14.05.2014
Plasma Sprey ve HVOF Kaplama
Yöntemi ile Üretilen Stellite-6
Kaplamaların Mikroyapısı ve
Adhezyon Özellikleri
Ç. Demircia, S.C. Okumuşb
[email protected]
aKobatek
Plasma Seramik ve Metal
Kaplama San. Tic. Ltd.34912 Pendik/Istanbul
bSAÜ
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği,
Plazma Sprey Kaplama Laboratuarı
Adapazarı, Sakarya, 54187 TÜRKİYE
Sunumun Ana Hatları
• Giriş
• Deneysel
• Sonuçlar
• Değerlendirme
1
14.05.2014
Kaplamalar
Makine elemanlarının %70 ’i aşınma nedeni ile
hasarlı hale gelmektedir ve gelişmiş ülkelerde
aşınmanın neden olduğu kayıplar GSMH ’lerinin
%7 ’sine eşdeğerdir
200 milyar doların üstünde GSMH ’ya sahip
ülkemizde aşınma nedeni ile yıllık kaybımız 14
milyar doları geçmektedir
Bu kaybı azaltmak, en alt düzeye indirmek ulusal
bir görev ve ülke kaynaklarının korunmasıdır
Kaplama uygulamaları
koruma yöntemidir
en
çok
tercih
edilen
Termal Sprey Kaplamalar
• Avantajları
–Tek aşamalı üretim
–Near-net ve kompleks şekiller
• Dezavantajları
–Buharlaşma
–İstenmeyen fazlar
–Anizotropi (tabakalı
yapılanma)
–Porozite
2
14.05.2014
Termal Sprey Kaplamalar
Termal sprey kaplama ailesinin en popüler
olanı toz-alev sprey, en fonksiyonel olanı
ise plasma spreydir
Bu ailenin en genç üyesi ise HVOF yüksek
hız oksijen yakıt sistemidir
Termal Sprey Kaplamalar
25000
Plasma
Sıcaklık , °C
20000
15000
10000
Alevle toz
Alevle tel
Elektrik ark
HVOF
5000
0
200
230
250
500
2000
Hız , m/sn
3
14.05.2014
Plasma Sprey Kaplama Sistemi
APS
Plasma
Sprey
Kaplama
4
14.05.2014
Plasma Sprey Tabancası2
Anot
Toz Besleme
Ark
Kaplama
Altlık
Katot
İnert
Gaz
Plazma
Yüksek Hızlı
Ergimiş Parçacıklar
HVOF Sprey Kaplama Sistemi
5
14.05.2014
WC-Co
(HVOF)
6
14.05.2014
Kaplama ile Tabakalı Yapı
Oluşumu
Kaplama tabakası yığılımı
Tabakalı Lamelar Mikroyapı
(SEM Detay)
7
14.05.2014
WC-Co Malzemeler
WC-Co
sermetler
aşınma
direncinin
öngörüldüğü birçok endüstriyel uygulamada
geniş
kapsamda
kullanılagelmektedir. Öte
yandan
termal
sprey
kaplamalar,
diğer
özelliklerinden
ödün
vermeden
sürtünme,
aşınma ve erozif koşullarda yapısal bileşenlere
etkin ve ekonomik bir şekilde aşınma direnci
sağlayabilen yöntemlerdir. Literatürde termal
sprey WC-Co kaplamaların toz karakteristiğini,
proses şartlarını, mikroyapısal parametreleri ve
aşınma direncini öngören birçok çalışma
mevcuttur
Amaç
Açık atmosfer şartlarında iki farklı termal
sprey kaplama yöntemi, plazma sprey
kaplama ve HVOF sistemleri kullanılarak AISI
8620 çelik numuneler üzerinde WC-Co esaslı
Stellite®-6 tozu ile elde edilen kaplamaların
metalografik incelemelerle porozite, sertlik,
yapışma (adhezyon) mukavemeti ve kırılma
tokluğu ölçümleri ile mikroyapısal ve mekanik
karakterizasyonu
8
14.05.2014
Üretim
Plasma sprey ve HVOF kaplamalar, arakaplamasız ve ara-kaplamalı olmak üzere iki
farklı şekilde hazırlanmıştır
Kaplama tozlarının kimyasal bileşimleri
Kaplama
tozu
Kimyasal
bileşim (%)
Tane
boyutu (µm)
Stellite-6
29.20 Cr
4.80 W
2.58 Ni
2.03 Fe
1.30 Si
1.14 C
0.26 Mn
0.06 Mo
Kalanı Co
–53+15
Metco
480NS
94.00 Ni
5.00 Al
1.00
Organik
Bağlayıcı
–90+45
altmalzeme
yüzeyleri, keskin
köşeli morfolojiye
sahip aşındırıcı
malzemeyle
pürüzlendirilmiştir.
