4. Materia i metodyka bada

Transkrypt

1 4. Materia i metodyka bada 4.1. Materia do bada i technologie jego obróbki Wp yw obróbki cieplnej i powierzchniowej na struktur i w asno ci analizowano w badaniach odlewniczych stopów magnezu MCMgAl12Zn1, MCMgAl9Zn1, MCMgAl6Zn1, MCMgAl3Zn1 o sk adzie chemicznym podanym w tablicy 5. Tablica 5. Sk ad chemiczny analizowanych stopów St enie masowe pierwiastków stopowych w Nazwa stopu badanych stopach, % Al Zn Mn Si Fe Mg Reszta MCMgAl12Zn1 (wg. ISO-AZ121) 12,1 0,62 0,17 0,047 0,013 86,96 0,09 MCMgAl9Zn1 (wg. ISO-AZ91) 9,09 0,77 0,21 0,037 0,011 89,79 0,092 MCMgAl6Zn1 (wg. ISO-AZ61) 5,92 0,49 0,15 0,037 0,007 93,33 0,066 MCMgAl3Zn1 (wg. ISO-AZ31) 2,96 0,23 0,09 0,029 0,006 96,65 0,035 W celu okre lenia wp ywu szybko ci ch odzenia i sk adu chemicznego (st enia aluminium) na struktur badanych stopów magnezu wykonano analiz termiczn z wykorzystaniem urz dzenia UMSA-Universal Metallurgical Symulator and Analyzer [26, 34-37, 41, 43, 44]. Wykonanie analizy termicznej polega o na ponownym roztopieniu, wygrzaniu i ch odzeniu próbki z odpowiedni za o on szybko ci ch odzenia (0,6; 1,2; 2,4 C/s). Próbki o zadanym kszta cie nagrzano indukcyjnie do temperatury 700±1 C przy u yciu cewki indukcyjnej zasilanej z generatora indukcyjnego urz dzenia o mocy 5 kw. Przetapianie i ch odzenie wykonano w szczelnie zamkni tej komorze, do której dostarczano gaz ochronny zapewniaj cy jednocze nie ch odzenie badanego stopu z szybko ciami 1,2 i 2,4 C/s. Przy szybko ci ch odzenia równej 0,6 C/s próbk ch odzono bez wymuszonego obiegu gazu, przy szybko ci ch odzenia równej 1,2 C/s przez uk ad ch odzenia przep ywa argon o szybko ci przep ywu 30 l/min, natomiast przy szybko ci ch odzenia 2,4 C/s przep yw argonu by na poziomie 125 l/min. Dla ustalenia zale no ci miedzy temperatur i czasem przemian fazowych, temperatur likwidus i solidus oraz temperatur zarodkowania fazy wykonano trzy pe ne przetapiania i krzepni cia próbki. Pomiar zmian temperatury próbki T=f(t) oraz szybko ci ch odzenia dt/dt=f`(t) stopu rejestrowano w odst pach czasu dt=0,2 s. Po rejestracji krzywej stygni cia T=f(t) oraz zapisie informacji o mocy generatora i przep ywie gazu 44 T. Ta ski

2 Kszta towanie struktury i w asno ci powierzchni stopów Mg-Al-Zn ochronnego, dane poddano dalszej obróbce tj. ró niczkowaniu i wyg adzeniu w celu wyznaczenia krzywej ró niczkowej. Optymalizacj warunków obróbki cieplnej tj. temperatury i czasu wygrzewania w trakcie przesycania i starzenia oraz szybko ci ch odzenia po przesycaniu, a tak e analiz wp ywu o rodka ch odz cego i warunków obróbki cieplnej na struktur obrabianych stopów, wykonano w oparciu o wyniki prób twardo ci obejmuj ce w sumie kilkadziesi t mo liwych kombinacji prób oraz na podstawie obserwacji metalograficznych wykonanych po ka dym cyklu przesycania i starzenia (rys ). Przesycanie z ch odzeniem w wodzie lub powietrzu oraz obróbk ciepln z ch odzeniem z piecem wykonano w ró nej temperaturze 400, 415 i 430 C przez 10, 20 i 30 godzin. Analiza metalograficzna potwierdzi a s uszno zastosowania starzenia jedynie po uprzednim wykonaniu przesycania w wodzie. Starzenie przeprowadzono w zakresie temperatury od 150 do 210 C co 20 C i w czasie 5, 10 i 15 godzin. Dla ka dej próbki wykonano odpowiednio pi prób i obliczono redni arytmetyczn, otrzymuj c w rezultacie 27 przypadków redniej twardo ci dla ka dego ze stopów po przesycaniu oraz 108 przypadków Rysunek 15. Wyniki pomiarów twardo ci próbek z odlewniczych stopów magnezu Mg-Al-Zn po przesycaniu i po obróbce cieplnej z ch odzeniem z piecem 4. Materia i metodyka bada 45

3 Rysunek 16. Wyniki pomiarów twardo ci próbek z odlewniczych stopów magnezu: a) MCMgAl12Zn1, b) MCMgAl9Zn1, c) MCMgAl6Zn1, d) MCMgAl3Zn1 po starzeniu z uprzednim przesycaniem z ch odzeniem w wodzie 46 T. Ta ski

4 Kszta towanie struktury i w asno ci powierzchni stopów Mg-Al-Zn Rysunek 17. Schemat bada obróbki cieplnej odlewniczych stopów magnezu Mg-Al-Zn 4. Materia i metodyka bada 47

