بررسی تاثیر افزودن تقویت کننده 3Cr2O بر خواص مکانیکی و رفتار
اکسیداسیون دمای بالای پوشش استلایت 6 تولید شده به روش پاشش
پلاسمایی بر روی زیرلایه 738-IN

مصطفی طهری1*،محمد گواهیان جهرمی2، محمد جهانبازی گوجانی2، محمد نجفی بیرگانی2
مربی، گروه مهندسی مواد و متالورژی، مجتمع آموزش عالی فنی و مهندسی اسفراین، خراسان شمالی، ایران
گروه مهندسی مواد و متالورژی، مجتمع آموزش عالی فنی و مهندسی اسفراین ،خراسان شمالی ،ایران
*m.tahari@esfarayen.ac.ir
)تاریخ دریافت: 26/10/1395، تاریخ پذیرش: 20/12/1395(

چکیده
دراین مطالعه تاثیر افزودن تقویت کننده 3Cr2O بر خواص اکسیداسیون دمای بالا و خواص مکانیکی پوشش پاشش حرارتی استلایت 6 بررسی شد.
بدین منظور پودر های کامپوزیتی مورد نیاز برای فرایند پاشش حرارتی، با مخلوط کردن مقادیر صفر، 10، 20 و 30 درصد اکسید کروم به پودر استلایت 6 تهیه شدند و در ادامه با استفاده از روش پاشش حرارتی پلاسمایی بر روی زیر لایه آلیاژ 738IN_ پوششدهی شدند. به منظور بررسی خواص ریزساختاری و مکانیکی پوشش از جمله تخلخلسنجی، ضخامتسنجی، سختیسنجی، فازشناسی و بررسیهای ریزساختاری، از میکروسکوپ نوری و الکترونی، پراش پرتو ایکس (XRD) و دستگاه میکروسختی سنج ویکرز استفاده شد .با هدف بررسی تاثیر افزودن تقویت کننده سرامیکی بر رفتار اکسیداسیون پوششهای کامپوزیتی بدست آمده، پوششهای مذکور به مدت 50 ساعت در دماهای 650، 750 و850 درجه سانتیگراد در شرایط اتمسفر محیط تحت اکسیداسیون قرار گرفتند. یافتهها حاکی از این بود که پوشش استلایت6 حاوی 10 درصد وزنی تقویت کننده اکسید سرامیک ،کمترین نرخ اکسیداسیون را در بین پوششهای کامپوزیتی از خود نشان داده است. همچنین نتایج نشان داد که این پوشش نسبت به پوشش فاقد ذرات کامپوزیتی 3Cr2O سختی بالاتری دارد. نتایج آزمون پراش اشعه ایکس نیز بیان کننده این امر است که وجود تقویت کننده سرامیکی 3Cr2O در پوشش، شرایط را به گونهای رقم زده است که لایه اکسید کروم راحتتر تشکیل شده است که احتمالا به دلیل ترجیحی بودن جوانهزنی و رشد اکسید کروم در مجاورت ذرات تقویت کننده اکسید کروم بوده است.

واژههای کلیدی:
استلایت6، اکسیداسیون دمای بالا، پاشش پلاسمایی ، پوششهای کامپوزیتی.