Al2O3
(50 psi basınç, 30 grit)
Üretim
Plasma sprey ve HVOF kaplama parametreleri
Plasma sprey
parametreleri
Kaplama malzemeleri
Stellite-6
Metco
480NS
HVOF sprey
parametreleri
Primer gaz (Ar)
akış hızı (l/min)
73
45
Oksijen
7 basıncı
(bar)
Sekonder gaz (H2)
akış hızı (l/min)
3
11
Propan
5 basıncı
(bar)
Akım (A)
500
500
-
-
Voltaj (V)
63
70
-
-
Toz akış miktarı
(g/min)
40
80
30
0
Sprey mesafesi(mm)
140
140
Toz disk
devri
(rpm)
150 – 160
9
14.05.2014
Deneysel
Plazma sprey ve HVOF yöntemleriyle üretilen
kaplamaların;
-
X-ışınları difraksiyon analizi,
-
metalografik çalışma,
-
porozite ölçümü,
sertlik ölçümü,
-
yapışma mukavemeti ölçümü,
-
Philips PW 3710, CuKα (λ=1,54046 A°)
Philips XL30 S FEG-SEM, EDX donanımlı
ASTM E112
Vickers 50, 100, 200, 300, 500 g
ASTM C633(TAT)
kırılma tokluğu ölçümü
işlemleri gerçekleştirilmiştir
Sonuçlar
XRD
10
14.05.2014
Sonuçlar
XRD
Kaplamaların
belirlenmiş
fazların
difraksiyon
paternlerinde 2 piklerindeki belirli-belirsiz kaymalar,
latis yapılarında deformasyonların meydana geldiğini
ve latis parametrelerinin bir miktar değiştiğini
öngörmektedir. Bu durum, doğası gereği oldukça
dinamik, kararsız, yarı-kararlı ve denge dışı faz
oluşumlarının
sıklıkla
karşılaşıldığı,
ergimiş
partiküllerin altmalzeme yüzeyinde lamelar kaplama
oluşturması sırasında çok yüksek soğuma hızlarının
geçerli olduğu plasma sprey ve HVOF kaplama
süreçlerinin bir sonucudur
Sonuçlar
XRD
Kaplama tozunda ve elde edilen plasma sprey
ve HVOF kaplamalarda sırasıyla;
Co (◊), Cr (□), M23C6 (○),Cr7C3 (Δ), Co6W6C
(+), WC(1-x) (+), WCx (+), WC (+) fazları
belirlenmiştir.
