Application des Techniques de HVOF pour la Pulvérisation des Couches Céramiques

Dans le procédé du brouillard thermique la couche est accumulée des lamelles constituées par la solidification rapide des gouttelettes fondues ou semi-fondues fixées au substrat. Une structure typique de couche est une structure lamellaire comme une crêpe, où les tarifs et l'adhérence aplatissants entre les lamelles, avec le matériau de couche lui-même, définissent les propriétés principales de la couche. Des couches de pulvérisateur Thermiques sont souvent appliquées pour améliorer la résistance à l'usure de corrosion et du composant. Par Conséquent, la porosité faible et la bonne adhérence sont les propriétés désirées pour la couche. Le procédé de HVOF (oxy-essence de vitesse Élevée) est un les méthodes les plus potentielles pour produire une bonne couche adhérente avec la porosité faible [1].

Les couches Céramiques offrent une alternative intéressante pour produire une couche protectrice au-dessus d'une structure métallique due à l'excellent produit chimique, à la corrosion et à la résistance thermique des matériaux céramiques. Récent on l'a expliqué que le procédé de HVOF est capable de produire des couches plus denses que la projection par plasma [2-4].

Les propriétés Mécaniques des couches sont dans un rôle important quand les couches sont appliquées par exemple dans des environnements d'usure. La résistance de choc Thermique est étroitement liée à la force de fracture des couches. La Combinaison de la couche céramique dense avec le substrat en acier aux températures élevées exige la dureté élevée de fracture de couche. Quelques propriétés particulières sont déjà expliquées pour la céramique de nanocrystalline [5, 6].

À cause de la température relativement basse de la flamme de HVOF, le procédé du brouillard doit être soigneusement optimisé afin de produire la couche avec une condition de fonte suffisante et une bonne adhérence de lamelle. En cet article l'outil de processus de mappage est introduit afin d'optimiser le procédé du brouillard de HVOF pour la céramique. L'effet de la microstructure sur les propriétés mécaniques des couches composées céramiques variées, en utilisant la poudre nanostructured de pulvérisateur est discuté.

En Cela des propriétés de papier de quelques couches céramiques préparées à l'aide des méthodes de HVOF et d'APS (Projection Par Plasma d'Air) sont discutées. L'oxyde d'Alumine et de chrome sont les couches céramiques utilisées généralement dues leur bonne résistance contre l'usure et la corrosion. La zircone stabilisée par Yttrium (YSZ) est utilisée car un revêtement d'isolation thermique (TBC) et une cordiérite (2MgO ^.2AlO5SiO₂₃^.₂) comme matériau constitutif a le coefficient très faible d'expansion thermique [7]. Ces le genre de composés sont employé souvent comme les matériaux réfractaires pour les chaudières industrielles, les échangeurs de chaleur, les turbomoteurs et les porteurs de catalyseur formés par nid d'abeilles dans des systèmes d'échappement d'automobile [8, 9]. Contrairement à la cordiérite, la céramique de YSZ est fréquemment considérée en tant que candidat pour les couches céramiques de la température élevée (HT) [10]. Afin de développer le matériau de YSZ avec les propriétés exigées, l'information sur l'optimisation microstructurale, le contrôle de propriété, et la compréhension du rôle de leur nanostructure sont fortement exigés - quelque chose déjà précisée par Niihara, Sekino et collègues [11-14]. Habituellement, les textures de la zircone tétragonale transforment spontanément à la structure monoclinique en l'absence d'un stabilisateur, qui a comme conséquence une dégradation substantielle des propriétés mécaniques de ce matériau [15, 16]. En toute la structure dense de cas combinée avec de bonnes propriétés mécaniques est d'intérêt. Il est jugé pour atteindre cet objectif en introduisant la pulvérisation de HVOF des matériaux de nanocomposite.