5 po starzeniu. Powsta a macierz obejmowa a cznie 540 przypadków warto ci rednich uzyskanych z prób twardo ci dla stanu po przesycaniu, oraz po obróbce cieplnej z wygrzewaniem i ch odzeniem z piecem oraz starzeniu (rys. 17). Analiz wp ywu obróbki powierzchniowej przy zastosowaniu lasera diodowego du ej mocy (HPDL) wykonano na odlewniczych stopach magnezu Mg-Al-Zn (tablica 5), w powierzchni których wtapiano w gliki tytanu, wolframu, wanadu, krzemu i tlenku aluminium (tablica 6) [3, 4, 22-34, 37, 43, 44]. Tablica 6. W asno ci proszków ceramicznych u ytych do wtapiania laserowego W asno WC TiC VC SiC Al 2 O 3 G sto, kg/m 3 15,69 4,25 5,36 3,44 3,97 Twardo, HV Temperatura topnienia, C Wielko ziarna, m min. 0,7-0,9 < 1,0 < max. >5 >6,4 >1,8 <75 80 Wst pny zakres bada obejmowa w sumie 69 mo liwych wariantów obróbki laserowej dla ka dego analizowanego stopu magnezu (rys. 18). W pocz tkowej fazie pracy u yto 7 ró nych proszków, trzy moce lasera oraz trzy szybko ci przesuwu wi zki. Ponadto wtapianie laserowe zosta o przeprowadzone dwoma technikami: 1. proces dwuetapowy wprowadzania cz stek do obszaru ciek ego jeziorka: proszek, który zmieszano z lepiszczem w postaci: a) szk a sodowego w proporcji 30% lepiszcza i 70 % proszku, b) alkoholu poliwinylowego o konsystencji syropowatego roztworu, który zosta u o ony na obrabianej powierzchni, a nast pnie przetopiony wi zk laserow, 2. proces jednoetapowy: materia dodatkowy w postaci proszku by podawany w strumieniu gazu os onowego do obszaru jeziorka przetopienia utworzonego na obrabianej powierzchni, w obszarze plamki ogniska wi zki laserowej, gdzie ulega wtopieniu. Obserwacje metalograficzne oraz zewn trzne ogl dziny próbek po przetapianiu próbek technik nanoszenia proszku na powierzchni przetapianego materia u w postaci pasty lub lu no na o onych cz steczek, które nast pnie si przetapia wyeliminowa y dwuetapowy proces wprowadzania twardych cz stek do obszaru ciek ego jeziorka, ze wzgl du na liczne nieci g o ci 48 T. Ta ski

6 Kszta towanie struktury i w asno ci powierzchni stopów Mg-Al-Zn Rysunek. 18. Schemat bada laserowego wtapiania w warstw wierzchni odlewniczych stopów magnezu Mg-Al-Zn twardych cz stek ceramicznych 4. Materia i metodyka bada 49

7 widoczne na powierzchni lica przetopienia oraz brak cz steczek wzmocnienia w obszarze przetopienia. Du ym minusem tych technik jest przedwczesna sublimacja i rozpad du ej cz ci materia u dodatkowego wskutek napromieniowania go wi zk laserow o du ej energii, jeszcze przed etapem wprowadzenia go do ciek ego jeziorka. Poza tym zbyt du y udzia proszku, b d cego równocze nie absorbentem promieniowania laserowego, a co za tym idzie no nikiem ciep a, dostarczona do obszaru przetopienia lub zbyt intensywne wdmuchiwanie go w powierzchni obrabianych stopów Mg-Al-Zn, powoduje nadmiern, niepo dan reakcj materia u dodatkowego, której towarzyszy zazwyczaj intensywny p omie reakcji rozpadu. W nast pstwie tego typu oddzia ywa na drodze proszek-wi zka laserowa-materia pod o a powstaj na powierzchni obrabianego stopu liczne dziury i wyp ywki materia u na zewn trz przetapianej cie ki, du e zawirowania materia u przetapianego oraz mog si tworzy niepo dane, nieforemne, wysokie spieki b d ce kompozycj materia u rodzimego i przetapianych proszków. Dalsz obróbk laserow odlewniczych stopów magnezu (wtapianie) wykonano technik podawania proszku z szybko ci ok. 1,5-7 g/min w sposób ci g y do obszaru jeziorka przetopionego metalu poprzez dozowanie granulatu przy u yciu podajnika fluidyzacyjnego lub grawitacyjnego. Podajnik proszku po czony by z butl gazu transportuj cego oraz dysz podawania proszku. Wtapianie wykonano w os onie argonu, w celu ochrony pod o a przed utlenianiem. Po wst pnych próbach do bada przyj to moc lasera w zakresie 1,2-2,0 kw oraz szybko wtapiania 0,50; 0,75; 1,00 m/min. Dla wybranych przetopie, do celów porównawczych, zastosowano szybko wtapiania proszków 0,25 m/min. Wzrost szybko ci wtapiania powoduje skrócenie czasu oddzia ywania wi zki laserowej na materia, a tym samym skutkuje ograniczeniem zaabsorbowanej energii przez pod o e i w efekcie prowadzi do ograniczenia zasi gu zmian strukturalnych. Zastosowanie zbyt wysokiej mocy lasera lub za niskiej szybko ci skanowania powoduje parowanie powierzchni i powstawanie kraterów, natomiast zastosowanie zbyt ma ej mocy lub zbyt du ej szybko ci wtapiania mo e by przyczyn nieodpowiedniego przetopienia charakteryzuj cego si niejednorodnym rozmieszczeniem cz stek wtapianych w osnow odlewniczych stopów magnezu Mg-Al-Zn. W a ciwy dobór warunków wtapiania umo liwia osi gni cie na powierzchni przetapianego materia u, jednolitego kompozytu z o onego z osnowy (stop Mg-Al-Zn) i wtopionych twardych cz stek ceramicznych. Przy okre laniu warunków procesu nale y wzi pod uwag kilka istotnych czynników, z których najwa niejsze to: ró nica g sto ci i napi cia powierzchniowego pomi dzy cz stkami zastosowanych w glików lub tlenku (TiC, WC, VC, SiC, Al 2 O 3 ) i osnow 50 T. Ta ski

