Ανάπτυξη βελτιωμένων τεχνικών πολυστοιχειακών επικαλύψεων με βάση το βόριο σε μεταλλικά υλικά
Authors: Ζαγκλιβέρης Δημήτριος 
Published: March 2023

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε εργαστηριακά η βιομηχανική διεργασία της βορίωσης, μίας θερμοχημικής κατεργασίας κατά την οποία άτομα βορίου αρχικά προσροφώνται και στη συνέχεια διαχέονται στο κρυσταλλικό πλέγμα ενός μεταλλικού υποστρώματος και προκαλούν διά του κορεσμού τους ένα επιφανειακό στρώμα χημικής ένωσης του βορίου με το υποκείμενο μέταλλο. Το στρώμα αυτό, το οποίο καλείται επικάλυψη βοριδίου, είναι το επιθυμητό προϊόν της διεργασίας και ο σκοπός του είναι να προστατέψει το υπόστρωμα από μηχανική φθορά και χημική διάβρωση, χάρη στις εξαιρετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες που παρουσιάζουν αυτού του είδους τα βορίδια των μετάλλων.Το θεωρητικό μέρος της διατριβής περιλαμβάνει μία εκτενή μαθηματική και χημική προσέγγιση όλων των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της βορίωσης, καθώς επίσης και την ανάδειξη των πρακτικών παραμέτρων που επηρεάζουν την απόδοση της διεργασίας και την ποιότητα του τελικού προϊόντος σε πειραματική ή βιομηχανική κλίμακα. Στη συνέχεια, αφού έγινε λεπτομερής περιγραφή της μεθόδου βορίωσης που υιοθετήθηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, αναλύθηκαν θεωρητικά οι τεχνικές βελτίωσης της διεργασίας οι οποίες επρόκειτο να εφαρμοστούν και να αξιολογηθούν και αποτελούν τον πυρήνα της διδακτορικής διατριβής. Το κοινό γνώρισμα αυτών των βελτιωτικών επεμβάσεων είναι ότι περιλαμβάνουν την προσθήκη επιπλέον μεταλλικών στοιχείων στη διεργασία, με σκοπό είτε την ποιοτική βελτίωση του τελικού προϊόντος είτε τη ενίσχυση της απόδοσης της διεργασίας.Η πρώτη μέθοδος βελτίωσης ήταν η προσθήκη, μετά από την κύρια διεργασία βορίωσης, μίας δευτερογενούς θερμοχημικής κατεργασίας μέσω της οποίας μεταλλικό χρώμιο διαχέεται στην ήδη σχηματισμένη βοριδιακή επικάλυψη, με σκοπό τη μετατροπή της σε μικτή επικάλυψη βοριδίου – χρωμίου και τη βελτίωση της αντιδιαβρωτικής συμπεριφοράς της.Η δεύτερη μέθοδος βελτίωσης ήταν η προσθήκη μικρής ποσότητας σπάνιας γαίας στην κύρια διεργασία βορίωσης, ώστε αυτή να δράσει καταλυτικά στην κινητική της διεργασίας, με σκοπό στις ίδιες συνθήκες χρόνου, θερμοκρασίας και συγκέντρωσης βορίου να παράγονται παχύτερες και πιο συμπαγείς βοριδιακές επικαλύψεις.Στο πειραματικό μέρος της διατριβής αρχικά μελετήθηκε η συμβατική βορίωση σε δύο εντελώς διαφορετικά μεταξύ τους μεταλλικά υποστρώματα: το χαμηλά κεκραμένο χάλυβα AISI 4140 και το προσφάτως ανεπτυγμένο διαμεταλλικό κράμα τιτανίου-αλουμινίου GE48-2-2. Σε αμφότερες τις περιπτώσεις πραγματοποιήθηκε κινητική μελέτη, με σκοπό τον προσδιορισμό των κινητικών παραμέτρων του φαινομένου της διάχυσης κατά τη διάρκεια της διεργασίας. Επίσης διενεργήθηκε διερεύνηση των μορφολογικών χαρακτηριστικών, της σύνθεσης και των μηχανικών ιδιοτήτων της επικάλυψης μέσω οπτικής και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, περιθλασιμετρίας ακτίνων-Χ και σκληρομέτρησης. