Uticaj brzine dovoda praha na svojstva plazma naprskane hromkarbid 25% nikal hrom prevlake - Mrdak, Mihailo R. (Vojnotehnički glasnik / Military Technical Courier, 2013)
Plazma-sprej postupak je vodeća tehnologija deponovanja praha u cilju izrade prevlaka koje imaju široku primenu u avio-industriji za zaštitu novih i opravku pohabanih delova. Kermet prevlake 75Cr3C2 - 25Ni(Cr) na bazi Cr3C2 karbida imaju veliku primenu za zaštitu delova, jer zadržavaju visoke vrednosti tvrdoće, čvrstoće i otpornosti na habanje do temperature od 850°C. Ovaj rad razmatra uticaj parametara plazma-sprej depozicije praha 75Cr3C2 - 25Ni(Cr) na strukturu i mehaničke karakteristike prevlake. Prah je deponovan plazma-sprej postupkom na atmosferskom pritisku (APS). Pri izboru parametara kao plazma gas koristio se helijum, koji je inertan i ne reaguje sa prahom, proizvodi gušću plazmu sa manjim toplotnim sadržajem i manje inkorporira okolni vazduh u mlaz plazme, što smanjuje temperarturno razlaganje i dekarburizaciju karbida Cr3C2. U istraživanju su deponovane tri grupe prevlaka sa tri različite brzine dovoda praha od 30, 45 i 60 g/min. Prevlaka sa najboljim karakteristikama deponovana je na ulaznoj prirubnici dela turbo-mlaznog motora TV2-117A da bi se smanjio uticaj vibracija i habanja. Analizirane su strukture i mehaničke karakteristike 75Cr3C2 - 25Ni(Cr) prevlaka u skladu sa standardom Pratt & Whitney. Istraživanja su pokazala da brzine dovoda praha bitno utiču na mehaničke osobine i strukture75Cr3C2 - 25Ni(Cr) prevlaka. Uvod Termo-sprej prevlake pripadaju razvoju oblasti inženjerstva površina. Ove visokokvalitetne funkcionalne prevlake primenjuju se na novim delovima u baznoj industriji, kao i za renoviranje delova, uglavnom zbog svojih odličnih karakteristika, koje odlikuje visoka otpornost na habanje, eroziju, abraziju, otpornost na koroziju i otpornost prema visokim temperaturama (Berget, et al., 2007, pp.7619-7625), (Jankura,  Bačová, 2009, pp.359-366), (Mann, Arya, 2003, pp.652-667), (Monticelli, et al., 2004, pp.1225-1237), (Wheeler, Wood, 2005, pp.526-536). Kermet prevlake su kombinacija keramičkih tvrdih faza ugrađenih u žilavoj metalnoj osnovi. Cr3C2-NiCr kermet prevlake se intenzivno koriste za ublažavanje abrazionog i erozionog habanja na visokim temperaturama do 850°C (Matthews, et al., 2007, pp. 59–64), (Tillmann, et al., 2010, pp. 392–408). Prevlake Cr3C2-NiCr u odnosu na druge kermet prevlake nude veću otpornost na koroziju i oksidaciju, takođe ima visoku tačku topljenja i održavanje visoke tvrdoće, čvrstoće i otpornosti na habanje do 850°C. Primenom kermet prevlaka dobio se bolji radni vek komponenti mašina. Prevlake na bazi hrom karbida često se koriste na gasnim turbinama, parnim turbinama i vazduhoplovnim motorima da poboljšaju otpornost na klizanje, abraziono i eroziono habanje (Hillery, 1986, pp.2684-2688). Delovi na kojima se primenjuje ova prevlaka su : hidraulički cilindri i klipnjače, pločice ventila, turbinske komponente, sita i čunjevi, vretena i ventili brodskih motora, kućišta pumpi i dr. (Material Product Data Sheet, 2012, Woka 7203 Chromium Carbide – 25% Nickel Chromium Powders, DSMTS-0031.1, Sulzer Metco). U kermet prevlakama sa različitim termo-sprej procesima uočene su značajne varijacije u sastavu i mikrostrukturi usled izlaganja praha visokim temperaturama i različitim