8 Kszta towanie struktury i w asno ci powierzchni stopów Mg-Al-Zn stopu, ró nice absorpcji energii wi zki pomi dzy u ytymi proszkami i odlewniczymi stopami magnezu oraz zró nicowana przewodno cieplna u ytych proszków, która znacz co wp ywa na warto ciep a dostarczonego z zewn trz (od wi zki laserowej) do materia u pod o a, umo liwiaj c tym samym uzyskanie lepszego przetopienia o równomiernie rozmieszczonych fazach cz stek dyspersyjnych. Zastosowana technika wtapiania jest jedn z najbardziej efektywnych i powtarzalnych technik, wykorzystywanych w celu uzyskania warstw kompozytowych na powierzchni przetapianych metali. Wtapianie proszków w glików i tlenku aluminium w powierzchni odlewniczych stopów magnezu odby o si przy zastosowaniu lasera diodowego du ej mocy HPDL Rofin DL 020. W sk ad wyposa enia zastosowanego lasera wchodzi y m.in.: stolik roboczy obrotowy i poruszaj cy si w p aszczy nie XY, dysza z podajnikiem proszku do wzbogacania lub napawania, dysza gazu ochronnego, g owica laserowa, uk ad zasilania i ch odzenia, oraz system komputerowy steruj cy prac lasera i po o eniem stolika roboczego. Na jednej powierzchni próbek prostopad o ciennych wykonywano jedn lub dwie cie ki przetopienia, przy ró nej mocy lasera i szybko wtapiania, przeznaczone do bada metalograficznych i mechanicznych. W celu ustalenia zale no ci mi dzy struktur i w asno ciami nanoszonych pow ok hybrydowych, czyli systemu mi kkie pod o e gradientowa warstwa przej ciowa, o p ynnej zmianie jednego lub kilku jej sk adników od pod o a do zewn trznej jej powierzchni oraz pow oka zewn trzna, wykonano niezale nie pokrycia w procesie katodowego odparowania ukiem elektrycznym CAE PVD (ang. Cathodic Arc Evaporation) oraz w procesie chemicznego osadzania z fazy gazowej ze wspomaganiem plazmowym PA CVD (ang. Plasma Assisted CVD) na pod o u z odlewniczych stopów magnezu Mg-Al-Zn (tablica 5). Wst pny zakres bada obejmowa w sumie 10 mo liwych systemów warstw o nast puj cej kombinacji: Ti/Ti(C,N)/CrN, Ti/Ti(C,N)/(Ti,Al)N, Ti/(Ti,Al)N/(Ti,Al,Si)N, Ti/(Ti,Al)N/(Ti,Si)N, Ti/TiN/(Ti,Al)N, Ti/(Ti,Si)N/(Ti,Si)N, Cr/Ti(C,N)/(Ti,Al)N, Cr/CrN/CrN, Cr/CrN/TiN, Ti/DLC/DLC o ró nych zakresach warunków technologicznych, w tym w szczególno ci nat enia pr du na katodzie ( A) oraz napi cia na pod o u (V) (rys. 19). Zarówno obserwacje metalograficzne jak i zewn trzne ogl dziny próbki umo liwi y ostateczn selekcj najlepszych wariantów uzyskanych pow ok, tj.: Ti/Ti(C,N)/CrN, Ti/Ti(C,N)/(Ti,Al)N, Cr/CrN/CrN, Cr/CrN/TiN, Ti/(Ti,Si)N/(Ti,Si)N oraz Ti/DLC/DLC [46-54]. Proces PACVD, w którym mo na uzyska wzgl dnie nisk temperatur obróbki powierzchni wykorzystano do wytworzenia pow ok 4. Materia i metodyka bada 51

9 Rysunek 19. Schemat bada konstytuowania pow ok PVD i CVD na powierzchni odlewniczych stopów magnezu Mg-Al-Zn 52 T. Ta ski

