BADANIA WŁAŚCIWOŚCI POWLOK CERAMICZNYCH NA BAZIE CYRKONU NA TRYSKANYCH NA STOP PA30

Transkrypt

1 27/42 Solidification o f Metais and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No 42 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 42 PAN- Katowice, PL ISSN BADANIA WŁAŚCIWOŚCI POWLOK CERAMICZNYCH NA BAZIE CYRKONU NA TRYSKANYCH NA STOP PA30 Wojciech NAPADŁEK, Piotr GOMUŁA, Wojciech PRZETAKIEWICZ * Instytut Pojazdów Mechanicznych *Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej Wojskowa Akademia Techniczna ul. Gen. S. Kaliskiego 2, Warszawa 49 tel.: , STRESZCZENIE W referacie przedstawiono wyniki badall termoizolacyjnych powłok ceramicznych na bazie Zr % Y z międzywarstwą Ni Al 70/30, nanoszonych plazmowo oraz Zr %Y (30% Al 2 0lTi0 2 87/13)--wytworzone techniką natryskiwania gazodetonacyjnego. Przeprowadzono badania strukturalne, mikrotwardości oraz odporności na cyklicznie zmienne szoki termiczne. l. WSTĘP Od szeregu lat, prowadzono rozważania na temat wprowadzenia materiałów o niskiej przewodności cieplnej na powłoki elementów komory spalania, w celu podniesienia ich temperatury [1,2]. Dzięki izolacji komory spalania, można byłoby stosować układy chłodzenia o mniejszej pojemności i mocy, potrzebnej do napędu ich elementów pomocniczych. Zastosowanie

2 246 materiałów o mniejszej przewodności cieplnej, może przyczynić się do powstania w komorze spalania bardziej korzystnych warunków dla zmniejszenia ilości traconego bezpowrotnie ciepła, przy stosunkowo niedu żym wpływie na poprawę sprawności ogólnej silnika. 2. CEL I ZAKRES BADAŃ Celem niniejszej pracy było zbadanie i określenie wybranych cech materiału powłokowego Zr %Y 2 0 3, przeznaczonego na wykonanie pokrycia izolujące go denko tłoka wykonanego ze stopu PA30 z wykorzystaniem techniki natryskiwania plazmowego oraz nanoszenia gazodetoncyjnego. Często, wykorzystanie materiałów ceramicznych wymaga łączenia ich z metalami, z których wykonana jest większość konstrukcji. Wysokotemperaturowe procesy łączenia ceramiki z metalem sprawiają, że niektóre bardzo atrakcyjne własności cieplne, antykorozyjne, trybologiczne, etc. tworzyw ceramicznych często nie mogą być wykorzystane. Główną barierą, szczególnie w osiągnięciu zadowalającej wytrzymałości, żarowytrzymałości czy odporności na szoki termiczne połączer'l, jest różnica własności fizycznych metalu i ceramiki, zwłaszcza rozszerzalności cieplnej. Badaniom poddano powłoki ceramiczne z materiałów proszkowych: Zr % Y wytworzone techniką natryskiwani a plazmowego (z międ zywarstwą NiAI 70/30) i Zr % Y (30% Ah0 3!fi0" 87/13)--wytworzone techniką natryskiwania gazodetonacyjnego. Metody i aparaturę badawczą wytypowano w oparciu o analizę dostępnej literatury i wyniki przeprowadzonych eksperymentów wstępnych, które weryfikowały celowość ich stosowania. Osiągnięcie celu wymagało przeprowadzenia badall ob ejmujących dwa etapy. W pierwszym etapie wykonano: a) pomiary twardości powłok, gęstości porowatości, jako cech określ ających jakość wytworzonych powłok, b) fotografie struktur, W drugim etapie wykonano: a) pomiar przyczepności powłoki Zr % Y 2 0 3, z międzywarstwą NiAI 70/30, do podłoża ze stopu aluminium PA30, b) pomiar przyczepności powłoki Zr02 + 8%Y (30% Ah0 3!fi ) do podłoża ze stopu P A3 O c) badania odporności badanych powłok na oddziaływanie cyklicznych zmian temperatury (szoków termicznych),

