بخشی از مقاله
بررسی تأثیر پارامترهای فرآیند پاشش حرارتی HVOF بر مقاومت به خوردگی پوششهای WC-12Co
چکیده
در این پژوهش اثر پارامترهای فرآیند پاشش حرارتی سرعت بالا با استفاده از اکسیژن-سوخت (HVOF) بر مقاومت به خوردگی پوششهای سرمتی WC-12Co مورد مطالعه قرار گرفت. چهار عامل فاصله پاشش، نسبت اکسیژن به سوخت، سرعت حرکت تفنگ و نرخ تغذیه پودر در نظر گرفته شد.
آزمون پلاریزاسیون پتانسیودینامیک جهت ارزیابی رفتار خوردگی نمونه ها بکار برده شد. از میکروسکوپ الکترونی روبشی به منظور بررسی مورفولوژی پودر و ریزساختار پوشش و از آزمون پراش پرتو ایکس به منظور بررسی فازهای پودر و میزان تجزیه کاربید تنگستن در پوشش استفاده شد.
بررسیها نشان داد که مهم ترین پارامتر در تعیین خواص پوشش، فاصله پاشش و در نتیجه آن درصد تخلخل و درصد فازهای آمورف-نانوکریستالی حاصل از تجزیه WC میباشد. در بین دو عامل درصد تخلخل (عامل کاهش خواص خوردگی) و فازهای آمورف-نانوکریستالی (عامل بهبود خواص خوردگی)، به نظر می رسد مورد دوم عامل غالب باشد. بگونهای که در نمونه E1 با درصد تخلخل و فازهای آمورف-نانو کریستالی بالاتر نسبت به سایر نمونهها (بیشترین دمای پوششدهی) بیشترین مقاومت به خوردگی حاصل شد.
واژههای کلیدی: خوردگی، پودر WC-Co، تجزیه ،دمای ذره، HVOF
-1 مقدمه
تجهیزات و قطعات در صنایع مختلف نظیر نفت و گاز، پتروشیمی، هوایی و دیگر صنایعدائماً در معرض پدیدههای نامطلوب سطحی مثل سایش، خوردگی و فرسایش قرار دارند. از آنجایی که خیلی از این حملات که از پدیدههای مرتبط با سطوح اجزا هستند، سبب اتلاف انرژی، ماده و در نهایت خسارات اقتصادی میگردند، پیدا کردن راهی برای حذف این پدیدهها یا به تأخیر انداختن و یا در حالت معقول، حداقل نمودن آنها همیشه مورد توجه بوده و تحقیقات زیادی نیز در این زمینه صورت گرفته است. لذا بهبود خواص سطحی از جمله فناوریهای مهم و قابل توجه شمرده میشود .[1] روشهای متعددی برای ارتقای خواص سطحی قطعات و ایجاد یک پوشش محافظ، توسط روکش دادن مادهای با خواص سایشی و خوردگی بالاتر بر روی قطعه مورد نظر وجود دارد که از آن جمله میتوان به پاشش حرارتی1، رسوب فیزیکی2 و شیمیایی3 بخار، فرآیندهای الکترولیتی کروم-سخت4 و ... اشاره کرد 1]و.[2
تکنولوژی پاشش حرارتی بطور وسیعی برای پوششدهی قطعات صنعتی و حفاظت آنها در برابر سایش، خوردگی و اکسیداسیون دمای بالا استفاده شده است .[3] در تمامی روشهای پاشش حرارتی، مواد به صورت قطرات مذاب، نیمه مذاب و یا جامد، توسط یک جریان گاز به سمت زیر لایه آمادهسازی سطحی شده پرتاب و در نتیجه پوشش تشکیل میشود 2]و.[3
