Vývoj a spracovanie materiálu ako motor pre inovácie WOTech Technical Media
DR. rer. nat. Alexandra Maria Aká škoda
Správa o 21. kolokviu o materiálových technológiách v Chemnitzi - 2. časť
Werkstofftechnische Kolloquium (WTK) v Chemnitzi sa etablovalo ako jedna z najdôležitejších platforiem na prezentáciu výsledkov výskumu a vývoja v oblasti materiálov, výroby a povrchových technológií. Aj tento rok boli ponúkané práce v oblasti aditívnej výroby a tepelného spracovania, spájania spájkovaním, galvanizácie a tepelného striekania, ocele a ľahkých kovov, materiálových kompozitov a testovania materiálov. V druhej časti konferencie je uvedený obsah procesov nanášania a vlastnosti vrstiev, ktoré je možné dosiahnuť. Okrem galvanického pokovovania sa tu pozornosť sústredila predovšetkým na rôzne technológie tepelného striekania na výrobu vysoko odolných funkčných povrchov.
Voľný prúdový proces pre lokálnu elektrolytickú anodizáciu
Eloxovanie uzavretým elektrolytickým voľným prúdom umožňuje lokálne zmeny v tribologických vlastnostiach hliníkových materiálov šetriacich zdroje. Na tento účel bol vyvinutý a testovaný postup pre použitie s vysokopevnostnou zliatinou EN AW-7075 T6. Lokálna anodizácia sa dosiahla optimalizáciou lokálnej prúdovej hustoty na povrchu vzorky. Z tohto dôvodu sa parametre spracovania, pracovná vzdialenosť, napätie a trvanie procesu systematicky menili. Na základe indexu lomu porézneho oxidu a laserovej skenovacej mikroskopie boli stanovené maximálne hrúbky eloxovaných plôch.
Výsledky ukazujú, že znížením pracovnej vzdialenosti medzi anódou a katódou z 2,5 mm na 0,1 mm a znížením pracovného napätia z 230 V na 40 V je možné vyrobiť rovnaké hrúbky vrstvy ako pri anodizácii pri 230 V a 2,5 mm vzdialenosť.
Rozdiel v hrúbke vrstvy oxidu a bočné vymedzenie zväčšenia hrúbky vrstvy je možné zistiť napríklad hmatovým meraním. Zmenšenie šírky na 67% a zvýšenie výšky na 150% vedie k zvýšeniu pomeru strán o 225%, čo je významné zlepšenie v porovnaní so zamýšľanou tribologickou aplikáciou.
Laserové skenovanie obrazu oxidovej vrstvy pri 40 V a 0,1 mm vzdialenosti medzi anódou a katódou (vľavo) a pri 230 V a 2,5 mm vzdialenosti, vždy po 20 minútach anodizácie (Obrázok: R. Morgenstern)
Výsledky vyšetrovania SEM ukazujú, že sa vytvárajú porézne mikroštruktúry. Mali by sa vykonať ďalšie výskumy s cieľom získať presnejšie informácie o celkovej pórovitosti, ako aj o mechanických a tribologických vlastnostiach vrstiev anodického oxidu.
(R. Morgenstern, A. Martin, N. Lehnert, I. Scharf, M. Hackert-Oschätze, A. Schubert, T. Lampke)
Vzhľadom na reguláciu REACh je potrebné hľadať alternatívne spôsoby k predchádzajúcej výrobe tvrdých chrómových vrstiev pomocou chromátu. Má však zmysel nahradiť predchádzajúce technológie z dôvodu nízkej energetickej účinnosti separácie od systémov chrómu (VI) okolo 20%. Alternatívou je mokré chemické nanášanie vrstiev disperzie niklu a bóru. Nikel a bór môžu spoločne vytvárať intermetalickú fázu (Ni3B). Táto fáza sa vyrába tepelnou úpravou a má vysoké hodnoty tvrdosti, ako je známe z chemicky reduktívne nanášaných vrstiev niklu a bóru. Dosiahnuteľná tvrdosť 1 200 HV0,01 sa pohybuje v rozmedzí hodnôt tvrdých chrómových vrstiev.
