Розробка та обробка матеріалів як двигун для інновацій WOTech Technical Media
Лікар. вип. нац. Олександра Марія Яка ганьба
Звіт про 21-й колоквіум з технології матеріалів у Хемніці - Частина 2
Werkstofftechnische Kolloquium (WTK) у Хемніці зарекомендував себе як одна з найважливіших платформ для представлення результатів досліджень та розробок у галузі матеріалів, виробництва та технології поверхні. Цього року також були запропоновані роботи в галузі виробництва добавок та термообробки, приєднання пайкою, гальванічним покриттям та термічним напиленням, сталей та легких металів, композиційних матеріалів та випробування матеріалів. У другій частині звіту про конференцію представлено зміст процесів нанесення покриттів та властивостей шару, яких можна досягти. На додаток до гальваніки, тут основна увага приділялася різним технологіям термічного напилення для виробництва високоміцних функціональних поверхонь.
Процес вільного струменя для локального електролітичного анодування
Анодування закритою вільною електролітичною струменем забезпечує економію ресурсів, місцеві зміни трибологічних властивостей алюмінієвих матеріалів. Для цього було розроблено та випробувано процес використання з високоміцним сплавом EN AW-7075 T6. Локальна анодизація була досягнута шляхом оптимізації локальної щільності струму на поверхні зразка. Для цього систематично варіювали параметри обробки робочої відстані, напруги та тривалості процесу. На основі показника заломлення пористого оксиду та лазерної скануючої мікроскопії визначено максимальну товщину анодованих ділянок.
Результати показують, що за рахунок зменшення робочої відстані між анодом і катодом з 2,5 мм до 0,1 мм і зменшення робочої напруги з 230 В до 40 В можна отримати ті ж товщини шару, що і при анодуванні при 230 В і 2,5 мм відстань.
Різницю в товщині оксидного шару та поперечне обмеження збільшення товщини шару можна продемонструвати, наприклад, за допомогою тактильного вимірювання. Зменшення ширини до 67% та збільшення висоти до 150% призводять до збільшення співвідношення сторін на 225%, що є значним поліпшенням щодо передбачуваного трибологічного застосування.
Лазерне сканування зображення оксидного шару на відстані 40 В та 0,1 мм між анодом та катодом (ліворуч) та на відстані 230 В та 2,5 мм, в кожному випадку через 20 хв анодування (Зображення: Р. Моргенштерн)
Результати досліджень СЕМ показують, що створюються пористі мікроструктури. Подальші дослідження слід проводити, щоб отримати більш точну інформацію про загальну пористість, а також механічні та трибологічні властивості шарів анодного оксиду.
(Р. Моргенштерн, А. Мартін, Н. Ленерт, І. Шарф, М. Хакерт-Ощаце, А. Шуберт, Т. Лампке)
Завдяки регламенту REACh, необхідно шукати альтернативні методи попереднього виробництва твердих хромованих шарів із використанням хромату. Однак має сенс замінити попередні технології через низьку енергетичну ефективність відділення від систем хрому (VI) близько 20%. Альтернативою є мокре хімічне осадження шарів дисперсії нікель-бор. Нікель і бор можуть спільно утворювати інтерметалеву фазу (Ni3B). Ця фаза генерується термічною попередньою обробкою і має високі значення твердості, як відомо з хімічно відновлених шарів нікель-бор. Досяжна твердість 1200 HV0.01 знаходиться в межах значень твердих хромованих шарів.
Відомий процес нанесення покриттів на основі відновника борогідриду натрію не зміг забезпечити себе через необхідне високе значення рН (мкм/год). Економічна альтернатива може бути надана за допомогою дисперсійних шарів нікель-бор, які можуть бути отримані як за допомогою хімічно-відновного, так і гальванічного осадження. У процесі хімічного відновлення використовується відновник гіпофосфід натрію, за допомогою якого можна досягти швидкості розділення від 12 мкм/год до 16 мкм/год (pH 4,5-5,5, робоча температура T = 88 ° C). У процесі гальванічного осадження можна генерувати швидкість 20 мкм/год і більше. Збільшення твердості на основі частинок бору було досягнуто за допомогою термообробки.