Différentes poudres céramiques ont été produites par le séchage par atomisation utilisant les éléments d'alliage variés. Des poudres Nouvelles basées sur l'alumine et la zircone ont été synthétisées à l'aide du produit chimique varié et des artères mécaniques à VTT et à Université d'Osaka. La Production des poudres d'alumine est décrite a détaillé ailleurs [17]. La composition en YSZ-cordiérite a été préparée de trois différentes poudres d'oxyde, à savoir, la poudre₂ de ZrO (TZ-0, TOSOH Cie., Japon) avec une moyenne dimension particulaire de 30 le nanomètre, la poudre de qualité du mm 2,5 de la cordiérite proche-stoechiométrique (SS-600, Évent d'Articulation de Maruso Yuyaku. Setoshi, le Japon), et YO-poudre₂₃ avec un moyen granulométrie de 33 nanomètre (RU-P, la Cie. de la Terre de Shin-Etsu ; Le Japon) utilisé comme stabilisateur pour ZrO monoclinique₂. La teneur vérifiée de la cordiérite dans la poudre initiale était de 5 % de volume (vol.%). Des Boues D'émoulage ont été fondues après s'être mélangé ensemble au moyen de mouillé-bille-fraisage en éthanol pour 24 h utilisant des billes de zircone ayant le diamètre de 5 millimètres. Ultérieurement, les boues d'émoulage ont été séchées et sec-fraisées pour les 12 heures consécutives supplémentaires avant d'agglomérer.

Des mesures de diagnostic En Direct ont été effectuées pour l'alumine utilisant Tecnar DVP-2000 combiné avec le pistolet de pulvérisation de Praxair HV-2000 et les chambres de combustion ayant la taille 19 millimètres et 22 millimètres. Un grand nombre de différents états de pulvérisateur ont été mesurés en variant tout le flux de gaz de 243 l/min à 361 l/min pour le propylène, et de 893 l/min à 1.050 l/min pour l'hydrogène.

Des flocs Uniques ont été rassemblés sur les substrats polis d'acier inoxydable afin d'étudier le niveau de fonte des particules sous différents états de pulvérisateur. Les flocs ont été produits par la pulvérisation utilisant un taux d'entrée faible de poudre et la même distance de temps d'arrêt qui a été utilisée dans le dépôt de couche. Des Flocs rassemblés ont été étudiés par microscopie optique pour déterminer l'ampleur de la fonte des particules. Tandis Que les données de la température des tests diagnostique, basés sur l'émissivité d'une particule en vol, fournissent la température de surface de la particule, les flocs uniques augmentent notre compréhension sur la condition de particules. La Variation des paramètres de pulvérisateur est présentée détaillée ailleurs [4].

Les couches ont été déposées utilisant un pistolet de pulvérisation de Praxair HV-2000. L'Azote a été sélecté comme gaz porteur. Les points de fusion de la céramique d'oxyde qui sont d'intérêt pour le travail actuel varient à partir de 2040 le ˚C jusqu'à environ. 2700˚C. Par Conséquent l'hydrogène et le propylène ont été sélectés comme gaz combustibles pour l'alumine et le chromia, et acétylène pour les poudres basées de zircone. L'alimentateur de poudre de Thermico CPF-2HP a été employé pour assurer le taux d'entrée suffisant de poudre également pour les poudres expérimentales ayant une capacité non-optimale de distribution et de flux de grandeurs. Des Couches ont été pulvérisées sur les plaques d'acier ayant une taille de 25×50×2 millimètre pour la caractérisation microstructurale et de propriété. Le développement microstructural a été réglé par les tarifs transversaux du canon et le taux d'entrée de poudre donnant droit à une certaine épaisseur selon le passage.

L'air AlO (Sulzer-Metco (APS) 105SFP₂₃ , de Référence µm -31+3.5) pulvérisé par plasma et l'Hôte₂₃ (Saint-Gobain #3033, µm -15+5) avec la couche en esclavage d'APS NiCoCrAlY (Sulzer-Metco 461NS, µm -150+22) ont été fabriqués par Centro Sviluppo Materiali S.p.A. (Roma, l'Italie) avec une torche de Sulzer-Metco F4 [18].

