Разработване и обработка на материали като двигател за иновации WOTech Technical Media
Д-р обратно нат. Александра Мария Какъв срам
Доклад за 21-ви колоквиум по технология на материалите в Кемниц - Част 2
Werkstofftechnische Kolloquium (WTK) в Кемниц се утвърди като една от най-важните платформи за представяне на резултатите от научните изследвания и разработките в областта на материалите, производството и повърхностните технологии. И тази година бяха предложени работи в областта на производството на добавки и термичната обработка, присъединяването чрез запояване, галванично покритие и термично пръскане, стомани и леки метали, тестване на композитни материали и материали. Във втората част на доклада за конференцията е представено съдържанието на процесите на нанасяне на покрития и свойствата на слоя, които могат да бъдат постигнати. В допълнение към галваничното покритие, фокусът тук беше преди всичко върху различните технологии на термично пръскане за производство на изключително трайни функционални повърхности.
Процес на свободна струя за локално, електролитно анодизиране
Анодирането със затворена свободна електролитна струя позволява икономия на ресурси, локални промени в трибологичните свойства на алуминиевите материали. За тази цел е разработен и тестван процес за използване с високоякостната сплав EN AW-7075 T6. Локалното анодизиране беше постигнато чрез оптимизиране на локалната плътност на тока на повърхността на пробата. За тази цел параметрите за обработка на работното разстояние, напрежението и продължителността на процеса бяха систематично променяни. Въз основа на показателя на пречупване на порестия оксид и лазерната сканираща микроскопия бяха определени максималните дебелини на анодизираните области.
Резултатите показват, че чрез намаляване на работното разстояние между анода и катода от 2,5 mm на 0,1 mm и намаляване на работното напрежение от 230 V на 40 V, могат да се получат същите дебелини на слоя, както при анодиране при 230 V и 2,5 mm разстояние.
Разликата в дебелината на оксидния слой и страничното разграничаване на увеличаването на дебелината на слоя могат да бъдат открити, например, чрез тактилно измерване. Намаляването на ширината до 67% и увеличаването на височината до 150% водят до увеличено съотношение на страните от 225%, което представлява значително подобрение по отношение на предвиденото трибологично приложение.
Лазерно сканиращо изображение на оксидния слой при 40 V и 0,1 mm разстояние между анода и катода (вляво) и при 230 V и 2,5 mm разстояние, във всеки случай след 20 минути анодизация (Изображение: R. Morgenstern)
Резултатите от SEM изследванията показват, че се създават порести микроструктури. Трябва да се извършат допълнителни изследвания, за да се получи по-точна информация за общата порьозност, както и за механичните и трибологичните свойства на анодните оксидни слоеве.
(R. Morgenstern, A. Martin, N. Lehnert, I. Scharf, M. Hackert-Oschätze, A. Schubert, T. Lampke)
Поради регламента REACh е необходимо да се търсят алтернативни методи на предишното производство на твърди хромирани слоеве с използване на хромат. Въпреки това има смисъл да се заменят предишните технологии поради ниската енергийна ефективност на отделянето от хромови (VI) системи от около 20%. Алтернатива е мокрото химическо отлагане на никел-борните дисперсионни слоеве. Никелът и борът могат заедно да образуват интерметална фаза (Ni3B). Тази фаза се генерира от термична последваща обработка и има високи стойности на твърдост, както е известно от химически редукционно отложени никел-борни слоеве. Достижимата твърдост от 1200 HV0.01 е в диапазона на стойностите на слоевете от твърд хром.
Известният процес на нанасяне на покритие, базиран на редуциращ агент натриев борохидрид, не е успял да се утвърди поради необходимата висока pH стойност (µ m/h). Икономична алтернатива може да бъде предоставена чрез дисперсионни слоеве никел-бор, които могат да се получат, като се използват както химически редуциращи, така и галванични отлагания. В химическия редукционен процес се използва редуциращ агент натриев хипофосфид, с който могат да се постигнат скорости на разделяне от 12 µm/h до 16 µm/h (pH 4,5-5,5, работна температура T = 88 ° C). С галванични процеси на отлагане могат да се генерират скорости от 20 µm/h и повече. Повишаване на твърдостта на базата на борните частици е постигнато чрез термична последваща обработка.
