Svojstva i struktura wolframkarbid-kobalt prevlake deponovane plazma-sprej postupkom

• Main Author: Mihailo Rade Mrdak
• Format: Article
• Language: English
• Published: University of Defence in Belgrade 2013-10-01
• Series: Vojnotehnički Glasnik
• Subjects: property; powders; plasmas; gas flow; gas; deposits; Cobalt; Coatings
• Online Access: http://aseestant.ceon.rs/index.php/vtg/article/view/2215
• ISSN: 0042-8469; 2217-4753

<p>Cilj istraživanja bio je da se optimizacijom plazma-sprej parametara deponuju WC17Co slojevi optimalnih strukturno-mehaničkih karakteristika. Prah je deponovan plazma-sprej postupkom na atmosferskom pritisku (APS).Pri izboru parametara kao osnovni parametar uzet je protok plazma gasa He. Helijum u odnosu na druge gasove ne reaguje sa prahom, proizvodi gušću plazmu sa manjim toplotnim sadržajem i manje inkorporira okolni vazduh u mlaz plazme, što smanjuje dekarburizaciju praha. U istraživanju su korišćene tri grupe uzoraka dobijene sa tri protoka  plazma gasa od 12, 22 i 32 l/min He.  Prevlaka sa najboljim karakteristikama deponovana je na rukavcu vratila glavnog rotora helikoptera "gazela H42" da bi  se smanjio uticaj ležaja  i vibracija na habanje rukavca do 500°C. Procene WC17Co slojeva prevlake urađene su na osnovu njihovih strukturno-mehaničkih karakteristika. Morfologija površine čestica praha WC17Co ispitana je na SEM-u. Mehaničke karakteristike deponovanih prevlaka ispitane su  u skladu sa standardom TURBOMECA. Procena mehaničkih karakteristika slojeva urađena je ispitivanjem mikrotvrdoće metodom HV_0.3 i čvrstoće spoja ispitivanjem na zatezanje. Metalografska procena udela pora u slojevima WC17Co prevlaka (image analiza) urađena je tehnikom svetlosne mikroskopije u skladu sa standardom Pratt &amp; Whitney. Istraživanja su pokazala da protok plazma gasa bitno utiče na mehaničke osobine i strukture prevlaka.</p> <p><em> </em></p> <p class="7Uvod">Uvod</p> <p class="02Podacioautoru">Plazma-sprej postupak je zastupljen u mnogim industrijama radi poboljšanja karakteristika komponenti ili produženja njihovog radnog veka. Ovaj postupak našao je široku primenu u vazduhoplovnoj industriji i jedan je od najprimenjenijih postupaka za termičko nanošenje prevlaka. Na resurs prevlaka utiču karakteristike deponovanog materijala, njegov faznih sastav, udeo pora i nestopljenih čestica, koheziona i adheziona čvrstoća. Deponovane prevlake WC17Co termosprej postupcima uvek pokazuju promenu u faznom sastavu u odnosu na sastav polaznog praha, što se ne može izbeći. Promenu faznog sastava u deponovanim karbidnim prevlakama opisao je Saha,G.C. i dr. autori (Saha, et al., 2010, pp. 592-595) koji su objasnili uzrok faznih promena. Ispitivanjem faza nanokristalne prevlake WC17Co deponovane termičkim postupkom HVOF i polikristalne prevlake deponovane plazma-sprej postupkom,  ustanovljeno je da u obe prevlake dolazi do, manje ili više, razgradnje polazne faze WC u fazu W₂C i W. Ovo razlaganje je izraženije kod plazme zbog viših temperatura. U strukturi polikristalne prevlake deponovane plazmom, pored faze WC uvek su prisutne i faze W₂C,W,W₃C i mešoviti karbid ή – Co₃W₃C (Saha, et al., 2010, pp. 592-595). Zbog inkorporiranja vazduha u mlaz plazme i njegovog uticaja na redukciju ugljenika iz karbida, depozicija praha radi se srednjom snagom napajanja plazma-pištolja i sa helijumom kao plazma gasom. Helijum kao plemeniti gas ima velike prednosti kao plazma gas u odnosu na druge gasove. Eksperimentalna istraživanja karakteristika mlazeva plazmi pokazala su da izoterme blizu izlaza iz anode imaju manji prečnik za plazmu Ar-He u odnosu na Ar-H₂.Dužina izotermi je takođe manja kod plazme Ar-He zbog manje specifične entalpije i  većeg viskoziteta u odnosu na Ar-H₂. Gušća plazma, kao što je Ar-He, može znatno da smanji inkorporiranje okolnog vazduha u mlaz plazme. Mešanje mlaza plazme sa okolnim vazduhom povećava se sa povećanjem jačine strujnog luka i protokom plazma gasa (Roumilhac, et al., 1988, pp. 105-119), (Roumilhac, Fauchais, 1988, pp. 121-126). Helijum zbog ovih osobina omogućuje deponovanje karbidnih prevlaka sa umanjenim procesom dekarburizacije i sa manjim sadržajem  pora. Osobine prevlaka su u direktnoj vezi sa parametrima depozicije.