10 Kszta towanie struktury i w asno ci powierzchni stopów Mg-Al-Zn Tablica 7. Warunki osadzania badanych warstw Rodzaj wytworzonej pow oki oraz zastosowana technika nak adania pow oki PVD PACVD Parametry procesu Ti/Ti(C,N)- gradient/crn Ti/Ti(C,N)- gradient/(ti,al)n Cr/CrNgradient/CrN Cr/CrNgradient/TiN Ti/(Ti,Si)Ngradient/(Ti,Si)N Ti/DLCgradient/DLC Ci nienie bazowe, Pa 5x x10-3 5x10-3 1x10-3 Ci nienie robocze, Pa 0,9/1,1-1,9/2,2 0,9/1,1-1,9/2,8 1,0/1,4-2,3/2,2 1,0/1,4-2,3/2,2 0,89/1,5-2,9/2,9 2 80* 80* 80* 80* 80* 80* Przep yw argonu, cm 3 /min 10** 10** 80** 80** 20** - 10*** 10*** 20*** 20*** 20*** - Przep yw azotu, cm 3 /min 225 0** 0 225** 0 250** 0 250** 0 300** 250*** 350*** 250*** 250*** - Przep yw acetylenu, cm 3 /min 0 170** 140 0** Napi cie na pod o u, V 70* 70* 60* 60* 70* 70** 70** 60** 60** 100** 60*** 70*** 60*** 100*** 100*** 500 Nat enie pr du na katodzie, A Temperatura procesu, ºC <150 <150 <150 <150 <150 <180 * podczas nanoszenia warstwy metalicznej, ** podczas nanoszenia warstwy gradientowej, *** podczas nanoszenia warstwy ceramicznej. 4. Materia i metodyka bada 53

11 w glowych typu DLC przy zadanym ci nieniu i w atmosferze acetylenu C 2 H 2. Gradient w otrzymanej pow oce stanowi o zmienne st enie krzemu (Me) w rodkowej warstwie, dostarczonego do komory pieca z fazy gazowej-ti/a-c:h-me/a-c:h. Drug metod realizowano przy wykorzystaniu urz dzenia DREVA ARC400 firmy Vakuumtechnik metod katodowego odparowania ukiem elektrycznym. Urz dzenie wyposa one jest w trzy niezale ne ród a par metali. Przed nanoszeniem pow ok pod o a czyszczono chemicznie z wykorzystaniem procesu mycia i p ukania w myjkach ultrad wi kowych i p uczkach kaskadowych oraz suszono w strumieniu gor cego powietrza. Ponadto czyszczono je jonowo z wykorzystaniem jonów Ar przy napi ciu polaryzacji pod o a 800/200 V w czasie 20 min. Do nanoszenia pow ok metod PVD u yto tarcz o rednicy 65 mm, ch odzonych wod, zawieraj cych czyste metale (Cr, Ti) oraz stopy TiAl i TiSi. Pow oki nanoszono w atmosferze gazu oboj tnego Ar oraz gazów reaktywnych N 2 w celu uzyskania azotków oraz mieszaniny N 2 i C 2 H 2 w celu uzyskania warstw w glikoazotków. Cz stki wybite z powierzchni tarczy wchodzi y w reakcj z cz stkami gazu reaktywnego tworz c fazy o okre lonych proporcjach st enia pierwiastków. Otrzymanie w a ciwych proporcji st enia poszczególnych pierwiastków w fazie w znacz cym stopniu umo liwia sterowanie w asno ciami nanoszonych pow ok. Gradientow zmian st enia sk adu chemicznego na przekroju poprzecznym pow ok uzyskano poprzez zmian proporcji dozowania gazów reaktywnych lub zmian nat enia pr du odparowania tarcz na ród ach ukowych. Zadane warunki procesu nanoszenia pow ok zestawiono w tablicy 7. W trakcie procesu PVD nak adania warstw substraty przemieszcza y si wzgl dem róde par, wykonuj c ruchy obrotowe w celu uzyskania równomiernej grubo ci pokry oraz przeciwdzia aj c tym samym powstawaniu zjawiska tzw. cienia na powlekanych powierzchniach Metody badawcze i modelowania w asno ci Badania metalograficzne wykonano na próbkach odlewniczych stopów magnezu po obróbce cieplnej i powierzchniowej inkludowanych w ywicach termoutwardzalnych. Obserwacje strukturalne badanych materia ów odlewniczych wykonano na mikroskopie wietlnym LEICA MEF4A oraz w mikroskopie elektronowym skaningowym SUPRA 35 firmy Zeiss i DSM-940 firmy Opton z wykorzystaniem detekcji elektronów wtórnych. 54 T. Ta ski

