Plazma sprey kaplama teknolojisi
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- Tez No: 46137
- Danışmanlar: PROF.DR. EŞREF AVCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 1995
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 66
Özet
ÖZET Günümüzde metal ve alaşımları, yüksek sıcaklık, korozyon, aşınma vb. gibi ağırlaşan çalışma şartlarında arzu edilen özellikleri sağlayamadığı noktalarda yeni malzeme grupları örneğin; plastikler, kompozitler, süper alaşımlar ve ileri teknoloji seramikleri devreye girmektedir. Bu nedenle ileri teknoloji seramikleri, metal malzeme yüzeyine oksit, karbür, nitrür, borür veya sermetler şeklinde, farklı kaplama teknikleri ile (CVD, PVD, Termal Sprey vb.) uygulanmaktadır. Metallerin korozyona, yüksek sıcaklık oksidasyonuna ve aşınmaya karşı dirençlerinin arttırılması seramik kaplamalarla gerçekleştirilmektedir. Bu tür kaplamaların uygulanması, plazma sprey kaplama teknolojisiyle de mümkün olmaktadır. Bu kaplama teknolojisinde, tok olan metaller ile aşınmaya, korozyona ve yüksek sıcaklığa dirençli ve ısıl iletkenlikleri düşük olan seramiklerin bir kombinasyonu söz konusudur. Bu çalışmada, öncelikle kaplama prosesi tanıtılmış ve çeşitli kaplama tozlarıyla gerçekleştirilen kaplamaların; erozif aşınma testi, kaplamaların yapışma mukavemetini bulmaya yönelik çekme testleri uygulanmış ve ilgili kaplamaların metalografık çalışmaları yapılmıştır. Metalografık inceleme sonucu kaplama tabakalarının, lamelli ve katmerli bir yapıdan meydana geldiği bulunmuştur. Kaplama tabakasında bulunan oksit, boşluk ve ergimemiş partiküllerin miktarı tabakaların mekanik özelliklerine (esir etmektedir. Seramik esaslı kaplamaların erozif aşınma dirençlerinin, kaplanmamış malzemelere göre daha fazla olduğu bilinmektedir. Elde edilen sonuçlara göre, plazma sprey yöntemiyle kaplanmış malzemelerin erozif aşınma miktarının, aşındırıcı partiküllerin özelliklerine (sertliğine, şekline, çarpma hızına ve sıcaklığa) kuvvetle bağlı olduğu görülmüştür. Kaplama tabakalarının yapışma mukavemetinin tabaka kalınlığı ile azaldığı ve farklı kaplama tozlarıyla yapılan kaplamaların değişik mukavemet değerleri gösterdiği bulunmuştur.
Özet (Çeviri)
PLASMA BESCHICHTIGUNSTECHNOLOGIE ZUSAMMENFASSUNG Der zunehmende Fortschritt in alien Bereichen der Technik hat zu immer komplexen Anforderungsprofilen an die maschinellen Bauteile und deren Werkstoffe gefuhrt. Aus Gewichts- und Kostengründen werden Bauteile mit immer weniger Reserven dimensioniert und die Werkstoffe bis an die Grenzen ihrer Eigenschaften belastet. Dabei werden an die Bauteiloberflâche haufig Anforderungen gestellt, die der Werkstoff nicht erfullen kann. Eine Vielzahl an technischen Erzugnissen ist daher erst durch die Realisierung neuer Werkstoffsysteme wie den Verbundwerkstoffen sovvie der Entwicklung von funktionellen Oberflâchenschichten möglich gevvorden, was zu einem steigenden Interesse an Oberflachenbeschichtungsverfahren in alien Bereichen der Industrie geführt hat. o^ Grundgedanke dieser Technologie ist ein Werkstoffverbundsystem, das aus einem einfachen, kostengiinstigen Gmndwerkstoff mit einer diinnen hochwertigen Schuztschicht besteht. Wachsender Kostendruck, aber auch ökologische Gesichtspunkte wie Energieeinsparung Umweltschutz und der Verknappung teurer Rohstoffe, die es einer modernen Gesellschaft nicht gestatten, sich volks- wirtschaftliche Verluste in Milliardenhöhe jahrlich allein durch VerschlieB- und Korrosionsschaden