Známy proces poťahovania na báze redukčného činidla borohydridu sodného sa nemohol etablovať kvôli vysokej požadovanej hodnote pH (um/h). Ekonomická alternatíva by mohla byť k dispozícii prostredníctvom nikel-bórových disperzných vrstiev, ktoré je možné vyrobiť pomocou chemicko-redukčného aj galvanického nanášania. V chemickom redukčnom procese sa používa redukčné činidlo fosforečnan sodný, s ktorým je možné dosiahnuť rýchlosť separácie 12 um/h až 16 um/h (pH 4,5 - 5,5, pracovná teplota T = 88 ° C). Procesmi galvanického nanášania je možné generovať rýchlosť 20 µm/h a viac. Zvýšenie tvrdosti na základe častíc bóru sa dosiahlo tepelným dodatočným spracovaním.
(M. Markus, F. Köster)
Depozícia galvanického irídia pre PEM katalyzátory
Vysoké náklady na PEM elektrolyzéry, čiastočne v dôsledku použitia ušľachtilých kovov, ako je platina alebo irídium, doteraz bránili ich priemyselnému použitiu. Prístupy k zlepšeniu situácie vyplývajú z vývoja nákladovo efektívnych elektródových systémov založených na optimalizovaných vrstvách irídia/oxidu titaničitého pre anodické použitie pri elektrolýze vody PEM. Na tento účel sa skúmajú nové typy nosičov pre iridiové nanočastice so zvýšenou stabilitou, aby sa zvýšil elektrochemicky aktívny povrch použitého katalyzátorového materiálu, a tým aj použitie drahých kovov. Za týmto účelom boli nanočastice elektrokatalyzátora s irídiom galvanicky nanesené na sintrovanú titánovú elektródu, ktorá bola predtým potiahnutá nanočasticami oxidu titaničitého. Prvé výsledky naznačujú zlepšenie aktivity a stability PEM elektrolyzérov.
(J. Näther, F. Köster, T. Hülser, U. Rost, M. Brodmann, D. Pascal, L. Holtkotte)
Rozloženie teploty na tepelne striekaných povlakoch vykurovacích vodičov
Dutiny vo vstrekovacích formách sú potiahnuté kvôli zvýšeniu korózie a odolnosti proti opotrebovaniu alebo kvôli nastaveniu tepelného toku stenou dutiny. Zvýšenie tepelného toku sa má dosiahnuť tepelným striekaním zmesi titánu a oxidu chrómu s hrúbkou asi 100 um na povrch a tepelným spracovaním pomocou elektrického prúdu. Tepelne striekaná vrstva oxidu hlinitého slúži ako elektrický izolátor medzi oceľovým podkladom a povlakom oxidu titaničitého/chrómu, ktorý je vyhrievacím vodičom.
Schematická štruktúra vstrekovacej formy s lokálne vyhrievanou povrchovou plochou (Obrázok: K. Bobzin)
Prierez vrstvou vykurovacieho vodiča na vstrekovacom nástroji (Obrázok: K. Bobzin)
Na potvrdenie uskutočniteľnosti homogénneho povrchového ohrevu sa tepelné správanie analyzovalo pomocou termografie. V závislosti od parametrov procesu počas procesu nanášania povlaku a použitého elektrického prúdu sa zistilo nehomogénne rozloženie teploty. Ten bol distribuovaný v lineárnych obrazcoch vo forme horúcich línií kolmých na elektrický prúd. Na identifikáciu základnej príčiny pozorovanej nehomogenity bolo použité numerické modelovanie a výsledky boli podporené experimentálnymi meraniami. Zistilo sa, že praskliny v mikroštruktúre povlaku sú hlavnou príčinou zvýšenia teploty a lineárneho rozdelenia distribúcie teploty. Distribúcia trhlín však neukázala žiadny preferovaný smer.