Ara-kaplama
oluşturmak
amacıyla kullanılan Metco 480NS tozunda Ni
fazı tespit edilmiştir. XRD analizinde NiO 'e
rastlanmamıştır
[ M23C6 = (Cr,Fe,W,Mo)23C6]
11
14.05.2014
Atmosferik plasma sprey kaplama tekniği toz
partiküllerinden kritik elementlerin kaybına ve
oksitlenmesine
neden
olabilmekteyken,
HVOF
prosesinin yüksek hızı, partiküllerin alevin içine
bulunma süresini ve dolayısıyla kayıpları azaltmaktadır
2WC 
O2  W2C  CO2
2WC  W2C  C
(a)
(b)
(a) Ve (b) eşitliklerinde verildiği üzere, toz
bileşenlerinden
WC
partiküllerinin
W2 C
'ye
dekompozisyonu mümkündür; Ancak, ne plasma sprey
kaplama ve ne de HVOF kaplama süreciyle elde edilen
Stellite-6 kaplamaların XRD paternlerinde ne W2C ve
ne de serbest karbon belirlenememiştir
Sonuçlar
mikroyapı
12
14.05.2014
Sonuçlar
mikroyapı
Ara-kaplamasız ve ara-kaplamalı plazma sprey
kaplamalarda kalınlıkların en düşük ve en
yüksek olduğu değerler sırasıyla (317–553 µm)
ve (398–838 µm) iken, ara-kaplamasız ve arakaplamalı HVOF kaplamalarda sırasıyla (426–
792 µm) ve (370– 672 µm) olarak ölçülmüştür
Plasma sprey ve HVOF ara-kaplamaların
(sırasıyla % 4.4, % 2.1) Stellite-6 kaplamalara
(sırasıyla % 7.6, % 3.3) göre daha düşük
oranda porozite içerdikleri görülmüştür. En
yüksek poroziteyi plasma sprey kaplamalar
vermiştir
Sonuçlar
mikroyapı
Termal sprey kaplamalarda mevcut bir diğer mikroyapı
bileşeni, ergimemiş toz partikülleridir. Kaplama yapısında
ergimemiş partikül bulunmasının temel nedenleri olarak;
Toz partikülleri ile termal kaynağın alevi arasındaki
temasın çok kısa, toz boyutunun oldukça iri ve kullanılan
termal sprey kaplama sisteminin malzemeyi tam olarak
ergitmede yetersiz olması sayılabilir
13
14.05.2014
Sonuçlar
mikroyapı
Diğer taraftan, ara-kaplama tabakaları lamelar ve
yoğun bir yapıdan meydana gelmiştir ve arakaplama tozunun, püskürtme ve ergime süreçleri
esnasında ergidiği ve sinterlendiği ifade edilebilir
Plasma sprey kaplamalarda ortalama sertlik
değerleri altmalzeme, 480 NS ara-kaplama ve
Stellite-6 için sırasıyla (181–200 VHN), (244 VHN)
ve (394–518 VHN) iken, HVOF kaplamalarda ise
sırasıyla (193–208 VHN), (440 VHN) ve (539–550
VHN) olarak ölçülmüştür. Plasma sprey ve HVOF
Stellite-6 kaplamaların sertliğinin ara-kaplamalara
göre daha yüksek olduğu görülmektedir
Sonuçlar
sertlik
14
14.05.2014
Sonuçlar
sertlik
Sonuçlar
sertlik
HVOF prosesinde partiküllerin yüksek kinetik enerjisi,
elde edilen kaplamalarda kritik elementlerin kaybını
minimize etmektedir. Bu nedenle, plasma sprey
kaplama tekniği; Toz partiküllerinden kritik elementlerin
kaybına neden olmaktayken, HVOF prosesinin yüksek
hızı, partiküllerin alevin içine bulunma süresini ve
dolayısıyla kayıpları azaltmaktadır
Daha az porozite ile HVOF yüksek bir sertlik değeri
sağlamaktadır. Stellite-6 kaplamalar için HVOF, plasma
sprey kaplama tekniğine göre yaklaşık % 10 daha
yüksek bir sertlik değeri vermekte iken,ara-kaplama için
ortalama sertlik değerlerindeki farklılık %100 'e
yakındır. Sonuçlar, nispeten yoğun kaplamaların HVOF
sprey kaplama tekniği ile elde edilebileceğini de ifade
etmektedir
15
14.05.2014
Sonuçlar
yapışma mukavemeti ve tokluk
Sonuçlar
yapışma mukavemeti
Plasma
sprey
kaplamalarda
ortalama
yapışma
mukavemeti değerleri 480 NS ve Stellite-6 için sırasıyla
55.5 MPa ve 59.2 MPa iken, HVOF kaplamalarda ise
sırasıyla 84.1 MPa ve 72.9 MPa olarak ölçülmüştür. Arakaplamalı plasma sprey ve HVOF kaplamalarda yapışma
mukavemeti değerleri ise sırasıyla 50.5 MPa ve 40.7 MPa
olarak ölçülmüştür
Sprey partiküllerin altmalzemeye veya diğer partiküllere
yapışması tüm partikül yüzeyinde değil ancak, sadece
partikül ve altmalzeme arasındaki çeşitli “aktif” temas
bölgelerinde
meydana
gelir.