</p> <p>Prah WC17Co razvijen je za potrebe vazduhoplovne industrije. Prevlake na bazi WC17Co su otporne na habanje, abraziju, eroziju, koroziju i kavitaciju do 500°C (Material Product Data Sheet, 2011). U ovom radu predstavljeni su rezultati eksperimentalnih istraživanja uticaja protoka plazma gasa (He) na mehanička svojstva i mikrostrukturu slojeva WC17Co. Glavni cilj je bio da se stara tehnologija cementacije  rukavaca vratila zameni deponovanjem WC17Co prevlake plazma-sprej tehnologijom. Analizirane su mehaničke karakteristike i mikrostrukture prevlaka da bi se odabrala prevlaka najboljih karakteristika. Prevlaka sa najboljim mehaničkim i strukturnim karakteristikama je testirana i homologovana na rukavcu vratila glavnog rotora<em> </em>helikoptera "gazela H42" letnim ispitivanjem u trajanju od 50 časova u VZ „Moma Stanojlović" u Batajnici.</p> <p><span style="text-decoration: underline;"> </span></p> <p>Materijali za ispitivanje i uzorci</p> <p class="02Podacioautoru">Za izradu prevlaka upotrebljen je prah firme „Sulzer Metco” sa oznakom Metco 73F-NS-1. Za izradu praha korišćena je tehnika suvo  raspršavanje/sinterovanje sa sadržajem od 83 tež.%WC i 17 tež.%Co. Prah koji se koristio u eksperimentu imao je raspon granulacije od 11 µm do 53 µm (Material Product Data Sheet, 2011). Čestice praha su porozne  i sfernog oblika.</p> <p>Osnove na koje su deponovane prevlake za procenu strukture i za ispitivanje mikrotvrdoće izrađene su od čelika Č.4171 (X15Cr13 EN10027) u termički neobrađenom stanju dimenzija 70x20x1,5mm . Osnove za ispitivanje čvrstoće spoja takođe su izrađene od čelika Č.4171(X15Cr13EN10027) u termički neobrađenom stanju dimenzija Ø25x50 mm (Turbojet engine-standard practices manuel TURBOMECA).</p> <p>Mehaničke karakterizacije prevlaka WC17Co urađene su prema standardu TURBOMECA (Turbojet engine-standard practices manuel TURBOMECA). Za merenje mikrotvrdoće i metalografska ispitivanja korišćeni su uzorci dimanzija 70 × 20 x 1,5 mm, dok su za ispitivanje zatezne čvrstoće korišćeni uzorci  Ø25 x 50 mm.</p> <p>Merenja mikrotvrdoća izvršena su korišćenjem Vikers dijamant piramide indenter i 300 grama opterećenje (HV0.3). Merenje je urađeno u pravcu duž lamela, u sredini i na krajevima uzorka. Na tri mesta sprovedeno je pet očitavanja, a rezultati su bili  usrednjeni.</p> <p>Testovi zatezne čvrstoće rađeni su na sobnoj temperaturi na hidrauličnoj opremi sa brzinom od 10 mm/min. Korišćena su dva uzoraka u paru, od kojih je prevlaka deponovana samo na jednom od njih. Za svaku grupu WC17Co prevlaka ispitano je po pet uzoraka, a dobijeni rezultati su usrednjeni.</p> <p>Metalografska procena udela pora (image analiza) u slojevima WC17Co prevlaka urađena je tehnikom svetlosne mikroskopije u skladu sa standardom Pratt &amp; Whitney (Turbojet Engine – Standard Practices Manual (PN 582005), 2002, Pratt &amp; Whitney, East Hartford, USA). Morfologija čestica praha urađena je na SEM-u (skening elektronskom mikroskopu).</p> <p class="02Podacioautoru">Depozicija praha</p> <p>Proces deponovanja slojeva na metalne osnove urađen je plazma-sprej postupkom na atmosferskom pritisku (APS) firme Plasmadyne. Depozicija praha urađena je plazma pištoljem SG-100 koji se sastojao od katode tipa K 1083A -129 , anode tipa A 2083-175 i gas-injektora tipa  GI 1083-113. Kao gas korišćen je argon u kombinaciji sa helijumom i snaga napajanja od 40 KW. Protok plazma gasa helijuma bio je osnovni parameter za deponovanje praha. U eksperimentu su korišćena tri različita protoka helijuma od 12 l/min, 22 l/min i 32 l/min. Slojevi su deponovani na supstratima ukupne debljine od 0,020 do 0,025 mm sa plazma pištoljem brzine 500 mm/s.