zelazowo aluminiowe intermetaliczne systemy powlokowe uzyskiwane z nadzwiekowego strumienia metalizacyjnego.pdf

(5944 KB) Pobierz
Rozdział 6
Elementarne mechanizmy formowania
wielofazowej struktury powłoki typu Fe-Al
w warunkach natryskiwania detonacyjnego
Specyficzne cechy formowania struktury powłok ochronnych z wykorzystaniem
obydwu rozpatrywanych technologii gazotermicznej metalizacji naddźwiękowej
DGS oraz HVOF, to bardzo duża energia kinetyczna i zróżnicowana energia ciepl-
na (w zależności od zastosowanej metody i parametrów natryskiwania), skumulo-
wane w dwufazowym (gazowo-proszkowym) strumieniu metalizacyjnym . Efektem
takich uwarunkowań procesu natryskiwania jest duże odkształcenie objętościowe
cząstek proszku ogrzanych do temperatury ich przetopienia (HVOF
1
) lub bliskiej
przetopienia (stan
mięknienia cząstek materiału powłokowego typowy dla
DGS) i ude-
rzających, w zależności od etapu procesu natryskiwania, w podłoże lub też w sekwen-
cyjnie formowane warstwy materiału powłokowego . Sprzyja to tworzeniu z natury
niejednorodnej, wielofazowej struktury systemu powłokowego stanowiącej swo-
istego rodzaju kompozyt in situ ze względu na złożoność budowy fazowej, a przede
wszystkim znaczny udział błonek tlenkowych tworzących się immanentnie w wa-
runkach natryskiwania oraz obecność mikroporów, istotnych pomimo faktu, że ich
udział przy dobrze dobranych parametrach nie przekracza 1% [PW:
292, 314]
oraz
[282, 326, 330, 337, 340] .
Jak już wykazano w podrozdziałach
5.2 do 5.6
o przebiegu procesu gazotermicz-
nej metalizacji naddźwiękowej metodą detonacyjną decyduje charakterystyka ener-
getyczna produktów strumienia metalizacyjnego, tj . jego temperatura, prędkość
i ciśnienie gazów ze spalanej mieszaniny paliwowo-tlenowej . Produkty gazowe, od-
działując w bardzo krótkim czasie na cząstki proszku, stanowią o zmianie ich wła-
ściwości fizykochemicznych i mechanicznych . Zmiana ta wynika zarówno ze stopnia
ogrzania cząstek, jak i stanu ich odkształcenia plastycznego . Podczas transportu
materiału proszkowego w strumieniu gorących produktów detonacji poszczególne
cząstki mogą (zależnie od stopnia ich ogrzania i właściwości proszku), podlegać prze-
mianom fazowym, zmiękczeniu, nadtapianiu i/lub nawet przetopieniu, parowaniu
W procesie HVOF, przy ciągłym spalaniu paliwowo-tlenowej mieszaniny gazowej, przetapianie
cząstek proszku jest typowym stanem dla „klasycznych” materiałów powłokowych, co jednak – jak
pokazują wyniki badań prezentowane w podrozdz . 5 .8 – nie przekłada się jednoznacznie na stan czą-
stek proszkowego materiału powłokowego FeAl pozostającego na granicy mięknienie/przetopienie .
1
153
Rozdział 6
i sferoidyzacji, rozpadowi lub koagulacji przy zderzeniu z twardym podłożem, a także
utlenianiu czy nawet wręcz spaleniu w przypadku wystąpienia reakcji egzotermicz-
nej [PW
314] .
Należy zauważyć, iż dynamika zjawisk termo-gazo-kinetycznych to-
warzyszących detonacji gazowej, którą autor przedstawił w podrozdziałach
5.4 ÷ 5.7,
stwarza możliwość wyraźnego zróżnicowania przebiegu procesu ogrzewania się czą-
stek w warunkach natryskiwania DGS, a także HVOF (podrozdział
5.8) .