(K. Bobzin, M. Öte, M. A. Knoch, I. Alkhasli)
Náraz častíc počas tepelného striekania
Tepelné striekanie je proces nanášania, pri ktorom sa východiskový materiál urýchľuje a naráža na substrát vo forme roztavených alebo polotavených častíc. Simulácia vplyvu častíc je užitočná pri porozumení tvorby povlaku počas tepelného striekania. Na základe prístupu VOF (Volume of Fluid) sa na simuláciu používa model CFD (Computational Fluid Dynamics). To umožňuje modelovať vplyv a tuhnutie častíc niklu na plochý podklad v 2D a 3D.
3D model dopadu častíc pomocou modifikovaného tuhnutia častíc (Obrázok: K. Bobzin)
Viskozita závislá od teploty a zdroj hybnosti sa bežne používajú na modelovanie tuhnutia. Prvý z nich je presný, ale výpočtovo príliš drahý na simulácie s viacnásobnými zrážkami častíc. Pri metóde zdroja hybnosti sa mení rovnica hybnosti častice, aby sa pri stuhnutí znížila jej rýchlosť na nulu. ANSYS Fluent používa túto metódu na konsolidáciu. Ukázalo sa však, že táto metóda nie je dostatočná na simuláciu tuhnutia viacerých častíc, a preto bola zavedená modifikácia tejto metódy. Na validáciu modifikovanej metódy boli použité viskozity závislé od teploty a validované numerické štúdie z literatúry. Ukázalo sa, že vyvinutá metóda môže simulovať nanášanie 60 um hrubého povlaku v realizovateľnom výpočtovom čase v porovnaní s metódou viskozity závislou od teploty.
(K. Bobzin, M. Öte, M. A. Knoch, I. Alkhasli, S. R. Dokhanchi)
Vplyv východiskového materiálu na fázovú distribúciu v postrekových povlakoch
V prípade striekaných povlakov vyrobených z hliníka a oxidu titaničitého, ktoré sa používajú v priemysle už mnoho rokov, stále existujú medzery v našom chápaní tvorby a účinkov titaničitanu hlinitého (Al 2 TiO 5) v povlakoch. Najmä vplyv práškových vlastností východiskového materiálu na fázové zloženie bol doposiaľ iba zhruba skúmaný. Na objasnenie vzťahov sa charakterizovali komerčné roztavené a rozdrvené práškové prášky: tri z nich obsahovali 13% hmotnostných oxidu titaničitého (Ti02) a tri z nich obsahovali 40% hmotnostných oxidu titaničitého. Hodnotil sa vplyv rôznych fázových zložení práškov a ich význam na účinnosť nanášania, fázové zloženie, pórovitosť a tvrdosť príslušných povlakov APS. Mechanické vlastnosti povlakov so 40% hmotn. Oxidu titaničitého sú zreteľne horšie ako mechanické vlastnosti povlakov s 13% hmotn. Oxidu titaničitého, najmä čo sa týka tvrdosti. Ďalej sa zistilo, že titaničitan hlinitý sa môže vytvoriť počas procesu striekania, keď sa postrekuje z prášku bez titaničitanu hlinitého.
SEM obrázky prášku a vrstiev z neho vyrobených s rôznymi pomermi oxidu titaničitého (Obrázok: A. Richter)
Ďalšie výskumy sa zamerajú na lokalizáciu titánu v povlakoch s 13% hmotn. TiO 2 a systematicky určujú vplyv rôznych obsahov titaničitanu hlinitého na ďalšie vlastnosti povlaku, najmä na ich tepelné, elektrické, tribologické a korózne vlastnosti. Okrem toho sa skúma cielená stabilizácia titaničitanu hlinitého v práškoch a povlakoch pomocou ďalších oxidov.