verursacht, zu erlauben, sind weitere Gründe fur ein verstarktes Interesse an funktionellen Oberflachen. Neben den PVD- und CVD- Verfahren fur eher geringe Sichtdimensionen, haben sich in den letzten Jahren auf dem Gebiet des Oberflachenschutzes die thermischen Spritzverfahren und insbesondere das Plasmaspritzen durchgesetzt. Dabei hat sich die Plasmaspritztechnik zu einem vielseitigen Verfahren zur Herstellung von Oberflâchen-spritzschichten mit spezifıschen Eigenschaften entwickelt. Innerhalb der thermischen Spritzverfahren hat gerade diese Verfahrensvariante aufgrund ihres universellen Charakters die gröBte Bedeutung erlangt. Im industriellen Einsatz,konzentriert auf die Beschichtungstechnik, gewinnt diese hochenergetische ProzeBtechnik zunehmend an Bedeutung in der Formgebung und in der gezielten Werkstoffsynth ese. Die Grundlagen des thermischen Spritzens wurden bereits in den 20er Jahren durch den Schweizer M.U. Schoop erarbeitet. Nach den bahnbrechenden Erfindungen von Schoop hat sich das thermischen Spritzen sehr rasch weiterentwickelt. In der Frühphase des thermischen Spritzens nutzte man ausschlieGlich Verbrennungs- bzw. elektrische Energie, urn das Spritzmaterial aufzuschmelzen. Das Plasmaspritzen, das im Jahre vom 1939 erstmals von Reinecke angewendent wurde, wurde in den 50er Jahren in erster Linie von amerikanischen Firmen angewendent und weiterentwickelt. Beim Plasmaspritzen brennt zwischen einer anodisch gepolten, zyiindrischen wassergekuhlten Plasmadüse (im allgemeinem Kupfer) und einer konisch geformten, meist thorierten Wolframkathode ein eingeschniirter, durch einen Gasstrom stabilisierter Lichtbogen wird mit Gasen, den sogenannten Plasmagasen, durchströmt. Die jeweiligen Plasmagase, bestehend aus Argon, Helium, Stickstoff, Wasserstoff, öder deren Mischungen werden im wesentlichen nach ihren Warmeinhalten, aber auch nach Kostengesichtspunkten ausgewahlt. Der Begriff des Plasmas, der im Jahre vom 1923 von Langmuir eingefiihrt wurde, beschreibt dabei ein Gasgemisch, das durch teilweise bis mehrfache Ionisation elektrisch leitend geworden ist. Ein weiteres Merkmal eines Plasmas ist seine Quasineutralitat, d. h. es liegen gleichzeitig Atome, positive Ionen und negative Elektronen vor, so daB das Plasma nach auBen elektrisch neutral ist. Beim Plasmaspritzen werden die an der Kathode emittierten freien Elektronen durch die Potentialdifferenz zwishen den beiden Elektroden beschleunigt und treten in Wechselwirkung mit den Atomen bzw. Molekülen des Plasmagases. Die Plasmagasatome werden ionisiert, zerfallen also durch die StoBimpulse der beschleunigten freien Elektronen. Besteht ein Plasmagas aus Molekülen (H2, N2), so werden diese zuerst dissoziiert, bevor eine Ionisation auftritt. Bei der Rekombination der Teilchen wird die zur Ionisation benötigte Energie als Warme- und Strahlungsenergie wieder frei. Auf diesem Wege werden Plasmatemparaturen von über 20000°K erreicht. Diese Temperaturen führen zu einer starken Volumenzunahme der Gase, die mit hoher Geschwindigkeit aus der Düşe ausströmen.Mit Hilfe eines Trâgergasstromes wird der pulverförmige Spritzwerkstoff in den Plasmastrahl eingebracht, wobei die Injektion abhângig von der Brennerkonstruktion auBerhalb der Düşe eingebrachte Bohrungen erfolgen kann. Die Partikel werden aufgeschmolzen und durch den Gasstrom beschleunigt. Die Geschwindigkeit der Pulverpartikel wird dabei durch die DurchfluBmenge der Plasmagase und durch deren