12 Kszta towanie struktury i w asno ci powierzchni stopów Mg-Al-Zn Mikroanaliz rentgenowsk jako ciow i ilo ciow oraz analiz rozk adu powierzchniowego pierwiastków stopowych w próbkach badanych odlewniczych stopów magnezu poddanych zwyk ej obróbce cieplnej oraz obróbce powierzchniowej wykonano na zg adach poprzecznych na mikroskopie skaningowym SUPRA 35 firmy Zeiss i DSM-940 firmy Opton ze spektrometrem rozproszonego promieniowania rentgenowskiego EDS LINK ISIS firmy Oxford oraz Trident XM4 firmy EDAX przy napi ciu przyspieszaj cym 15 kv i 20kV oraz na mikroanalizatorze rentgenowskim JEOL JCXA 733. Mikroanaliz rentgenowsk ilo ciow wykonano tak e na mikroskopie elektronowym prze wietleniowym JEM 3010UHR firmy JEOL, przy napi ciu przyspieszaj cym 300kV wyposa onym w spektrometr rozproszonego promieniowania rentgenowskiego EDS LINK ISIS firmy Oxford. Analiz promieniowania rozproszenia Ramana pow ok w glowych typu Ti/DLC/DLC nanoszonych metod PA CVD wykonano przy u yciu zintegrowanego spektrometru ramanowskiego invia Reflex firmy Renishaw, wyposa onego w mikroskop optyczny z mo liwo ci bada materia ów z wykorzystaniem techniki bada konfokalnych oraz laser argonowy o mocy 50 mw wykorzystywany do wzbudzenia promieniowania. Rentgenowsk analiz fazow jako ciow badanych materia ów wykonano przy u yciu dyfraktometru XPert firmy Philips, przy zapisie krokowym co 0,05 i czasie zliczania 5-10 s, stosuj c przefiltrowane promieniowanie rentgenowskie K 1, o d ugo ci fali nm pochodz ce z lampy o anodzie miedzianej, a tak e K 1, o d ugo ci fali 1,79021 nm pochodz ce z lampy o anodzie kobaltowej zasilanej napi ciem 40 kv przy nat eniu pr du arzenia 30 ma. Pomiary wykonano w zakresie k towym 2 od 20 do 140. W przypadku bada rentgenowskich cienkich pow ok nanoszonych technik PVD i CVD z uwagi na nak adanie si refleksów materia u pod o a i pow oki oraz ich intensywno, utrudniaj c analiz otrzymanych wyników, w celu uzyskania dok adniejszych informacji z warstwy wierzchniej analizowanych materia ów w dalszych badaniach zastosowano technik dyfrakcji pod sta ym k tem padania pierwotnej wi zki rentgenowskiej z wykorzystaniem kolimatora wi zki równoleg ej przed detektorem proporcjonalnym. Dyfraktogramy pow ok otrzymano przy ró nych k tach padania wi zki pierwotnej. Badania twardo ci wykonano na twardo ciomierzu firmy Zwick ZHR 4150TK, zgodnie z norm PN-EN ISO :2007 (U) w trybie obci enie odci enie wykorzystuj c metod Rockwella wed ug skali HRF. Warto ci mikrotwardo ci modyfikowanej laserowo warstwy powierzchniowej na próbkach poprzecznych zmierzono na twardo ciomierzu Vickersa 4. Materia i metodyka bada 55

13 z automatycznym torem pomiarowym FUTURE-TECH FM-700ARS o zadanym obci eniu 50 i 100 g wzd u osi lica ciegu. Szybko obci ania i odci ania wynosi 6,62 mn/s, a czas wytrzymania obci enia 15 s. Badania mikrotwardo ci wytworzonych pow ok PVD i CVD wykonano przy wykorzystaniu metody Vickersa na ultramikrotwardo ciomierzu DUH 202 firmy Shimadzu. Zastosowane obci enie przy wykonywanych próbach by o równe 10 mn. Pomiary wytrzyma o ci na rozci ganie, granicy plastyczno ci, modu u Younga, przew enia i wyd u enia dokonano na uniwersalnej maszynie wytrzyma o ciowej Zwick Z100 w temperaturze pokojowej zgodnie z norm PN-EN :2004. Badania chropowato ci powierzchni warstw wierzchnich uzyskanych metod wtapiania laserowego oraz metodami PVD i CVD wykonano przy u yciu urz dzenia Surtronic 3+ firmy Taylor Hobson Precision oraz Diavite Compact Firmy Asmeo Ag. D ugo pomiarow przyj to na poziomie Lc=0,8 mm z dok adno ci pomiaru ±0,02 m. Jako wielko opisuj c chropowato powierzchni przyj to parametr R a wg normy PN-EN ISO 4287:1999. Badania dyfrakcyjne oraz struktury cienkich folii wykonano na mikroskopie elektronowym prze wietleniowym JEM 3010UHR firmy JEOL, przy napi ciu przyspieszaj cym 300 kv. Zmiany st enia chemicznego sk adników pow ok PVD i CVD w kierunku prostopad ym do jej powierzchni oraz zmiany st enia w strefie przej ciowej pomi dzy pow ok i materia em pod o a oceniono na podstawie bada w spektrometrze optycznym wy adowania jarzeniowego GDOS-75 QDP firmy Leco Instruments. W urz dzeniu tym wykorzystano spektrometr ci g y równoczesny w uk adzie Paschen Runge o ogniskowej 750 mm z holograficzn siatk o 2400 liniach na milimetr. Badania odporno ci na zu ycie cierne pow ok PVD i CVD wykonano metod ball-on-disk zgodnie z wymogami norm ASTM G 99 i DIN Próby by y prowadzone w warunkach tarcia suchego w konfiguracji poziomej osi obrotu tarczy. Jako przeciwpróbki u yto kulki z w glika wolframu o rednicy 3 mm. Badania wykonano w temperaturze pokojowej, przy zadanej drodze tarcia stosuj c nast puj ce warunki testu: si a nacisku Fn-5 N, pr dko obrotowa tarczy 200 obr/min, promie wytarcia 2,5 mm, pr dko przesuwu v 0,05 m/s. W celach porównawczych badania odporno ci na zu ycie cierne odlewniczych stopów magnezu po obróbce cieplnej i powierzchniowej wykonano równie w uk adzie metal-metal z zastosowan przeciwpróbk w formie kulki stalowej o rednicy 8,7 mm. W wyniku wst pnych bada ustalono minimalny docisk 10 N i liczb cykli 2000 odpowiednik 50 m. Bior c pod uwag jako wykonanego przetopienia oraz rozmieszczenie w strukturze badanych odlewniczych 56 T. Ta ski