(М. Маркус, Ф. Кестер)
Гальванічне осадження іридію для ПЕМ каталізаторів
Високі витрати на електролімери ПЕМ, серед іншого через використання таких дорогоцінних металів, як платина або іридій, досі перешкоджали промисловому використанню. Підходи до поліпшення ситуації є результатом розробки економічно вигідних електродних систем на основі оптимізованих шарів оксиду іридію/титану для анодного використання при електролізі води ПЕМ. З цією метою досліджуються нові типи носіїв для наночастинок іридію з підвищеною стабільністю з метою збільшення електрохімічно активної поверхні застосовуваного каталізаторного матеріалу і, отже, використання благородних металів. Для цього наночастинки електрокаталізатора з іридієм були гальванічно нанесені на спечений титановий електрод, який раніше був покритий наночастинками оксиду титану. Перші результати свідчать про поліпшення активності та стабільності електролізерів ПЕМ.
(J. Näther, F. Köster, T. Hülser, U. Rost, M. Brodmann, D. Pascal, L. Holtkotte)
Розподіл температури на терморозпилюваних покриттях нагрівальних провідників
Порожнини в ливарних формах покриті для збільшення корозії та зносостійкості або для регулювання теплового потоку через стінку порожнини. Збільшення теплового потоку має бути досягнуто шляхом термічного напилення суміші титану та оксиду хрому товщиною близько 100 мкм на поверхню та термічної обробки за допомогою електричного струму. Терморозпилюваний шар оксиду алюмінію служить електричним ізолятором між сталевою підкладкою та покриттям оксиду титану/хрому, який являє собою нагрівальний провідник.
Схематична будова ливарної форми з місцево нагрівається поверхнею (Зображення: К. Бобзін)
Поперечний переріз шару нагрівального провідника на інструменті для лиття під тиском (Зображення: К. Бобзін)
Щоб підтвердити можливість однорідного нагрівання поверхні, поведінку нагрівання аналізували за допомогою термографії. Залежно від параметрів процесу в процесі нанесення покриття та використовуваного електричного струму було виявлено неоднорідний розподіл температури. Це розподілялося лінійно у вигляді гарячих ліній, перпендикулярних електричному струму. За допомогою чисельного моделювання було виявлено першопричину спостережуваної неоднорідності, а результати підтверджені експериментальними вимірами. Встановлено, що тріщини в мікроструктурі покриття є основною причиною підвищення температури та лінійного розподілу розподілу температури. Однак розподіл тріщин не показав бажаного напрямку.
(К. Бобзін, М. Ете, М. А. Нох, І. Алхаслі)
Вплив частинок під час термічного напилення
Термічне напилення - це процес нанесення покриттів, при якому вихідний матеріал прискорюється і потрапляє на підкладку у вигляді розплавлених або напіврозплавлених частинок. Імітація удару частинок корисна для розуміння накопичення покриття під час термічного напилення. На основі підходу VOF (Volume of Fluid) для моделювання використовується модель CFD (Computational Fluid Dynamics). Це дає змогу моделювати вплив та затвердіння частинок нікелю на плоскій підкладці у 2D та 3D.
3D-модель удару частинок із застосуванням модифікованого затвердіння частинок (Зображення: К. Бобзін)
Залежно від температури в'язкість та імпульс джерела зазвичай використовують для моделювання затвердіння. Перший є точним, але обчислювально занадто дорогим для моделювання з численними зіткненнями частинок. За допомогою методу джерела імпульсу рівняння імпульсу частинки змінюється з метою зменшення її швидкості до нуля при затвердінні. ANSYS Fluent використовує цей метод для консолідації. Однак цей метод виявився недостатнім для моделювання твердіння багаточастинок, саме тому була введена модифікація цього методу. Для підтвердження модифікованого методу використовували температурно-залежну в'язкість та перевірені чисельні дослідження з літератури. Показано, що розроблений метод може імітувати осадження покриття товщиною 60 мкм за час реалізації, який можна реалізувати, порівняно з методом залежності від температури в'язкості.
(К. Бобзін, М. Ете, М. А. Нох, І. Алхаслі, С. Р. Доханчі)
Вплив вихідного матеріалу на розподіл фаз у розпилювальних покриттях
У випадку з напиленими покриттями, виготовленими з алюмінію та оксиду титану, які вже впродовж багатьох років застосовуються в промисловості, все ще існують прогалини в нашому розумінні утворення та впливу титанату алюмінію (Al 2 TiO 5) на покриття. Зокрема, вплив порошкових властивостей вихідного матеріалу на фазовий склад до цього часу досліджено лише грубо. Для з’ясування взаємозв’язків були охарактеризовані комерційні розплавлені та подрібнені порошки кормів: три з них містили 13 мас.% Оксиду титану (TiO 2), а три з них - 40 мас.% Оксиду титану. Оцінювали вплив різних фазових складів порошків та їх значення на ефективність осадження, фазовий склад, пористість і твердість відповідних покриттів APS. Механічні властивості покриттів з 40% по масі оксиду титану помітно гірші, ніж у тих, що мають 13% по масі оксиду титану, зокрема щодо твердості. Крім того, було встановлено, що титанат алюмінію може утворюватися в процесі розпилення, якщо обприскувати з порошку без титанату алюмінію.