مقدمه
یکی ازعوامل تعیین کننده عمر قطعات صنعتی، کیفیت و شرایط گران قیمت صنعتی در برابر عوامل مخرب خارجی عمل چندان سطحی آنها میباشد. در بسیاری از موارد به کارگیری آلیاژهای صحیحی نیست و عملاً از لحاظ اقتصادی، استفاده از مواد با
هزینه کمتر ارجحیت دارد. بسیاری از مکانیزمهای تخریب قطعات از سطح شروع میشود. لذا در این گونه موارد توصیه میشود که سطح قطعات با استفاده از پوششهای سطحی محافظت شوند. نیاز به مواد فلزی در دمای بالا، برای یافتن آلیاژهایی با قابلیت حفظ خواص استحکامی در شرایط سخت کاری و مقاومت به اکسیداسیون مناسب از دیرباز تحقیقات گستردهای را به جریان انداخته است. اکثر سوپر آلیاژهای پایه نیکل به دلیل مقاومت به خوردگی مناسب در دمای بالا به طور گسترده در صنایع هوا فضا ،هسته ای، پتروشیمی، نفت و غیره استفاده میگردند ]1[. با پیشرفت بیشتر سوپر آلیاژهای دمای بالا، پوششها و دیگر فناوریهای مهندسی سطح، تحقیقات گستردهای در زمینه بهبود خواص سطحی این قطعات و کاهش تخریب سطوح صورت گرفته است ]2-3[. با گسترش پوششهای نفوذی وسپس معرفی پوششهای فلزی که به صورت یک لایه مستقل با پاشش بروی زیر لایه سوپر آلیاژ نشانده شد گامی جدید در تحقیقات آغاز شد. بنابراین، به منظور محافظت از زیر لایه فلزی زیرین، پوششهای محافظی بر روی سطح سوپر آلیاژ اعمال میشوند. سوپر آلیاژهای پایه کبالت دراوایل سال 1900 کشف شد و بعد از آن آلیاژهای استلایت نقش بسزایی در مواد صنعتی ایفاکردند ]4[. استلایتها به عنوان گروهی از آلیاژهای رویه سخت پایه کبالت شناخته میشوند که از طریق استحکام دهی محلول جامد و رسوب دهی کاربیدها استحکام مییابند ]5-9[. درمیان آلیاژهای مختلف استلایت، استلایت 6 به طور گستردهای در برنامههای کاربردی تریبولوژیکی به دلیل سختی بالا آنها استفاده میشود. استلایت 6 از جمله آلیاژهایی است که اخیرا به عنوان مادهای برای پوششدهی به منظور ارتقای خصوصیات سایشی و خوردگی مورد استفاده قرار گرفته است. درآلیاژ استلایت 6، کروم با تشکیل کاربیدهای 3M7C و 6M23C باعث افزایش سختی و مقاومت به سایش این پوشش میگردد و با تشکیل اکسید کروم بر روی سطح، مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون پوشش افزایش مییابد ]5-6[. کبالت خالص نرم بوده ومقاومت به اکسیداسیون آن کمتر از نیکل است. اما افزودن عناصری مانندکروم، تنگستن، مولیبدن، نیکل و برخی عناصر دیگر به آن سختی، اکسیداسیون، خوردگی و مقاومت به سایش آلیاژهای حاصل را بهشدت افزایش میدهد ]5 و 10-11[. از جمله خصوصیات عمومی آلیاژهای استلایت میتوان به حفظ استحکام مکانیکی در دمای بالا، مقاومت در برابر شرایط سایشی شدید، مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون، مقاومت به خستگی حرارتی وخزش اشاره نمود ]12[. آلیاژ استلایت 6 مقاومت بالایی در محیطهای مختلف خورنده دارد و مقاومت به اکسیداسیون بسیار مناسبی تا دمایی در حدود ºC1100 از خود نشان میدهد ]13[. به همین دلیل از دیرباز مقاومت به خوردگی واکسیداسیون دمای بالای پوشش استلایت 6 توسط محققین در صنایع شیمیایی، پتروشیمی، فولادسازی وغیره مورد بررسی قرار گرفته است ]14-16[. به عنوان مثال از این پوشش بر روی شیرهای دروازهای در مسیرهایی که تحت خوردگی در دمای بالا ]17[ و همچنین در پرههای توربین بخار استفاده میشود ]18-19[.
کامپوزیتهای زمینه فلزی یکی از مهمترین مواد مورد استفاده در دمای بالا هستند ]20[. تاکنون تقویت کنندههای مختلفی مانند VC ،WC و SiC به پوشش استلایت 6 اضافه شدهاند. شیخی و همکاران با اضافه کردن کاربید کروم به پوشش استلایت 6 خواص سایشی و مکانیکی پوشش را بهبود دادند ]21[. محققین دیگر با اضافه کردن تقویت کنندههای دیگر مقاومت به اکسیداسیون را مورد ارزیابی قرار دادند ]22[. یکی از مهمترین مشکلات اضافه کردن تقویتکنندههای سرامیکی به پوشش استلایت 6 عدم پایداری حرارتی این تقویتکنندهها است. اکسید کروم به دلیل پایداری حرارتی و سختی بیشتر نسبت به کاربید کروم و کاربید تنگستن یکی ازموادی است که می توان به عنوان تقویت کننده در بهبود نرخ اکسیداسیون مطرح کرد. با توجه به موارد ذکر شده در بالا ودر نظر گرفتن نیاز به بهبود عملکرد پوشش های استلایت 6، در این پژوهش سعی شده است با افزودن تقویت کننده سرامیکی اکسید کروم، خواص مکانیکی این پوششها از جمله سختی آن است. افزایش سختی پوشش باید به گونه ای باشد که خواص اکسیداسیون این پوشش دچار نقصان و ضعف نگردد. به همین منظور در این پژوهش رفتار اکسیداسیون دمای بالای پوشش کامپوزیتی استلایت 6/ اکسید کروم که به روش پاشش حرارتی پلاسمایی)1APS( برروی زیر لایه 738-IN بدست آمده است، مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

