Развој и обработка на материјалот како мотор за иновации WOTech Technical Media
Д-р рер. нат Александра Марија Каков срам
Извештај за 21-от колоквиум за технологија на материјали во Кемниц - Дел 2
Werkstofftechnische Kolloquium (WTK) во Кемниц се етаблираше како една од најважните платформи за презентирање на резултатите од истражувањето и развојот во областа на материјалите, производството и површинската технологија. И оваа година беа понудени работи во областите на производство на адитиви и термичка обработка, спојување со лемење, галванизација и термичко прскање, челици и лесни метали, композити на материјали и тестирање на материјали. Во вториот дел од извештајот за конференцијата, презентирана е содржина за процесите на обложување и својствата на слојот што можат да се постигнат. Покрај галванизација, фокусот тука беше првенствено на различните технологии на термичко прскање за производство на високо издржливи функционални површини.
Бесплатен млазен процес за локална, електролитска анодизација
Анодизирањето со затворен електролитски слободен млаз овозможува заштеда на ресурси, локални промени во триболошките својства на алуминиумските материјали. За таа цел, беше развиен и тестиран процес за употреба со легура со висока јачина EN AW-7075 T6. Локалната анодизација беше постигната со оптимизирање на густината на локалната струја на површината на примерокот. За оваа цел, параметрите за обработка работното растојание, напонот и времетраењето на процесот беа систематски различни. Врз основа на индексот на рефракција на порозен оксид и ласерско скенирање микроскопија, беа утврдени максималните дебелини на анодизираните области.
Резултатите покажуваат дека со намалување на работното растојание помеѓу анодата и катодата од 2,5 mm на 0,1 mm и намалување на работниот напон од 230 V на 40 V, може да се произведат исти дебелини на слојот како и со елодизација на 230 V и 2,5 mm растојание.
Разликата во дебелината на оксидниот слој и страничното разграничување на зголемувањето на дебелината на слојот може да се откријат, на пример, со тактилно мерење. Намалување на ширината на 67% и зголемување на висината на 150% доведува до зголемен сооднос од 225%, што е значително подобрување во однос на посакуваната триболошка примена.
Слика за ласерско скенирање на оксидниот слој на 40 V и 0,1 mm растојание помеѓу анодата и катодата (лево) и на 230 V и 2,5 mm растојание, во секој случај по 20 минодизација (слика: R. Morgenstern)
Резултатите од истражувањата на СЕМ покажуваат дека се создаваат порозни микроструктури. Треба да се извршат понатамошни истражувања со цел да се добијат попрецизни информации за вкупната порозност, како и за механичките и триболошките својства на слоевите на аноден оксид.
(Р. Моргенштерн, А. Мартин, Н. Лехнерт, И. Шарф, М. Хакерт-Ошце, А. Шуберт, Т. Лампке)
Поради регулативата REACh, потребно е да се бараат алтернативни методи за претходното производство на слоеви на тврд хром со употреба на хромат. Сепак, има смисла да се заменат претходните технологии заради ниската енергетска ефикасност на одвојувањето од хром (VI) системите од околу 20%. Алтернатива е влажното хемиско таложење на слоевите на дисперзија на никел-бор. Никелот и бор може заеднички да формираат интерметална фаза (Ni3B). Оваа фаза е произведена од термички после третман и има високи вредности на цврстина, како што е познато од хемиски редуктивните слоеви на никел-бор. Остварливата цврстина од 1200 HV0.01 е во опсегот на вредностите на слоевите на тврд хром.
Познатиот процес на обложување заснован на средството за редукција натриум борохидрид не беше во можност да се воспостави поради потребната висока pH вредност (μ m/h). Економична алтернатива може да биде достапна преку слоеви на дисперзија на никел-бор, кои можат да се произведат со употреба на хемиско-редуктивно и галванско таложење. Во хемискиот редуктивен процес, се користи редукциониот агенс натриум хипофосфид, со кој може да се постигнат стапки на раздвојување од 12 μm/h до 16 μm/h (pH 4,5-5,5, работна температура T = 88 ° C). Со процесите на галванско таложење, може да се генерираат брзини од 20 μm/h и повеќе. Зголемувањето на цврстината засновано врз честичките на бор е постигнато преку термичко после третман.