</p> <p class="02Podacioautoru">Rezultati i diskusija</p> <p class="02Podacioautoru">Vrednosti mikrotvrdoće i čvrstoće spoja deponovanih slojeva su u direktnoj vezi sa protocima helijuma kao plazma gasa. Svi deponovani slojevi imaju vrednosti mikrotvrdoće u propisanim granicama od 850 do 1300 HV_0.3(Material Product Data Sheet, 2011), (Turbojet engine-standard practices manuel TURBOMECA).  Najravnomerniju raspodelu mikrotvrdoće imali su slojevi deponovani sa protokom plazma gasa od 22 l/min.He. Ti slojevi su imali najmanju razliku  mikrotvrdoće između maksimalnih i minimalnih vrednosti (289 HV_0.3). Najveću raspodelu mikrotvrdoće pokazali su slojevi  deponovani sa najvećim protokom plazma gasa od 32 l/min He. Ti slojevi imali su najveću razliku mikrotvrdoće između maksimalnih i minimalnih vrednosti (404 HV_0.3). Višu raspodelu mikrotvrdoće imali su i slojevi sa najmanjim protokom plazma gasa od 12 l/min He.  Razlika između maksimalnih i minimalnih vrednosti mikrotvrdoće za te slojeve bila je  373 HV_0.3.</p> <p>Zatezna čvrstoća spoja je u direktnoj vezi sa protocima plazma gasa He. Vrednosti zatezne čvrstoće spoja deponovanih slojeva sa protocima plazma gasa od 12 l/min i 22 l/ min He, u propisanim su granicama po standardu ( min. 45 MPa) (Turbojet engine-standard practices manuel TURBOMECA). Ti slojevi imali su dobru adhezionu čvrstoću sa supstratom i dobru međulamelarnu kohezionu čvrstoću. Najveću vrednost čvrstoće spoja od 49MPa pokazali su slojevi deponovani sa protokom plazma gasa od 22 l/min He, koji su imali najmanju raspodelu mikrotvrdoće. Ti su slojevi imali najmanji udeo pora. Najmanju vrednost zatezne čvrstoće spoja od 42MPa imali su slojevi deponovani sa najvećim protokom plazma gasa He. Ti su slojevi imali najveću raspodelu mikrotvrdoće i najveći udeo mikropora. Ispitivanja zatezne čvrstoće spoja pokazalo je da je za sve deponovane prevlake mehanizam razaranja bio na interfejsu između substrata i prevlake.</p> <p class="02Podacioautoru">Kvantitativna analiza ukupnog sadržaja pora u WC17Co slojevima  pokazala je da su izmerene vrednosti u direktnoj vezi sa protocima plazma gasa He. Na prikazanim mikrofotografijama jasno se uočavaju različiti udeli pora u deponovanim slojevima. Najmanji udeo pora bio je u slojevima WC17Co prevlake deponovane sa protokom plazma gasa od 22 l/ min He. U tim slojevima je ukupan udeo pora bio 1%. U slojevima deponovanim sa protokom plazma gasa od 12 l/min He, ukupan udeo pora je bio 1,3%. Najveći udeo pora je bio u slojevima deponovanim sa protokom plazma gasa od 32 l/min He. U tim slojevima pore su izraženije i grublje sa udelom od 2,5%. U svim slojevima  ukupan udeo pora bio je u propisanim granicama od 0,5 do 3% (Material Product Data Sheet, 2011), (Turbojet engine-standard practices manuel TURBOMECA).</p> <p>Mikrostruktura svih prevlaka je lamelarna. Na mikrofotografijama se vidi da su istopljene čestice praha pravilno razlivene. Slojevi prevlake deponovani su kontinualno bez prisutnih mikro i makropukotina kroz slojeve. U slojevima nisu prisutne neistopljene čestice praha, precipitati i interlamelarne pore. U deponovanim slojevima svih prevlaka jasno se uočavaju ravnomerno distribuirane karbidne faze u žilavoj osnovi kobalta. Na svim mikrofotografijama jasno se uočavaju svetla polja metalnih faza i tamnosiva polja karbidnih faza. U svetlim poljima prisutna je polazna metalna faza Co i metalna faza W koja potiče od delimične razgradnje polaznog kubnog monocarbidea WC (Saha, et al., 2010, pp.592-595). U sivim poljima prisutna je polazna faza kubnog monokarbidea WC i karbidne faze koje su nastale razlaganjem kubnog karbida WC u karbide tipa W₂C,W₃C i mešoviti karbid ή - Co₃W₃C (Saha, et al., 2010, pp.592-595), (de Villiers Lovelock, 1998, pp.357–373).