ALIEREA SUPERFICIALĂ A TITANULUI CU CARBURA DE WOLFRAM, UTILIZÂND IRADIEREA CU FASCICUL DE ELECTRONI [305388]

ALIEREA SUPERFICIALĂ A [anonimizat](piese si organe de masini),[anonimizat] a [anonimizat] „aliaje ușoare”, cum ar fi cele de aluminiu și de titan.

[anonimizat], acest fapt reprezentând o bariera severa la folosirea lor în aplicații tribologice.

TRIBOLOGÍE s.f. [anonimizat]; știința frecării. [Gen. -iei. / < engl. tribology, cf. gr. tribein – a freca, logos – știință].

Fabricarea filmelor subtiri cu ajutorul nanotehnologiilor ofera posibilitati de a [anonimizat]. Deosebit de avantajoasa este combinarea proprietăților materialului de bază (ex. [anonimizat]),[anonimizat]-zistentă la uzura și coroziune ale stratului de depunere.O varietate mare de tehnici de inginerie a suprafețelor au fost aplicate în scopul îmbunătățirii proprietăților tribologice ale titanului. [anonimizat]-ser. Țelul comun al acestor procedee este de a [anonimizat] (TiN), nitruri de crom (CrN), diamant, boruri (TiB) și carburi (TiC) [anonimizat] (ZrN) etc.

[anonimizat]. [anonimizat]-[anonimizat].

În ciuda numeroaselor metode de inginerie a suprafețelor, [anonimizat]: porozitate, [anonimizat], tensiuni reziduale ridicate și timpi mari de prelucrare. [anonimizat] a straturilor depuse prin pulverizare termică și adeziunea redusă dintre lamele pot avea consecințe negative asupra adeziunii stratului în timpul exploatării.

[anonimizat]-pra comportamentului la coroziune. De aceea,s-a [anonimizat] a straturilor de acoperire.

[anonimizat], adâncimea de pătrundere și condițiile de lucru.

Lucrarea abordată contribuie la efortul de a realiza straturile de acoperire cu coeficienți reduși de frecare si rezistență mare la uzura. [anonimizat]-cicul de electroni.

CAPITOLUL 1 – [anonimizat]. Acesta prezintă două stări polimorfe: o fază alpha (α) cu structură hexagonală și o fază beta (β) cu structură cubică cu volum centrat. Aliajele pe bază de titan se pot împărți în 3 mari grupe și anume: aliaje alpha, aliaje alpha-beta și aliaje beta. Alegerea elementelor de aliere este deter-minată de capabilitatea acestora de a stabiliza fie faza alpha, fie faza beta, având astfel elemente alpha stabilizatoare, elemente neutre și elemente beta stabilizatoare. Titanul și aliajele acestuia sunt caracterizate de densități foarte scazute (aprox. 60% din densitatea oțelului), raport rezisten-ță la rupere per masă specifică foarte ridicat, o excelentă rezistență la coroziune și bune proprie-tati criogenice.

Aceste proprietăți au dus la creșterea utilizării titanului în industria aero-spațială în apli-cații cum ar fi turboreactoare, trenuri de aterizare, rezervoare, capuri rotative și in industria cons-tructoare de mașini ca valve, arcuri, pistoane și alte numeroase aplicații.

Aliajele de titan prezintă totusi mari dezavantaje cum ar fi rezistență scazută la oboseală și la uzura abrazivă, iar pentru a profita pe deplin de proprietățile acestor aliaje în aplicații tribo-logice este necesară creșterea durității suprafeței, reducând astfel coeficienții de frecare și tendin-ța de transfer de material. Cele mai întâlnite procedee de inginerie a suprefeței aliajelor de titan cuprind: implantare de ioni, tratamente termochimice,placare, tratamente cu laser și straturi de-puse prin pulverizare termică, acestea prezentând unele neajunsuri cum ar fi grosimi mici de strat, porozitate ridicată si tensiuni reziduale ridicate.

Lucrarea de fata combina proprietățile anticorozive ale titanului cu cele de antiuzura ale straturilor de acoperire, reducerea coeficienților de frecare, finisarea structurii straturilor prin eli-minarea incluziunilor de oxizi si a porozității și îmbunătățirea adeziunii stratului la substrat prin alierea suprafeței titanului cu pulbere pe bază de carbură de wolfram, folosind iradierea cu fasciul de electroni.

CAPITOLUL 2 – PROGRAMUL LUCRĂRILOR EXPERIMENTALE

TIKRUTAN RT 12 de la ThyssenKrupp Titanium a fost folosit ca material de bază în ca-drul programului experimental. Compoziția chimică este prezentata in tabelul1.