(М. Маркус, Ф. Кестер)
Таложење на галвански иридиум за PEM катализатори
Големите трошоци за ПЕМ електролизерите, делумно се должат на употребата на благородни метали како што се платина или иридиум, ја попречуваа нивната индустриска употреба досега. Пристапи кон подобрување на состојбата произлегуваат од развојот на ефективни електроди системи засновани на оптимизирани слоеви на иридиум/титаниум оксид за анодна употреба во електролиза на вода ПЕМ. За таа цел, се испитуваат нови видови носачи на иридиумски наночестички со зголемена стабилност со цел да се зголеми електрохемиски активната површина на применетиот катализатор, а со тоа и употребата на благородни метали. За таа цел, наночестичките електрокатализатори со иридиум беа галвански нанесени на синтерувана електрода од титаниум која претходно беше обложена со наночестички на титаниум оксид. Првите резултати укажуваат на подобрување на активноста и стабилноста на ПЕМ електролизерите.
(J. Näther, F. Köster, T. Hülser, U. Rost, M. Brodmann, D. Pascal, L. Holtkotte)
Дистрибуција на температурата на термички прскани облоги за греење
Шуплините во калапите за инјектирање се обложени за да се зголеми отпорноста на корозија и абење или да се прилагоди протокот на топлина низ wallидот на шуплината. Зголемувањето на протокот на топлина треба да се постигне со термичко прскање на мешавина од титаниум и хром оксид со дебелина од околу 100 μm на површината и термички третман со употреба на електрична струја. Термички испрскан слој од алуминиум оксид служи како електричен изолатор помеѓу челичната подлога и облогата на титаниум/хром оксид, што е проводник за греење.
Шематска структура на калапот за вбризгување со локално загреана површина (Слика: К. Бобзин)
Пресек преку слој на греен спроводник на алатка за инјектирање (Слика: К. Бобзин)
За да се потврди можноста за хомогено загревање на површината, однесувањето на греењето беше анализирано со помош на термографија. Во зависност од параметрите на процесот за време на процесот на обложување и употребената електрична струја, пронајдена е нехомогена дистрибуција на температурата. Ова беше дистрибуирано во линеарни обрасци во форма на врели линии нормално на електричната струја. Нумеричко моделирање беше искористено за да се идентификува основната причина за забележаната нехомогеност и резултатите беа поддржани со експериментални мерења. Откриено е дека пукнатините во микроструктурата на облогата се главната причина за зголемувањето на температурата и линеарната дистрибуција на дистрибуцијата на температурата. Сепак, распределбата на пукнатината не покажа преферирана насока.
(К. Бобзин, М. Ште, М. А. Кноч, И. Алхасли)
Влијание на честички при термичко прскање
Термичкото прскање е процес на обложување во кој почетниот материјал се забрзува и се удира врз подлогата во форма на стопена или полу-стопена честичка. Симулацијата на ударот на честички е корисна за разбирање на таложењето на облогата при термичко прскање. Врз основа на пристапот VOF (Волумен на флуид), се користи модел на CFD (компјутерска динамика на флуиди) за симулацијата. Ова овозможува да се моделира влијанието и зацврстувањето на честичките на никел на рамна подлога во 2D и 3D.
3Д-модел на влијанието на честичките со употреба на модифицирана зацврстување на честичките (слика: К. Бобзин)
Вискозитетот зависен од температурата и изворот на моментумот обично се користат за моделирање на зацврстување. Првиот е точен, но компјутерски премногу скап за симулации со повеќе судири на честички. Со методот на извор на импулс, импулсната равенка на честичката се менува со цел да се намали нејзината брзина на нула кога се зацврстува. ANSYS Fluent го користи овој метод за консолидација. Сепак, овој метод се покажа како несоодветен за симулирање на зацврстување на повеќе честички, поради што беше воведена модификација на овој метод. Вискозитетите зависни од температурата и проверените нумерички студии од литературата беа користени за да се потврди изменетиот метод. Се покажа дека развиениот метод може да симулира таложење на облога со дебелина од 60 μm во време на остварливо пресметување во споредба со методот на вискозитет зависен од температурата.
(К. Бобзин, М. Ште, М. А. Кноч, И. Алхасли, С. Р. Доханчи)
Влијание на почетниот материјал врз фазната дистрибуција во спрејовите
Во случај на испрскани премази изработени од алуминиум и титаниум оксид, кои се во индустриска примена многу години, сè уште има празнини во нашето разбирање за формирањето и ефектите на алуминиум титанат (Al 2 TiO 5) во обложувањата. Особено, влијанието на својствата на прашокот на почетниот материјал врз фазниот состав е само грубо истражено досега. За да се разјаснат односите, се карактеризираа комерцијални стопени и распарчени прашоци за добиточна храна: три од нив содржат 13% по тежина на титаниум оксид (TiO 2) и три од нив содржат 40% по тежина на титаниум оксид. Евалуирани се ефектите на различните фазни композиции на прашоците и нивната важност врз ефикасноста на таложењето, фазните композиции, порозноста и тврдоста на соодветните облоги на APS. Механичките својства на обложувањата со 40% по тежина на титаниум оксид се забележително полоши од оние со 13% по тежина на титаниум оксид, особено во однос на цврстината. Покрај тоа, откриено е дека алуминиум титанат може да се формира за време на процесот на прскање ако се испрска од прав без алуминиум титанат.
