Dezvoltarea și procesarea materialelor ca motor pentru inovații WOTech Technical Media
Dr. rer. nat. Alexandra Maria Ce rușine
Raport asupra celui de-al 21-lea colocviu privind tehnologia materialelor din Chemnitz - Partea 2
Werkstofftechnische Kolloquium (WTK) din Chemnitz s-a impus ca una dintre cele mai importante platforme de prezentare a rezultatelor cercetării și dezvoltării în domeniile materialelor, producției și tehnologiei suprafeței. Și în acest an s-au oferit lucrări în domeniile producției aditive și tratamentului termic, alăturându-se prin lipire, galvanizare și pulverizare termică, oțeluri și metale ușoare, materiale compozite și testarea materialelor. În a doua parte a raportului despre conferință, este prezentat conținutul proceselor de acoperire și proprietățile stratului care pot fi realizate. În plus față de galvanizarea, accentul a fost pus în primul rând pe diferitele tehnologii de pulverizare termică pentru producerea de suprafețe funcționale durabile.
Proces cu jet gratuit pentru anodizare electrolitică locală
Anodizarea cu jet liber electrolitic închis permite modificări locale economisitoare de resurse în proprietățile tribologice ale materialelor din aluminiu. În acest scop, a fost dezvoltat și testat un proces de utilizare cu aliajul de înaltă rezistență EN AW-7075 T6. Anodizarea locală a fost realizată prin optimizarea densității de curent local pe suprafața eșantionului. În acest scop, parametrii de procesare distanță de lucru, tensiune și durata procesului au fost sistematic variate. Pe baza indicelui de refracție al microscopului cu scanare cu oxid poros și laser, au fost determinate grosimile maxime ale zonelor anodizate.
Rezultatele arată că prin reducerea distanței de lucru între anod și catod de la 2,5 mm la 0,1 mm și reducerea tensiunii de lucru de la 230 V la 40 V, se pot produce aceleași grosimi ale stratului ca și la anodizarea la 230 V și 2,5 mm distanta.
Diferența în grosimea stratului de oxid și delimitarea laterală a creșterii grosimii stratului pot fi detectate, de exemplu, printr-o măsurare tactilă. Reducerea lățimii la 67% și creșterea înălțimii la 150% duc la un raport de aspect crescut de 225%, ceea ce reprezintă o îmbunătățire semnificativă în raport cu aplicația tribologică intenționată.
Imagine de scanare cu laser a stratului de oxid la 40 V și 0,1 mm distanță între anod și catod (stânga) și la 230 V și 2,5 mm distanță, în fiecare caz după 20 de minute de anodizare (Imagine: R. Morgenstern)
Rezultatele investigațiilor SEM arată că sunt create microstructuri poroase. Ar trebui efectuate investigații suplimentare pentru a obține informații mai precise despre porozitatea totală, precum și proprietățile mecanice și tribologice ale straturilor de oxid anodic.
(R. Morgenstern, A. Martin, N. Lehnert, I. Scharf, M. Hackert-Oschätze, A. Schubert, T. Lampke)
Datorită reglementării REACh, este necesar să căutați metode alternative la producția anterioară a straturilor de crom dur folosind cromatul. Cu toate acestea, este logic să înlocuiți tehnologiile anterioare datorită eficienței energetice reduse a separării de sistemele de crom (VI) de aproximativ 20%. O alternativă este depunerea chimică umedă a straturilor de dispersie nichel-bor. Nichelul și borul pot forma împreună o fază intermetalică (Ni3B). Această fază este produsă de o posttratare termică și are valori ridicate ale durității, așa cum se știe din straturile de nichel-bor cu reducere chimică. Duritatea realizabilă de 1200 HV0.01 se încadrează în valorile straturilor de crom dur.
Procesul de acoperire cunoscut bazat pe agentul reducător de borohidrură de sodiu nu a putut să se stabilească din cauza valorii ridicate a pH-ului (µm/h) necesară. O alternativă economică ar putea fi pusă la dispoziție prin straturi de dispersie de nichel-bor, care pot fi produse atât prin intermediul reductiei chimice, cât și prin depunerea galvanică. În procesul de reducere chimică, se folosește agentul de reducere a hipofosfidei de sodiu, cu care se pot atinge viteze de separare de la 12 µm/h la 16 µm/h (pH 4,5-5,5, temperatura de lucru T = 88 ° C). Cu procesele de depunere galvanică, se pot genera viteze de 20 µm/h și mai mult. O creștere a durității bazată pe particulele de bor a fost realizată prin tratamentul termic.