La Microscopie électronique utilisant JEOL JSM-6400 (SEM) combiné avec l'analyseur de Rayon X du PRISME 2000 de PGT a été employée pour étudier les microstructures de couche. La Dureté des couches a été déterminée par la méthode de microdureté de Vickers utilisant un grammage de 300 grammes. La résistance à l'usure Des couches a été évaluée à l'aide du test d'abrasion en caoutchouc de rouleau selon l'ASTM G 65-91 normal.

Le Schéma 1. plan de processus de Température-Vitesse pour l'alumine. Des Régions de la bonne résistance à l'usure et la dureté des couches produites sont données. Les limites Utilisées sont : dureté 1000 HV0.3, et minute mg/30 abrasive de l'usure 20).

Résumé du Tableau 1. des poudres utilisées.

La différence dans les microstructures des APS et HVOF des couches que céramiques pulvérisées peuvent être vues dans des micrographes sur le Schéma 2. couches pulvérisées par HVOF affichent la densité de manière dégagée améliorée et moins de pores et de fissures que les APS pulvérisés. Le Schéma 3 compare la résistance à l'usure et la dureté mesurées pour différents APS et couches pulvérisées par HVOF.

Le Schéma 2. micrographes de SEM des couches expliquant des différences dans la densité de couche entre les procédés de HVOF et d'APS a) AlO₂₃ (HVOF) [18], b) Hôte₂₃ (HVOF) [18], c) 6YSZ (HVOF) [18], d) AlO₂₃ (APS) [18], e) Hôte₂₃ (APS).

Le Schéma 3. a) perte d'Usure mesurée pour différent HVOF et APS a pulvérisé les couches céramiques. b) Usez-vous la perte et la dureté mesurées les couches céramiques pulvérisées par HVOF avec les compositions variées.

Le Schéma 1 affiche la tendance différente entre les gaz combustibles. Les mélanges du hydrogène-oxygène a principalement comme conséquence une vitesse plus grande des particules comparées aux mélanges du propylène-oxygène. D'autre part, l'utilisation du propylène offre un hublot de processus plus large en termes de température et vitesse de particules, et laisse pour cette raison plus de variation des conditions de traitement. En conséquence, les différentes combinaisons de température-vitesse produisent une condition de fonte différente de la poudre et de la formation différente de floc. Avec meilleure de l'alumine de fonte de condition les flocs sont relativement bien formés, avec la propagation adéquate. Avec le domaine inférieur de température-vitesse le degré de fonte de particules est décroissant. Une corrélation dégagée entre le comportement de fonte de particules et la résistance à l'usure abrasive et la dureté a été trouvée.

Les couches pulvérisées par HVOF affichent la densité de manière dégagée améliorée et moins de pores et de fissures que les APS pulvérisés (le Schéma 2). Également la distribution des pores du propylène offre un hublot de processus plus large en termes de température et vitesse de particules, et laisse pour cette raison plus de variation des conditions de traitement. En conséquence, les différentes combinaisons de température-vitesse produisent une condition de fonte différente de la poudre et de la formation différente de floc. Avec meilleure de l'alumine de fonte de condition les flocs sont relativement bien formés, avec la propagation adéquate. Avec le domaine inférieur de température-vitesse le degré de fonte de particules est décroissant. Une corrélation dégagée entre le comportement de fonte de particules et la résistance à l'usure abrasive et la dureté a été trouvée.

