توسعه و پاشش حرارتي پودرنانوساختار کامپوزيتي CoNiCrAlY/YSZ به روش HVOF و ارزيابي خواص

STUDENT

DEGREE

YEAR

In this study, the effect of mechanical milling and YSZ addition on properties of HVOF-sprayed CoNiCrAlY/YSZ coatings was investigated. First, various amounts of YSZ powder (0%, 5%, 10% and 15 wt.%) were mixed with CoNiCrAlY powder and milled for 12, 24 and 36 hours. Then, taguchi experimental design method was used to attain optimum thermal spray parameters. Nanocrystalline powders and commercial one deposited on Inconel-617 substrate with HVOF method. The structural, morphological and thermal stability evolutions of the mechanically milled powders and coatings were investigated using X-ray diffractometry, scanning electron microscopy with energy dispersive spectroscopy and optical microscopy. Vickers micro and macro hardness test was used to evaluate the hardness and fracture toughness of powders and coatings. Cyclic oxidation test in 1000°C for 100 hours was performed to probe the oxidation resistance of coatings. The pin-on -disk test with 5 N load and 1000 m sliding distance was used to cold and hot wear resistance assessment of coatings. Cold and hot wear tests were executed at 25°C and 700°C, respectively. The results show that the powder milled for 24 hours have optimum properties. The nanostructured coatings show high porosity (1.2%-5.4%) due to lack of proper powder morphology, unlike the commercial coating ( 0.2%). However, the mechanical properties of composite coatings are better than commercial one owing to existence of YSZ reinforcement. Structural evaluation shows that the 10% YSZ coating have lowest grain growth between coatings. Presence of very fine YSZ particles inhibited grain growth. Oxidation resistance of nanostructured coatings were found to be lower than commercial one due to high level of porosity; while, cold and hot wear resistance of composite coating were superior to commercial coating. . The dominant wear mechanism in cold wear was abrasive in composite coatings and adhesive in commercial one. Moreover, tribochemical wear mechanism was observed in all coatings; while, tribochemical wear mechanism was probably dominant mechanism in hot wear test. Keywords MCrAlY, YSZ, HVOF, high temperature oxidation, wear.

چکيده در اين تحقيق به بررسي تأثير استفاده از پودر نانوساختار CoNiCrAlY با و بدون تقويت کننده YSZ با مقادير 5، 10 و 15 درصد وزني بر خصوصيات پوشش هاي حاصل از روش پاشش حرارتي سوخت و اکسيژن با سرعت زياد پرداخته شده است. به منظور تهيه پودر نانوساختار کامپوزيتي از روش آسياب کاري مکانيکي با نسبت گلوله به پودر 10:1 و زمان هاي مختلف آسياب کاري 12، 24 و 36 ساعت استفاده شد. به منظور بهينه سازي پارامترهاي پوشش دهي روش طراحي آزمايش تاگوچي، به کار گرفته شد. پس از به دست آمدن پارامترهاي بهينه، پودر نانوساختار CoNiCrAlY، پودرهاي نانوساختار کامپوزيتي CoNiCrAlY/YSZ که با مقادير 5%، 10% و YSZ15% تقويت شده بودند و پودر تجاري، بر روي زيرلايه اينکونل 617 به روش پاشش حرارتي سوخت و اکسيژن با سرعت زياد پوشش داده شدند. به منظور ارزيابي ريزساختار، مورفولوژي پودر و پايداري حرارتي پودرها و پوشش هاي مورد نظر از ميکروسکوپ نوري و ميکروسکوپ الکتروني روبشي مجهز به سيستم آناليز طيف سنج انرژي استفاده شد. فازشناسي پودرها و پوشش هاي حاصله توسط آزمايش پراش پرتو ايکس، سختي پودرها و پوشش ها توسط روش ريزسختي سنجي ويکرز، چقرمگي شکست و چسبندگي پوشش ها نيز به روش سختي سنجي ويکرز انجام شد. ارزيابي مقاومت به اکسيداسيون پوشش توسط آزمايش اکسيداسيون سيکلي به مدت 100 ساعت در دماي 1000 درجه سانتيگراد و ارزيابي مقاومت سايشي در دماي محيط و دماي 700 درجه سانتيگراد با استفاده از روش پين روي ديسک تحت بار 5 نيوتن و مسافت 1000 متر انجام شد. يافته هاي پژوهش نشان داد که پودرهايي که به مدت 24 ساعت تحت آسياب کاري مکانيکي قرار گرفته بودند، از نظر ريزساختار، مورفولوژي پودر، خواص مکانيکي و پايداري حرارتي، پودرهاي با خواص بهينه هستند. در حالي که پوشش هاي نانوساختار و کامپوزيتي به دليل عدم مورفولوژي مناسب پودرهاي حاصل از آسياب کاري، بر خلاف پودر تجاري داراي تخلخل زيادي هستند، اما از نظر خواص مکانيکي به دليل وجود فاز تقويت کننده، بهبود چشمگيري در پوشش هاي کامپوزيتي مشاهده شد. بررسي هاي ريزساختاري پوشش ها نشان داد که وجود ذرات YSZ که در اثر فرايند آسياب کاري به انداز? کافي خرد و در زمينه توزيع شده اند، مانع از رشد دانه ها در حين پوشش دهي شده اند که اين امر در پوشش حاوي YSZ10% به خوبي مشهود است. نتايج حاصل از آزمون اکسيداسيون نشان داد که پوشش هاي حاصل از پودرهاي آسياب کاري شده، خواص اکسيداسيون ضعيف تري نسبت به پوشش حاصل از پودر تجاري دارند. ارزيابي هاي انجام شده نشان داد که اين پوشش ها به دليل عدم مورفولوژي مناسب ذرات پودر، داراي تخلخل زيادي هستند که اين امر باعث تضعيف مقاومت به اکسيداسيون آنها شده است. ارزيابي رفتار سايشي پوشش ها نشان داد که پوشش حاوي YSZ5% با نرخ سايش (mm 3 /Nm) 5- 10×1 / 1 مقاومت به سايش بهتري نسبت به ديگر پوشش‌ها مخصوصاً پوشش حاصل از پودر تجاري با نرخ سايش (mm 3 /Nm) 5- 10×9 / 5 داشته است. ارزيابي رفتار سايشي دماي بالا نيز نشان داد که پوشش حاوي YSZ5% با رسيدن به ضريب اصطکاکي در حدود 15/0 کمترين ضريب اصطکاک را در بين پوشش‌ها داشته است. همچنين اين پوشش با نرخ سايش (mm 3 /Nm) 6- 10×54/3 کمترين نرخ سايش دماي بالا را در ميان پوشش‌هاي مورد بررسي از خود نشان داده است، اين در حالي است که پوشش حاصل از پودر تجاري با نرخ سايش (mm 3 /Nm) 6- 10×8/28 بيشترين نرخ سايش دماي بالا را دارا بوده است. واژگان کليدي : MCrAlY، زيرکونياي پايدار شده با ايتريا، اکسيداسيون دماي بالا، سايش، HVOF