Tabel 1. Compoziția chimică a materialului de bază, TIKRUTAN RT 12

Pulberea de carbură de wolfram folosită a fost WC-CoCr 86104 de la Thermico GmbH& Ko. Aceasta este caracterizată de temperaturi de topire foarte ridicate, duritate mare și stabilitate la temperaturi înalte.

Figura 1. Imagine MEB a pulberii de WC-CoCr 86104

După efectuarea analizei de difracție cu raze X au fost identificate carbură de wolfram, carbură de crom-wolfram si cobalt.

Figura 2. Spectrul de difracție cu raze X al pulberii WC-CoCr 84106

Pulberea de carbură de wolfram în matrice de cobalt – crom a fost depusă prin pulverize-re termică în flacără, cu viteză supersonică (HVOF).

Figura 3. Principiul pulverizării termice în flacără cu viteză supersonică

Procedeul folosește un amestec de combustibil gazos sau lichid, alimentate continuu într-o cameră de combustie. Materialul de acoperire sub formă de pulbere este injectat în fluxul de gaz unde are loc topirea partială a acestuia și proiectarea cu viteze foarte ridicate pe suprafața materi-alului ce urmează a fi acoperit.

Pentru depunere pulberii pe bază de carbură de wolfram a fost folosit un debit de kerosen de 21l/h si 20 l/min azot. Procesul a fost realizat în 13 treceri la o distanță de lucru de 350 mm.

Figura 4. Calitatea straturilor depuse: stratul de WC-CoCr 86104

În cazul stratului de carbură de wolfram se poate vedea că acesta prezintă incluziuni de o-xizi și un grad ridicat de porozitate.

CAPITOLUL 3 – PROCESUL DE RETOPIRE CU FASCICUL DE ELEC-TRONI A STRATURILOR DEPUSE

Dezavantajele anterior menționate ale straturilor depuse pot fi eliminate prin procesul de retopire cu fascicul de electroni.

Figura 5. Etapele procesului de retopire cu fascicul de electroni

Procesul de retopire constă în iradierea stratului depus cu un fascicul de electroni. Suprafața atinge foarte repede temperatura de topire și o interfață lichid-solid începe să avanseze în strat către substrat. Interfața lichid-solid avansează până când are loc fenomenul de interdifu-zie între strat și substrat. Procesul de resolidificare are loc cu viteze foarte ridicate și avansează către suprafață, având ca rezultat o zonă aliată între materialul de bază și stratul depus.

3.1. RETOPIREA STRATULUI DE WC-CoCr 86104

Parametrii de proces folosiți la retopirea stratului de carburi de wolfram sunt prezentați în tabelul 2.

Tabel 2. Parametrii de retopire ai stratului de WC-CoCr 86104

Procesul a fost desfășurat la un voltaj constant de 60 kV, variind intensitatea curentului între 20 și 55 mA și viteza de retopire între 2,5 – 20 mm/s. De asemenea, au fost folosite două moduri de distribuție a energiei de proces, și anume sub formă de linie și sub formă de câmp.

Figura 6. Adâncimile de retopire ale probelor TiWC

Micrografiile MEB din figura 6, ilustrează adâncimile de retopire ale suprafețelor de titan aliate cu pulbere de carbură de wolfram. Acestea au valori de aproximativ 800 respectiv 1000 μm la folosirea unei distribuții liniare a energiei de proces. Prin folosirea unei distribuții sub for-mă de câmp a energiei de proces se poate observa o reducere moderata a adâncimii de patrundere la valori de 730 μm respectiv 870 μm.

Figura 7 Microstructura zonelor aliate TiWC

Imaginile microscopice din figura 7, arată o structură dendritică și arborescenta a zonelor aliate. Analiza EDX (fig. 8) arată că faza cea mai deschisă este formată din titan și wolfram,faza dendritică este constituită din titan și carbon, iar analiza fazei gri arată că aceasta conține titan, cobalt și crom.

Figura 8. Analiza de spectroscopie cu energie dispersiva a fazelor probelor TiWC

Corelând analizele EDX cu spectrele de difracție cu raze X se poate afirma că structura zonei aliate este formată din carburi sferice și dendritice de titan, crom-titan, crom-wolfram și cobalt-titan,figura 9.

Figura 9. Spectrele de difracție cu raze X ale suprafețelor aliate TiWC

Din tabelul 3 se poate observa că raportul dintre fazele noi formate este puternic influen-țat de parametrii de proces. Energii ridicate, ce implică o contribuție mai pronunțată a subtra-tului, încurajează formarea unei cantități mai mari de crom-titan. De asemenea, folosirea unei distribuții sub formă de câmp a energiei de proces duce la formarea unor procente mai mari de cobalt-titan în zona aliată.

Tabel 3. Compoziția fazică a probelor TiWC

3.2. PROPRIETĂȚILE SUPRAFEȚELOR ALIATE

Microduritatea suprafețelor de titan aliate cu pulbere de carbură de wolfram (TiWC).