(M. Markus, F. Köster)
Depunere de irid galvanic pentru catalizatori PEM
Costurile ridicate pentru electrolizatoarele PEM, printre altele datorate utilizării metalelor prețioase precum platina sau iridiul, au împiedicat până acum utilizarea industrială. Abordările de îmbunătățire a situației rezultă din dezvoltarea sistemelor de electrozi rentabile bazate pe straturi optimizate de iridiu/oxid de titan pentru utilizare anodică în electroliza apei PEM. În acest scop, sunt investigate noi tipuri de purtători pentru nanoparticule de iridiu cu stabilitate crescută pentru a crește suprafața activă electrochimic a materialului catalizator aplicat și, astfel, utilizarea metalelor prețioase. În acest scop, nanoparticulele electrocatalizatoare cu iridiu au fost aplicate galvanic la un electrod de titan sinterizat care fusese acoperit anterior cu nanoparticule de oxid de titan. Primele rezultate indică o îmbunătățire a activității și stabilității electrolizatoarelor PEM.
(J. Näther, F. Köster, T. Hülser, U. Rost, M. Brodmann, D. Pascal, L. Holtkotte)
Distribuția temperaturii pe straturile de acoperire a conductorilor de încălzire pulverizate termic
Cavitățile din matrițele de injecție sunt acoperite pentru a crește rezistența la coroziune și uzură sau pentru a regla fluxul de căldură prin peretele cavității. Creșterea debitului de căldură trebuie realizată prin pulverizarea termică a unui amestec de titan și oxid de crom cu o grosime de aproximativ 100 µm la suprafață și tratament termic folosind un curent electric. Un strat de oxid de aluminiu pulverizat termic servește drept izolator electric între substratul de oțel și acoperirea cu oxid de titan/crom, care reprezintă conductorul de încălzire.
Structura schematică a matriței de injecție cu suprafață încălzită local (Imagine: K. Bobzin)
Secțiune transversală printr-un strat de conductor de încălzire pe un instrument de turnare prin injecție (Imagine: K. Bobzin)
Pentru a confirma fezabilitatea încălzirii omogene a suprafeței, comportamentul de încălzire a fost analizat prin intermediul termografiei. În funcție de parametrii procesului în timpul procesului de acoperire și de curentul electric utilizat, s-a găsit o distribuție neomogenă a temperaturii. Aceasta a fost distribuită în modele liniare sub formă de linii fierbinți perpendiculare pe curentul electric. Pentru a identifica cauza principală a neomogenității observate, a fost utilizată modelarea numerică, iar rezultatele au fost susținute de măsurători experimentale. S-a constatat că fisurile din microstructura de acoperire sunt principala cauză a creșterii temperaturii și a distribuției liniare a distribuției temperaturii. Cu toate acestea, distribuția fisurilor nu a arătat o direcție preferată.
(K. Bobzin, M. Öte, M. A. Knoch, I. Alkhasli)
Impactul particulelor în timpul pulverizării termice
Pulverizarea termică este un proces de acoperire în care materia primă este accelerată și afectează un substrat sub formă de particule topite sau semi-topite. Simularea impactului particulelor este utilă pentru a înțelege acumularea stratului în timpul pulverizării termice. Pe baza abordării VOF (Volume of Fluid), se folosește un model CFD (Computational Fluid Dynamics) pentru simulare. Acest lucru face posibilă modelarea influenței și solidificării particulelor de nichel pe un substrat plat în 2D și 3D.
Model 3D al impactului particulelor folosind solidificarea modificată a particulelor (Imagine: K. Bobzin)
Vâscozitatea dependentă de temperatură și sursa de impuls sunt utilizate în mod obișnuit pentru modelarea solidificării. Primul este precis, dar din punct de vedere al calculului este prea scump pentru simulări cu coliziuni multiple de particule. Cu metoda sursei de impuls, ecuația de impuls a particulei este modificată pentru a reduce viteza sa la zero atunci când se solidifică. ANSYS Fluent folosește această metodă pentru consolidare. Cu toate acestea, această metodă sa dovedit a fi inadecvată pentru simularea solidificării cu mai multe particule, motiv pentru care a fost introdusă o modificare a acestei metode. Vâscozitățile dependente de temperatură și studiile numerice validate din literatura de specialitate au fost utilizate pentru a valida metoda modificată. S-a demonstrat că metoda dezvoltată poate simula depunerea unui strat gros de 60 µm într-un timp de calcul realizabil comparativ cu metoda de vâscozitate dependentă de temperatură.
(K. Bobzin, M. Öte, M. A. Knoch, I. Alkhasli, S. R. Dokhanchi)
Influența materiei prime asupra distribuției fazelor în straturile de pulverizare
În cazul învelișurilor pulverizate din aluminiu și oxid de titan, care sunt în aplicații industriale de mai mulți ani, există încă lacune în înțelegerea noastră despre formarea și efectele titanatului de aluminiu (Al 2 TiO 5) în acoperiri. În special, influența proprietăților pulberii materiei prime asupra compoziției de fază a fost investigată doar aproximativ până acum. Pentru a clarifica relațiile, s-au caracterizat pulberile furajere comerciale topite și mărunțite: trei dintre ele conțineau 13% în greutate oxid de titan (TiO2) și trei dintre ele conțineau 40% în greutate oxid de titan. Au fost evaluate efectele diferitelor compoziții de fază ale pulberilor și relevanța lor asupra eficienței depunerii, compozițiilor de fază, porozitatea și duritatea acoperirilor APS respective. Proprietățile mecanice ale acoperirilor cu 40% în greutate oxid de titan sunt semnificativ mai slabe decât cele cu 13% în greutate oxid de titan, în special în ceea ce privește duritatea. În plus, s-a constatat că titanatul de aluminiu se poate forma în timpul procesului de pulverizare dacă este pulverizat dintr-o pulbere fără titanat de aluminiu.