امروزه متداولترین زمینه توسعه فرآیندهای پاشش حرارتی، افزایش سرعت ذرات در حین پاشش به منظور بهبود کیفیت پوشش بوده است. فرآیند پاشش حرارتی سرعت بالا با استفاده از اکسیژن-سوخت(HVOF) 5 روشی است که در آن سرعت ذرات بدون اینکه دمای ذرات بیش از حد افزایش یابد به طور قابل ملاحظهای افزایش یافته است .[4-6] سرمتها تلفیقی از یک یا چند فاز سرامیکی سخت (کاربیدها، نیتریدها، بورایدها و ...) کهمتشکل از تقریباً 15 تا 18 درصد از حجم آن است و یک زمینه فلزی نرم (نیکل، کروم، کبالت، کبالت-کروم، نیکل-کروم و ...) میباشند. در این مواد فاز سرامیکی سختی و مقاومت سایشی را فراهم میکند، درحالیکه فاز فلزی موجب انعطافپذیری سرمت شده و به عنوان فاز پیوند دهنده6 عمل مینماید 7]و.[8 یکی از پرکاربردترین سرمتها سیستم WC-Co است. انواع استاندارد این نوع سرمتها معمولاً دارای 5 تا 12 درصد وزنی کبالت میباشند.[8-12] پوششهای سرمتی بدست آمده توسط فرآیند پاشش HVOF با توجه به ویژگیهای میکروساختاری مانند تخلخل، ترک، فصل مشترک لایههای پوشش7، آخالهای اکسیدی، نوع کاربیدها و فصل مشترک کاربیدها و زمینه فلزی، ممکن است دچار مکانیزمهای مختلف خوردگی شوند 7]و .[13-18
و محققانی در مورد هرکدام از پارامترها به یکسری از نتایج دست یافته اند18-19]و15-16و.[13که هر کدام از پارامترهای فرآیند HVOF میتواند اثر مهمی را بر ریزساختار و خواص پوشش حاصل داشته باشد. بنابراین نیاز است که تأثیر تغییر همزمان پارامترهای فرآیند بر خواص خوردگی این پوششها مورد بررسی قرار گیرد و مهمترین پارامترهای فرآیند معرفی گردد.
در این پژوهش اثر پارامترهای فرآیند پاشش حرارتی سرعت بالا با استفاده از اکسیژن- سوخت (HVOF) بر مقاومت به خوردگی پوششهای سرمتی WC-12Co مورد مطالعه قرار گرفت. آزمون پلاریزاسیون پتانسیودینامیک جهت ارزیابی رفتار خوردگی نمونهها بکار برده شد. از میکروسکوپ الکترونی روبشی به منظور بررسی مورفولوژی پودر و ریزساختار پوشش و از آزمون پراش پرتو ایکس به منظور بررسی فازهای پودر و میزان تجزیه کاربید تنگستن در پوشش استفاده شد
-2 مواد و روش تحقیق
برای مواد پوشش از پودر سرمتی آگلومره و زینتر شده WC-12Co ساخت شرکت Metallisation استفاده شد.. از فولاد AISI 1045 به ضخامت 4 میلیمتر و ترکیب شیمیایی ارایه شده در جدول 1 به عنوان زیرلایه استفاده شد.
جدول:1 ترکیب شیمیایی فولاد AISI 1045
p S C Mn Fe عنصر
0/04≤ 0/05≤ 0/42-0/50 0/6-0/9 98/51-98/98 درصد وزنی
جهت تهیه نمونههای پوشش تعداد 3 نمونه (اساس انتخاب تعداد نمونهها و پارامترها در ادامه توضیح داده خواهد شد) با ابعاد 50×50×4 میلیمتر مربع از زیرلایه فولاد AISI 1045 برش داده شد. به منظور افزایش چسبندگی پوشش به زیرلایه، قبل از پوششدهی، سطح نمونه توسط ذرات SiC ماسهپاشی شدند. پارامترهای ماسهپاشی در جدول 2 آمده است. برای جداکردن چربیها و ماسههای باقیمانده پس از ماسهپاشی، سطح نمونهها با الکل و برس تمیزکاری شدند. سپس نمونهها در
یک حمام التراسونیک با مایع استون شسته و پس از آن با قرار دادن در یک خشککن8 در دمای 100 درجه سانتیگراد خشک شدند. پوششدهی نمونهها با استفاده از دستگاه HVOF انجام شد. دستگاه مذکور با نام تجاری MET JET III و ساخت شرکت Metallisation بود. در این سیستم از سوخت گاز مایع با ترکیب شیمیایی جدول 3 استفاده شد.