3 WYNIKI BADAŃ Analiza strukturalna badanych powłok wykazała, że posiadają one budowę pasmową, porowatą (rys. l, 2, 3, 4). Średnia porowatość całkowita dla powłoki otrzymanej metodą natryskiwania plazmowego wynosi l %, dla powłoki wytworzonej metodą nanoszenia gazodetonacyjnego - l 3. l %. Średnia mikrotwardoś ć dla powłoki natryskiwanej plazmowo wynosi HKO.l, a dla p o włoki wytworzonej metodą wybuchową HKO.l. Odporność na cykliczne zmiany temperatury powłoki ceramicznej wytworzonej metodą natrysku plazmowego (580 cykli) jest o około l O % większa od odporności powłoki nanoszonej gazodetonacyjnie (520 cykli). Odporność ta wzrasta wraz ze zmniejszaniem się różnicy wartości współczynnika rozszerzalności cieplnej powłoki i podłoża. Powodowane tą różnicą naprężenia wewnętrzne (ściskając e i rozciągające), są niewątpliwie jedną z przyczyn inicjacji mikro- i makropęknięć w powłoce ceramicznej, co w efekcie powoduje późniejsze odwarstwienia powłoki od podłoża (rys. 5, 6). Przeprowadzone badania przyczepności powłoki ceramicznej do podłoża wykazały, że przyczepność powłoki wytworzonej metodą gazodetonacyjną (bez międzywarstwy) jest średnio o 1.9 MPa większa od powłoki wytworzonej metodą natrysku plazmowego (z międzywarstwą NiAI 70/30). Przyczepność wytworzonych powłok ceramicznych do międzywarstwy NiAI i do podłoża ma charakter adhezji mechanicznej. Stopień połączenia mechanicznego zależy od stopnia rozwinięcia międzywarstwy (w przypadku natryskiwania plazmowego) lub powierzchni podłoża (w przypadku metody gazodetonacyjnej). Stopień połączenia mechanicznego zależy także od plastyczności stopionych cząstek proszku. lm są one bardziej plastyczne (im wyższa jest temperatura cząstek), tym lepiej rozpływają się po powierzchni wnikając w nierówności powierzchni międzywarstwy NiAI lub podłoża i zwiększając w ten sposób przyczepność powłoki. Ostatecznie, przeprowadzone badania (struktury, właściwości fizycznych i mechanicznych) wskazują, iż warstwę o lepszych właściwościach otrzymaliśmy metodą nanoszenia gazodetonacyjnego. Cechuje się ona następującymi parametrami : przyczepność do podłoża MPa, odporność na cykliczne zmiany temperatury w przedziale K- 520 cykli, mikrotwardość HKO.l, porowatość -13.1%.

4 248 Rys. l. Powierzchnia powłoki ceramicznej Zr % Y wytworzonej m etodą natryskiwania plazmowego- widok powierzchni (") o N > + N o "- N NiAI?0/30 o C") <( a.. Rys. 2. Mikrostruktura powłoki ceramicznej Zr % Y i międzywarstwy NiAI 70/30 na stopie PA30- przekrój poprzeczny

5 249 Rys. 3. Powierzchnia powłoki ceramicznej Zr %Y (30% Ałz0 3/Ti0 z 87113) wytworzonej metodą nanoszenia gazodetonacyjnego-widok powierzchni Rys. 4. Mikrostruktura powłoki ceramicznej Zr % Y (30% Ałz03/TiOz 87113) na stopie PA30- przekrój poprzeczny