brzinama gasa u procesu (Matthews, et al., 2007, pp.59–64). U prevlakama 75Cr3C2 - 25Ni(Cr) deponovanim plazma-sprej postupkom  prisutne su čestice karbida tipa Cr3C2,Cr23C6 i Cr7C3. Fenomen značajne razgradnje čestica karbida Cr3C2 publikovan je u literaturi (Ji, et al., 2006, p.6749), (Picas, et al., 2003, pp.1095). Karbidi Cr7C3 i Cr23C6 formiraju se razgradnjom osnovnog karbida Cr3C2. Zbog razgradnje karbida Cr3C2, po standardu Pratt & Whitney prihvatljiva vrednost mikrotvrdoće prevlake 75Cr3C2 - 25Ni(Cr) je raspona 450–850 HV0.3 (Turbojet Engine – Standard Practices Manual (PN 582005), 2002, Pratt & Whitney, East Hartford, USA). Neuniformne vrednosti tvrdoće duž prevlaka prijavili su mnogi autori. Ova varijacija u vrednosti tvrdoće pripisuje se mikrostrukturnim promena duž poprečnog preseka prevlaka. Ove promene mogu biti mikrostrukturne zbog prisustva poroznosti, oksida legure Ni(Cr) kao što su: NiO, NiCr2O4, Cr2O3 i CrO3, neistopljenih i poluistopljenih česticaa u strukturi prevlaka (Brossard, et al., 2010, pp.1608-1615), (Matthews, et al., 2007, pp. 59–64), (Mrdak, 2011, pp.9 - 14). U ovom radu predstavljeni su rezultati eksperimentalnih istraživanja uticaja brzine dovoda praha (g/min) na mehanička svojstva i mikrostrukturu kermet prevlake 75Cr3C2 - 25Ni(Cr). Glavni cilj bio je da se na ulaznoj prirubnici dela turbomlaznog motora TV2-117A primeni kermet prevlaka 75Cr3C2 - 25Ni(Cr) deponovana APS – atmosferskim plazma-sprej postupokom. Urađene su tri grupe uzoraka sa vrednostima brzine dovoda praha od 30, 45 i 60 g/min. Analizirane su mehaničke karakteristike i mikrostrukture prevlaka da bi se odabrala prevlaka najboljih karakteristika. Prevlaka sa najboljim mehaničkim i strukturnim karakteristikama je testirana i homologovana na ulaznoj prirubnici dela turbomlaznog motora TV2-117A motora na ispitnoj stanici u trajanju od 45 časova u VZ "Moma Stanojlović" – Batajnica. Materijali i eksperimentalni detalji Za proizvodnju prevlaka koristio se prah firme Sulzer Metco s oznakom Woka 7203 ( Material Product Data Sheet, 2012, Woka 7203 Chromium Carbide - 25% Nickel Chromium Powders, DSMTS-0031.1, Sulzer Metco). Prah Woka sadrži 75% tvrdog hrom karbida Cr3C2 i 25% legure nikl-hrom (80%/20%). Čestice praha 75Cr3C2 - 25Ni(Cr) su sferoidizirane aglomeracijom i sinterovanjem sa rasponom granulacije čestica praha od 11 do 45 μm. Materijal substrata na kojem su deponovane prevlake za ispitivanje mikrotvrdoće i za procenu mikrostrukture u deponovanom stanju izrađen je od čelika Č.4171 (X15Cr13 EN10027) u termički neobrađenom stanju dimenzija 70x20x1,5mm (Turbojet Engine – Standard Practices Manual (PN 582005), 2002, Pratt & Whitney, East Hartford, USA). Osnove za ispitivanje čvrstoće spoja takođe su izrađene od čelika Č.4171(X15Cr13EN10027) u termički neobrađenom stanju dimenzija Ø25x50 mm (Turbojet Engine – Standard Practices Manual (PN 582005), 2002, Pratt & Whitney, East Hartford, USA). Ispitivanje mikrotvrdoće slojeva prevlaka rađeno je metodom HV0.3. Merenje je urađeno u pravcu duž lamela, u sredini i na krajevima uzorka. Urađeno je pet očitavanja na tri mesta, a u radu su prikazane minimalne i maksimalne vrednosti. Ispitivanja zatezne čvrstoće spoja vršena su na sobnoj temperaturi na hidrauličnoj opremi brzinom od 10 mm/min, za sva ispitivanja. Za svaku grupu uzoraka urađene su tri