مواد و انجام روش تحقیق
آمادهسازی زیرلایه، نمونهها قبل از پوششدهی توسط ماسه
جدول )1(: ترکیب شیمیایی اینکونل 738
Ni Cr Co Mo Fe Al C Mg Si عنصر
˃44/5 24-22 15-10 10-8 ˂0/3 0/1-8/5 0/0-05/15 ˂0/1 ˂0/1 درصد وزنی

جدول )2(: ترکیب شیمیایی پودر استلایت6
Co Cr W Fe Ni C Si Mn Mo عنصر
بقیه 29 5 2 2/1 1/3 1/1 0/3 ˂0/3 درصد وزنی

جدول) 3(: پارامترهای مورد استفاده برای پوششدهی به روش پاشش پلاسمایی
در این تحقیق از 738-IN به عنوان زیرلایه استفاده شد. ترکیب شیمیایی آلیاژ 738-IN در جدول )1( آمده است. برای
25222186377

بررسی تاثیر افزودن تقویت کننده 3Cr2O بر خواص مکانیکی و رفتار اکسیداسیون دمای بالای پوشش … 151

سیلیسی ماسه پاشی شده و توسط استون برای زدودن چربیها و گرد و غبار شست و شو داده شدند. برای آمادهسازی پودر کامپوزیتی نانوساختار از روش آلیاژسازی مکانیکی استفاده شد .برای این کار از پودرهای تجاری استلایت6 و اکسیدکروم )با خلوص 9/99( ساخت شرکت GTV استفاده شد. ترکیب شیمایی پودر استلایت 6 مورد استفاده درجدول )2( آمده است. پوششهای کامپوزیتی مورد نظر با استفاده از دستگاه APS با نام تجاری 50PS، ساخت شرکت متالیزیشن بر روی زیر لایه اعمال شد. پارامترهای مورد استفاده جهت فرایند پوششدهی در جدول )3( آورده شده است .
ولتاژ)V( شدت جریان)A( فاصله پاشش)mm( نرخ تغذیه پودر)gr/min( پارامتر
40 850 100 40 مقدار
.

جهت مطالعات ریزساختاری، مقاطع عرضی از نمونههای پوششدهی شده تهیه شدند که بیانگر تمامی خصوصیات نمونه اصلی باشد و پس از آمادهسازی توسط روشهای متعارف متالوگرافی مورد بررسی قرار گرفتند. با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی، میکروسکوپ نوری و میکروسختیسنج خصوصیات پوششها مورد ارزیابی قرار گرفت .ریز ساختار مقطعی نمونهها تازه اسپری شده و نمونههای اکسیدشده با تاکید بر لایه 2TGO با استفاده از یک میکروسکوپ الکترونی SEM مدل 30SEMPhilips Ml انجام شد. به منظور بررسی ریز ساختاری پوشش و تخلخلسنجی آنها، از تصاویر بدست آمده از آشکارگرهای الکترونهای ثانویه) SE( والکترونهای برگشتی) BSE( استفاده شد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی از سطح مقطع پوشش و با بزرگ نمایی 500 برابر تهیه شد .بااندازگیری تخلخل در4 ناحیه مختلف، تخلخل پوشش گزارش شد. میزان تخلخل و ضخامت پوششها با ارزیابی این تصاویر به وسیله نرمافزار کامپیوتری آنالیز تصویری Image j تعیین گردید.
تخلخلسنجی پوششها با استفاده از استاندارد 2109ASTM E انجام شد. آنالیز تفرق پرتو ایکس )XRD( با تاکید بر فازهای موجود در لایه TGO با استفاده از دستگاه -Philips X’Pert MPD با پرتو λ =0.15406nm) Cu kα( تحت ولتاژ kV 40 و جریان mA30 مورد مطالعه قرار گرفت. فازیابی نمونهها با استفاده از مقایسه زاویه پراش و شدت پیک الگوی پراش به وسیله نرم افزار X’pert تعیین شد. آزمون سختیسنجی پوشش با استفاده از دستگاه ریزسختیسنج ویکرز ساخت شرکت کوپا استفاده و مطابق با استاندارد 384ASTM-E تحت بار 300 گرم انجام شد .
به منظور ارزیابی تاثیر اضافه کردن تقویت کننده بر مقاومت به اکسیداسیون پوششها، آزمون اکسیداسیون سیکلی، در اتمسفر محیط و در دماهای 750،650 و850 درجه سانتیگراد بر روی پوششها انجام شد. به منظور بررسی سرعت رشد لایه اکسیدی در طی فرایند اکسیداسیون، در زمانهای 2، 5، 15 و 50 ساعت نمونهگیری انجام شد و ضخامت لایه اکسیدی تشکیل شده بر سطح پوششها اندازهگیری شد. با استفاده از ضخامت لایه اکسیدی در زمانهای مختلف، نرخ اکسیداسیون پوششها اندازهگیری گردید.