6 250 Rys. 5. Pęknięcia powstałe w powłoce Zr02 + 8%Y20 3 (wytworzonej metodą natryskiwania plazmowego) pod wpływem cyklicznego nagrzewania i chłodzenia Rys. 6. Pęknięcia i rozwarstwienia powstałe w powłoce Zr02 + 8% Y (30% Ah03/Ti02 87/13 -wytworzonej metodą nanoszenia gazodetonacyjnego) pod wpływem cyklicznego nagrzewania i chłodzenia

7 251 Uzyskane wyniki badań pozwoliły w sposób kompleksowy ocenić właściwości fizyczne i mechaniczne powłoki ceramicznej natryskiwanej plazmowo i nanoszonej gazodetonacyjnie na podłoże ze stopu aluminium PA30. Wykazały, że istnieje konieczność prowadzenia dalszych prac i badań nad zwiększeniem przyczepności, odporności na szoki termiczne oraz nad zmniejszeniem porowatości. Dalsze badania powinny obejmować także doskonalenie powłoki ceramicznej wytworzonej metodą nanoszenia gazodetonacyjnego, poprzez zastosowanie międzywarstwy NiAI 70/30. Celowe wydaje się także wykonanie badań przewodności cieplnej stopu PA30 z naniesionymi warstwami ceramicznymi, przy użyciu kamery termowizyjnej oraz przeprowadzenie badań symulacyjnych (rozkłady temperatur, naprężeń, stanu deformacji). 4. WNIOSKI KOŃCOWE l. Charakter przyczepności termoizolacyjnych powłok ceramicznych na bazie Zr02 + 8%Y20 3 z międzywarstwąnial 70/30, nanoszonych płazmowo oraz Zr02 + 8% Y203 + (30% Ał 20 3ffi0 2 87/13)--wytworzone techniką natryskiwania gazodetonacyjnego. jest głównie mechaniczny. 2. Badania porowatości wytworzonych powłok wykazały mniejszą porowatość powłoki ceramicznej wytworzonej metodą nanoszenia gazodetonacyjnego (13.1 %). Porowatość powłoki ceramicznej wytworzonej metodą natryskiwania plazmowego wynosiła 16.1 %. 3. Przyczepność powłoki ceramicznej wytworzonej metodą nanoszenia gazodetonacyjnego wynosiła średnio 8.21 MPa, i była średnio o 1.9 MPa większa niż przyczepność powłoki natryskanej plazmowo. 4. Porównując odporność na cykliczne zmiany temperatury powłok ceramicznych wytworzonych obiema metodami zaobserwowano, że odporność powłoki natryskiwanej plazmowo (580 cykli) jest o około l O % większa od odporności powłoki nanoszonej gazodetonacyjnie. Na podstawie przeprowadzonych badań możemy stwierdzić, że odporność na cykliczne zmiany temperatury wzrasta wraz ze zmniejszaniem się różnicy wartości współczynnika rozszerzalności cieplnej powłoki ceramicznej i podłoża. Powodowane tą różnicą naprężenia wewnętrzne są niewątpliwie jedną z przyczyn inicjacji mikro- i makropęknięć w powłoce ceramicznej, a w efekcie jej późniejszego odwarstwiania się od podłoża. Zastosowanie międzywarstwy NiAI 70/30 spowodowało zmniejszenie wartości wyżej wymienionego współczynnika czterokrotnie. 5. Kierunek dalszych prac powinien obejmować badania nad zwiększeniem przyczepności warstwy do podłoża, odporności na cykliczne zmiany temperatury oraz nad zmniejszeniem porowatości. Celowym wydaje się także wykonanie symulacji komputerowej z zastosowaniem numerycznych obliczeń MES (rozkłady temperatur, naprężet1 i deformacji).

8 LITERA TURA. l. WAJAND J. A. : Silniki o zapłonie samoczynnym. Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa MRUK A.: Badania nad zastosowaniem termoizolacyjnych powłok ceramicznych na bazie Zr0 2 w budowie silników spalinowych. Politechnika Krakowska, Kraków 1995.