View
6
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi
Facultatea de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor
TITLUL TEZEI DE DOCTORAT
CERCETĂRI PRIVIND REZISTENȚA LA UZURĂ
HIDROABRAZIVĂ A STRATURILOR SUBŢIRI DEPUSE PE
OȚELURI INOXIDABILE SPECIALE
Conducător științific:
Prof.univ.dr.ing. Petrică VIZUREANU
Doctorand:
Ing. Cătălin-Andrei ȚUGUI
Iaşi, 2016
5
CUPRINS INTRODUCERE 12
CAPITOLUL 1
STADIUL ACTUAL AL UZURII HIDROABRAZIVE A
STRATURILOR SUBȚIRI DEPUSE PE ALIAJE Fe-C 14
1.1. NOȚIUNI GENERALE 14
1.2. METODE DE DEPUNERE A STRATURILOR SUBŢIRI 14
1.2.1. Metode fizice de depunere din vapori 15
1.2.1.1. Depunerea fizică prin pulsații laser 15
1.2.1.2. Metoda evaporării termice și condensării din stare de vapori 16
1.2.2. Metode chimice de depunere din vapori 16
1.2.2.1. Depunere chimică din vapori la temperaturi ridicate 16
1.2.2.2. Depunere chimică cu vapori organo - metalici 17
1.2.3. Metode de metalizare prin pulverizare termică folosind
electricitatea ca sursă de energie 18
1.2.3.1. Depunerea prin pulverizare termică în jet de plasmă (PTJP) 18
1.2.3.2. Depunerea prin metoda electrodului vibrator (EV) 19
1.3. MATERIALE METALICE UTILIZATE PENTRU
REALIZAREA ANSAMBLULUI MATERIAL DE BAZĂ -
MATERIAL DE DEPUNERE 19
1.3.1. Materialul de bază 19
1.3.2. Materiale de depunere a straturilor subțiri 21
1.3.2.1. Caracterizarea și utilizarea wolframului și a aliajelor sale 21
1.3.2.2. Caracterizarea și utilizarea nichelului și a aliajelor sale 21
1.4. ANALIZA FLUIDULUI UTILIZAT LA TESTELE DE
UZURĂ HIDROABRAZIVĂ 22
1.4.1. Parametrii uzuali ai apelor curgătoare 22
1.5. TURBINELE HIDRAULICE 24
6
1.5.1. Criterii de clasificare a turbinelor hidraulice 25
1.5.2. Construcția turbinelor hidraulice 27
1.6. UZURA HIDROABRAZIVĂ A PALETELOR DE TURBINE
HIDRAULICE 29
1.6.1. Noțiuni generale 29
1.6.2. Uzura hidroabrazivă pe turbinele Pelton 31
1.6.2.1. Sistemul ac-inel (duză) al turbinei Pelton 31
1.6.2.2. Rotorul turbinei Pelton 31
1.6.3. Uzura hidroabrazivă pe turbinele Francis 33
1.6.3.1. Sistemul de admisie al turbinei Francis 34
1.6.3.2. Sistemul paletelor de ghidare al turbinei Francis 35
1.6.3.3. Rotorul turbinei Francis 36
CONCLUZII 37
CAPITOLUL 2
OBIECTIVELE, PROGRAMUL ȘI METODOLOGIA
CERCETĂRILOR EXPERIMENTALE 38
2.1. OBIECTIVELE CERCETĂRILOR EXPERIMENTALE 38
2.2. PROGRAMUL CERCETĂRILOR EXPERIMENTALE 39
2.3. METODOLOGIA CERCETĂRII EXPERIMENTALE 42
CAPITOLUL 3
METODE ȘI APARATURĂ 46
3.1. METODE ŞI INSTALAȚII DE DEPUNERE A
STRATURILOR SUBȚIRI 46
3.1.1. Metoda şi instalația de depunere prin pulverizare termică
în jet de plasmă (PTJP) 46
3.1.2. Metoda şi instalația de depunere cu electrod vibrator (EV) 47
3.2. ECHIPAMENTE PENTRU PREGĂTIREA PROBELOR ÎN
VEDEREA REALIZĂRII INVESTIGAŢIILOR METALOGRAFICE 48
7
3.2.1. Maşina de debitat probe Metacut - M 250 49
3.2.2. Maşina de şlefuire şi lustruire Forcipol 2V 49
3.2.3. Instalaţia de sablare 50
3.3. METODE ŞI ECHIPAMENTE DE INVESTIGARE A