Imagini SEM de pulbere și straturi realizate din aceasta cu diferite proporții de oxid de titan (Imagine: A. Richter)
Investigațiile ulterioare se vor concentra pe localizarea titanului în acoperiri cu 13% în greutate TiO 2 și vor determina în mod sistematic influența diferitelor conținuturi de titanat de aluminiu asupra altor proprietăți de acoperire, în special asupra comportamentului lor termic, electric, tribologic și de coroziune. În plus, este investigată stabilizarea țintită a titanatului de aluminiu în pulberi și acoperiri prin oxizi suplimentari.
(A. Richter, L.-M. Berger, S. Conze, Y. J. Sohn, R. Vaßen)
Seringi HVOF ID cu pulbere de inserție WC-Co/Cr
Acoperirile pe suprafețe exterioare din WC-Co sau WC-Cr sunt produse de obicei ca straturi de protecție la uzură folosind pulverizarea cu flacără de mare viteză (HVOF) pentru diverse aplicații industriale. Cerințele actuale pentru acoperiri interne, în special pentru găuri (așa-numitul strat cu diametru intern (ID)) care utilizează tehnologia HVOF, necesită echipamente speciale pentru pistol și pulbere de pulverizare cu dimensiuni ale particulelor sub 20 µm. În același timp, controlul procesului, atât în ceea ce privește configurația pistolului de pulverizare, cât și utilizarea pulberilor fine, creează noi provocări care sunt diferite de cele ale pulverizării HVOF pe suprafețele exterioare.
Secțiuni transversale printr-un strat WC-CoCr, produs folosind HVOF-ID (Imagine: W. Tillmann)
Pentru lucrări de dezvoltare, au fost examinate pulberile de tipul WC-CoCr 86-10-4 (-15 + 5 μm) cu o dimensiune medie a particulelor de WC de 400 nm în ceea ce privește proprietățile de acoperire rezultate. Diverse setări ale parametrilor procesului și interacțiunea acestora cu proprietățile microstructurale și eficiența separării au fost considerate parametri pentru procesul de pulverizare. Pentru sistemul HVOF-ID utilizat și materia primă WC-CoCr, cel mai mic diametru interior acoperibil este de 171,6 mm. Rezultatele obținute fac posibilă optimizarea proprietăților de acoperire pentru diferitele cerințe de suprafață. În plus, sistemul de pulverizare poate fi optimizat pentru producerea de acoperiri dense cu o porozitate de aproximativ 1%.
(W. Tillmann, C. Schaak, L. Hagen, M. Dildrop)
Modificări morfologice induse termic în cupru și oțel pulverizat cu sârmă
La pulverizarea cu sârmă termică, modificările proprietăților mecanice și termice ale materialelor pulverizate apar în special datorită energiei termice introduse. Acest lucru este investigat printr-o caracterizare cuprinzătoare a cuprului (Cu 98,7) și a oțelului rezistent la coroziune (316L) prin teste de întindere, îndoire în trei puncte și calorii în funcție de temperatură într-un interval de temperatură de la 293 K la 1173 K. În acest scop, au fost realizate acoperiri groase prin pulverizare cu arc.
Rezultatele testelor mecanice au arătat un modul de elasticitate redus drastic (Cu 98,7: 49%, 316L: 48%, măsurat la 293 K) din materialele pulverizate termic comparativ cu echivalentul lor solid. Analiza cu bliț laser (LFA) a fost efectuată pentru ambele materiale pulverizate termic într-un interval de temperatură de la 373 K la 1173 K. Reprezentările grafice ale difuzivității termice la încălzire au arătat un comportament atipic, în special la temperaturi mai ridicate de peste 573 K, ceea ce indică modificări semnificative și permanente în morfologia materialelor pulverizate termic. La temperaturi mai scăzute, comportamentul se abate și de la solide, dar nu prezintă modificări permanente.
Rezistență (modulul lui Young) pentru cupru și oțel rezistent la coroziune sub formă de pulbere solidă și pulverizată termic (Imagine: R. Winkler)
Pregătirea metalografică și examinarea cu raze X au arătat un număr semnificativ redus de limite vizibile ale particulelor pentru cupru după tratamentul termic la 1173 K. Forma fazelor intermediare oxidate s-a schimbat în sferică. Prin urmare, se poate presupune că au avut loc procese de sinterizare. Difractogramele XRD ale diferitelor stări nu au arătat nicio modificare în compoziția fazei. Pentru 316L pulverizat termic, preparatul metalografic și analiza XRD au arătat o schimbare semnificativă de fază după tratamentul termic la 1173 K.
(R. Winkler, E. Saborowski, G. Paczkowski, T. Lampke)