СЕМ-зображення порошку та шарів, виготовлених з нього, з різними пропорціями оксиду титану (Зображення: А. Ріхтер)
Подальші дослідження будуть зосереджені на локалізації титану в покриттях з 13 мас.% TiO 2 та систематично визначатимуть вплив різних вмістів титанату алюмінію на інші властивості покриттів, зокрема на їх теплову, електричну, трибологічну та корозійну поведінку. Крім того, досліджується цілеспрямована стабілізація титанату алюмінію в порошках та покриттях за допомогою додаткових оксидів.
(А. Ріхтер, Л.-М. Бергер, С. Конце, Ю. Дж. Сон, Р. Вассен)
Шприци HVOF ID із порошком для вставки WC-Co/Cr
Покриття на зовнішніх поверхнях, виготовлені з WC-Co або WC-Cr, зазвичай виготовляються як захисні шари із зносом із застосуванням високошвидкісного полум’яного напилення (HVOF) для різних промислових застосувань. Сучасні вимоги до внутрішніх покриттів, особливо до отворів (так зване покриття з внутрішнім діаметром (ID)) з використанням технології HVOF, вимагають спеціального обладнання для розпилювачів та порошків для розпилення з розмірами частинок менше 20 мкм. У той же час управління процесом призводить як до конфігурації розпилювача, так і до використання від тонких порошків до нових завдань, відмінних від розпилення HVOF на зовнішніх поверхнях.
Поперечні перерізи через шар WC-CoCr, виготовлені з використанням HVOF-ID (Зображення: W. Tillmann)
Для розробки досліджували порошки типу WC-CoCr 86-10-4 (-15 + 5 мкм) із середнім розміром частинок WC 400 нм з урахуванням отриманих властивостей покриття. Різні налаштування параметрів процесу та їх взаємодія на мікроструктурні властивості та ефективність розділення розглядались як параметри для процесу лиття під тиском. Для використовуваної системи HVOF-ID та вихідної сировини WC-CoCr найменший внутрішній діаметр, що покривається, становить 171,6 мм. Отримані результати дозволяють оптимізувати властивості покриття для задоволення різних вимог до поверхні. Крім того, система розпилення може бути оптимізована для виробництва щільних покриттів з пористістю близько 1%.
(В. Тілманн, К. Шаак, Л. Хаген, М. Ділдроп)
Термоіндуковані морфологічні зміни в дротяних розпилених міді та сталі
При термічному розпиленні дроту зміни механічних та теплових властивостей напилюваних матеріалів відбуваються, зокрема, завдяки введеній тепловій енергії. Це досліджується шляхом всебічної характеристики міді (Cu 98,7) та стійкої до корозії сталі (316L) шляхом температурно-залежних розтягувань, триточкових вигинів та калорійності в діапазоні температур від 293 K до 1173 K. Для цього за допомогою дугового напилення виготовляли товсті покриття.
Результати механічних випробувань показали різко знижений модуль пружності (Cu 98,7: 49%, 316L: 48%, виміряний при 293 K) термічно розпилених матеріалів порівняно з їх твердим еквівалентом. Лазерний аналіз спалаху (LFA) проводили для обох термічно розпорошених матеріалів у діапазоні температур від 373 K до 1173 K. Графіки теплової дифузійності при нагріванні показали нетипову поведінку, особливо при більш високих температурах вище 573 К, що вказує на значні та постійні зміни в морфології термічно розпорошених матеріалів. При нижчих температурах поведінка також відхиляється від твердих речовин, але не демонструє постійних змін.
Міцність (модуль Юнга) для міді та корозійно-стійкої сталі у вигляді твердого та термічно розпорошеного порошку (Зображення: Р. Вінклер)
Металографічна підготовка та рентгенологічне дослідження показали значно зменшену кількість видимих меж частинок для міді після термічної обробки при 1173 К. Форма окислених проміжних фаз змінилася на сферичну. Тому можна припустити, що відбувалися процеси спікання. Рентгенограми дифрактограм різних станів не показали змін фазового складу. Для термічно розпорошеного 316L металографічна підготовка та рентгенівський аналіз показали значну зміну фази після термічної обробки при 1173 K.
(Р. Вінклер, Е. Саборовський, Г. Пачковський, Т. Лампке)