PROPRIETĂȚILOR ANSAMBLULUI STRAT - SUBSTRAT 51
3.3.1. Echipamente utilizate pentru analize structurale 51
3.3.1.1. Microscopie optică 51
3.3.1.2. Microscopie electronică cu baleiaj (SEM) 51
3.3.1.3. Examinarea nedistructivă electromagnetică cu ajutorul
curenților turbionari 53
3.3.2. Metode şi echipamente utilizate pentru determinarea
caracteristicilor mecanice 54
3.3.2.1. Determinări de rugozitate 54
3.3.2.2. Microdurimetrie 54
3.3.2.3. Analiza microamprentării şi a aderenței suprafeţei depuse 55
3.3.3. Metode şi echipamente utilizate pentru determinarea
caracteristicilor chimice 55
3.3.3.1. Spectrometrie 55
3.3.3.2. Difractometrie cu radiații X 56
3.3.3.3. Determinări de coroziune 57
3.3.3.4. Procesul de demineralizare 58
CAPITOLUL 4
INSTALAŢIE UTILIZATĂ PENTRU STUDIUL UZURII
HIDROABRAZIVE 59
4.1. CONCEPEREA INSTALAȚIEI 59
4.2.PROIECTAREA INSTALAȚIEI 61
4.3. REALIZAREA INSTALAȚIEI 65
4.4. TESTAREA INSTALAȚIEI 71
CONCLUZII 72
8
CAPITOLUL 5
CARACTERIZAREA MATERIALELOR 73
5.1. CARACTERIZAREA MATERIALULUI DE BAZĂ ȘI A
MATERIALELOR DE DEPUNERE 73
5.1.1. Alegerea materialului de bază 73
5.1.2. Alegerea materialelor de depunere 74
5.2. DEPUNEREA STRATURILOR SUBŢIRI PRIN METODA
PULVERIZĂRII TERMICE ÎN JET DE PLASMĂ 76
5.3. DEPUNEREA STRATURILOR SUBŢIRI PRIN METODA
ELECTRODULUI VIBRATOR 78
5.4. ANALIZA FLUIDULUI UTILIZAT LA TESTELE DE
UZURĂ HIDROABRAZIVĂ 79
CAPITOLUL 6
CERCETĂRI PRIVIND DEPUNEREA DE STRATURI
SUBŢIRI ÎN VEDEREA ÎMBUNĂTĂŢIRII REZISTENŢEI
LA HIDROABRAZIUNE 81
6.1. ANALIZA STRUCTURALĂ A SUPRAFEŢEI MATERIALULUI
DE BAZĂ ȘI A STRATURILOR SUBȚIRI DEPUSE 81
6.1.1. Analiza suprafeţei materialului de bază și a straturilor
subțiri depuse utilizând microscopul electronic cu baleiaj 81
6.1.1.1. Analiza SEM a probei martor 81
6.1.1.2. Analiza SEM a probei depuse cu Metco 71Nsprin metoda PTJP 83
6.1.1.3. Analiza SEM a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda PTJP 85
6.1.1.4. Analiza SEM a probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV 88
6.1.1.5. Analiza SEM a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda EV 90
6.1.1.6.Analiza SEM a morfologiei stratului depus prin metoda EV 93
6.1.2. Analiza grosimii straturilor depuse 95
6.1.2.1. Analiza grosimii de strat a probelor depuse cu Metco 71Ns prin
metoda PTJP 95
9
6.1.2.2. Analiza grosimii de strat a probelor depuse cu Deloro 60 prin
metoda PTJP 96
6.1.2.3. Analiza grosimii de strat a probelor depuse cu Metco 71Ns prin
metoda EV 98
6.1.2.4. Analiza grosimii de strat a probelor depuse cu Deloro 60 prin
metoda EV 99
6.1.3. Examinarea electromagnetică cu ajutorul curenților
turbionari 100
6.1.4. Determinarea rugozităţii suprafeţei 102
6.2. DETERMINAREA CARACTERISTICILOR MECANICE 106
6.2.1. Determinarea caracteristicilor de microduritate ale
substratului și ale straturilor depuse 106
6.2.2. Analiza de microamprentare a probei martor și a
depunerilor 108
6.2.2.1. Analiza de microamprentare pentru proba martor 109
