Μεταλλουργικός και τριβολογικός χαρακτηρισμός μεταλλικών και κεραμικών επιστρωμάτων που παράγονται με χρήση προηγμένων τεχνικών θερμικού ψεκασμού
Authors: Σαράφογλου Χαρίκλεια 
Published: January 2014

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η μελέτη της ποιότητας, μέσω της διερεύνησης των μικροδομικών χαρακτηριστικών και των τριβολογικών ιδιοτήτων, μεταλλικών και κεραμικών επιστρωμάτων θερμικού ψεκασμού. Η ποιότητα των επιστρωμάτων θερμικού ψεκασμού εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, που έχουν να κάνουν με τις συνθήκες ψεκασμού, με τις ιδιότητες των πρώτων υλών αλλά και με το είδος της τεχνικής που χρησιμοποιείται κάθε φορά. Η διατριβή επικεντρώθηκε σε πέντε βασικές παραμέτρους που φαίνεται ότι επηρεάζουν σημαντικά την ποιότητα των επιστρωμάτων, οδηγώντας στην κατανόηση της επίδρασής τους στο σχεδιασμό και στην πραγματοποίηση των ψεκασμών. Έτσι, μελετήθηκε κατ’ αρχάς η επίδραση του υποστρώματος στις ιδιότητες των επιστρωμάτων, επιλέγοντας δύο ανοξείδωτους χάλυβες, διαφορετικής μεταλλουργίας και θερμικών ιδιοτήτων, οι οποίοι επικαλύφθηκαν με μεταλλική και κεραμική επίστρωση με την τεχνική του ατμοσφαιρικού ψεκασμού πλάσματος. Τόσο κατά τη δημιουργία της μεταλλικής όσο και της κεραμικής επίστρωσης, η υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα του μαρτενσιτικού χάλυβα, σε σχέση με τον ωστενιτικό, είχε ως αποτέλεσμα την ταχεία απαγωγή της θερμότητας από την επιφάνεια και επομένως χαμηλότερη θερμοκρασία υποστρώματος. Αυτό οδήγησε σε μη ικανοποιητική απόθεση και στερεοποίηση των τηγμένων σωματιδίων της σκόνης και κατ’ επέκταση των στρωμάτων που αποτελούν την επικάλυψη έχοντας ως αποτέλεσμα και την υποβάθμιση των μικροδομικών χαρακτηριστικών της. Ο δεύτερος παράγοντας που μελετήθηκε ήταν η εφαρμογή συνδετικού υλικού (επίστρωση NiAl) μεταξύ υποστρώματος (χάλυβας μετρίου άνθρακα AISI 1045) και κεραμικής επίστρωσης (Cr2O3) και ο τρόπος επίδρασής του στις ιδιότητες της επίστρωσης. Η εφαρμογή του Ni-5%Al, ως συνδετικό επίστρωμα μεταξύ του χάλυβα και της κεραμικής επίστρωσης Cr¬2O3¬¬, οδήγησε σε αύξηση της μικροσκληρότητας, μείωση του ποσοστού του πορώδους κατά ~27%, αύξηση της αντοχής σε πρόσφυση και βελτίωση της συμπεριφοράς σε φθορά. Τρίτος παράγοντας που μελετήθηκε ήταν η επίδραση της κοκκομετρίας της σκόνης ψεκασμού στις ιδιότητες των επιστρωμάτων. Για τη δημιουργία των επιστρωμάτων χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικές τεχνικές, η τεχνική του ατμοσφαιρικού ψεκασμού πλάσματος και η τεχνική ψεκασμού υψηλής ταχύτητας με καύση προπανίου. Για την τεχνική του ατμοσφαιρικού ψεκασμού πλάσματος ως υλικό επικάλυψης μελετήθηκε σκόνη χάλυβα μετρίου άνθρακα της Sulzer Metco, µε συμβατική και νανοκρυσταλλική δομή. Ενώ για την τεχνική ψεκασμού υψηλής ταχύτητας με καύση προπανίου ως υλικό