Mikrostruktura i właściwości mechaniczne natryskiwanych plazmowo nanostrukturalnych powłok Al 2 O 3-13TiO 2

Transkrypt

1 MAKRENEK Medard 1 ŻÓRAWSKI Wojciech GÓRAL Anna LITYŃSKA-DOBRZYŃSKA Lidia BRZOZA Andrzej Mikrostruktura i właściwości mechaniczne natryskiwanych plazmowo nanostrukturalnych powłok Al 2 O 3-13TiO 2 WSTĘP Procesy natryskiwania plazmowego są szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu. Spowodowane jest to postępem wynikającym przede wszystkim z wprowadzania w ostatnich latach nowych systemów do natryskiwania plazmowego oraz rosnącego zastosowania materiałów nanostrukturalnych. Możliwe jest natryskiwanie plazmowe nanostrukturalnych powłok na podłoża wielu materiałów konstrukcyjnych stosowanych we współczesnych zagadnieniach inżynierskich. Zaletą natryskiwania plazmowego jest możliwość nakładania powłok, które łączą takie własności, jak odporność na ścieranie, korozję, udary cieplne i żaroodporność. Powłoki mogą odznaczać się podwyższonymi właściwościami ślizgowymi, izolacyjnością cieplną lub podwyższoną przewodnością cieplną i elektryczną. Natryskiwanie plazmowe jest powszechnie stosowane w przemyśle lotniczym, kosmicznym, samochodowym, elektronice, chemii i energetyce jądrowej do produkcji i regeneracji różnorodnych części maszyn. Rozwój nanotechnologii spowodował intensyfikację badań nad wykorzystaniem nanomateriałów w procesach natryskiwania cieplnego, co pozwoliło na otrzymywanie całkiem nowej klasy powłok o budowie nanostrukturalnej [1, 2]. Powłoki tego typu posiadają znacznie lepsze właściwości, niż powłoki natryskane z materiałów konwencjonalnych i są przedmiotem badań w wielu ośrodkach badawczych [3, 4, 5, 6, 7]. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań powłok nanostrukturalnych i konwencjonalnych Al 2 O 3 -TiO 2. 1 EKSPERYMENT Nanostrukturalny proszek Al 2 O 3-13TiO 2 (Infralloy Nanox S2613S) oraz dwa konwencjonalne proszki Al 2 O 3-13TiO 2 (Amdry 6228) i Al 2 O 3-3TiO 2 (FST C ) zostały zastosowane w procesie natryskiwania plazmowego. Próbki wykonane ze stali niskowęglowej o wymiarach 30 x 30 x 3 mm zostały poddane obróbce strumieniowo-ściernej elektrokorundem EB-12 przy ciśnieniu 0,5 MPA w celu zwiększenia adhezji natryskanej powłoki do podłoża. Natryskiwanie wykonano przy użyciu zestawu plazmowego Plancer PN-120 z podajnikiem proszku Thermal Miller Jako gaz plazmotwórczy zastosowano argon z 7% dodatkiem wodoru przy napięciu U=60V i wydatku proszku g=45 g/min. Grubość natryskanych powłok wynosiła 0,3 1 mm. Do badania mikrostruktury i składu materiałów powłokowych zastosowano mikroskop skaningowy JSM 5400 z mikrosondą ISIS 300 Oxford (EDS) i SEM FEI Nova NanoSEM 200. Pomiary mikrotwardości zostały wykonane z użyciem Digital Micro Hardness Tester MMT-X3A. Badania mikrotwardości przeprowadzono dla sił mn, 1961mN i 2942 mn. W zakresie nanotwardości pomiary przeprowadzono wykorzystując tester Nanovea z wgłębnikiem Berkovicha. W pomiarach zastosowano stałą siłę wciskającą wgłębnik o wartości 80 mn z tempem wciskania 160 mn/min. 1 Politechnika Świętokrzyska, WZiMK, Katedra Fizyki, Kielce al lecia Państwa Polskiego 7, tel. 41/ , fizmm@tu.kielce.pl Wyniki przedstawione w publikacji zostały uzyskane w trakcie badań sfinansowanych w ramach Projektu "Perspektywy RSI Świętokrzyskie IV etap" nr: WND POKL /12 - Program Operacyjny Kapitał Ludzki, Priorytet VIII, Działanie 8.2 Transfer wiedzy, Poddziałanie Regionalne Strategie Innowacji. 7024