epruvete, a u radu su prikazane srednje vrednosti. Mehaničke i mikrostrukturne karakterizacije dobijenih prevlaka urađene su prema standardu Pratt & Whitney (Turbojet Engine – Standard Practices Manual (PN 582005), 2002, Pratt & Whitney, East Hartford, USA). Mikrostrukturna analiza prevlaka urađena je na svetlosnom mikroskopu, a morfologija čestica praha na SEM-u (skening elektronskom mikroskopu). Za depoziciju praha korišćen je plazma-pištolj SG -100 atmosferski plazma-sprej sistema (APS) firme Plasmadyne. Kao gas korišćen je argon u kombinaciji sa helijumom i snaga napajanja od 40 kW. Pri izboru parametara depozicije praha kao osnovni parameter uzeta je brzina dovoda praha (g/min). U ovom istraživanju urađene su tri grupe uzoraka. Kod prve grupe uzoraka brzina dovoda praha bila je 30 g/min sa protokom nosećeg gasa od 5 l/min, kod druge grupe uzoraka ova brzina bila je 45 g/min sa protokom nosećeg gasa od 6 l/min, a kod treće grupe uzoraka 60 g/min sa protokom nosećeg gasa od 7 l/min. Ostali parametri deponovanja praha imali su sledeće vrednosti: plazma-struja 700 A, napon luka 36 V, protok primarnog gasa (Ar) 47 l/min, protok sekundarnog gasa (He) 12 l/min, i odstojanje mlaza plazme 100 mm od supstrata. Prevlake su formirane sa debljinama do 0,2 mm. Rezultati i diskusija Brzina dovoda praha bitno utiče na vrednosti mikrotvrdoće deponovanih slojeva, koja mora da bude optimalna da bi se obezbedilo potpuno topljenje čestica praha i na minimum smanjio procenat neistopljenih čestica, pora i oksida u slojevima prevlake. Mikrostrukturne promene uzrokovane su prisustvom poroznosti, neistopljenih čestice, oksida legure Ni(Cr) i razgrađenih karbida u strukturi prevlaka, što su potvrdila metalografska ispitivanja slojeva prevlaka. Slojevi deponovani brzinom dovoda praha od 45g/min imaju vrednosti mikrotvrdoće od  670-845HV0.3 koje su u skladu sa vrednostima (450–850 HV0.3) koje propisuje standard Pratt & Whitney(Turbojet Engine – Standard Practices Manual (PN 582005), 2002, Pratt & Whitney, East Hartford, USA). Ti slojevi su pokazali najgušću i najbolju mikrostrukturu, što su potvrdila metalografska ispitivanja prevlaka. Zatezna čvrstoća spoja je, kao i mikrotvrdoća, u direktnoj vezi sa brzinom dovoda praha, prisustva pora, neistopljenih čestica i međulamelarnih oksida. Najveću vrednost zatezne čvrstoće spoja od 47MPa pokazali su slojevi, koji su deponovani sa brzinom dovoda praha od 45 g/min. Ti slojevi u mikrostrukturi nisu imali grube pore, neistopljene čestice i poluistopljene čestice. Pošto je prisustvo pora, neistopljenih čestica i oksida u direktnoj vezi sa vrednostima čvrstoće spoja prevlaka, to izmerene vrednosti za prevlaku deponovanu sa brzinom dovoda praha od 45g/min Ukazuje na to da je njihov udeo najmanji u ovoj prevlaci. Kvalitativna analiza deponovanih 75Cr3C2-25Ni(Cr) slojeva pokazala je da je na interfejsu supstrat/prevlaka zanamarljiv udeo čestica korunda Al2O3 od hrapavljenja. Duž interfejsa između substrata i prevlake nisu prisutne mikropukotine i makropukotine. Veza prevlake sa substratom je uniformna bez odvajanja slojeva prevlake sa substrata. Slojevi prevlake su deponovani kontinualno bez prisustva mikropukotina i makropukotina. Prevlaka deponovana sa brzinom dovoda praha 45g/min, koja ima najbolje mehaničke karakteristike pokazuje lamelarnu strukturu sa dobrim interlamelarnim