14 Kszta towanie struktury i w asno ci powierzchni stopów Mg-Al-Zn stopów magnezu wtopionych w glików do bada cieralno ci wyselekcjonowano próbki z wtopionym proszkiem w glika wolframu, tytanu oraz krzemu i tlenku aluminium z moc lasera 2,0 kw. W przypadku stopu MCMgAl12Zn1, dla którego nie uzyskano poprawy wyników w asno ci mechanicznych po obróbce laserowej, nie wykonywano bada trybologicznych. W przypadku próbek pokrytych pow okami PVD i CVD na podstawie analizy wyników drogi tarcia uzyskanych z bada metod ball-on-disk do prób odporno ci na cieranie w uk adzie pin-on-plate wytypowano jedynie trzy rodzaje pow ok, tj. Ti/Ti(C,N)/CrN, Ti/Ti(C,N)/(Ti,Al)N, Ti/DLC/DLC. Próbki przed i po badaniu p ukano w p uczce ultrad wi kowej w celu oczyszczenia, a nast pnie wa ono na wadze analitycznej z dok adno ci do czterech miejsc po przecinku. Oceny przyczepno ci pow ok PVD i CVD do materia u pod o a dokonano metod zarysowania (ang. scratch test) standardowo stosowan w przypadku cienkich pow ok. W metodzie tej diamentowy wg bnik z ko cówk Rockwella C o promieniu zaokr glenia 200 mm przemieszcza si po powierzchni badanej próbki ze sta pr dko ci przy ci gle wzrastaj cej sile obci enia. Badania wykonano na urz dzeniu CSEM REVETEST wyposa onym w detektor akustyczny stosuj c nast puj ce warunki prób: zakres obci enia N; szybko przyrostu obci enia (dl/dt) 100 N/min; szybko przesuwu wg bnika (dx/dt) 100 mm/min. Charakter utworzonego uszkodzenia oceniono na podstawie obserwacji na mikroskopie wietlnym. Badania odporno ci na korozj w erow analizowanych stopów po obróbce cieplnej i powierzchniowej wykonano z wykorzystaniem elektrochemicznej metody potencjodynamicznej (sta opr dowej), polegaj cej na rejestracji krzywych polaryzacji anodowej. Pomiary przeprowadzono w trójelektrodowym szklanym dwukomorowym elektrolizerze o pojemno ci 150 cm 3, wyposa onym w p aszcz wodny po czony z termostatem typu UH-4 zapewniaj cym dok adno regulacji ±0,1 C, w 3% i 1 molowym wodnym roztworze NaCl. Elektrodami badanymi by y próbki materia ów z odlewniczych stopów magnezu, elektrod pomocnicz i porównawcz by y odpowiednio elektroda platynowa i kalomelowa. Pomiary przeprowadzono w temperaturze pokojowej po 20 minutach kontaktu badanego materia u z elektrolitem, przy szybko ci zmiany potencja u 60 i 120 mv/min. Po osi gni ciu maksymalnej warto ci g sto ci pr du anodowego 100 ma/cm 2, próbk przetrzymywano spolaryzowan uzyskanym potencja em przez 1 minut, a nast pnie zmieniano kierunek polaryzacji. Pole powierzchni poddanych badaniom próbek z odlewniczych stopów magnezu wynosi o 0,5 cm 2. Na podstawie zarejestro- 4. Materia i metodyka bada 57

15 wanych krzywych polaryzacji anodowej wyznaczono charakterystyczne wielko ci opisuj ce odporno na korozj w erow, tj.: potencja korozyjny E kor (mv), opór polaryzacyjny R p ( cm 2 ), g sto pr du korozyjnego i kor ( A/cm 2 ). Struktury badanych powierzchni po te cie korozyjnym wykonano w mikroskopie elektronowym skaningowym SUPRA 35 firmy Zeiss, w konfokalnym mikroskopie skaningowym LSM 5 Exciter firmy Zeiss oraz w mikroskopie wietlnym stereoskopowym SteREO Discovery V12 firmy Zeiss. Korozja w erowa definiowana jest z regu y jako rodzaj korozji lokalnej, poniewa powstaj ce ubytki cz sto s niewidoczne na etapie powstawania, a mierzony ubytek masy w porównaniu z korozj ogóln jest niewielki, jednak e w d u szym okresie czasu prowadzi równie do perforacji powierzchni, a tym samym do zniszczenia elementu. Zarodkowanie i rozwój w erów zachodz w najs abszych miejscach warstwy (w miejscach potencjalnych ognisk korozyjnych) pasywnej tworz cej si na powierzchni materia ów metalowych, tj. w miejscach uszkodze mechanicznych, w pobli u wydziele strukturalnych, porów, wtopionych cz stek, zastygni tych kropel materia u osadzanego (CAE PVD), zag bie pozostaj cych po wypadni tych kroplach, na granicach ziarn. Z uwagi na fakt, e powierzchnia w eru jest anod (otoczenie w eru jest katod ) na dnie w erów mo na zidentyfikowa produkty korozji powstaj ce w nast pstwie rozpuszczania si badanego materia u (rys. 20). Rysunek 20. Rozwój w eru jako ogniska aktywno-pasywnego w rodowisku chlorków [142, 143] 58 T. Ta ski

