Σύνθεση επικαλύψεων υψηλών θερμοκρασιών με τη νέα μέθοδο CAFSY
Authors: Μαρίνου Αμαλία 
Published: September 2021

Η σύνθεση των κραμάτων με την μέθοδο CAFSY (Combustion-Assisted FlameSpraYing) συνδυάζει 2 διαφορετικές μεθόδους, την αυτοπροωθούμενη σύνθεση υψηλών θερμοκρασιών (Self propagating High temperature Synthesis, SHS) και τον θερμικό ψεκασμόφλόγας (Flame Spraying, FS). Στην CAFSY πραγματοποιείται σύνθεση του μίγματος των κόνεων εν πτήση μέσα στην φλόγα, όπου τα αντιδρόντα αυτό-αναφλέγονται και αντιδρούν εξώθερμα κατά την διάρκεια του θερμικού ψεκασμού, σε ελάχιστο χρόνο (μερικών δευτερολέπτων), παράγοντας in-situ επικαλύψεις με ενδομεταλλικές ενώσεις. Είναι μία πρωτοπόρος ιδέα που δεν έχει δοκιμαστεί ούτε σε βιομηχανικό ούτε σε ερευνητικό επίπεδο. Η εξώθερμη αντίδραση μάλιστα αυξάνει την διαθέσιμη ενέργεια μειώνοντας το χρόνο τήξης (και αντίδρασης) των μειγμάτων Ni και Al (στην συγκεκριμένη μελέτη), δημιουργώντας εύκολα τις ζητούμενες ενδομεταλλικές ενώσεις NiAl και Ni3Al. Σημαντικό πλεονέκτημα αποτελεί και το κόστος της παραγωγής επικαλύψεων με τη μέθοδο αυτή καθότι χρησιμοποιούνται κοινές πούδρες Ni και Al του εμπορίου και όχι ειδικές προ-κραματοποιημένες πούδρες σφαιροειδούς μορφής, ειδικές για τον θερμικό ψεκασμό. Για το λόγο αυτό ονομάστηκε «CAFSY» από τη Αγγλική φράση «Combustion-Assisted Flame SpraYing» (Ψεκασμός φλόγας με υποβοήθηση καύσης).Στο σύστημα Ni-Al οι δύο ενδομεταλλικές ενώσεις που έχουν σημασία για την βιομηχανία είναι οι NiAl και Ni3Al εξαιτίας των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους. Υλικά δύο-φάσεωνNi3Al + NiAl παρουσιάζουν συνεργιστική επίδραση επί των ιδιοτήτων του καθένα από τα μονολιθικά κράματα. Παρόλο που το υλικό εμφανίζει μια ανώμαλη συμπεριφορά στην απόδοση,έχει τη δυνατότητα να αποδώσει τελικά βελτιωμένη ώθηση στην αναλογία του βάρους για εφαρμογές του κινητήρα αεροδιαστημικής. Οι ενδομεταλλικές ενώσεις NiAl και Ni3Al, εξαιτίας του υψηλού σημείου τήξεώς τους, χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών.Πιθανές εφαρμογές των ενδομεταλλικών ενώσεων NiAl και Ni3Al είναι φούρνοι θερμικής επεξεργασίας, τουρμπίνες αερίου, νερού και ατμού, συνδετήρες αεροσκάφους, υπερσυμπιεστές αυτοκινήτων, έμβολα και βαλβίδες, εργαλεία και μόνιμα καλούπια.Στην παρούσα διδακτορική εργασία πραγματοποιήθηκε σύνθεση επικαλύψεων ενδομεταλλικών κραμάτων Ni-Al με την μέθοδο CAFSY. Εξαιτίας της πρωτοπορίας της μεθόδου δεν μπορεί καμία παράμετρος του κανονικού θερμικού ψεκασμού φλόγας να ληφθεί ως δεδομένη και μελετήθηκε η επίδραση των διαφόρων παραμέτρων ψεκασμού στις ιδιότητες των παραγόμενων επικαλύψεων, οι οποίες είναι: χρήση πολυβινιλικής αλκοόλης (PVA) ως συνδετικό μέσο για την συσσωμάτωση της πούδρας, μηχανική επεξεργασία της αρχικής πούδραςπριν το θερμικό ψεκασμό, μέγεθος κοκκομετρίας αλουμινίου, ποσοστό νικελίου στο αρχικό μίγμα, παροχή αέρα κατά τον θερμικό ψεκασμό, απόσταση ψεκασμού, θερμοκρασία φλόγας,θερμοκρασία υποστρώματος, θερμική επεξεργασία της επικάλυψης και υλικό υποστρώματος.