Volumenausdehnung realisiert, wobei Partikel- geschwindigkeiten je nach Gaszusammensetzung und Verfahrenvariante zwischen 300 und 700 m/s erreicht werden. Die Varianten des Plasmaspritzens beruhen aile auf denselben Grundlagen. Sie unterscheiden sich vor allem in den Umgebungsbedingungen (Luft, Inertgas, Vakuum, Wasser) und dadurch bedingt in der Konstruktion des Plasmabrenners und der verwendenten Plasmaparameter. Die industriell am weitesten verbreitete Vairante ist das atmosphârische Plasmaspritzverfahren (APS), das in erster Linie zur Herstellung von metallischen sowie keramischen Schichtsystemen eingesetzt wird. Bei diesem Verfahren fındet der Spritzvorgang an Luft statt und die Spritzpartikel können auf dem Flug vom Plasmabrenner bis zum Werkstuck mit der Umgebungsatmosphare verhindert. Diese ProzeBführung erlaubt es, hochreaktive Werkstiicke wie die TİN, TiC öder B4C zur Zersetzung neigen, zu verarbeiten. Neuentwicklungen erlauben die ProzeBführung des IPS im Überdruckbereich bis zu 5 bar. Das Hochleistungsplasmaspritzen (HPPS), eine Verfahrensvariante, die sich teilweise noch in Entwicklung befındet, erreicht durch eine besondeıe Plasmakonfıguration Plasmaleistungen bis zu 220 KW. Dieses Verfahren erzielt auf eine Verarbeitung hochschmelzender Werkstoffe bei einer gleichzeitig erhöhten Auftragsleistung ab, wobei in erster Linie keramische Werkstoffe (Cr203, AI2O3) verarbeitet werden. Das Vakuum-(VPS) öder auch Niederdruckplasmaspritzen (LPPS) wurde vor ca. 25 Jahren zuerst in den USA entwickelt und zur industriellen Schichtentwicklung eingeführt. Hierbei wird der Spritzvorgang in eine Kammer mit inerter Atmosphâre bei reduziertem Druck im mbar-Bereich verlagert. Die Schichten werden mit höherer Energie gebildet, da die Teilchen durch den verdünnten Gasraum weniger abkühlen und abgebremst werden. Neuentwickelte Anlagen erlauben es, das Vakuumplasmaspritzen und das Inertgasplasmaspritzen in einer Anlageneinheit durchzuführen. Bei diesem Plasmaspritzen unter kontrollierter Atmosphâre können ebenfalls Besichtungen im Hochdruckbereich bis zu 5 bar hergestellt werden.Weitere Verfahrensentwicklungen auf dem Gebiet des Plasmaspritzens sind das Unterwasserplasmaspritzen (UPS), sowie das induktive Plasmaspritzen (ICP). Das induktive Plasmaspritzen weist gegenüber den über Lichtbögen erzeugten Plasmen den Vorteil höherer Reinheit auf, da keine Verunreinigungen durch Kathode- und Anodenabbrand in die Schicht eingebaut werden können. Durch die hohen ProzeBtemperaturen bedingt steht den Plasmaspritzverfahren ein nahezu unbegrenztens Spektrum an Spritzwerkstoffen zur Herstellung von funktionellen Oberflâchenschichten offen. Metalle, Legierungen, Hartmetalle, Intermetallische Verbindungen aber auch die keramischen WerkstofFe werden heute fur unterschiedliche Anwendungsfalle verarbeitet. Die Verarbeitung von Metalle und Metallegierungen hat sich insbesondere ft'ir VerschleiB- und Korrosionsanwendungen durchgesetzt. Neben diesen reinen Metallen spielen insbesondere die Metallegierungen auf Eisen-, Cobalt- und Nickelbasis eine groBe Rollen im Korrosionsschutzt. Diese als MCrAlY-Legierungen (M=Ni, Co, Fe) bekannten Werkstoffe finden Verwendung als HeiBgaskorrosionsschutztschichten auf Turbinenbauteilen. Hire hohe Korrosion- bestandigket ist durch die Ausbildung eines dünnen und dichten Oxidfilms gegeben. Diese Oxidschicht, hauptsachlich aus Chrom- und Aluminiumoxid bestehend, schlitzt den inneren Teil der Beschichtung