3- نتایج و بحث
در شکل )1( تصاویر متالوگرافی گرفته شده توسط میکروسکوپ نوری از سطح مقطح پوششها نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود ساختار به صورت کاملا لایهای است و در آن ذرات کاملا ذوب شده، ذوب نشده، نیمه ذوب شده آخالها و تخلخل نمایان است. در ناحیه فصل مشترک، مشاهده میشود پوشش و زیرلایه از چسبندگی مناسبی به زیرلایه برخوردار است. شکسته شدن ذرات پودر درحین باشش باعث شده تا اکسید کروم به صورت ذرات ریز در پوشش پراکنده شود. از تصاویر بدست آمده چگالی نسبتا مناسب پوشش و پایین بودن میزان تخلخل آن به خوبی مشخص است. بااستفاده از آنالیز تصویری، آزمون تخلخلسنجی و ضخامتسنجی انجام شد. ضخامت لایه پوششی پیوندی استلایت 6 در حدود 300-150 میکرومتر میباشد.

شکل)1(: تصاویر میکروسکوپ نوری ازسطح مقطع پوششهای: )الف(: 6stellit، )ب(: 3Stellit6%10wt.Cr2O، )ج(: 3Stellit6%20wt.Cr2O و) د(:
Stellit6%30wt.Cr 2O3
-145464186249

بررسی تاثیر افزودن تقویت کننده 3Cr2O بر خواص مکانیکی و رفتار اکسیداسیون دمای بالای پوشش … 153

جدول) 4( مقادیر تخلخل بدست آمده برای پوششهای مختلف را نشان میدهد. تخلخل از خصوصیات پوششهای پاششحرارتی است. تخلخل در این گونه پوششها نقش بسزایی در مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون دمای بالا میتواند داشته باشد. بهادرزاده و همکاران نشان دادند که پوششهای متراکم محافظت به خوردگی بهتری نسبت به پوششهای متخلخل دارند ]18[. همانطور که مشاهده میشود پوشش استلایت خالص دارای کمترین میزان تخلخل است. نتایج بدست آمده به خوبی نشان میدهد که با افزایش مقدار اکسید کروم در پوششهای کامپوزیتی، میزان تخلخل پوششها افزایش یافته است. سمپاد و همکاران معتقدند وجود ذرات با دمای ذوب بالا و هدایت حرارتی پایین باعث بوجود آمدن ذرات ذوب نشده بیشتر در پوشش و بالطبع افزایش تخلخل پوشش میگردد] 24[. با توجه به اینکه پودر اکسید کروم نسبت به استلایت6 نقطه ذوب بالاتر و هدایت کمتر دارد، افزایش تخلخل با افزایش مقدار اکسید کروم قابل توجیه است.

584151710153

سختی
(
HV
)

سختی

(

HV

)

0
200
400
600
800
1000
Stellite 6
% Cr2O
3
10
20
%Cr2O
3
30
3
% Cr2O

 



قیمت: تومان