(М. Маркус, Ф. Кьостер)
Галванично отлагане на иридий за PEM катализатори
Високите разходи за PEM електролизаторите, отчасти поради използването на благородни метали като платина или иридий, досега възпрепятстваха тяхната промишлена употреба. Подходите за подобряване на ситуацията са резултат от разработването на рентабилни електродни системи, базирани на оптимизирани слоеве иридий/титанов оксид за анодно използване при PEM водна електролиза. За тази цел се изследват нови видове носители за иридиеви наночастици с повишена стабилност, за да се увеличи електрохимично активната повърхност на нанесения катализаторен материал и по този начин използването на благородни метали. За тази цел електрокатализаторните наночастици с иридий бяха галванично приложени към синтериран титанов електрод, който преди това беше покрит с наночастици от титанов оксид. Първите резултати показват подобрение в активността и стабилността на PEM електролизаторите.
(J. Näther, F. Köster, T. Hülser, U. Rost, M. Brodmann, D. Pascal, L. Holtkotte)
Разпределение на температурата върху термично разпръснатите покрития на отоплителните проводници
Кухините в инжекционните форми са покрити, за да се увеличи корозията и устойчивостта на износване или да се регулира топлинният поток през стената на кухината. Увеличението на топлинния поток трябва да се постигне чрез термично разпръскване на смес от титан и хром оксид с дебелина около 100 µm върху повърхността и термична обработка с помощта на електрически ток. Термично разпръснат слой алуминиев оксид служи като електрически изолатор между стоманената основа и покритието от титанов/хром оксид, което представлява нагревателния проводник.
Схематична структура на инжекционната форма с локално нагреваема повърхност (Изображение: К. Бобзин)
Напречно сечение през слой на нагревателния проводник върху инструмент за шприцоване (Изображение: К. Бобзин)
За да се потвърди възможността за хомогенно нагряване на повърхността, поведението на нагряване се анализира с помощта на термография. В зависимост от технологичните параметри по време на процеса на нанасяне на покритие и използвания електрически ток е установено нехомогенно разпределение на температурата. Това беше разпределено в линейни модели под формата на горещи линии, перпендикулярни на електрическия ток. Използвано е числено моделиране за идентифициране на първопричината за наблюдаваната нехомогенност и резултатите са подкрепени от експериментални измервания. Установено е, че пукнатините в микроструктурата на покритието са основната причина за повишаване на температурата и линейното разпределение на разпределението на температурата. Разпределението на пукнатините обаче не показва предпочитана посока.
(К. Бобзин, М. Оте, М. А. Кнох, И. Алхасли)
Въздействие на частици по време на термично пръскане
Термичното пръскане е процес на нанасяне на покритие, при който изходният материал се ускорява и попада върху субстрат под формата на стопени или полустопени частици. Симулацията на въздействието на частици е полезна за разбирането на натрупването на покритието по време на термично пръскане. Въз основа на подхода VOF (Volume of Fluid), за симулация се използва CFD (Computational Fluid Dynamics) модел. Това дава възможност за моделиране на влиянието и втвърдяването на никелови частици върху плоска основа в 2D и 3D.
3D модел на въздействието на частиците, използвайки модифицирано втвърдяване на частици (Изображение: К. Бобзин)
За моделиране на втвърдяването обикновено се използват зависими от температурата вискозитет и импулсен източник. Първият е точен, но изчислително твърде скъп за симулации с множество сблъсъци на частици. С метода на импулсния източник уравнението на импулса на частицата се променя, за да намали скоростта й до нула, когато се втвърди. ANSYS Fluent използва този метод за консолидация. Този метод обаче се оказа недостатъчен за симулиране на втвърдяване с много частици, поради което беше въведена модификация на този метод. За валидиране на модифицирания метод са използвани зависими от температурата вискозитети и валидирани цифрови изследвания от литературата. Доказано е, че разработеният метод може да симулира отлагане на покритие с дебелина 60 µm за постижимо изчислително време в сравнение с метода на вискозитет, зависим от температурата.
(К. Бобзин, М. Оте, М. А. Кнох, И. Алхасли, С. Р. Доханчи)
Влияние на изходния материал върху разпределението на фазите в спрей покрития
В случая на пулверизираните покрития от алуминий и титанов оксид, които са в промишлено приложение от много години, все още има пропуски в нашето разбиране за образуването и ефектите на алуминиевия титанат (Al 2 TiO 5) в покритията. По-специално, влиянието на прахообразните свойства на изходния материал върху фазовия състав досега е изследвано само грубо. За да се изяснят връзките, се характеризират стопените и раздробени фуражни прахове: три от тях съдържат 13 тегловни процента титанов оксид (TiO 2) и три от тях съдържат 40 тегловни процента титанов оксид. Оценен е ефектът от различните фазови състави на праховете и тяхното значение върху ефективността на отлагане, фазовите състави, порьозността и твърдостта на съответните APS покрития. Механичните свойства на покритията с 40 тегловни% титанов оксид са значително по-лоши от тези с 13 тегловни% титанов оксид, особено по отношение на твърдостта. Освен това е установено, че алуминиевият титанат може да се образува по време на процеса на пръскане, ако се напръска от прах без алуминиев титанат.