επικάλυψης επιλέχθηκε κραματωμένος χάλυβας της εταιρείας Sulzer Metco, µε συμβατική και νανοκρυσταλλική δομή, επίσης. Μετά τον ατμοσφαιρικό ψεκασμό πλάσματος, παρόλο που η συμβατική επίστρωση παρουσίασε χαμηλότερη τραχύτητα και χαμηλότερο ποσοστό πορώδους και χαμηλότερη αντοχή σε πρόσφυση, σε σχέση με την επίστρωση νανοκρυσταλλικής σκόνης, η μικροσκληρότητα που επιτεύχθηκε ήταν ίδια ενώ η συμπεριφορά σε τριβή – φθορά ήταν βελτιωμένη. Με την τεχνική ψεκασμού υψηλής ταχύτητας με καύση προπανίου (HVOF) παράχθησαν δύο επιστρώσεις οι οποίες παρουσίασαν παρόμοια μικροδομικά χαρακτηριστικά. Ωστόσο η νανοκρυσταλλική σκόνη προσφέρει ένα επίστρωμα με μειωμένο συντελεστή τριβής κατά περίπου 30% σε σχέση με την συμβατική σκόνη, όμως η φθορά της είναι υψηλότερη λόγω του υψηλότερου ποσοστού πορώδους που παρουσιάστηκε.Ο τέταρτος παράγοντας που μελετήθηκε είναι η επίδραση του βαθμού οξείδωσης κατά τον ατμοσφαιρικό ψεκασμό πλάσματος με in situ αντίδραση στις ιδιότητες των επιστρωμάτων TiO2 σε υπόστρωμα ανοξείδωτου χάλυβα AISI 316. Τα επιστρώματα είχαν παρόμοια χαρακτηριστικά σε ότι αφορά στο πάχος τους, στη μορφολογία της επιφάνειας (πορώδες και τραχύτητα), στη μικροδομή και στο συντελεστή τριβής. Ωστόσο παρουσίασαν σημαντική διαφορά στις τιμές της μικροσκληρότητας που οφείλεται κατά κύριο λόγο στις διαφορετικές θερμοκρασίες προθέρμανσης μεταξύ των δύο επιστρωμάτων. Επιπλέον, το επίστρωμα που παράχθηκε με υψηλή θερμοκρασία προθέρμανσης παρουσίασε την υψηλότερη αντοχή σε πρόσφυση και τη χαμηλότερη φθορά. Τέλος ο πέμπτος παράγοντας που μελετήθηκε ήταν η επίδραση του είδους της τεχνικής ψεκασμού πλάσματος στις ιδιότητες των επιστρωμάτων Al2O3. Η κεραμική πούδρα ψεκάστηκε χρησιμοποιώντας τις μεθόδους ψεκασμού πλάσματος υπό υψηλή πίεση (ΗΡΡS), χρησιμοποιώντας αργό για τη δημιουργία της ατμόσφαιρας εντός του συστήματος, και ατμοσφαιρικού ψεκασμού πλάσματος (ΑΡS) χρησιμοποιώντας αέρα για τη δημιουργία της ατμόσφαιρας εντός του συστήματος. Με την τεχνική ψεκασμού πλάσματος υψηλής πίεσης HPPS (High Pressure Plasma Spraying) δημιουργήθηκαν επιστρώματα, με σημαντικά βελτιωμένες επιφανειακές ιδιότητες, κατάλληλες για υψηλών απαιτήσεων εφαρμογές. Οι ιδιότητες εξαρτώνται σημαντικά από τις συνθήκες της διαδικασίας, όπως η πίεση και η σύνθεση της ατμόσφαιρας του θαλάμου ψεκασμού, τα αέρια, η θερμοκρασία, η ισχύς, κλπ.Τέλος, πραγματοποιήθηκε μια απλουστευμένη αριθμητική μοντελοποίηση της θερμοκρασιακής κατανομής κατά τη δημιουργία επιστρώματος ατμοσφαιρικού ψεκασμού πλάσματος μέσω προγράμματος σε ηλεκτρονικό υπολογιστή που πραγματοποιεί ανάλυση με χρήση πεπερασμένων στοιχείων, λαμβάνοντας υπόψη τη δυναμική απόκριση των θερμοστοιχείων, μέσω ενός φίλτρου το οποίο εφαρμόστηκε στα αποτελέσματα του θερμικού μοντέλου, οδηγώντας σε απόλυτη συμφωνία μεταξύ των δύο κατανομών.