Διάβρωση νανοδομημένων μεταλλοκεραμικών επικαλύψεων

Abstract

High Velocity Oxy-Fuel (HVOF) thermal spraying constitutes one of the most efficient processes for coating deposition. The combination of high particle velocities (greater than 500 m/s) and low flame temperatures (lower than 3000 oC) lead to adherent coatings with lower porosity and higher wear resistance than other thermal spray processes.Cermet coatings are often used on metals when high surface hardness and wear resistance are demanded. The most commonly applied HVOF cermet coatings are the WC-Co coatings, because of their excellent wear resistance. The carbide phase provides the hardmetal coating with high hardness and wear resistance, whereas the metal binder phase (Co, Ni, Co-Cr, etc.) provides the coating with toughness. Nanostructured coatings are expected to exhibit improved surface properties in comparison to the conventional coatings, owing to their reduced grain size. Thus, WC-Co nano coatings present higher hardness and fracture toughness than the respective conventional coatings.In many applications of cermet coatings, corrosive environments are involved. The HVOF cermet coatings exhibit complicated corrosion behavior due to their complex microstructure that involves various corrosion cell inducers, such as interlayer boundaries, phase boundaries, splat interfaces, pores, oxide inclusions and non-uniform carbide dissolution into the metal matrix. Very few works have investigated the corrosion performance of cermet coatings made of nanostructured powders.In the present effort conventional and nanocrystalline WC-12%Co and WC-10%Co-4%Cr coatings on Al 7075 T6 substrate were produced by HVOF thermal spray technique. The developed coatings were characterized as far as their macrostructure and the fundamental coating properties are concerned. The corrosion and the sliding wear behavior was also investigated. The produced coatings (conventional and nanocrystalline) are of high quality, low porosity, solid microstructure and high microhardness. The nanocrystalline coatings show more solid and uniform microstructure compared to the corresponding conventional ones, with the carbide reinforcing particles being more uniformly distributed with in the metallic matrix

O θερμικός ψεκασμός HVOF (High Velocity Oxygen Fuel) αποτελεί την πιο ελπιδοφόρα τεχνική για την αντικατάσταση της ηλεκτρολυτικής επιχρωμίωσης (EHC). Συνίσταται σε υπερηχητική φλόγα υψηλής θερμοκρασίας (> 3000 οC), που προκαλείται από καύση υψηλής πίεσης (5-10 bar) αερίου ή υγρού καυσίμου με οξυγόνο. Έτσι παράγονται επικαλύψεις με συμπαγή δομή, λίγες εναπομείνασες τάσεις και μικρή οξείδωση. Οι μεταλλο-κεραμικές επικαλύψεις WC-Co έχουν μεγάλο εύρος εφαρμογών, εξαιτίας των εξαιρετικών τριβολογικών ιδιοτήτων και της καλής αντίστασης σε διάβρωση. Οι νανο-επικαλύψεις αναμένεται να εμφανίζουν βελτιωμένες επιφανειακές ιδιότητες, συγκρινόμενες με τις συμβατικές, εξαιτίας του μειωμένου μεγέθους των κόκκων. Στην παρούσα διδακτορική εργασία παράχθηκαν συμβατικές και νάνο-κρυσταλλικές επικαλύψεις WC-12Co (%κ.β.) και WC-10Co-4Cr (%κ.β.), σε υπόστρωμα Al 7075 Τ6, με την τεχνική θερμικού ψεκασμού HVOF. Οι παραγόμενες επικαλύψεις χαρακτηρίστηκαν ως προς τη μικροδομή και βασικές ιδιότητες επικαλύψεων, ενώ μελετήθηκε η συμπεριφορά τους ως προς τη διάβρωση και η συμπεριφορά τους ως προς τη φθορά, μέσω της τριβής ολίσθησης. Συνολικά, παράχθηκαν καλής ποιότητας επικαλύψεις, συμβατικές και νάνο-κρυσταλλικές, οι οποίες εμφανίζουν χαμηλό πορώδες (<1%), συνεκτική δομή και υψηλή μικροσκληρότητα. Οι νάνο-κρυσταλλικές επικαλύψεις παρουσιάζουν πιο συνεκτική και ομοιόμορφη δομή συγκρινόμενες με τις αντίστοιχες συμβατικές. Τα σωματίδια των καρβιδίων είναι πιο ομοιόμορφα κατανεμημένα στη μεταλλική μήτρα. Επίσης, όλες οι επικαλύψεις έχουν υποστεί απανθράκωση κατά τον ψεκασμό, με αποτέλεσμα τον εντοπισμό δευτερευουσών φάσεων. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων διάβρωσης έδειξαν πως οι νάνο-κρυσταλλικές επικαλύψεις εμφανίζουν παρόμοια ηλεκτροχημική συμπεριφορά με τις αντίστοιχες συμβατικές επικαλύψεις, αναφορικά με κρίσιμα ηλεκτροχημικά μεγέθη και τη μορφή καμπυλών πόλωσης, παραπέμποντας σε παρόμοιους μηχανισμούς διάβρωσης. Όσον αφορά τις μετρήσεις ως προς την αντίσταση σε τριβή ολίσθησης οι νάνο-κρυσταλλικές επικαλύψεις εμφανίζουν υψηλότερη αντίσταση συγκρινόμενες με τις αντίστοιχες συμβατικές επικαλύψεις, για το σύνολο των συνθηκών διεξαγωγής των μετρήσεων.