6.2.2.2. Analiza de microamprentare pentru probele depuse cu
Metco 71Ns prin metoda PTJP 110
6.2.2.3. Analiza de microamprentare pentru probele depuse cu
Deloro 60 prin metoda PTJP 111
6.2.2.4. Analiza de microamprentare pentru probele depuse cu Metco
71Ns prin metoda EV 112
6.2.2.5. Analiza de microamprentare pentru probele depuse cu
Deloro 60 prin metoda EV 113
6.2.3. Determinarea aderenţei straturilor depuse 116
6.2.3.1. Analiza de aderență a probelor depuse cu Metco71Ns prin
metoda PTJP 116
6.2.3.2. Analiza de aderență a probelor depuse cu Deloro 60 prin
metoda PTJP 118
6.2.3.3. Analiza de aderenţă a probelor depuse cu Metco 71Ns prin
metoda EV 119
6.2.3.4. Analiza de aderenţă a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda EV 121
6.3. DETERMINAREA CARACTERISTICILOR CHIMICE 122
10
6.3.1. Caracterizarea chimică prin difracție de raze X (XRD 122
6.3.1.1. Analiza XRD a probei martor 122
6.3.1.2. Analiza XRD a probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda PTJP 123
6.3.1.3. Analiza XRD a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda PTJP 124
6.3.1.4. Analiza XRD a probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV 124
6.3.1.5. Analiza XRD a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda EV 125
6.3.2. Teste de electrocoroziune a probei martor și a probelor depuse 126
CONCLUZII 131
CAPITOLUL VII
UZURA HIDROABRAZIVĂ 133
7.1. TESTELE DE UZURA HIDROABRAZIVĂ 133
7.2. ANALIZA SEM A PROBELOR TESTATE LA UZURĂ
HIDROABRAZIVĂ LA 500 ORE 142
7.2.1. Analiza SEM a probei martor din oțel inoxidabil testată la
hidroabraziune la 500 ore 142
7.2.2. Analiza SEM a probelor depuse prin metoda PTJP testate
la hidroabraziune la 500 ore 143
7.2.2.1. Analiza SEM a probei depuse cu Metco71Ns prin metoda PTJP
testate la hidroabraziune la 500 ore 143
7.2.2.2. Analiza SEM a probelor depuse cu DELORO 60 prin metoda
PTJP testate la hidroabraziune la 500 ore 144
7.2.3. Analiza SEM a probelor depuse prin metoda EV testate la
hidroabraziune la 500 ore 146
7.2.3.1. Analiza SEM a probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV
testate la hidroabraziune la 500 ore 146
7.2.3.2. Analiza SEM a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda EV
testate la hidroabraziune la 500 ore 147
CONCLUZII 149
CONCLUZII FINALE, CONTRIBUȚII PERSONALE,
PERSPECTIVE DE CERCETARE 150
11
CONCLUZII FINALE 150
CONTRIBUȚII PERSONALE 153
PERSPECTIVE DE CERCETARE 156
BIBLIOGRAFIE 157
12
INTRODUCERE
În construcția turbinelor hidraulice sunt folosite cu precădere o serie de materiale
metalice sau de aliaje ale acestora (ex. aliaje pe bază de fier, nichel, crom, titan etc.),
echipamente care sunt utilizate industria: producătoare de energie electrică, chimică şi a
medicamentelor. În cadrul cercetărilor doctorale este abordată clasa oțelurilor
inoxidabile speciale.
Proprietăţile materialelor metalice pot fi îmbunătăţite prin depuneri de straturi
subţiri cu materiale speciale.