2 2 WYNIKI I DYSKUSJA Na rysunku 1 przedstawiona jest morfologia nanostrukturalnego proszku Al 2 O 3-13TiO 2. Większość ziaren posiada kształt kulisty, tylko niewielka cześć z nich jest pęknięta. Każde ziarno proszku składa się z nanoziaren, które są dobrze widoczne na powierzchni, co przedstawione jest na rysunku 4. Przeprowadzone badania składu chemicznego i fazowego wykazały, że proszek ten zawiera dodatkowo nanoziarna ZrO 2 8 % i CeO 2 5 % [8]. Proszki konwencjonalne Al 2 O 3-13TiO 2 przedstawiono na rysunku 2 oraz Al 2 O 3-3TiO 2 widoczne na rysunku 3 powstały w wyniku mielenia głównych składników i są ich mieszaniną. Rys. 1. Morfologia ziarna: nanostrukturalnego Al 2 O 3-13TiO 2 Rys. 2. Morfologia ziarna konwencjonalnego Al 2 O 3-13TiO

3 Rys. 3. Morfologia ziarna konwencjonalnego Al 2 O 3-3TiO 2 Nanostrukturalne ziarna w powłoce Al 2 O 3-13TiO 2 są zaprezentowane na rysunku 5. Ziarna te są otoczone przez całkowicie stopioną fazę powłoki. W mikrostrukturze powłok konwencjonalnych Al 2 O 3-13TiO 2 przedstawionej na rysunku 6 oraz Al 2 O 3-3TiO 2 są widoczne charakterystyczne lamele, a zróżnicowana zawartość TiO 2 w powłokach (jasna faza) jest wynikiem różnej jego zawartości w natryskiwanych proszkach Rys. 4. Morfologia powierzchni nanostrukturalnego ziarna proszku Al 2 O 3-13TiO

4 Rys. 5. Mikrostruktura natryskanej plazmowo powłoki nanostrukturalnej Rys. 6. Lamele Mikrostruktura natryskanej plazmowo powłoki konwencjonalnej Al 2 O 3-13TiO 2 Pomiar mikrotwardości Vikersa uwidacznia różnice między badanymi próbkami. Wartości twardości dla poszczególnych próbek zebrano w tabeli 1. Tab.1. Wartości twardości badanych próbek próbka twardość HV Δ HV Al 2 O 3-13TiO 2 nanostrukturalna Al 2 O 3-13TiO 2 konwencjonalna Al 2 O 3-3TiO 2 konwencjonalna ± ± ±