16 Kszta towanie struktury i w asno ci powierzchni stopów Mg-Al-Zn Specyfika procesów wytwarzania warstw wierzchnich sprawia, e koniecznym staje si wykonanie analiz oddzia ywania warunków obróbki na materia pod o a oraz wzajemnego, synergicznego oddzia ywania warstwy wierzchniej i materia u pod o a w strefie przej ciowej. Niezwykle istotna jest poprawna interpretacja zjawisk zachodz cych w trakcie wytwarzania warstwy wierzchniej z wykorzystaniem wspó cze nie dost pnych narz dzi informatycznych. Analiz takich bardzo cz sto dokonuje si, wykorzystuj c zaawansowane techniki obliczeniowe, w tym równie sztuczne sieci neuronowe. Wyniki dostarczone przez sie neuronow bardzo cz sto wykazuj wi ksz zgodno z danymi do wiadczalnymi od wyników uzyskanych dzi ki matematycznym modelom analizowanych procesów. Uzyskane symulacje numeryczne pozwalaj na kompleksow analiz zale no ci pomi dzy warunkami procesu wytwarzania pow ok i warstw wierzchnich, rodzajem zastosowanego materia u pod o a, rozk adem napr e w pow okach oraz w asno ciami mechanicznymi i u ytkowymi. Liczne prace w tym zakresie [ ] potwierdzaj u yteczno metod sztucznej inteligencji z wykorzystaniem sieci neuronowych do wyznaczania optymalnych warunków obróbki cieplnej oraz w asno ci badanych pow ok. W zakresie symulacji komputerowych niniejszej rozprawy wykonano: optymalizacj warunków obróbki cieplnej oraz wyznaczenie zakresu chropowato ci i modelowanie w asno ci mechanicznych powierzchni stopów magnezu obrobionych przy u yciu technik PVD i CVD oraz wtapiania laserowego. W celu porównania i weryfikacji poprawno ci uzyskanych wyników otrzymanych na podstawie bada wykonano analiz komputerow umo liwiaj c wyznaczenie i/lub predykcj zjawisk zachodz cych w odlewniczych stopach magnezu Mg-Al-Zn, przy wykorzystaniu sieci neuronowych. W zakresie symulacji komputerowych wykonano: modelowanie wybranych sk adników struktury na podstawie temperatury przemian fazowych oraz szybko ci ch odzenia, optymalizacj warunków obróbki cieplnej, wyznaczenie zakresu chropowato ci i modelowanie w asno ci mechanicznych powierzchni stopów magnezu obrobionych przy u yciu wtapiania laserowego oraz po zastosowanym procesie fizycznego i chemicznego osadzania z fazy gazowej. Do oblicze symulacyjnych przyj to nast puj c losow sekwencj podzia u danych, która obejmowa a w sumie trzy podzbiory: ucz cy (50%), walidacyjny (25%) oraz testowy (25%). Dane ze zbioru ucz cego wykorzystano do modyfikacji wag sieci, dane ze zbioru walidacyjnego do oceny sieci w trakcie procesu uczenia, natomiast pozosta cz warto ci (zbiór testowy) przeznaczono do niezale nego okre lenia sprawno ci sieci po ca kowitym zako czeniu procedury jej tworzenia. Wyniki wykorzystywane w procesie uczenia i testowania sieci poddano 4. Materia i metodyka bada 59

17 normalizacji. Ponadto zastosowano skalowanie wzgl dem odchylenia od warto ci minimalnej zgodnie z funkcj mini-max. Funkcja mini-max transformuje dziedzin zmiennych do przedzia u (0,1). Rodzaj sieci, liczb neuronów w warstwie(ach) ukrytej(ych), metod i warunki uczenia okre lono obserwuj c wp yw tych wielko ci na przyj te wska niki oceny jako ci sieci. Podstaw oceny jako ci sieci by y trzy charakterystyki regresyjne: redni b d bezwzgl dny, iloraz odchyle standardowych oraz wspó czynnik korelacji Pearson a, zdefiniowane jako: redni b d bezwzgl dny prognozy sieci, który obliczono wed ug zale no ci: gdzie: E j b d dla j-tej w asno ci, n liczba danych w zbiorze, j 1 n X zi i-ta warto twardo ci zmierzonej, X oi i-ta warto obliczeniowa. E n i 1 ( X zi X iloraz odchylenia standardowego b dów predykcji i odchylenia standardowego zmiennej wyj ciowej (mniejsza warto miernika, odwrotnie proporcjonalna do wariancji, wskazuje na lepsz jako predykcji), wspó czynnik korelacji Pearson a b dów predykcji i odchylenia standardowego zmiennej wyj ciowej w odniesieniu do obliczonej przez sie. Na podstawie wst pnych bada symulacyjnych wykonanych w zakresie ka dego podzadania obliczeniowego (obróbka cieplna i powierzchniowa) jako optymaln wytypowano sie jednokierunkow typu MLP (perceptron wielowarstwowy). Sieci uczono metodami wstecznej propagacji b dów oraz gradientów sprz onych. W trakcie uczenia sieci obserwowano wykres b du uczenia dla zbioru ucz cego i walidacyjnego. Uczenie zako czono, w momencie gdy b d zbioru walidacyjnego zaczyna rosn. Sieciami neuronowymi pos u ono si w celu wyznaczenia w asno ci mechanicznych warstw wierzchnich po laserowej obróbce powierzchniowej przy zadanych warunkach st eniu masowym aluminium, szybko ci wtapiania, mocy lasera oraz rodzaju wtapianych cz stek. W pierwszym przypadku zaprojektowano sie neuronow obliczaj c twardo na podstawie warunków laserowego wtapiania. Do zaprojektowania pos u ono si danymi eksperymentalnymi, tj.: rodzajem zastosowanego proszku, st eniem aluminium w stopie, moc lasera oraz oi ) (1) 60 T. Ta ski