СЕМ слики од прав и слоеви направени од него со различни пропорции на титаниум оксид (Слика: А. Рихтер)
Понатамошните истражувања ќе се фокусираат на локализација на титаниум во обложувањата со 13% по тежина TiO 2 и систематски го одредуваат влијанието на различните содржини на алуминиум титанат врз другите својства на обложување, особено врз нивното термичко, електрично, триболошко и корозивно однесување. Покрај тоа, се испитува насочената стабилизација на алуминиум титанат во прав и облоги преку дополнителни оксиди.
(А. Рихтер, Л.-М. Бергер, С. Конзе, Ј. Ј. Сон, Р. Вачен)
HVOF ID шприцеви со WC-Co/Cr прав за вметнување
Обложувањата на надворешни површини изработени од WC-Co или WC-Cr обично се произведуваат како слоеви за заштита од абење со користење на брзо прскање со пламен (HVOF) за разни индустриски апликации. Тековните побарувања за внатрешни облоги, особено за дупнатини (т.н. внатрешен пречник (ИД)) со употреба на HVOF технологија, бараат специјална опрема за пиштол за прскање и прав за прскање со големина на честички помали од 20 μm од парична казна во прав до нови предизвици различни од оние со HVOF прскање на надворешни површини.
Пресеци преку WC-CoCr слој, произведени со употреба на HVOF-ID (слика: В. Тилман)
За развојна работа, беа испитани прашоците од типот WC-CoCr 86-10-4 (-15 + 5 μm) со просечна големина на честички на WC од 400 nm во однос на добиените карактеристики на обложување. Различни поставки на параметрите на процесот и нивната интеракција врз микроструктурните својства и ефикасноста на одвојувањето се сметаа како параметри за процесот на прскање. За користениот систем HVOF-ID и суровината WC-CoCr, најмалиот внатрешен дијаметар за обложување е 171,6 mm. Добиените резултати овозможуваат оптимизирање на својствата на облогата за да се исполнат различните побарувања на површината. Покрај тоа, системот за прскање може да се оптимизира за производство на густи облоги со порозност од околу 1%.
(В. Тилман, Ц. Шаак, Л. Хаген, М. Дилдроп)
Термички индуцирани морфолошки промени во жица-прскан бакар и челик
При прскање со термичка жица, промените во механичките и топлинските својства на испрсканите материјали се јавуваат особено поради воведената топлинска енергија. Ова се истражува преку сеопфатна карактеризација на бакар (Cu 98,7) и челик отпорен на корозија (316L) преку тестови на истегнување, три-точка на виткање и калории зависни од температура во температурен опсег од 293 K до 1173 K. За таа цел, се произведоа густи облоги со прскање со лак.
Резултатите од механичките тестови покажаа драстично намален модул на еластичност (Cu 98,7: 49%, 316 L: 48%, измерен на 293 K) на термички прсканите материјали во споредба со нивните еквиваленти на цврсти материи. Ласерската анализа на блиц (LFA) беше извршена и за термички прсканите материјали во температурен опсег од 373 К до 1173 К. Графиконите за топлинска дифузија на греењето покажаа нетипично однесување, особено при повисоки температури над 573 K, што укажува на значителни и трајни промени во морфологијата на термички прсканите материјали. На пониски температури, однесувањето отстапува и од цврстите материи, но не покажува трајни промени.
Јачина (модул на Јанг) за бакар и челик отпорен на корозија како цврст и термички испрскан прав (слика: Р. Винклер)
Металографскиот препарат и испитувањето на Х-зраци покажаа значително намален број на видливи граници на честички за бакар по термичка обработка на 1173 К. Обликот на оксидираните средни фази се смени во сферична. Затоа може да се претпостави дека се случиле процеси на синтерување. XRD дифрактограмите на различните состојби не покажаа промена во составот на фазата. За термички прсканиот 316L, металографскиот препарат и анализата на XRD покажаа значителна промена во фазата по термичка обработка на 1173 К.
(Р. Винклер, Е. Саборовски, Г. Пацковски, Т. Лампке)