سعی شد از چهار عامل (پارامتر) فاصله پاشش (در سه سطح)، نسبت اکسیژن به سوخت (در دو سطح)، ، نرخ تغذیه پودر (در دو سطح) و سرعت حرکت مشعل (در دو سطح) به عنوان متغیرهای تحقیق و بر مبنای کارهای صورت گرفته توسط دیگر محققین استفاده گردد. در جدول 4 پارامترهای مورد بررسی و سطوح آنها درج شده است. از گاز نیتروژن به عنوان گاز حامل استفاده شد. نرخ گاز مایع (سوخت) نیز در طول فرآیند، ثابت در نظر گرفته شد(70±10 لیتر بر دقیقه). معیار انتخاب این 3 نمونه میزان دمای حداکثر، حداقل و یک دمای میانی بود که در حین فرآیند پاشش به زیرلایه وارد میشود. اندازهگیری دما نیز از طریق کاشت ترموکوپل در پشت زیرلایه و در فاصله 2 میلیمتر از سطح صورت گرفت. پارامترهای بکار رفته برای هر نمونه نیز در جدول 5 آورده شده است و همانطور که مشاهده میشود، کدگذاری نمونهها با حرف E و از E1 تا E3 صورت گرفت. تخلخلسنجی پوششها با با آنالیز تصویر9 و با استفاده از نرمافزار Image plus 4.1 به صورت سطحی مورد ارزیابی قرار گرفت.
به منظور شناسایی فازهای موجود در پودر سرمت اولیه و محصول پوششدهی ، از پراش پرتو ایکس (XRD) استفاده شد.
رفتار خوردگی نمونهها به وسیلهی آزمون پلاریزاسیون پتانسیودینامیک مورد ارزیابی قرار گرفت. بدین منظور، قطعاتی از نمونههای مختلف در ابعاد برابر بریده و سپس، نمونهها مانت سرد، سنباده زنی و پولیش شدند. آزمون پلاریزاسیون پتانسیودینامیک توسط دستگاه AUTOLAB مدل AUT8491 ساخت کشور هلند و با الکترود مرجع کالومل اشباع در
3
محلول NaCl (3.5 %Wt) با pH برابر با 7 انجام گرفت. آزمون در محدودهی ولتاژ -1 تا +0/5 ولت، با سرعت پایش 0/5 میلیولت بر ثانیه روی سطحی با مساحت 25 میلیمتر مربع و در دمای اتاق روی تمامی نمونه ها انجام گرفت. نمونه ها قبل از تست پلاریزاسیون به مدت 600 ثانیه در محلول به حالت پتانسیل مدار باز (OCP10) قرار داده شدند تا مقادیر پتانسیل پایدار حاصل شود.
-3 نتایج و بحث
-1-3آنالیز فازی به روش پراش اشعه ایکس (XRD)
مرفولوژی و ریـزسـاخـتـار سـطـح مـقـطـع پـودر و پوشش ها با اسـتـفـاده از مـیکـروسکوپ الکـترونی روبـشی (SEM) مدل SEM Philips XL30 انجام شد.
تصویر SEM ذرات پودر در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود، مورفولوژی ذرات به شکل کروی و با اندازه متوسط 40 میکرومتر میباشد.
شکل:1 تصویر SEM از ذرات پودر WC-12Co
در حین پوششدهی فاز WC ، در اثر گرمای محفظه احتراق و همچنین در مسیر پاشش از لحظه خروج از تفنگ پاشش تا برخورد به زیرلایه یا لایه قبلی پوشش و همچنین بعد از فرآیند پاشش در حین سرد شدن پوشش به فازهای دیگری مانند W2C و یا فاز اکسیدی Co3W3C تجزیه میشود (شکل 20] (2 و.[21 میزان تجزیه کاربید تنگستن به میزان انرژی حرارتی پودر بستگی دارد. با این حال در فرآیند HVOF در مقایسه با سایر فرآیندهای پاشش نظیر پاشش پلاسمایی دمای ذرات
4
آنچنان بالا نیست که باعث تجزیه قابل توجه کاربید تنگستن شود. سرعت بالای ذرات نیز باعث میشود که ذرات، زمان کمتری را در مسیر پاشش سپری کنند و بدین ترتیب درصد تجزیه کاربید تنگستن در مقایسه با پاشش پلاسمائی اتمسفری کمتر میشود.
از شدت نسبی پیک W2C در 2θ≅392=/57 به عنوان خروجی استفاده شد. بدین لحاظ با تقریب بسیار خوبی میتوان از شدت نسبی این پیک به منظور بررسی تأثیر پارامترهای فرآیند بر تجزیه فاز کاربید تنگستن نمود. در جدول 6 شدت نسبی پیک فازهای ناشی از تجزیه WC در 2θ≅392/57 بعنوان خروجی آزمایش استفاده شد.