18 Kszta towanie struktury i w asno ci powierzchni stopów Mg-Al-Zn pr dko ci wtapiania jako zmiennymi wej ciowymi oraz twardo ci HRF jako zmienn wyj ciow. W wyniku wykonanych analiz zastosowano sie jednokierunkow o 4 neuronach w warstwie wej ciowej odpowiadaj cych zmiennym wej ciowym: rodzajowi zastosowanego proszku (zmienna nominalna), st eniu aluminium w stopie, mocy lasera i pr dko ci wtapiania (zmienne numeryczne) oraz jednej numerycznej zmiennej wyj ciowej (twardo HRF). Dla nominalnej zmiennej wej ciowej zastosowano technik konwersji Jeden-z-N, natomiast dla numerycznych zmiennych wej ciowych oraz zmiennej wyj ciowej zastosowano technik konwersji zmiennych mini-max. Funkcje aktywacji w warstwach wej ciowej i wyj ciowej okre lono jako liniowe z nasyceniem, a w warstwie ukrytej jako logistyczn, natomiast dla wszystkich warstw zastosowano liniowe funkcje PSP (ang. Post Synaptic Potential function) tzw. iloczyn skalarny wektora wag i wektora wej ciowego minus warto progu. Neurony wykorzystuj ce liniow funkcj PSP stosowane s w perceptronach wielowarstwowych i w sieciach liniowych, oraz w ostatniej warstwie sieci o radialnych funkcjach bazowych, takich jak sieci probabilistyczne oraz sieci regresyjne. Druga analiza numerycznego modelowania w asno ci dotyczy a obliczania chropowato ci kompozytowej warstwy wierzchniej. Podobnie jak w przypadku obliczania przez sie twardo ci po wtapianiu laserowym równie przy ocenie chropowato ci powierzchni uzyskanych warstw do zbudowania modelu sieci pos u ono si danymi do wiadczalnymi, jako zmiennymi wej ciowymi uwzgl dniaj c rodzaj zastosowanego proszku (zmienna nominalna), st enie aluminium w stopie, moc lasera oraz pr dko wtapiania jako zmienne numeryczne oraz chropowato R a jako zmienn numeryczn, wyj ciow. Dla nominalnej zmiennej wej ciowej zastosowano technik konwersji Jeden-z-N, natomiast dla numerycznych zmiennych wej ciowych oraz zmiennej wyj ciowej zastosowano technik konwersji zmiennych mini-max. Funkcje aktywacji w warstwach wej ciowej i wyj ciowej okre lono jako liniowe z nasyceniem, w przypadku warstwy ukrytej jako logistyczn, natomiast dla wszystkich warstw zastosowano liniowe funkcje PSP. Na podstawie opracowanych modeli sieci neuronowej wykonano wykresy wp ywu mocy lasera, st enia aluminium, a tak e rodzaju proszku wtapianego na twardo i chropowato analizowanych odlewniczych stopów magnezu po laserowym wtapianiu (rys ). Zamieszczone wykresy w wi kszo ci przypadków dotycz pr dko ci przetapiania 0,75 m/min, odpowiedniej dla uzyskania optymalnej geometrii cie ki laserowej. W celu wizualizacji wp ywu sk adu chemicznego pod o a oraz rodzaju zastosowanej pow oki PVD i CVD na w asno ci wytworzonych pokry, w tym na chropowato, cieralno oraz 4. Materia i metodyka bada 61

19 mikrotwardo wykonano analizy numeryczne przy wykorzystaniu sieci neuronowych. Dane na wej ciu sieci stanowi y sk ad chemiczny stopów (zmienna numeryczna) oraz rodzaj naniesionej pow oki typu: Ti/Ti(C,N)/CrN, Ti/Ti(C,N)/Ti(Al,N), Cr/CrN/CrN, Cr/CrN/TiN, Ti/Ti(Si,N)/Ti(Si,N), Ti/DLC/DLC w procesie PVD i CVD, dla których przyporz dkowano zmienn nominaln. Natomiast jako zmienn numeryczn wyj ciow zdefiniowano chropowato R a, cieralno oraz mikrotwardo wytworzonych pow ok. Zakres st e poszczególnych pierwiastków stopowych zastosowanych do analizy prezentuje tablica 5. Dla nominalnej zmiennej wej ciowej zastosowano technik konwersji Jeden-z-N, natomiast dla numerycznych zmiennych wej ciowych oraz zmiennej wyj ciowej zastosowano technik konwersji zmiennych mini-max. Analogicznie jak dla przypadku obliczania twardo ci i chropowato ci przez sie po procesie wtapiania laserowego równie dla przypadku predykcji w asno ci pow ok PVD i CVD u yto liniowej funkcji PSP. 62 T. Ta ski