Gradienții de duritate ai suprafețelor de titan aliate cu pulbere pe bază de carbură de wol-fram sunt prezentati in figura 10.

Figura 10. Gradienții de duritate ai probelor TiWC

Suprafețele de titan aliate cu carburi de wolfram au valori ale durității cuprinse între 634 și 748 HV 0,3 la suprafața, care scad până la aproximativ 350 HV 0,3 spre interfață. Valorile ridicate ale durității (fig.11) sunt atribuite prezenței fazei dure de carbură de titan in zona aliată.

Figura 11. Duritatea probelor TiWC

3.3. COEFICIENȚII DE FRECARE AI SUPRAFEȚELOR ALIATE

Coeficienții de frecare ai suprafețelor aliate au fost determinați cu ajutorul aparatului pin-on-disc, prin măsurarea deflecției brațului elastic. În figura 12. este ilustrat coeficientul de freca-re al materialului de bază.

Figura 12. Coeficientul de frecare al materialului de bază

Coeficienții de frecare ai suprafețelor de titan aliate cu pulbere de carbură de wolfram sunt prezentați in figura 13.

Figura 13 Coeficienții de frecare ai probelor TiWC

Măsuratorile ilustrate în figura 13 arată ca suprafețele de titan aliate cu pulbere pe bază de carbură de wolfram manifestă coeficienți de frecare mult mai reduși decât al materialului de bază, probele TiWC2.3 si TiWC2.6 având valori ale coeficienților defrecare cu aproximativ 50% mai mici. Valorile minime, medii și maxime ale coeficiențilorde frecare sunt prezentate în tabelul 4.

Tabelul 4. Coeficienții de frecare ai probelor TiWC

3.4. RATA DE UZARE A SUPRAFEȚELOR ALIATE

Ratele de uzare ale probelor au fost determinate cu ajutorul aparatului pin-on-disc testând probele pe o distanță de 1000 m, cu o viteză de 20 cm/min sub o sarcină de 5 N împotriva unei

bile de WC-Co. Pentru calcularea ratelor de uzare au fost necesare dimensiunile urmelor de uzare și a calotei uzate a bilei.

K=V/L*d (Ec. 1)

V=2Πr*A (Ec. 2)

(Ec. 3)

(Ec. 4)

Unde: K – rata de uzare;

V – volumul de material uzat;

L – sarcina aplicată;

d – distanța de testare;

A – aria urmei uzare;

h,s – înăltimea și lățimea urmei uzate

3.5. RATELE DE UZARE ALE PROBELOR TIWC

Un exemplu al determinării dimensiuniilor urmei de uzare al suprafețelor de titan aliate cu pulbere de carbură de wolfram, precum și măsurarea calotei de uzare a bilei este ilustrat in fi-gura 14, pentru proba TiWC2.3.

Figura 14. Măsurarea urmei de uzare și a calotei uzate a bilei pentru proba TiWC2.3

Rezultatele măsurătorilor determinării ratelor de uzare expuse în tabelul 5 arată ca coefi-cienții de frecare mai reduși ai probelor TiWC au condus la o uzare mai mică în adancimea zonei aliate, în cazul probei TiWC2.4 înregistrându-se adâncimi de uzare mici de până la 9 μm. Acest lucru, însă, a provocat pierderi de material pe suprafața probei, lucru confirmat și de suprafața la-tă de contact dintre probă și bila de testare.

Tabel 5. Măsurători pentru determinarea ratelor de uzare ale probelor TiWC

Comportamentul îmbunătățit la uzare al probelor aliate cu carbura de wolfram observat în histograma din figura 15 este conferit de formarea fazelor cubice de crom-titan,cobalt-titan, titan wolfram și în special carburi de titan în zona aliată. Proba TiWC2.3,care posedă cele mai ridicate valori de duritate și cel mai mare conținut de carburi de wolfram afișează un comportament ușor mai bun în testele de uzare, în timp ce probele TiWC2.5 și TiWC2.6, caracterizate de un conținut ridicat de cobalt-titan posedă rate de uzare mai ridicate.

Figura 15. Ratele de uzare ale probelor TiWC

3.6. COMPORTAMENTUL LA COROZIUNE AL SUPRAFEȚELOR ALIATE

Comportamentul la coroziune al suprafețelor aliate a fost investigat prin testare la electro-coroziune în soluție 1M H2SO4. Un electrod de calomel a fost folosit ca electrod de referință, un electrod de platină ca electrod auxiliar, iar proba a reprezentat electrodul de lucru. Probele au

fost polarizate într-un interval de curent cuprins între -1500 + 1500 mV aplicați între electrodul de lucru si calomel și s-a măsurat rata de coroziune i, exprimată prin densitatea de curent.