بررسی تخلخل به روش آنالیز تصویر
تخلخل از 0/5 تا 25 درصد ازخصوصیات بارز پوشش های حاصل از فرآیندهای پاشش حرارتی است. تخلخل در پوشش از چند جنبه مورد توجه است:
کاهش استحکام و مقاومت سایشی، تمرکز تنش، کاهش مقاومت خوردگی، افزایش خواص یاتاقانی و افزایش مقاومت حرارتی و خواص سد حرارتی.
انرژی برخورد کم (ذرات ذوب نشده/ سرعت پائین) و اثرات انقباضی را میتوان به عنوان عوامل اصلی ایجاد تخلخل برشمرد .[22] بدین لحاظ فرآیندهائی که دارای انرژی جنبشی بالا و انرژی حرارتی کمتری هستند باعث ایجاد پوششهای با تخلخل کمتر میشوند. به طور کلی عامل اصلی تخلخل فاز مایع در دو مرحله تولید پودر و پاشش است. در شکل 3 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از سطح متخلخل ذره و پوشش WC-12Co نشان داده شده است.
در مرحله تولید پودر، اندازه ذرات WC سینتیک تشکیل آگلومر را تغییر میدهد و میزان تخلخل را تعیین میکند . هرچه اندازه ذرات بزرگتر باشد مکانیزم تشکیل آگلومر سختتر و بدین ترتیب تخلخل بیشتری در اطراف آگلومر تشکیل میشود. با افزایش اندازه ذرات WC تعداد آنها در اطراف یک ذره Co کاهش مییابد و اندازه حفرات بیشتر میشود. در اصل وظیفه کبالت پر کردن فضای بین ذرات WC است. با افزایش اندازه ذرات WC ، تماس این ذرات با کبالت کمتر میشود. بدین جهت کبالت برای تشکیل یک آگلومر WC-Co باید مسافت بیشتری را برای تر کردن11 و محاصره WC طی کند. به علاوه تشکیل آگلومر WC-Co به نزدیکتر شدن ذرات WC به هم در اثر نیروهای موئینگی بستگی دارد. این نیروها توسط کبالت ایجاد شده و باعث اتصال ذرات WC به هم می شوند. نزدیکتر شدن ذرات WC بزرگ به هم مشکلتر از ذرات کوچکتر است. در ذرات WC کوچکتر، کبالت میتواند چندین ذره WC را تر کرده و در برگیرد (هم کبالت مسیر کمتری را طی میکند و هم نیروهای موئینگی ذرات WC را آسانتر به سمت هم میکشاند). به هر حال اگر حفرات خیلی بزرگ باشند حتی فاز مایع نیز نمیتواند آنها را پر کند و ساختاری با حفرات بزرگ و مدور خواهیمداشت. در حین پاشش فاز زمینه مجدداً ذوب شده و پدیدههایی مشابه آنچه در حین تولید پودر توضیح داده شد ایجاد میشوند. در شکل -3 ب تخلخل بزرگتری در اطراف ذره WC بزرگتر مشاهده می شود. از آنجا که در حین پاشش، ذرات بزرگتر WC توسط کبالت کمتری تر شدهاند و نیروهای موئینگی حاصل از این مقدار ناکافی کبالت نیز توانائی نگهداری ذرات بزرگتر در حین برخورد را ندارد، لذا فاصله گرفتن ذرات بزرگ از هم و همچنین پراکنش این ذرات در حین برخورد میتواند باعث افزایش درصد تخلخل در پوشش شود. در محیط خورنده، گازها میتوانند از طریق این حفرات به فصل مشترک پوشش–زیرلایه رسیده و منجر به تخریب ناشی از خوردگی شود. نتایج تحقیقات انجام شده نشان میدهد که در بارگذاری شوک حرارتی برای درصد تخلخل بالاتر از 7/5 درصد تنش کششی ایجاد شده بین دو حفره شداًیافزایش مییابد .[22 ] با این حال تخلخل باعث افزایش خواص عایق حرارتی و مقاومت حرارتی میشوند. در موارد استفاده از روغن به منظور روانکاری، حفرات میتوانند به عنوان حوضچههایی برای حبس و تغذیه روغن عمل نمایند.
در شکل 4 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونههای پوشش در فاصله پاشش 170 میلیمتر ( سطح -1نمونه (E1 نشان داده شده است. در بزرگنمائی 4000 برابر تخلخل ریز با مورفولوژی منظم که تصور میشود گاز را در خود حبس کردهاند