Silna zależ-
ność przebiegu zjawisk fizycznych od morfologii cząstek proszku, w tym od proporcji
ich rozmiaru liniowego do powierzchni i do objętości sprawia, iż większość z wy-
mienionych wyżej zjawisk występuje równocześnie . Możliwość taka jest szczególnie
realna dla cząstek wykazujących skrajne wartości parametrów rozkładu granulome-
trycznego, gdyż parametry te warunkują przestrzenne usytuowanie cząstek w prze-
wodzie lufy działa detonacyjnego, a tym samym i stopień ich ogrzania . Zatem opis
procesu formowania pojedynczej podwarstwy powłoki w każdym jednostkowym
cyklu roboczym wymaga kompleksowej analizy co najmniej kilku zjawisk, związa-
nych z mechanizmem odkształcenia i umocnienia struktury intermetalicznej powło-
ki, dziedziczeniem przez nią fazy tlenkowej z materiału proszkowego oraz zakresem
przemian fazowych i stopniem utleniania struktury, a także formowaniem porów
w warunkach procesu DGS .
W świetle przedstawionych powyżej uwarunkowań, podejmując próbę opisania
elementarnych mechanizmów formowania struktury powłoki intermetalicznej typu
Fe-Al, przeprowadzono kompleksowe badania: struktury geometrycznej powierzch-
ni powłoki, porowatości w określonych strefach jej objętości, budowy fazowej, mikro-
tekstury morfologicznej i krystalograficznej, a także dziedziczenia nadstruktury FeAl
z cząstek proszku, z uwzględnieniem mechanizmów umacniania struktury powłoki
oraz ewolucji stopnia jej utlenienia i tworzenia się ceramiki tlenkowej in situ w okre-
ślonych warunkach procesu DGS .
Próby modelowego opisu elementarnych mechanizmów formowania intermeta-
licznej powłoki ochronnej bazującej na aluminkach żelaza – natryskiwanej z nad-
dźwiękowego strumienia metalizacyjnego – skłoniły autora do realizacji dwóch
cząstkowych eksperymentów wspomagających .
Celem pierwszego – polegającego na skierowaniu strumienia metalizacyjnego na
lustro wody, była przede wszystkim próba wyodrębnienia dwufazowego strumienia
metalizacyjnego (oddzielenia
go w powtarzanym cyklicznie procesie DGS)
– od chwili
jego wygenerowania, poprzez propagację, aż do zderzenia z lustrem wody . Takie po-
dejście, stanowi eksperymentalną ocenę wpływu wyznaczonych wcześniej modelo-
wo parametrów termo-gazo-kinetycznych gazowego strumienia detonacyjnego na
geometrię i stan warstwy wierzchniej poszczególnych cząstek proszku – w fazie ich
dolotu do przeszkody, a także na budowę ziarnową oraz jednorodność chemiczną
i fazową ich struktury .
154
Kup książkę
Elementarne mechanizmy formowania wielofazowej struktury powłoki tupu Fe-Al w warunkach…
Drugi eksperyment – wytworzenia modelowej powłoki stacjonarnej (natryskiwa-
nej bez względnego przemieszczenia działa detonacyjnego i podłoża), miał przede
wszystkim na celu ocenę jednorodności przestrzennej rozkładu cząstek materiału
powłokowego w strumieniu, gdyż parametr ten oddziałuje pośrednio na przebieg
i efekty większości zjawisk towarzyszących formowaniu powłoki .
6.1. Stabilność cech materiałowych intermetalicznej cząstki proszku
FeAl w modelowej próbie natryskiwania DGS „do wody”
Rozważania na temat dziedziczenia składu chemicznego (fazowego) ziaren
w strukturze powłoki FeAl oraz ewolucji stopnia ich utlenienia zachodzącego przy
zbilansowanych wcześniej warunkach procesu DGS, poprzedzono oceną porów-
nawczą morfologii i budowy fazowej ziaren w cząstkach proszku, przed ich trans-
formacją w procesie DGS, jak i po natryskaniu do wody – zgodnie z eksperymentem
autora, opisanym w podrozdziale
5.7 .
Standardową analizę wyników badań morfologii, stanu warstwy wierzchniej, skła-
du chemicznego (EDS) oraz budowy fazowej (XRD) i stopnia utlenienia materiału
cząstek proszku FeAl (B2) wytworzonego metodą VIGA, przedstawiono w podroz-
dziale 3.2.2 .
Szczegółową weryfikację budowy strukturalnej cząstek tego proszku,
zarówno w stanie wyjściowym (po dostawie) oraz po natryskaniu do wody, wyko-
nano metodą dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych (EBSD), dokonując oce-
ny morfologii i budowy fazowej ziaren oraz analizy stanu ich granic, ocenianego na
podstawie stopnia dezorientacji krystalograficznej pomiędzy ziarnami fazy FeAl .
