Μελέτη απλών και σύνθετων επικαλύψεων ψυχρού ψεκασμού
Authors: Τριάντου Κωστούλα 
Published: January 2014

Η έρευνα που πραγματοποιήθηκε κατά την εκπόνηση της διατριβής αυτής αφορούσε τη μελέτη της μικροδομής και του μηχανισμού απόθεσης ή συναπόθεσης επικαλύψεων, απλών (μεταλλικών) και σύνθετων (μεταλλο-κεραμικών), που δημιουργήθηκαν με την τεχνική του ψυχρού ψεκασμού. Επίσης, μελετήθηκε η αντοχή σε διάβρωση και η συμπεριφορά σε τριβή-φθορά των επικαλύψεων ψυχρού ψεκασμού. Ο συνολικός στόχος της διατριβής ήταν να γίνει μία ολοκληρωμένη μελέτη και να διαπιστωθεί η δυνατότητα χρήσης της καινοτόμου τεχνικής του ψυχρού ψεκασμού για το σχηματισμό επικαλύψεων με πολύ καλά χαρακτηριστικά μικροδομής, καλή αντοχή σε διάβρωση και καλή συμπεριφορά σε τριβή-φθορά.Ο ψυχρός ψεκασμός (cold gas dynamic spray ή cold spray) είναι η τελευταία εξέλιξη στις τεχνικές θερμικού ψεκασμού. Τα σωματίδια της σκόνης τροφοδοσίας επιταχύνονται σε υψηλότερες ταχύτητες σε σχέση με τις παραδοσιακές τεχνικές ψεκασμού και θερμαίνονται σε θερμοκρασία χαμηλότερη από τη θερμοκρασία τήξης των υλικών της σκόνης και του υποστρώματος. Αρχικά δημιουργήθηκαν επικαλύψεις ψυχρού ψεκασμού τριών διαφορετικών υλικών, που έχουν πληθώρα βιομηχανικών εφαρμογών: Cu, CoNiCrAlY και Ti. Οι επικαλύψεις αυτές μελετήθηκαν ως προς τη μικροδομή τους, ώστε να προσδιοριστεί το υλικό που ήταν καταλληλότερο για χρήση στον ψυχρό ψεκασμό. Επίσης, έγινε σύγκριση των επικαλύψεων ψυχρού ψεκασμού Cu και CoNiCrAlY με τις αντίστοιχες επικαλύψεις συμβατικών τεχνικών ψεκασμού. Οι καλύτερες επικαλύψεις σε σύγκριση με τις επικαλύψεις ψυχρού ψεκασμού των δύο άλλων υλικών, αλλά και σε σύγκριση με τις επικαλύψεις των συμβατικών τεχνικών ψεκασμού, ήταν αυτές του ψυχρού ψεκασμού Cu. Οι επικαλύψεις αυτές ήταν συμπαγείς, δεν περιείχαν οξείδια και η διεπιφάνειά τους με το υπόστρωμα κράματος αλουμινίου (Al2017) δεν παρουσίασε ατέλειες (ρωγμές ή κενά). Επίσης, οι επικαλύψεις ψυχρού ψεκασμού Cu παρουσίασαν υψηλότερη μικροσκληρότητα από τις συμβατικές επικαλύψεις με το ίδιο πάχος. Ο χαλκός αποδείχθηκε ιδανικό υλικό για τον ψυχρό ψεκασμό εξαιτίας της ισχυρής παραμόρφωσής του. Αντιθέτως, από τον ψυχρό ψεκασμό CoNiCrAlY σε υπόστρωμα Hastelloy X και Ti σε υπόστρωμα Ti6Al4V προέκυψαν επικαλύψεις που παρουσίασαν πορώδες και κενά στο εσωτερικό τους και σε τμήματα της διεπιφάνειας επικάλυψης-υποστρώματος. Όμως, ήταν ιδιαίτερα σημαντικό ότι σε κανένα από τα τρία υλικά δε συνέβη οξείδωση κατά τον ψυχρό ψεκασμό.Μετά τη μελέτη των απλών επικαλύψεων, εξετάστηκαν οι σύνθετες επικαλύψεις μήτρας χαλκού ενισχυμένης με σωματίδια Al2O3 και η αντίστοιχη επικάλυψη καθαρού χαλκού. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκαν δύο σκόνες Al2O3 με εύρος μεγέθους σωματιδίων 2-12μm και 15-45μm, η κάθε μία από τις οποίες αναμίχθηκε με τη σκόνη Cu για τη δημιουργία των μιγμάτων ψυχρού ψεκασμού. Από τα μίγματα με 10, 20, 25 και 30% κ.