vor weiterem Oxidationsangriff. Die Spritzpulver werden im allgemeinen hinsichtlich KomgröBe, GröBenverteilung, Form, chemischer Zusammenset7Aing sowie Gehalt an Gasen und Verunreinigungen charakterisiert. Eine Vielzahl an Pulverherstellungsverfahren wird industriell angewendet, aber in letzter Zeit gewinnen neue Verfahren zur Pulvermodifizierung und Veredelung mehr und mehr an Bedeutung. Zu diesem Verfahren der Pulvermodifizierung gehören das Agglomerieren (mikropelletisieaing), ein chemisches Beschichten von Pulvern, ebenso wie das Plasmaverdichten und sphânoidiseren. Agglomeration von verschiedenen Ausgangswerkstoffen zu einem Mikropellet hat bereits groBe industrielle Anwendung zur Pulverherstellung gefunden. Die thermischen Spritzverfahren und insbesondere das Plasmaspritzen finden heute in nahezu in alien Bereichen der Industrie Anwendung. Einen groBen Marktanteil am Plasmaspritzen hat in erster Linie die Luftfahrtindustrie. Neben der Beschichtung von Turbinenschaufeln und Leitrâdern werden sowohl Einlaufschichten, sog. Abradables wie auch Warmedammschichten (TBC's) durch das Plasmaspritzen hergestellt. In der Automobilindustrie werden heute insbesondere Kolbenringe undKolbenlaufflâuchen beschichtet. Zur Realisierung von höheren Brennraum- temperaturen fur Dieselfahrzeuge und einem erhöhten Wirkungsgrad werden Kolbenböden mit mehreren mm dicken Warmedammschichtsystemen (Zr02) versehen. Weitere Anwendungsgebiete von plasmagespritzen Keramikschichten liegen im VerschlieBschutz in der Textil- der Papier- und Druckindustrie. Bauteile aus Textilmaschinen wie Fadenführer öder auch Fadenbremser werden zur Erhöhung des VerschlieBwiderstandes mit Aluminiumoxid- Titan oxid-Beschichtungen versehen. Walzen für die Papier und Druckindustrie werden heutzutage in erster Linie mit Chromoxid beschichtet. Weitere Anwendungsentwicklungen fur das Plasmaspritzen sind sicherlich das Besichichten von Bauteilen aus faserverstârkten Kunststoffen sowie das Formspritzen. In dieser Arbeit wurden verschiedenen keramische Pulver wie Aluminiumoxid, Aluminiumoxid+Titanoxid, stabiliertes Zirkonoxid und Magnesium-zirkonat mit Hilfe des Plasmaverfahrens auf verschiedene Gaindwerkstoffe (KohlenstofFstahl, LM-13 und AISI-304) aufgetragen. AIs Haftvermittler diente eine Al-Ni Schicht. Die metallographische Untersuchungen zeigen, daB die Beschichtungssichten teilweise Poren und unerschmolzene Partikeln enthalten. Dabei weisen Plasma- spritzschichten im allgemeinen eine geringere Porositât auf. Die mit verschiedenen keramische Pulvern beschichteten Werkstoffe wurden auf Stirnhaftzugfestigkeit getestet. Die Untersuchungen hinsichtlicli des Bruchverlaufes zeigten praktisch immer eine Trennung im Bereich der Gangszone. Diese ist also in den meisten Fallen die Schwachstelle des Verbundes und nicht etwa, wie vielfach angenommen wird, die Haftung an der Substratsoberflache. Weiterhin wurde die Unterschungen des Erosion-Tests durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, daB mit keramischen Pulvern beschichteten Werkstoffen ein gröBer Widerstand gegen ErosionverschlieB aufweiBt.
Benzer Tezler
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Investigation of microstructural and tribological properties of different APS coating layers
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- Thermal and mechanical behaviour of plasma-sprayed oxide ceramic coatings on steels
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