Altmalzeme-kaplama
arayüzeyindeki yapışma kalitesi, temas bölgelerinin
boyutuna ve derinliğine bağlıdır. Sprey partiküllerin
yüksek temas sıcaklıkları ve uzun etkileşim süreleri daha
iyi yapışma sağlayacaktır
16
14.05.2014
Sonuçlar
tokluk
Plasma sprey ve HVOF kaplamalarda kırılma
tokluğu değerleri 480 NS için sırasıyla 4.29
MPa1/2 ve 3.18 MPa1/2 iken, ara-kaplamasız
plasma sprey ve HVOF kaplamalarda kırılma
tokluğu değerleri Stellite-6 için sırasıyla 4.77
MPa1/2 ve 2.5 MPa1/2 olarak ölçülmüştür. Arakaplamalı plasma sprey ve HVOF kaplamalarda
kırılma tokluğu değerleri ise sırasıyla 2.8 MPa1/2
ve 2.57 MPa1/2 olarak ölçülmüştür
Sonuçlar
tokluk
Termal sprey kaplamalarda lamellerin yığılımla meydana
gelen oluşum, girift bir şekilde sıkı sıkıya kenetlenmiş
çok sayıda lamel ve kısmen ergimiş partiküllerden
ibarettir. Üç boyutlu tuğla-duvar-örgüsü benzeri bu
yapılanma, termal sprey kaplamalarda çatlak ilerlemesi
itibarıyla oldukça büyük önem taşımaktadır. Lameller
arası yüzeyler boyunca çatlak sapması ve çatlak
dallanması meydana gelebilmektedir
Plasma sprey kaplama sürecinin bir sonucu olarak bu
mikroyapısal özellik, kaplamaların kırılma tokluğu
değerini önemli derecede etkileyecektir. Termal sprey
kaplama malzemelerde, ilerleyen çatlağın ucundaki
gerilme
alanının
azaltılmasıyla
çatlak
ilerlemesi
durdurularak kırılma tokluğunun geliştirilebileceği ifade
edilmiştir
17
14.05.2014
Genel Değerlendirme
•Plasma sprey ve HVOF Stellite-6 kaplamaların farklı
oranlarda
porozite,
ergimemiş
partikül
ve
mikroçatlaklar
gibi
yapısal
kusurları
içerdiği
belirlenmiştir.
•Daha az porozite ile HVOF termal sprey kaplama
süreci, plasma sprey kaplamaya oranla daha yüksek
sertlik değerleri sağlamaktadır.
•Ara-kaplamasız HVOF Stellite-6 kaplamaların yapışma
mukavemeti değerlerinin ara-kaplamasız plasma sprey
kaplamalara göre daha yüksek olduğu görülmüştür.
Ara-kaplamalı Stellite-6 plasma sprey ve HVOF
kaplamalarda ise tam tersi bir durum söz konusudur.
•HVOF kaplamalarla karşılaştırıldığında, plasma sprey
Stellite-6 kaplamaların kırılma tokluğu değerlerinin
daha yüksek olduğu belirlenmiştir.
Dinlediğiniz için
Teşekkürler !
18
14.05.2014
A.B.D. Donanmasında 150 Uygulama
US - Navy Certified – MIL–STD–1687a
Aşınma ve Darbe Dayanımı, Süneklik
19
14.05.2014
Mayın Temizleme Botunun Uskur Şaftı
Geleneksel TS Seramik Kaplamadaki Aşınma
()
TS Seramik Nano-kaplama Uygulaması (ile parça halen 3 yıldır serviste)
20
Download

7.01 Microstructure and Adhesion Properties of Plasma and Hvof