</p> <p>Zaključak</p> <p class="02Podacioautoru">Plazma-sprej postupkom (APS) deponovane su prevlake WC17Co sa  protocima plazma gasa od 12 l/min, 22 l/min i 32 l/ min He. U radu su analizirane mehaničke karakteristike deponovanih slojeva i mikrostrukturne karakteristike na svetlosnom mikroskopu. Morfologija čestica praha ispitana je na (SEM) skening elektronskom mikroskopu. Na osnovu izvršenih analiza došlo se do određenih zaključaka.</p> <p>Morfologija čestica praha<em> </em>WC17Co je sfernog oblika i tipična je za čestice praha koje se proizvode tehnikom  suvo  raspršavanje/sinterovanje.</p> <p>Vrednosti mikrotvrdoće i čvrstoće spoja deponovanih slojeva bili su u direktnoj vezi sa protocima helijuma kao plazma gasa. Svi deponovani slojevi imali su vrednosti mikrotvrdoće u propisanim granicama od 850 do 1300 HV_0.3. Najravnomerniju raspodelu mikrotvrdoće imali su slojevi deponovani sa protokom plazma gasa od 22 l/min He.  Ti su slojevi imali najmanju razliku  mikrotvrdoće između maksimalnih i minimalnih vrednosti (289 HV_0.3).</p> <p>Vrednosti zatezne čvrstoće spoja slojeva deponovanih sa protocima plazma gasa od 12 l/min  i 22 l/ min He  bile su u propisanim granicama po standardu ( min. 45 Mpa). Ti su slojevi imali dobru adhezionu čvrstoću sa supstratom i dobru međulamelarnu kohezionu čvrstoću. Najveću vrednost čvrstoće spoja od 49 MPa pokazali su slojevi deponovani sa protokom plazma gasa He, koji su imali najmanju raspodelu mikrotvrdoće. Ti su slojevi imali najmanji udeo pora. Najmanju vrednost zatezne čvrstoće spoja od 42 MPa imali su slojevi deponovani sa najvećim protokom plazma gasa He. Ti su slojevi imali najveću raspodelu mikrotvrdoće i najveći udeo mikropora.</p> <p>Kvantitativna analiza ukupnog sadržaja pora u WC17Co slojevima  pokazala je da su izmerene vrednosti u direktnoj vezi sa protocima plazma gasa He. Najmanji udeo pora bio je u slojevima WC17Co prevlake deponovane sa protokom plazma gasa od 22 l/min He. U tim slojevima je ukupan udeo porao bio 1%. U slojevima deponovanim sa protokom plazma gasa od 12 l/min He, ukupan udeo pora bio je 1,3%. Najveći udeo pora bio je u slojevima deponovanim sa protokom plazma gasa od 32 l/ min He. U tim slojevima pore su izraženije i grublje sa udelom od 2,5%. U svim slojevima  ukupan udeo pora bio je u propisanim granicama od 0,5 do 3%.</p> <p>Mikrostruktura svih prevlaka je lamelarna. Slojevi prevlake su deponovani kontinualno bez prisutnih mikro i makropukotina kroz slojeve. U slojevima nisu prisutne neistopljene čestice praha, precipitati i interlamelarne pore. U deponovanim slojevima svih prevlaka jasno se uočavaju ravnomerno raspoređene karbidne faze u žilavoj osnovi kobalta. U svetlim poljima prisutna je polazna metalna faza Co i metalna faza W koja potiče od delimične razgradnje polaznog kubnog monokarbidea WC. U sivim poljima prisutna je polazna faza kubnog monokarbidea WC i karbidne faze koje su nastale razlaganjem kubnog karbida WC u karbide tipa W₂C,W₃C i mešoviti karbid ή – Co₃W₃C.</p> <p>Dobijeni rezultati su pokazali da protok plazma gasa He bitno utiče na mehaničke karakteristike slojeva i udeo pora u prevlakama. Ispitivanja su potvrdila<strong> </strong>da su najbolji slojevi deponovani sa protokom plazma gasa od 22 l/min He. Prevlaka sa najboljim mehaničkim i strukturnim karakteristikama je testirana i homologovana na rukavcu vratila glavnog rotora<em> </em>helikoptera „gazela H42" letnim ispitivanjem u trajanju od 50 časova u VZ „Moma Stanojlović" u Batajnici.</p>