Μεταλλοκεραμικές επικαλύψεις θερμικού ψεκασμού πλάσματος σε ανοξείδωτο χάλυβα
Authors: Πάλλη Ιωάννα 
Published: September 2021

Η έρευνα που πραγματοποιήθηκε κατά την εκπόνηση της διατριβής αυτής αφορούσε τη μελέτη κεραμομεταλλικών επικαλύψεων WC-12%Co και WC-17%Co θερμικού ψεκασμού πλάσματος. Οι επικαλύψεις δημιουργήθηκαν με τις τεχνικές ατμοσφαιρικού ψεκασμού πλάσματος και ψεκασμού πλάσματος στο κενό και αποτέθησαν σε ανοξείδωτο ωστενιτικό χάλυβα. Μελετήθηκε επίσης η μικροδομή τους, η τριβολογική τους συμπεριφορά σε τριβή ολίσθησης και φθοράς εκτριβής, καθώς και η επιφανειακή τους κατεργασία με λέιζερ.Αρχικά επιλέχθηκαν τα υλικά ψεκασμού τα οποία ήσαν καρβίδια βολφραμίου WC σε μεταλλική μήτρα κοβαλτίου, σε δύο διαφορετικά ποσοστά Co 12% και Co 17%. Η επιλογή των υλικών έγινε γιατί με τις δύο φάσεις από τις οποίες αποτελούνται συνδυάζουν την σκληρότητα και την αντιδιαβρωτική ικανότητα της κεραμικής φάσης με την υψηλή ολκιμότητα και θερμική αγωγιμότητα της μεταλλικής φάσης. Το WC-12%Co που έχει μεγαλύτερο ποσοστό καρβιδίων παρουσιάζει μεγαλύτερη σκληρότητα γι’ αυτό και εφαρμόζεται κυρίως σε εφαρμογές που παρουσιάζεται φθορά ολίσθησης, ενώ το WC-17%Co, με μεγαλύτερο ποσοστό μεταλλικής μήτρας είναι περισσότερο όλκιμο και γι’ αυτό χρησιμοποιείται σε εξαρτήματα που υφίστανται κρούσεις και απαιτείται αυξημένη ολκιμότητα για να μη δημιουργηθούν ρήγματα, τα οποία αποτελούν σημεία αστοχίας. Οι επικαλύψεις αυτές χρησιμοποιούνται ευρέως σε βιομηχανικές εφαρμογές που απαιτούν αντίσταση σε ποικίλα είδη φθοράς εκτριβής και μηχανικής διάβρωσης.Η τεχνική ατμοσφαιρικού ψεκασμού πλάσματος εφαρμόζεται για επικαλύψεις κεραμομεταλλικών υλικών καθώς η υψηλή θερμοκρασία του πλάσματος οδηγεί σε ομοιόμορφη τήξη των κόνεων και την εναπόθεση τους στο υπόστρωμα, με χαμηλά ποσοστά πορώδους. Χαρακτηριστικό της τεχνικής αυτής είναι η δημιουργία οξειδίων στις επικαλύψεις λόγω παρουσίας οξυγόνου κατά τον ψεκασμό. Με την τεχνική ψεκασμού πλάσματος στο κενό αποφεύγονται τα οξείδια ενώ επιτυγχάνεται μικρότερο πορώδες στις επικαλύψεις.Οι συνθήκες ψεκασμού και για τα δύο υλικά και με τις δύο τεχνικές ακολούθησαν μία διαδικασία βελτιστοποίησης με συνδυασμό των μεθόδων σταδιακής αλλαγής παραμέτρων ψεκασμού και της μεθόδου σχεδιασμού πειραμάτων Taguchi. Οι επικαλύψεις που παράγονταν εξετάζονταν ως προς την απουσία μικρορωγμών, ελάχιστο πορώδες και καλή τήξη των σωματιδίων της ψεκαζόμενης κόνης, παράγοντες που καθορίζουν την ποιότητα μικροδομής μιας επικάλυψης. Αυτά τα χαρακτηριστικά παρατηρήθηκαν σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης με σύστημα μικροανάλυσης ακτίνων Χ σε μεταλλογραφικές τομές επικαλυμμένων δοκιμίων. Επίσης έγιναν μετρήσεις μικροσκληρότητας και πάχους επικαλύψεων, όπως και περίθλαση ακτίνων Χ και προφιλομέτρηση τραχύτητας.Οι επικαλύψεις που δημιουργήθηκαν με βέλτιστα τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά εξετάστηκαν ως προς την τριβολογική τους συμπεριφορά με τριβόμετρο τύπου σφαίρας σε δίσκο για μελέτη του μηχανισμού φθοράς από τριβή ολίσθησης και με όργανο εκτριβής (scratch test) για μελέτη του μηχανισμού φθοράς από εκτριβή τρίτου σώματος. Για τη μελέτη των επικαλύψεων σε συνθήκες τριβής ολίσθησης χρησιμοποιήθηκαν ως αντίπαλο σώμα των επικαλύψεων διάφορα υλικά όπως Al2O3, το Si3N4 και το WC. Επίσης έγιναν δοκιμές μηχανικής διάβρωσης (erosion test) στις επικαλύψεις WC-12%Co με την τεχνική ατμοσφαιρικού ψεκασμού πλάσματος και εκτριβής (abrasion test) ) στις επικαλύψεις WC-17%Co με την τεχνική ατμοσφαιρικού ψεκασμού πλάσματος.Τέλος, οι επικαλύψεις υποβλήθηκαν σε επιφανειακή κατεργασία με λέιζερ. Αρχικά μελετήθηκε η επίδραση του λέιζερ σε ακίνητο στόχο ώστε να προσδιοριστούν οι συνθήκες ακτινοβόλησης που οδηγούν σε μείωση του επιφανειακού πορώδους και σε εξομάλυνση της επιφάνειας. Στη συνέχεια έγινε σάρωση της επιφάνειας με λέιζερ, ενώ μελετήθηκε η μηχανική τους συμπεριφορά σε συνθήκες τριβής ολίσθησης.