Les couches pulvérisées par HVOF affichent la densité de manière dégagée améliorée et moins de pores et de fissures que les APS pulvérisés (le Schéma 2). Également la distribution des pores est plus même et la taille des pores beaucoup plus petits ; ceci a été affiché utilisant les techniques d'analyse d'image [18]. La différence est probablement due aux facteurs variés. La température-vitesse typique s'échelonne pour les particules dans l'ASP et les HVOF pulvérisant, qui sont les paramètres les plus importants affectant les profils de manière dégagée différents de la température et de vitesse d'exposition de qualité de couche dans les deux techniques. Dans les APS les particules sont passionnées à une température beaucoup plus élevée, mais elles obtiennent une vitesse considérablement plus petite que dans la pulvérisation de HVOF. Le pulvérisateur de plasma a comme conséquence une structure considérablement moins dense et plus poreuse que HVOF pulvérisant parce que les gouttelettes solidifient déjà avant qu'elles soient entièrement aplaties au substrat, qui a évidemment également comme conséquence la cohésion interlamellar faible [19].

Figure 3a. explique la vaste différence dans la performance des couches variées d'oxyde pulvérisées par le pulvérisateur d'APS et de HVOF. La résistance à l'usure d'abrasion des couches comme mesurée dans un test d'abrasion en caoutchouc normalisé de rouleau est améliorée plus de dix fois, quand la couche est effectuée par la pulvérisation de HVOF. La différence est plus de 15 fois avec les couches d'alumine et de chromia où les paramètres de pulvérisateur ont été optimisés. Les couches de zircone de HVOF exécutent plus de 20 fois mieux que les couches correspondantes d'APS. Toutefois il doit noter que la valeur de référence de comparaison [20] est pour le Revêtement D'isolation Thermique (TBC), où maximum la densité n'est pas orientée.

Les matériaux stabilisés par yttria alliés par cordiérite développés de zircone sont des candidats pour l'usage de température élevée. Bien Qu'il y ait eu quelques pores et fissures dans les matériaux pulvérisés par HVOF que nous pouvions déposer d'une bonne des couches qualité de yttria de 6% et 5% de matériau consistant de cordiérite par HVOF expliquant de ce fait de manière dégagée que HVOF peut être employé pour déposer également les couches de fusion élevée de la température qui sont des candidats pour les revêtements d'isolation thermiques. Il doit noter qu'aucune optimisation de processus systématique n'a été exécutée pour les couches de zircone pulvérisées par HVOF. Les Propriétés des couches pulvérisées d'alliage étaient bien près de ceux des couches de la référence YSZ. Par Exemple, la résistance d'abrasion de la couche de référence de zircone est seulement légèrement plus élevée que celle des couches alliées. Ceci indique que l'alliage de cordiérite n'abaisse pas les propriétés mécaniques des couches nettement et les propriétés de température élevée peuvent potentiellement être améliorées puisqu'on s'attend à ce que l'alliage de cordiérite évite la croissance des grains de température élevée de la couche [21].

Par rapport à la référence vêtant la dureté de toutes les couches produites à partir du nanopowder pur d'alumine ou aux nanopowders alliés céramiques étaient en tant que dur ou plus dur que mettent en référence ; seulement la couche produite utilisant les poudres de nanocomposite alliées par nickeloxide étaient plus molle que la couche de la référence HVOF. La résistance d'abrasion des couches basées d'alumine variée varient également en quelque sorte. La meilleure résistance à l'usure a été obtenue avec l'alliage de zircone de 5% (Figure 3b).

La pulvérisation de HVOF est expliquée pour être capable de produire des couches d'oxyde avec les propriétés supérieures de structure et d'usure de couche par rapport à la projection par plasma atmosphérique conventionnelle. En alliant l'alumine avec d'autres couches de matériaux céramiques avec la dureté et accrus la résistance à l'usure sont produites. La Meilleures dureté, résistance à l'usure et combinaison de dureté de fracture jusqu'ici a été obtenue avec l'AlO₂₃ - couche de 5%₂ ZrO. La résistance à l'usure abrasive des couches céramiques de nanocomposite semble dépendre d'une voie complexe des propriétés mécaniques de la couche telles que la dureté, la dureté de fracture et les propriétés élastiques. Des Couches produites sont considérées les candidats potentiels pour un revêtement de protection dans les environnements brutaux où la bonne dureté de fracture et l'excellente résistance environnementale est nécessaire.

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