Alături de tehnologiile clasice de obţinere a acoperirilor, se remarcă dezvoltarea,
perfecţionarea şi extinderea unor tehnici moderne de depunere a acestora, prin metode
fizico-chimice, ce asigură o puritate şi o aderenţă ridicată, printr-o varietate foarte mare de
procedee de obţinere a acoperirilor.
Tehnologiile moderne de depunere în vid sunt nepoluante deoarece se realizează
în spații închise. De asemenea, din punct de vedere economic, aceste tehnologii au o
eficiență foarte ridicată în comparație cu metodele tradiționale (U. Hironobu, 2015). Astfel,
în ultimii ani s-a înregistrat o creștere spectaculoasă a aplicațiilor industriale în care sunt
folosite (celule fotovoltaiceşi spintronică).
Materialul de depunere este un oțel care face parte din clasa oţelurilor inoxidabile
speciale care are o slabă rezistență la uzură hidroabrazivă ceea ce duce la scoaterea din uz a
elementelor dinamice, în cazul acesta a paletelor turbinelor hidraulice, după un anumit
ciclu de funcționare. Pentru a mării randamentul de funcționare și pentru creșterea
rezistenței la hidroabraziune a paletelor, fără a scădea rezistența la coroziune, s-au realizat
depuneri de straturi dure pe probelor din oţel inoxidabil.
Pentru creşterea rezistenţei la uzură hidroabrazivă s-au depus straturi dure şi rezistente,
prin două metode de depunere: pulverizare termică în jet de plasmă (PTJP)şi electrod
vibrator (EV) Prin aceste metode au fost realizate/depuse straturi subţiri cu
pulberi/electrozi pe bază de wolfram, care are în componenţă carbon şi cobalt și pe bază
de nichel, care are în compoziţie crom şi bor.
Mecanismul de protecţie prin depuneri de straturi metalice este diferit şi depinde
de raportul în care se găseşte potenţialul electrochimic de echilibru al materialului metalic
din stratul depus faţă de potenţialul materialului de bază. După acest criteriu, se deosebesc
straturi cu acoperire anodice şi straturi catodice. În realizarea acestor straturi trebuie luat în
13
considerare, atât gradul de aderență, cât și costurile de realizare ale acestora, care trebuie să
fie mai scăzutedecât orice subansamblu (strat - substrat) luat separat.
Uzura hidroabrazivă sau hidroabraziunea se referă la acea uzură a detaliilor! care
are loc sub acţiunea comună a particulelor abrazive sau/şi a curentului de apă ca purtător al
acestora. Practica a arătat că acest proces este unul foarte complex, evidenţiindu-se că în
unele cazuri acţiunea comună a fluidului şi a particulelor abrazive în procesul de uzură este
mult mai mare decât în cazul în care acestea ar acţiona separat.
14
CAPITOLUL 1
STADIUL ACTUAL AL UZURII HIDROABRAZIVE A
STRATURILOR SUBȚIRI DEPUSE PE ALIAJE Fe-C
1.1. NOȚIUNI GENERALE
Proprietățile materialelor metalice pot fi îmbunătățite prin mai multe metode:
tratamente superficiale (termice, temochimice, mecanice, de conversie) și depuneri de
straturi (fizice, chimice și prin metalizare).
Depunerile de materiale unistrat / multistrat ocupă un rol important în ce privește
obținerea de straturi metalice cu anumite proprietăți fizico-chimice și mecanice
(susceptibilitate magnetică, conductivitate electrică și termică superficială, rezistență la
uzare etc.), precum și îmbunătățirea aspectului prin modificarea luciului sau obținerea
unei colorații speciale.
Alături de tehnologiile convenționale de obținere a depunerilor, se remarcă
dezvoltarea, perfecționarea și extinderea unor tehnici moderne de depunere a acestora, prin
metode fizico-chimice și metalizare, ce asigură o puritate și o aderență ridicată, printr-o
varietate foarte mare de procedee de obținere a straturilor subțiri. Aceste metode moderne
de depunere cu materiale speciale pot fi utilizate pentru a crește rezistența la uzură
hidroabrazivă și la coroziune (J.I. Watjen et al., 2015).