Rezultatele testului de electrocoroziune al suprațetelor de titan aliate cu pulbere de carbu-ră de wolfram arată o deplasare a potentialului de coroziune de la -576 la -120 mV, și o creștere a densității de curent până la valori de 0,99 μA/cm².

Figura 16. Curbele de polarizare ale probelor TiWC

Tabel 6. Date electrochimice ale probelor TiWC

Deși probele nu prezintă diferențe majore în ceea ce privește comportamentul la coroziu-ne, ratele mai mici de coroziune ale probelor TiWC2.5 și TiWC2.6 pot fi atribuite conținutului mai mare de cobalt-titan in zona aliată.

Tensiunile reziduale ale suprafețelor aliate au fost determinate cu ajutorul timbrelor ten-sometrice. Investigațiile au fost desfașurate pe adâncimi cuprinse între 0,5 –1,0 mm, în funcție de adâncimea zonelor aliate, iar tensiunile au fost calculate prin metoda integrală.

În cazul probelor aliate cu carbură de wolfram, proba TiWC2.3 prezintă tensiuni de com-presiune de -950 N/mm² în primii 0,2 mm unde tensiunile își schimbă semnul. Magnitudinea ten-siunilor reziduale de compresiune în probele TiWC2.4 și TiWC2.5 ating valori de 300 respectiv 500 N/mm² până la o adâncime de 0,3 mm, iar proba TiWC2.6 posedă tensiuni reziduale de va-lori joase, care cresc spre interfață.

Tensiunile reziduale ale probelor TiWC sunt ilustrate in figura 17.

Figura 17. Tensiunile reziduale ale probelor TiWC

.

CAPITOLUL 4 – CONCLUZII

Procesul de aliere superficiala a suprafeței titanului cu pulbere de carburi de wolfram a fost posibilă într-un domeniu restrâns al energiei de proces, de la 300 la 330 Ws/mm .

_ structura microscopică a zonei aliate este formată din carburi de titan (TiC) distribuite în fazele de crom – titan (CrTi4), titan – wolfram (TiW) si cobalt – titan (CoTi2) ;

_ suprafața aliată prezintă o duritate marită cu valori până la 748 HV 0.3 și o rezistență superioa-ră la uzare, atribuite fazei dure de carbură de titan (TiC). De asemenea, s-a observat că formarea fazei de cobalt – titan (CoTi2) a dus la scăderea coeficientului de frecare până la valori de 0,365 ;

_ procesul de aliere a dus la o creștere a ratei de coroziune pentru probele TiWC;

-masurătorile pentru determinarea tensiunilor reziduale au arătat că suprafețele de titan aliate cu pulbere de carburi de wolfram (TiWC) posedă tensiuni reziduale de compresiune, care pot duce la creșterea rezistenței la oboseală a materialului;

-suprafețele de titan aliate cu pulbere de carburi de wolfram în matrice de cobalt-crom, folosind o geometrie sub formă de linie a fasciculului de electroni prezintă cel mai bun comportament în testele pin-on-disc, dovedindu-se a fi cea mai bună soluție în aplicații de uzură.

BIBLIOGRAFIE

C. Pogan, I. Secosan, I. Mitelea, W. Brandl, „Surface alloying of titanium with tungsten carbide powder using electron beam irradiation”, forwarded for publishing.

I. Mitelea, D. Uțu, C. Pogan, “The effect of process parameters on the hardness of WC

coatings deposited by Plasma Transferred Arc (P.T.A) welding”, Scientific Bulletin of the “Poli-tehnica” University of Timișoara, Tom 53 (67), Fasc. 4, 2008, ISSN 1224-6077.

I. Mitelea, D. Uțu, C. Pogan, “Characteristics of Plasma Transferred Arc (P.T.A.) depo-sition on titanium alloys”, Scientific Bulletin of the “Politehnica” University of Timișoara, Tom 53 (66), Fasc. 3, 2008, ISSN 1224-6077.

I. Mitelea, D. Uțu, C. Pogan “Geometrical aspects of titanium base composites deposited by plasma transferred arc welding”, Scientific Bulletin of the “Politehnica” University of Timișoa-ra, Tom 52 (66), Fasc.1, 2007; ISSN 1224-6077.

I. Mitelea, D. Uțu, C. Pogan, “Dilution phenomenon during coating of titanium alloys by Plasma Transferred Arc (P.T.A) process”, 1st EUCOMAS Conference Berlin, May 2008, ISSN 0083-5560, ISBN 978-3-18-092028-3.

[www.kermetico.com].

[www.surfacetechno.com].

[http://serc.carleton.edu].

[www.quality-analysis.de].

[http://www.csm-instruments.com].

[http://www.werner-stehr-tribologie.com].

http://sites.google.com/site/temfemguy].