Przykładową mikrostrukturę SEM (BSE) reprezentatywnych cząstek oraz odpowia-
dające jej obrazy FSE z wybranego do analizy EBSD obszaru na przekroju poprzecz-
nym cząstki, przedstawiono na rys . 6 .1 .1 .
Obrazy FSE (rys . 6 .1 .1b, d) z nałożeniem wyróżnionych granic ziaren szero-
ko i wąskokątowych rozpoznanych dyfrakcyjnie z użyciem detektora EBSD, wy-
kazują względnie równoosiowe ziarna o dość zróżnicowanej wielkości, zarówno
dla cząstek wyjściowych, jak i cząstek natryskanych do wody (rys . 6 .1 .2) . Współ-
czynnik kształtu α analizowanych ziaren jest na podobnym poziomie o warto-
ści α = 0,81 ± 0,11 .
Uzyskane histogramy wielkości co najmniej 10 tys . ziaren badanych na prze-
krojach poprzecznych 50-ciu losowo wybranych cząstek każdego stanu proszku
(rys . 6 .1 .2b, d) wykazują, że:
– średnia średnica ekwiwalentna ziaren (ECD) w cząstkach VIGA od dostaw-
cy wynosi 13,6 µm z odchyleniem standardowym 3,6 µm, co świadczy o ok .
30% zmienności wymiarowej ziaren formowanych w cząstkach proszku roz-
pylanego w argonie,
155
Kup książkę
Rozdział 6
– znacznie większe rozdrobnienie i zmienność wymiarową ziaren (o współczyn-
niku zmienności średnicy ekwiwalentnej > 50%) wykazują cząstki natryska-
ne DGS do wody, dla których wartość średnia średnicy ekwiwalentnej ziaren
(ECD) wynosi 8,7 µm, z odchyleniem standardowym 4,5 µm .
a)
b)
c)
d)
Rys . 6 .1 .1 . Przykładowa mikrostruktura SEM – BSE (a, c) oraz obrazy FSE (b, d) z nałożeniem
granic ziaren rozpoznanych dyfrakcyjnie z użyciem detektora EBSD, na przekroju poprzecznym
cząstek proszku typu VIGA w stanie od producenta (a, b) oraz po natryskaniu DGS do wody
(c, d) – pokazano pełne przekroje analizowanych cząstek
156
Kup książkę
Elementarne mechanizmy formowania wielofazowej struktury powłoki tupu Fe-Al w warunkach…
a)
b)
c)
d)
Rys . 6 .1 .2 . Rozkład wielkości ziaren na przekrojach poprzecznych cząstek proszku w stanie od
producenta (a, b) oraz po natryskaniu DGS do wody (c, d) – na podstawie analizy EBSD dla re-
prezentatywnej liczby 50-ciu cząstek proszku danego stanu (realnie powyżej 10 tys . ziaren na
stan – po pominięciu „artefaktów”)
W opinii autora monografii jest to ewidentnie bezpośredni i silny dowód prze-
budowy konfiguracji granic ziaren w wyniku dynamicznej rekrystalizacji ziaren
w cząstkach podczas ich silnego ogrzania w trakcie dolotu, odkształcenia postacio-
wego na gorąco w zderzeniu z lustrem wody i zamrożenia uzyskanego stanu struktu-
ry . Taka przebudowa struktury polikrystalicznej cząstki ma miejsce pomimo faktu,
że lustro wody jest względnie mało sztywną przeszkodą i przejście cząstki przez gra-
nicę ośrodków nie wywołuje znaczącej zmiany kształtu cząstki (rys . 6 .1 .1) – szcze-
gólnie nie powoduje jej przejścia do postaci splatu, typowej po uderzeniu cząstki
w metaliczne podłoże lub w poprzedzającą podwarstwę powłoki ochronnej . Do-
konując weryfikacji budowy fazowej oraz zmian wzajemnej orientacji krystalogra-
ficznej sąsiadujących ziaren w cząstkach proszku od dostawcy, w badaniach EBSD
stwierdzono (rys . 6 .1 .3), że mają one jednofazową budowę odpowiadającą fazie
FeAl, bez wyraźnie wykształconej tekstury krystalograficznej ziaren (brak jedno-
znacznie uprzywilejowanych płaszczyzn krystalograficznych zorientowanych rów-
nolegle do płaszczyzny obserwacji – zgodnie z kolorystyką trójkąta podstawowego
157
Kup książkę

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin