference, Applied Mechanicsand Materials, Vol. 809-810, pp. 417÷422;
22. Uetz, H, (1986) Abrasionund Erosion, München Wien: Carl Hanser Verlag pp. 26÷29.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe inoxidabile speciale
46
LISTĂ LUCRĂRI
A. Articole publicate în reviste cotate ISI în domeniul tezei de doctorat
1. C. A. ȚUGUI, M. AXINTE, C. NEJNERU, P. VIZUREANU, M. Cristina PERJU, D.
CHICET, Active Screen Plasma Nitriding Efficiency and Ecology, IMANE - Innovative
Manufacturing Engineering International Conference, Applied Mechanics and Materials,
Vol. 657, 2015, pp. 369÷373;
2. C. A. ȚUGUI, C. NEJNERU, D. G. GĂLUŞCĂ, M. C. PERJU, M. AXINTE, N.
CIMPOEŞU, P. VIZUREANU, The influence of the al deposition by MOC - CVD
method on stainless steel thermal conductivity depending on the substrate roughness,
International Conference BRAMAT, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials,
Vol. 17, 11-12, 2015, pp. 1855÷1861.
B. Articole publicate în reviste cotate ISI în domenii conexe tezei de doctorat
1. I. PALAMARCIUC, D. GALUSCA, C. A. ȚUGUI, C. NUTESCU, Contamination of
Steels in Petroleum Products, International Conference BRAMAT, Advanced Materials
Research Vol. 1128, 2015, pp. 378÷383.
C. Articole publicate în reviste cotate BDI în domeniul tezei de doctorat
1. C. A. ȚUGUI, P. VIZUREANU, C. NEJNERU, M. C. PERJU, M. AXINTE, Quality
Surface Modification for Refractory Stainless Steel by Tungsten Deposition, Using
Electro-Spark Deposition Method, IMANE - Innovative Manufacturing Engineering
International Conference, Applied Mechanics and Materials, Vol. 809-810, 2015, pp.
417÷422;
2. C. A. ȚUGUI, P VIZUREANU , N. IFTIMIE and R. STEIGMANN, Some aspects over
the quality of thin films deposited on special steels used in hydraulic blades, ACME -
International Conference on Advanced Concepts in Mechanical Engineering, Materials
Science and Engineering, Vol. 147, 2016, pp. 1÷6;
3. C. A. ȚUGUI, P. Vizureanu, A. SAVIN, N. IFTIMIE, M. C. PERJU, N. CIMPOESU,
C. NEJNERU, Quality Control of Thin Films Deposited on Special Steels Used in
Hydraulic Blades, International Conference TIMA - Innovative technologies for joining
advanced materials, Advanced Materials Research, Vol. 1138, pp. 62÷68.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe inoxidabile speciale
47
D. Articole publicate în reviste cotate BDI în domenii conexe tezei de doctorat
1. M. C. PERJU, C. A. ȚUGUI, C. NEJNERU, Assessment of Synthetic Quenching Media
for Hardening, International Conference, Innovative Research, Key Engineering
Materials Vol. 660 (2015), pp. 143÷149;
2. M. AXINTE, M. C. PERJU, C. NEJNERU, C. A. ŢUGUI, Unconventionally
Microstructure Behaviour Analysis For W1.8507, International Conference TEME,
Analele Universității Dunărea de Jos din Galați, Year XXXI, November 2013, Special
Issue 2013, ISSN 1453-083X, pp. 18÷23;
3. I. HOPULELE, C. NEJNERU, M. AXINTE, M. C. PERJU, C. A. ȚUGUI, Researches
on the emulsified oil synthetic quenching environment, International Conference New
Technologies and Products in Machine Manufacturing Technologies, Tehnomus Journal,
Special Issue 2014, ISSN-1224-029X.
E. Articole publicate în reviste cotate B
1. C. A. ȚUGUI, P. VIZUREANU, D. C. ACHIȚEI, I. PALAMARCIUC, A. V. SANDU,
The Analysis of the Alloy AlCu4Mg1,5Mn Used in the Construction of Utility Aircrafts,
International Conference AFASES, Brașov, Special ISSUE 2014, ISSN-L:2247-3173.
F. Lucrări prezentate la conferințe internaționale
1. C. A. ȚUGUI, P. VIZUREANU, D. C. ACHIȚEI, I. PALAMARCIUC, A. V. SANDU,
The Analysis of the Alloy AlCu4Mg1,5Mn Used in the Construction of Utility Aircrafts,
International Conference AFASES, Brașov;
2. C. A. ȚUGUI, M. AXINTE, C. NEJNERU, P. VIZUREANU, M. C. PERJU, D.
CHICET, Active Screen Plasma Nitriding Efficiency and Ecology, International
Conference IMANE, Chișinau.