5 Badania nanotwardości przeprowadzono w poprzecznym przekroju próbek powstałych z przecięcia wolnoobrotową tarczą diamentową. Powierzchnie poprzeczne zostały poddane polerowaniu papierami ściernymi o zróżnicowanej ziarnistości oraz tarczami z pastami o różnych rozmiarach drobin diamentu. Uśrednione wyniki twardości HV zgodne są z pomiarami uzyskanymi metodą Vikersa. Krzywe load-depth prezentowane na rysunku 7 uzyskane w badaniach nanoindentacji odzwierciedlają użycie siły wciskającej diamentowy wgłębnik Berkovicha o kącie 130,5 o w funkcji głębokości na jaką wgłębnik penetrował próbkę. Rys. 7. Wybrane krzywe load-depth dla próbki Al TiO 2 W pomiarach nanotwardości badanych cienkich warstw zastosowano stałą siłę 80 mn z tempem wciskania 160 mn/min. Na rysunku 8 zestawiono pomiary nanotwardości dla badanych próbek. Wyniki oznaczone diagramem A1 odpowiadają próbce Al 2 O 3-3TiO 2. Warstwa próbki zawiera się w przedziale położenia od 150 do 670 μm. W obrębie warstwy twardość utrzymuje się na poziomie 9 GPa by przy powierzchni dojść do 10 GPa. Diagram A2 odzwierciedla stan twardości próbki konwencjonalnej Al 2 O 3-13TiO 2. Wartość twardości fluktuuje na poziomie 9 GPa. Przy powierzchni obserwuje się wzrost twardości do wartości około 15 GPa. Trzecią prezentowaną próbką jest nanostrukturalna Al 2 O 3-13TiO 2. Średnia wartość twardości rośnie do 9 GPa osiągając przy powierzchni wartość około 16 GPa. Przeprowadzone pomiary obciążone są błędami na poziomie 6%. W zależności od zastosowanego zakresu użytych sił wgłębnik wciskał się w materiał na głębokość blisko 3 µm (mikro-twardościomierz, Vikers) dla pomiaru twardości nanotwardościomierzem (wgłebnik Berkovicha) głębokość sięgała do 0.5 µm. Zmiana wartości twardości w obrębie badanej warstwy potwierdzają badania przeprowadzone przez Bandyopadhyay et.al. [9]. 7028

6 Rys. 8. Zestawienie wyników pomiaru nanotwardości dla badanych próbek Z przebiegu krzywych pomiarowych ukazujących zmianę położenia wgłębnika od użytej siły wciskającej można wyliczyć twardość z definicji [10]. P H (1) A gdzie: P zastosowana siła wciskająca wgłębnik A powierzchnia kontaktu wgłębnika z materiałem Moduł Younga wyliczono korzystając z metody przytoczonej przez Oliver i Pharr [10], która wiąże ze sobą wartości modułu elastycznego [11], modułu Younga badanego materiału i materiału z którego zrobiony jest wgłębnik. gdzie: E r moduł elastyczny E moduł Younga E i moduł materiału wgłębnika ν, ν i współczynniki Poissona i (2) E E E r Dla zastosowanego wgłębnika E i 1140 GPa, v i 0,07. W obrębie badanych warstw w zależności od głębokości moduł Younga zmieniał się w granicach od 250 do 310 GPa i zbieżny jest z wynikami analizy dla tego rodzaju materiałów przeprowadzonymi przez Rodriguez et al. [12]. i 7029