SEM изображения на прах и слоеве от него с различни пропорции на титанов оксид (Изображение: А. Рихтер)
По-нататъшните изследвания ще се съсредоточат върху локализацията на титана в покритията с 13 тегловни% TiO 2 и систематично ще определят влиянието на различното съдържание на алуминиев титанат върху други свойства на покритието, по-специално върху тяхното термично, електрическо, трибологично и корозионно поведение. Освен това се изследва целевата стабилизация на алуминиевия титанат в прахове и покрития чрез допълнителни оксиди.
(A. Richter, L.-M. Berger, S. Conze, Y. J. Sohn, R. Vaßen)
Спринцовки HVOF ID с прах за вмъкване на WC-Co/Cr
Покритията върху външни повърхности, направени от WC-Co или WC-Cr, обикновено се произвеждат като защитни слоеве, използващи високоскоростно пламъчно пръскане (HVOF) за различни промишлени приложения. Настоящите изисквания за вътрешни покрития, особено за отвори (така нареченото покритие с вътрешен диаметър (ID)), използващи технологията HVOF, изискват специално оборудване за пистолет за пулверизиране и прах за пръскане с размери на частиците под 20 µm. В същото време контролът на процесите, както по отношение на конфигурацията на пистолета за пулверизиране, така и използването на фини прахове, създава нови предизвикателства, различни от тези при пръскането с HVOF върху външни повърхности.
Напречни сечения през слой WC-CoCr, произведени с помощта на HVOF-ID (Изображение: W. Tillmann)
За разработка бяха изследвани прахове от типа WC-CoCr 86-10-4 (-15 + 5 μm) със среден размер на частиците на WC 400 nm по отношение на получените свойства на покритието. Различните настройки на параметрите на процеса и тяхното взаимодействие върху микроструктурните свойства и ефективността на разделяне бяха разгледани като параметри за процеса на шприцоване. За използваната система HVOF-ID и суровината WC-CoCr, най-малкият вътрешен диаметър, който може да се сменя, е 171,6 mm. Получените резултати позволяват да се оптимизират свойствата на покритието, за да отговорят на различните изисквания към повърхността. В допълнение, системата за пръскане може да бъде оптимизирана за производството на плътни покрития с порьозност около 1%.
(W. Tillmann, C. Schaak, L. Hagen, M. Dildrop)
Термично индуцирани морфологични промени в пръскана с тел мед и стомана
При термичното пръскане на проводници, промените в механичните и термичните свойства на пръсканите материали се появяват по-специално поради внесената топлинна енергия. Това се изследва чрез цялостна характеристика на медта (Cu 98,7) и устойчивата на корозия стомана (316L), като се използват температурно зависими опън, триточково огъване и калорични тестове в температурен диапазон от 293 K до 1173 K. За тази цел се произвеждат дебели покрития чрез дъгово пръскане.
Резултатите от механичните тестове показаха драстично намален модул на еластичност (Cu 98,7: 49%, 316L: 48%, измерено при 293 K) на термично напръсканите материали в сравнение с техния еквивалент на твърдо вещество. Лазерният анализ на светкавицата (LFA) беше извършен и за двата термично пръскани материала в температурен диапазон от 373 К до 1173 К. Графиките на термичната дифузивност при нагряване показват нетипично поведение, особено при по-високи температури над 573 К, което показва значителни и постоянни промени в морфологията на термично пръсканите материали. При по-ниски температури поведението също се отклонява от твърдите вещества, но не показва постоянни промени.
Якост (модул на Йънг) за мед и устойчива на корозия стомана като твърд и термично пръскан прах (Изображение: R. Winkler)
Металографската подготовка и рентгеновото изследване показват значително намален брой видими граници на частици за мед след термична обработка при 1173 К. Формата на окислените междинни фази се променя на сферична. Следователно може да се приеме, че са настъпили процеси на синтероване. XRD дифрактограмите на различните състояния не показват промяна във фазовия състав. За термично пръскания 316L, металографският препарат и XRD анализът показват значителна фазова промяна след термична обработка при 1173 К.
(Р. Уинклер, Е. Саборовски, Г. Пачковски, Т. Лампке)