1.2. METODE DE DEPUNERE A STRATURILOR SUBŢIRI
Depunerile de straturi subțiri se realizează prin metode fizice, chimice și prin
metalizare:
� Metode fizice de depunere din vapori (PVD - Physical Vapour Deposition):
� metoda depunerii PVD cu pulsații laser (PLD - Pulsed Laser
Deposition);
� metoda evaporării termice și condensării în stare de vapori;
� Metode chimice de depunere din vapori (CVD - Chemical Vapour
Deposition):
� metoda depunerii CVD la temperaturi înalte (HTCVD - High
Temperature Chemical Vapor Deposition);
15
� metoda depunerii CVD pe bază de compuși organo - metalici
(MOCVD - Metal Organic Chemical Vapor Deposition);
� Metode de metalizare prin pulverizare termică folosind electricitatea ca
sursă de energie:
� metoda depunerii prin Pulverizare Termică în Jet de Plasmă
(PTJP);
� metoda depunerii cu Electrod Vibrator (EV).
1.2.1. Metode fizice de depunere din vapori
Depunerea fizică din vapori este una dintre cele mai moderne metode de obținere
a straturilor depuse (G. Pulci et al., 2015). Metoda constă în creșterea dimensiunii
depunerii de straturi subțiri (1 ÷ 10 μm) prin condensare pe suprafața stratului a unor
elemente atomice moleculare aflate în stare de vapori.
Realizarea de straturi prin metoda PVD implică o succesiune de procese după cum
urmează (M. Ohring, 2015):
� producerea în spațiul de lucru a unui flux de atomi sau molecule dinspre
materialul ”sursă” spre suprafața stratului;
� trecerea materialului sursă în fază de vapori se face prin mecanisme fizice
cum sunt evaporarea termică și pulverizarea catodică;
� condensarea fluxului de atomi sau de molecule pe suprafața substratului.
1.2.1.1. Depunerea fizică prin pulsații laser
Tehnica constă în utilizarea unui fascicul laser de putere mare în interiorul unei
camere vidate pentru lovirea unei ținte, care reprezintă materialul de depunere figura 1.1.
Figura 1.1. Schema de principiu a depunerii prin pulsație laser (G. Subramanyam et al., 2013).
Materialul țintă este vaporizat sub forma unui nor de plasmă care apoi se depune
într-un strat subțire pe materialul de bază.
16
1.2.1.2. Metoda evaporării termice și condensării din stare de vapori
Această metodă are loc prin depunerea de particule aflate în stare de vapori
(L.A.Chebotkevich et al., 2015). Vaporii din punct de vedere electric sunt neutri și sunt
obținuți prin evaporarea materialului de depunere în vid figura 1.2.
Figura 1.2. Schema de principiu a metodei evaporării termice și condensării din stare de
vapori.
Această metodă asigură depunerea de straturi subțiri cu diverse materiale, și
respectă într-un grad foarte ridicat compoziția stratului evaporat.
1.2.2. Metode chimice de depunere din vapori
1.2.2.1. Depunere chimică din vapori la temperaturi ridicate
Această metodă de depunere a straturilor subțiri lucrează la temperaturi mari
cuprinse în intervalul 2100 ÷ 2300 0C (A. Claudel et al., 2011). Schema de principiu a
acestei metode este prezentată în figura 1.3.
Figura 1.3. Schema de principiu a metodei de depunere CVD la temperaturi înalte
(www.norstel.com).
17
Temperatura ridicată, specifică procedeului HTCVD, este un dezavantaj major,
afectând negativ structura materialului de bază, mai ales când acesta este din oțel
(F. Mercier et al., 2014).
Piesele acoperite cu un strat subțire prin metoda HTCVD necesită o preîncălzire
pentru a evita șocurile termice provocate de temperatura mare din timpul procesului.