(A. Richter, L.-M. Berger, S. Conze, Y. J. Sohn, R. Vaßen)
Injekčné striekačky HVOF ID s práškom s vložkou WC-Co/Cr
Povlaky na vonkajších povrchoch z WC-Co alebo WC-Cr sa zvyčajne vyrábajú ako ochranné vrstvy proti opotrebeniu pomocou vysokorýchlostného striekania plameňom (HVOF) pre rôzne priemyselné aplikácie. Súčasné požiadavky na vnútorné povlaky, najmä na otvory (takzvaný vnútorný priemer povlaku (ID)) využívajúce technológiu HVOF, si vyžadujú špeciálne zariadenie striekacej pištole a striekacie prášky s veľkosťou častíc menšou ako 20 µm. Riadenie procesu vedie súčasne k konfigurácii aj použitiu striekacej pištole. od jemných práškov po nové výzvy odlišné od postrekovačov HVOF na vonkajšie povrchy.
Prierezy vrstvou WC-CoCr vyrobené pomocou HVOF-ID (Obrázok: W. Tillmann)
Pri vývojových prácach sa s ohľadom na výsledné vlastnosti povlaku skúmali prášky typu WC-CoCr 86-10-4 (-15 + 5 μm) s priemernou veľkosťou častíc WC 400 nm. Za parametre procesu vstrekovania sa považovali rôzne nastavenia parametrov procesu a ich interakcia s mikroštruktúrnymi vlastnosťami a účinnosťou separácie. Pre použitý systém HVOF-ID a surovinu WC-CoCr je najmenší vnútorný priemer vrstvy 171,6 mm. Získané výsledky umožňujú optimalizovať vlastnosti poťahu pre rôzne povrchové požiadavky. Okrem toho je možné striekací systém optimalizovať na výrobu hustých náterov s pórovitosťou okolo 1%.
(W. Tillmann, C. Schaak, L. Hagen, M. Dildrop)
Tepelne vyvolané morfologické zmeny v drôte striekanej medi a oceli
Pri striekaní termálnym drôtom dochádza k zmenám v mechanických a tepelných vlastnostiach striekaných materiálov, najmä v dôsledku zavedenej tepelnej energie. Toto sa skúma prostredníctvom komplexnej charakterizácie medi (Cu 98,7) a nehrdzavejúcej ocele (316L) pomocou teplotných skúšok v ťahu, trojbodového ohybu a kalórií v teplotnom rozmedzí od 293 K do 1173 K. Na tento účel sa pomocou oblúkového striekania vyrobili silné povlaky.
Výsledky mechanických skúšok ukázali drasticky znížený modul pružnosti (Cu 98,7: 49%, 316L: 48%, merané pri 293 K) tepelne striekaných materiálov v porovnaní s ekvivalentom ich pevných látok. Laserová blesková analýza (LFA) sa uskutočnila pre oba tepelne striekané materiály v teplotnom rozmedzí od 373 K do 1173 K. Grafy tepelnej difuzivity pri zahrievaní preukázali atypické správanie, najmä pri vyšších teplotách nad 573 K, čo naznačuje významné a trvalé zmeny v morfológii tepelne striekaných materiálov. Pri nižších teplotách sa chovanie tiež líši od pevných látok, ale nevykazuje žiadne trvalé zmeny.
Pevnosť (Youngov modul) pre meď a nehrdzavejúcu oceľ ako tuhý a tepelne striekaný prášok (Obrázok: R. Winkler)
Metalografický prípravok a röntgenové vyšetrenie preukázali významne znížený počet viditeľných hraníc častíc pre meď po tepelnom spracovaní pri 1173 K. Tvar oxidovaných medziproduktov sa zmenil na sférický. Možno teda predpokladať, že prebehli procesy spekania. XRD difraktogramy rôznych stavov nepreukázali žiadnu zmenu fázového zloženia. Pre tepelne striekaný 316L metalografický prípravok a XRD analýza preukázali významnú fázovú zmenu po tepelnom spracovaní pri 1173 K.
(R. Winkler, E. Saborowski, G. Paczkowski, T. Lampke)