β. Al2O3 προέκυψαν επικαλύψεις με περιεκτικότητες Al2O3 3, 5, 6 και 7% κατά επιφάνεια, αντίστοιχα. Τα σωματίδια Al2O3 κατανεμήθηκαν ομοιόμορφα στη μήτρα Cu, οι επικαλύψεις είχαν αμελητέο πορώδες, δεν υπήρχαν ατέλειες στη διεπιφάνεια επικάλυψης-υποστρώματος και δεν παρατηρήθηκε οξείδωση ή μετασχηματισμοί φάσεων κατά τον ψεκασμό. Από την πρόσκρουση των σωματιδίων Cu που δεν αποτέθηκαν, δημιουργήθηκαν κρατήρες. Παρομοίως, τα σωματίδια Al2O3 που προσέκρουσαν, αλλά δεν αποτέθηκαν, δημιούργησαν παραμορφώσεις γωνιώδους μορφολογίας. Επίσης, τα μεγαλύτερα σε μέγεθος κεραμικά σωματίδια που αποτέθηκαν, υπέστησαν θραύση κατά την πρόσκρουσή τους. Από την έντονη παραμόρφωση και πιθανότατα την αυξημένη θερμοκρασία στην περιοχή πρόσκρουσης των σωματιδίων Cu, παρατηρήθηκε εξώθηση υλικού (σχηματισμός “jet”) σε τμήματα της περιφέρειας της περιοχής επαφής τους. Η σύνδεση των σωματιδίων χαλκού, τα οποία παραμορφώθηκαν ισχυρά, ήταν συνδυασμός μηχανικής σύνδεσης και σχηματισμού μεταλλουργικού δεσμού. Τα κεραμικά σωματίδια συνδέθηκαν με τα σωματίδια χαλκού μηχανικά, δηλαδή εγκλωβίστηκαν μεταξύ των όλκιμων σωματιδίων χαλκού. Η προσθήκη των σωματιδίων Al2O3 είχε ως αποτέλεσμα την ελαφρά αύξηση της μικροσκληρότητας των σύνθετων επικαλύψεων σε σχέση με αυτήν της επικάλυψης καθαρού Cu. Από τη συνολική μελέτη των σύνθετων επικαλύψεων, δημιουργήθηκε το φυσικό μοντέλο για τη συναπόθεση των σωματιδίων Cu και Al2O3 και το σχηματισμό των επικαλύψεων ψυχρού ψεκασμού.Η επικάλυψη Ti, οι επικαλύψεις Cu+Al2O3, καθώς και η επικάλυψη καθαρού Cu μελετήθηκαν ως προς τη συμπεριφορά τους σε διάβρωση. Ως ηλεκτρολύτης χρησιμοποιήθηκε διάλυμα 3,5%κ.β. NaCl. Στην επικάλυψη Ti και στο κράμα Ti6Al4V (υπόστρωμα) εφαρμόστηκε η μέθοδος της ανοδικής (ποτενσιοδυναμικής) πόλωσης. Το στρώμα παθητικοποίησης TiO2 που σχηματίστηκε στο Ti6Al4V, ήταν σταθερό σε μεγαλύτερο εύρος δυναμικού σε σύγκριση με αυτό της επικάλυψης Ti. Γενικά, η συμπεριφορά σε διάβρωση της επικάλυψης Ti ήταν περίπου ίδια με αυτήν του συμπαγούς Ti6Al4V. Στις επικαλύψεις Cu+Al2O3 και Cu εφαρμόστηκε αρχικά γραμμική και στη συνέχεια ανοδική πόλωση. Κατά την ανοδική πόλωση οι επικαλύψεις υπέστησαν παθητικοποίηση. Σχηματίστηκαν οξείδια του χαλκού μαζί με αδιάλυτο ένυδρo χλωριούχo άλας του Cu. Όλες οι επικαλύψεις διατήρησαν την εξαιρετική συμπεριφορά σε διάβρωση του Cu. Η περιεκτικότητα και το μέγεθος των σωματιδίων Al2O3 δεν επηρέασε τη συμπεριφορά των επικαλύψεων σε ανοδική πόλωση.Τέλος, εξετάστηκε η τριβολογική συμπεριφορά των επικαλύψεων Cu+Al2O3 (με Al2O3 3, 5 και 7% κατά επιφάνεια και για μέγεθος Al2O3 2-12μm και 15-45μm) και της επικάλυψης καθαρού Cu. Ως ανταγωνιστικό υλικό χρησιμοποιήθηκε σφαίρα Al2O3. Η μελέτη αυτή πραγματοποιήθηκε για ταχύτητες ολίσθησης 5 και 10cm/s, φορτία 2, 5, 7 και 10Ν και 20.000 κύκλους ολίσθησης. Η επικάλυψη Cu σταθεροποιήθηκε σε μικρότερο αριθμό κύκλων ολίσθησης και παρουσίασε χαμηλότερο συντελεστή τριβής από όλες τις επικαλύψεις Cu+Al2O3. Η προσθήκη των σωματιδίων Al2O3 και ιδιαίτερα αυτών με μέγεθος 2-12μm, είχε ευεργετική επίδραση, αφού ο ειδικός ρυθμός φθοράς (mm3/N•m) των σύνθετων επικαλύψεων ήταν μικρότερος από αυτόν της επικάλυψης Cu και στις δύο ταχύτητες ολίσθησης. Ο μηχανισμός φθοράς των επικαλύψεων ήταν η εκτριβή (μικρο-αυλακώσεις και γραμμές μικρο-άρωσης) σε συνδυασμό με πλαστική παραμόρφωση των σωματιδίων Cu και οξείδωση στην πίστα τριβής.