1.2.2.2. Depunere chimică cu vapori organo - metalici
Metoda MOCVD (V. Yuri et al., 2015) este relativ simplă și constă în dizolvarea
compușilor organici ai metalelor într-un solvent organic. Schema de principiu a acestei
metode este prezentată în figura 1.4.
Figura 1.4. Schema de principiu a metodei de depunere MOCVD
(G. Subramanyam et al., 2013).
Atomii elementului de depunere sunt amestecați cu molecule complexe de gaz și
pulverizați deasupra unei plăci calde cu ajutorul unui semiconductor. Căldura disociază
moleculele și depozitează atomii doriți pe suprafața materialului de bază, strat cu strat
(F.H. Yang, 2014).
Prin varierea compoziției gazului, se pot modifica proprietățile cristalului până la
o scară atomică. Prin acest procedeu se pot depune straturi semiconductoare de înaltă
calitate (cu grosimi de sub 1 nm), iar structura stratului depus este perfect aliniată cu cea a
substratului (M. Tsai et al., 2014). Un avantaj al acestei metode constă în înlocuirea
donorilor (atom pentavalent care, introdus într-un semiconductor, cedează electroni
acceptorului) obișnuiți de metal cu anumiți compuși organici ai metalului de depunere.
Prin această înlocuire cu compuși organici ai metalului se scade foarte mult temperatura de
depunere, aceasta ajungând la 400 0C (R. Drevet et al., 2014).
18
1.2.3. Metode de metalizare prin pulverizare termică folosind
electricitatea ca sursă de energie
Procesul de metalizare constă în topirea materialului de aport (sârmă sau pulberi
metalice), fuzionarea materialului provenit din pulberi metalice şi pulverizarea şi
proiectarea particulelor topite (Q. Yong et al., 2015). Fenomenele care se produc în timpul
metalizării sunt arderi ale unor elemente metalice din materialul de adaos, oxidări parțiale
şi atomizări (pulverizări) în particule fine.
Această metodă are la bază un procedeu tehnologic relativ nou, care în comparație
cu alte procedee de recondiționare prin depunerea de straturi subțiri prezintă următoarele
avantaje (N. Brânzea, 2016):
� permite aplicarea unui strat din metal, cu grosimi de la 0,01 ÷ 10 mm;
� stratul de metal depus are o bună rezistență la uzură (de 2 ÷ 3 ori mai
bună decât a piesei noi);
� metalul depus este tenace şi are o mare porozitate;
� în timpul metalizării şi după aceasta, structura metalului de bază nu suferă
nici o modificare;
� este economic şi productiv în comparație cu acoperirile galvanice.
1.2.3.1. Depunerea prin pulverizare termică în jet de plasmă (PTJP)
Metoda de pulverizare termică în jet de plasmă are la bază pulverizarea unui
material (pulbere metalică, ceramică etc.) topit / depus pe un suport (material de bază)
pentru a obține straturi subțiri (R. Gadow, et al., 2015).
Figura 1.5. Schema de principiu a metodei PTJP
(www.plasmajet.ro/metalizarea-cu-plasma).
Acest proces are avantajul că pot fi utilizate materiale cu punct de topire
foarte ridicat figura 1.5.
19
1.2.3.2. Depunerea prin metoda electrodului vibrator (EV)
Metoda EV se bazează pe fenomenul de electroeroziune şi transferul polar al
materialului anodului (electrodului) la catod (piesa metalică) în timpul descărcării electrice
în impulsuri între anod şi catod figura 1.6 (T. Cilento et al,. 2010).
Figura 1.6. Schema de principiu a metodei EV
(www.plasmajet.ro/metalizare-prin-electroscanteie).
Descărcarea electrică în impuls se produce într-un mediu gazos. Curentul folosit
este unul pulsatoriu redresat care are o polaritate inversată. Tehnologia constă într-o
mișcare de vibrație în care descărcarea electrică se produce în aer (N. Radeket et al., 2011).