vezivanjem. Dobro međulamelarno vezivanje lamela u depozitu povećava vrednosti mikrotvrdoće i žilavost loma, što su potvrdila mehanička ispitivanja prevlaka. Unutrašnji slojevi prevlake su bez prisutnih mikroprskotina i makroprskotina. U slojevima prevlake ne uočavaju se neistopljene čestice i grube pore, što govori o dobroj istopljenosti čestica i dobrom razlivanju čestica tokom procesa nanošenja na metalnu osnovu. Mikrostruktura prevlake je slojevita sa podužnim lamelama karbida Cr23C6 i Cr7C3 svetlosive boje u kojima se nalaze dispergovani karbidi Cr3C2 tamnosive boje. U slojevima prevlake prisutne su fine mikropore crne boje, kao i tanki slojevi oksida NiO, NiCr2O4 i Cr2O3 svetlosive boje. Oksidni slojevi su posledica inkorporiranja vazduha u mlaz plazme i oksidacije legure Ni(Cr) tokom depozicije, tj. neizbežna su posledica primenom plazma-sprej postupka u atmosferskim uslovima. U svetlosivoj zoni karbida Cr23C6 i Cr7C3 jasno se vide svetlobele lamele legure Ni(Cr). Zaključak Atmosferskim plazma-sprej postupkom (APS) deponovane su prevlake 75Cr3C2-25Ni(Cr) sa tri brzine dovoda praha 30, 45 i 60g/min. U radu su analizirane mehaničke karakteristike deponovanih slojeva i mikrostrukture na svetlosnom mikroskopu. Morfologija čestica praha ispitana je na (SEM) skening elektronskom mikroskopu. Na osnovu izvršenih analiza došlo se do određenih zaključaka. Morfologije aglomerisanih čestica praha 75Cr3C2 - 25Ni(Cr) su sfernog oblika koje se sastoje od sinterovanih čestica karbida Cr3C2 i čestica legure 25Ni(Cr). Vrednosti mikrotvrdoće i čvrstoće spoja deponovanih slojeva bili su u direktnoj vezi sa brzinama dovoda praha (g/min). Slojevi deponovani sa brzinom dovoda praha 45g/min imali su najveće vrednosti mikrotvrdoće 670-845HV0.3 i zatezne čvrstoće spoja 47MPa, koje su u granicama od 450 do 850 HV0.3 i min 35MPa koje su propisane standardom  Pratt & Whitney. Vrednosti mikrotvrdoće i zatezne čvrstoće spoja bile su u korelaciji sa njihovim mikrostrukturama. Struktura deponovanih prevlake 75Cr3C2 - 25Ni(Cr) je lamelarna. U svim prevlakama su prisutne mikropore crne boje. Slojevi deponovani sa brzinom dovoda praha 45 g/min nisu imali grube mikropore u mikrostrukturi. Ti slojevi imali su najbolju mikrostrukturu. U njima nisu prisutne neistopljene čestice praha, precipitati i interlamelarne pore. Mikrostruktura prevlake je slojevita sa podužnim lamelama karbida. Svetlosiva polja su karbidi tipa Cr23C6 i Cr7C3 nastali razgradnjom primarnog karbida Cr3C2. U svetlosivim poljima karbida Cr23C6 i Cr7C3 prisutna je dispergovana faza primarnog nerazgrađenog karbida Cr3C2 tamnosive boje. U svetlosivoj zoni karbida Cr23C6 i Cr7C3 prisutne su svetlobele lamele legure Ni(Cr). U slojevima prevlake prisutni su i tanki slojevi oksida NiO, NiCr2O4 i Cr2O3 svetlosive boje. Oksidni slojevi su posledica inkorporiranja vazduha u mlaz plazme i oksidacije legure Ni(Cr) tokom depozicije praha. Prevlaka deponovana sa brzinom dovoda praha 45 g/min, koja je pokazala najbolje mikrostrukture i mehanička svojstva testirana je i homologovana na ulaznoj prirubnici dela turbomlaznog motora TV2-117A na ispitnoj stanici u trajanju od 45 časova u VZ "Moma Stanojlović" – Batajnica.
Keywords: property||; ||osobine; powders||; ||prah; Plasmas||; ||plazma; feed rate||; ||brzina dovoda; Coatings||; ||prevlaka; Chromium||; ||hrom