7 WNIOSKI W badaniach morfologii warstwy o budowie konwencjonalnej i nanoproszkowej uzyskanymi technikami natrysku plazmowego uwidaczniają się różnice. Powłoki z nanoproszków ujawniają obszary całkowicie przetopione jak i obszary nanoziaren. Przeprowadzone badania nanotwardości badanych próbek wykazały różnicę pomiędzy badanymi próbkami z korzyścią dla próbki z nanoproszków (rysunek 8). Obliczone wartości modułu Younga wykazują większe wartości w obrębie nanoziaren i przewyższają o około 13% wartości z obszarów całkowicie stopionych. Streszczenie Powłoki Al 2 O 3 -TiO 2 zostały natryskane plazmowo z proszków o budowie nanokrystalicznej oraz konwencjonalnej. Natryskiwane proszki charakteryzowały się różną morfologią i rozkładem granulometrycznym. Mikrostruktury natryskanych powłok Al 2 O 3-13TiO 2 nanostrukturalnej oraz konwencjonalnej wykazały istotne różnice. Powłoki nanostrukturalne posiadały mikrostrukturę bimodalną składającą się z obszarów całkowicie przetopionych oraz obszarów zawierających nanoziarna. Mikrostruktura powłok konwencjonalnych była lamellarna, charakterystyczna dla powłok natryskanych cieplnie. Przeprowadzone badania nanotwardości powłok wykazały różnicę wartości parametrów mechanicznych między poszczególnymi próbkami. Wartości nanotwardości próbki nanokrystalicznej przewyższały wartości uzyskane dla próbki o konwencjonalnej budowie. Średnia wartość twardości Vikersa uzyskana z pomiarów nanotwardości i mikrotwardości pokrywały się w granicach błędów pomiarowych. Microstructure and mechanical properties of plasma sprayed coatings obtained from Al 2 O 3-13TiO 2 nanostructured powders Abstract Nanostructured and conventional Al 2 O 3 -TiO 2 powders were used to deposit coating by means of plasma spraying system. Applied powders were characterized by different morphology and granulometric distribution. Microstructures of plasma sprayed nanostructured and conventional coatings revealed significant differences. Unlike the typical lamellar microstructure of conventional coating where grains of powder are completely melted, the microstructure of nanostructured coating consists of regions with different degrees of melting containing areas with nanograins. Such bimodal microstructure containing melted and unmelted particles is typical for coatings sprayed with reconstituted nanostructured feedstock. It was found that the plasma-sprayed nanostructured Al 2 O 3-13TiO 2 coating possessed better nanomechanical properties than those of conventional alumina-titania coatings. BIBLIOGRAFIA 1. He, Jianhong, Schoenung Julie M., Nanostructured coatings. Materials Science and Engineering: A Volume: 336, Issue: 1-2, October 25, pp , Dahotre N.B., Nayak S., Nanocoatings for engine applications. Surface and Coating Technology 194, pp , Lima R.S., Khor K.A., Li H., Cheang P., Marple B.R., HVOF spraying of nanostructured hydroxyapatite for biomedical applications. Materials Science & Engineering A Volume: 396, Issue: 1-2, April 15, pp , Ji Gang, Elkedim Omar, Grosdidier T., Deposition and corrosion resistance of HVOF sprayed nanocrystalline iron aluminide coatings. Surface and Coatings Technology Volume: 190, Issue: 2-3, January 21, pp , Keskinen H., Mäkelä J.M., Aromaa M., Ristimäki J., Kanerva T., Levänen E., et. al. Effect of silver addition on the formation and deposition of titania nanoparticles produced by liquid flame spray. Journal of Nanoparticle Research Volume: 9, Issue: 4, August, pp , Grysa K., Maciąg A., Kisiel M., Mazurczak P., Pawińska A., Variants of Finite Element Method with Trefftz Base Functions for Solving Direct and Inverse Nonlinear Heat Conduction Problems; ; Konferencja APCOM&ISCM 11-14th Dec, 2013, Singapore,

8 7. Spadło S., Kozak J., Młynarczyk P., Mathematical modelling of the electrical discharge mechanical alloying process. Procedia CIRP Vol. 6 (2013) pp Elsevier Góral A., Lityńska-Dobrzyńska L., Żórawski W., Berent K., Wojewoda-Budka J., Microstructure of Al2O3-13TiO2 coatings deposited from nanoparticles by plasma spraying, Archives of Metallurgy and Materials 58, pp , Bandyopadhyay P.P., Chicot D., Venkateshwarlu B., Racherla V., Mechanical properties of conventional and nanostructured plasma sprayed alumnia coating, Mechanics of Material 53, pp , Oliver W.C., Pharr G.M., An improved technique for determining hardness and elastic-modulus using load and displacement sensing indentation experiments. Journal of Materials Research 7 (6), pp , Brzoza A., Torsional contact conditions including partial slips, ISSN , Logistyka, 3/2012, s , Maj-Czerwiec Rodriguez J., Rico A., Otero E., Rainforth W.M., Indentaion properties of plasma sprayed Al2O3-13%TiO2 nanocoatings, Acta Materialia, pp ,