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσίασαν τα πρωτόγνωρα μορφολογικά και κρυσταλλογραφικά χαρακτηριστικά της επικάλυψης που σχηματίστηκε στο διαμεταλλικό κράμα GE48-2-2, καθώς και ο ιδιαίτερα χαμηλός συντελεστής διάχυσης του βορίου στο κρυσταλλικό πλέγμα του κράματος αυτού.Στο κύριο μέρος της διατριβής σημαντικά αποτελέσματα προέκυψαν από τη μελέτη προσθήκης χρωμίου στη βοριδιακή επικάλυψη (βοροχρωμίωση). Αρχικά διαπιστώθηκε ότι η βέλτιστη τεχνική προσθήκης του χρωμίου είναι μία επιπρόσθετη θερμοχημική κατεργασία χρωμίωσης, η οποία ακολουθεί τη βορίωση. Η αξιολόγηση της αντιδιαβρωτικής συμπεριφοράς της βελτιωμένης μικτής επικάλυψης βοριδίου – χρωμίου πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο της Φασματοσκοπίας Ηλεκτροχημικής Εμπέδησης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η επιπρόσθετη χρωμίωση αυξάνει αρχικά την αντίσταση της επικάλυψης σε διάβρωση, αλλά μετά από κάποιο χρόνο έκθεσης σε ισχυρό διαβρωτικό περιβάλλον HCl ή H2SO4, το πλεονέκτημα αυτό χάνεται και η επικάλυψη τελικά καταρρέει ηλεκτροχημικά. Η μελέτη αυτή αποκάλυψε πτυχές της ηλεκτροχημικής συμπεριφοράς των μικτών επικαλύψεων βοριδίου – χρωμίου που δεν είχαν αναδειχθεί έως τώρα.Η διερεύνηση της καταλυτικής βορίωσης με χρήση των σπανίων γαιών LaCl3 και CeO2 έδειξε ότι η προσθήκη μικρής ποσότητας από αυτές τις χημικές ενώσεις στο χημικό περιβάλλον όπου πραγματοποιείται η βορίωση μπορεί, υπό προϋποθέσεις, να βελτιώσει την απόδοση της διεργασίας. Το μέγιστο όφελος βρέθηκε ότι προκύπτει με την προσθήκη 0.5 wt. % LaCl3 ή CeO2, η οποία έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της ενέργειας ενεργοποίησης της διάχυσης του βορίου κατά 20 % και 39 % αντιστοίχως. Το φαινόμενο αυτό ωστόσο είναι πολύπλοκο, καθώς η προσθήκη σπάνιας γαίας σε περιεκτικότητα διαφορετική από την προαναφερθείσα μπορεί να έχει μηδενική ή ακόμα και αρνητική επίδραση στην απόδοση της διεργασίας. Επιχειρήθηκε μία θεωρητική ερμηνεία των παρατηρήσεων, η οποία περιλαμβάνει την εμπλοκή δύο ανεξάρτητων μηχανισμών δράσης των σπανίων γαιών στο περιβάλλον της βορίωσης.Συνοψίζοντας η παρούσα διδακτορική διατριβή με θέμα την ανάπτυξη βελτιωμένων τεχνικών πολυστοιχειακών επικαλύψεων με βάση το βόριο σε μεταλλικά υλικά απέδωσε καρπούς, καθώς εμπλούτισε τα πειραματικά δεδομένα σχετικά με τη συμπεριφορά των διαμεταλλικών κραμάτων τιτανίου-αλουμινίου στη βορίωση, την επίδραση των σπανίων γαιών στη απόδοση της διεργασίας και την ανταπόκριση των μικτών επικαλύψεων βοριδίου – χρωμίου στη διάβρωση. Όλα αυτά είναι ζητήματα για τα οποία η διεθνής επιστημονική βιβλιογραφία παρουσιάζει σημαντικές ελλείψεις και έχει ανάγκη από εμπλουτισμό.