Τέλος οι επικαλύψεις συγκρίθηκαν με την συμβατική μέθοδο του θερμικού ψεκασμού.Συνολικά η μελέτη εκτός από την σύνθεση παρουσιάζει την δυνατότητα του ελέγχου των αντιδράσεων καύσης μεταξύ των μιγμάτων των κόνεων στην φλόγα ψεκασμού. Η βελτιστοποίηση της διαδικασίας μπορεί να παράγει ικανοποιητικές σύνθετες επικαλύψεις σε υπόστρωμα ανοξείδωτου χάλυβα, με φυσικές και μηχανικές ιδιότητες τουλάχιστον τόσο καλές όσο εκείνες που λαμβάνονται με προ-κραματοποιημένες εμπορικές πούδρες. Ακόμη και οιεπικαλύψεις με χαμηλά ποσοστά ενδομεταλλικών φάσεων παρουσιάζουν χαμηλότερο πορώδες και μεγαλύτερη αντοχή πρόσφυσης από τις αντίστοιχες του συμβατικού θερμικού ψεκασμού που χρησιμοποιούνται σήμερα στην βιομηχανία. Συνολικά, παράχθηκαν καλής ποιότητας επικαλύψεις, οι οποίες στις βελτιστοποιημένες συνθήκες εμφανίζουν χαμηλό πορώδες (<3%) με συνεκτική δομή και καλή αντοχή πρόσφυσης (>40MPa). Το ποσοστό των σχηματιζόμενων ενδομεταλλικών φάσεων στην επικάλυψη μπορεί ανάλογα με τις συνθήκες να αγγίξει το 95%της μάζας της επικάλυψης.Στην πλειοψηφία των επικαλύψεων το χαμηλό πορωδες είναι ο κύριος παράγοντας για την αύξηση της αντίστασης σε φθορά. Επίσης σημαντικό ρόλο λαμβάνουν τα ποσοστά των ενδομεταλλικών φάσεων NiAl, Ni3Al, Ni2Al3, NiAl3 καθώς και η παρουσία των φάσεων Ni καιAl. Στις περιπτώσεις που η μήτρα της επικάλυψης αποτελείται από μεγάλα ποσοστά Ni και Al,οι ενδομεταλλικές ενώσεις δεν επηρεάζουν την αντίσταση στη φθορά, ενώ στις επικαλύψεις με θερμική επεξεργασία η αύξηση των ποσοστών των NiAl και Ni3Al και η ταυτόχρονη εξάλειψη των ψαθυρών φάσεων NiAl3 και Ni2Al3 θα βελτίωνε την αντίσταση στη φθορά από αέρια αμμοβολή. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων διάβρωσης έδειξαν πως οι αποδεκτές επικαλύψεις της μεθόδου CAFSY εμφανίζουν παρόμοια ηλεκτροχημική συμπεριφορά μεταξύ τους και δεν επηρεάζονται ιδιαίτερα από τις παραμέτρους του θερμικού ψεκασμού. Το συνολικό ποσοστό των ενδομεταλλικών ενώσεων ελέγχει κυρίως τη θερμοδυναμική τάση της επικαλύψης για διάβρωση (αύξησή του οδηγεί σε μείωση θερμοδυναμικής τάσης). Η ποικιλία των σχηματιζόμενων φάσεων ελέγχει την κινητική της διάβρωσης (αύξησή της οδηγεί σε αύξηση του ρυθμού διάβρωσης). Το πορώδες ευνοεί την τοπική διάβρωση μόνο όταν είναι υψηλό. Σε ποσοστά κάτω του 5% δεν επηρεάζει σημαντικά την αντίσταση σε διάβρωση καθώς δεν είναι συνδεδεμένο. Άτηκτα σωματίδια, όρια splats και όρια διαδοχικών επιστρώσεων έχουν αρνητική επίπτωση στην αντίσταση σε τοπική διάβρωση. Η συμβατική επικάλυψη παρόλο που εμφανίζει ευγενέστερη συμπεριφορά ως προς τη γενική διάβρωση επιπλέον είναι ελαφρώς επιδεκτική σε διάβρωση οπών, κάτι που δεν παρουσιάζει η επικάλυψη της CAFSY.