1.3. MATERIALE METALICE UTILIZATE PENTRU
REALIZAREA ANSAMBLULUI MATERIAL DE BAZĂ - MATERIAL
DE DEPUNERE
1.3.1. Materialul de bază
În construcția turbinelor hidraulice sunt utilizate o serie de materiale metalice sau
de aliaje pe bază de fier, nichel, crom etc. Conform literaturii de specialitate (A. Zijlstra et
al., 2015) și studiilor întreprinse în domeniu (B. Scheichl et al., 2015) se evidenţiază că
materialele metalice folosite la fabricația rotoarelor turbinelor hidraulice (Kaplan, Francis,
Pelton) și a pompelor hidraulice, pot avea compoziții chimice diferite, care au în aceleași
proprietăți foarte bune la uzură hidroabrazivă și cavitaţională.
În urma unui studiu aprofundat (J. Suchánek et al., 2009), în domeniul
materialelor folosite la turbinele hidraulice, se constată că cele mai folosite materiale în
construcția rotoarelor de turbină sunt cele din clasa oțelurilor inoxidabile speciale.
20
Oțelurile inoxidabile speciale sunt aliaje feroase înalt aliate și se pot clasifica
în funcție de compoziția chimică în patru mari grupe: perlitice, martensitice, feritice
și austenitice.
Grupul de autori coordonat de către F. Rui relatează faptul că cele mai bune
oțeluri pentru construcția paletelor de turbină sunt oțelurile austenito - feritice, pentru că au
o bună rezistență hidroabrazivă, având însă un cost de producție ridicat, motiv pentru care
sunt folosite doar la reparații (P. P. Gohil et al., 2014). Lucrarea (I. Bordeaşu, 2006)
prezintă câteva exemple de materiale testate la uzură hidroabrazivă și la cavitație. Autorul
face teste pe patru categorii de materiale după cum urmează: oțeluri carbon, fonte, oțeluri
inoxidabile și oțeluri aliate pentru construcții. Ca urmare a testării unor oțeluri carbon,
autorul ajunge la concluzia că dintre toate oțelurile carbon cea mai bună rezistență la
cavitație și la uzură hidroabrazivă o are C15 DIN 1.0401, datorită prezenței în componența sa
a manganului în proporție de 0,5 %. Dintre categoriile de materiale testate autorul a ajuns la
concluzia că, în general, oțelurile inoxidabile au proprietăți bune la uzură hidroabrazivă, iar
dintre acestea cele mai bune sunt oțelurile cu structuri martensitice (12 ÷ 13 % Cr,
2 ÷ 7 % Ni) și oțelurile inoxidabile austenitice (18 % Cr, 8 % Ni).
Conform literaturii de specialitate (D.H.M. Grajales et al., 2009), în ultimii ani, s-
au aplicat diverse soluții practice pentru creșterea rezistenței la hidroabraziune a paletelor
de turbină. Acestă proprietate poate fi semnificativ îmbunătățită prin aplicarea unor
tratamente termice, termochimice sau prin depuneri de straturi subțiri.
Autorul lucrării (I. Pădurean, 2007) a realizat experimente pe oțelul inoxidabil
austenitic GX5CrNi19-10; acesta a făcut teste de uzură, de duritate și de coroziune pe
oțelul în stare turnată, precum şi după aplicarea unui tratament termic care a constat în
încălzirea lui până la temperatura de 1050 0C, urmată mai apoi de o răcire în apă timp de
30 minute, urmat de un tratament termochimic de nitrurare în gaz. După testele de duritate
și de uzură s-a observat că proba din oțelul care a fost tratată termic și apoi nitrurată în gaz
a avut o rezistență mai mare.
Conform studiilor de cercetare (I. Pădurean, 2007; I. Bordeaşu, 2006 și
D.H.M. Grajales et al., 2009), care au avut ca scop testarea materialelor metalice folosite la
construcția paletelor de turbină, s-a ajuns la concluzia că cea mai bună rezistență la uzură
hidroabrazivă, la cavitație și la coroziune o au oțelurile inoxidabile, însă aceste proprietăți
pot fi semnificativ îmbunătățite prin aplicarea unor tratamente termice de suprafață sau
prin depuneri de straturi subțiri.
21
Clasa de oțeluri inoxidabile speciale care va fi supusă studiului include
următoarele oțeluri: X2CrNiMoCuWN 25-7-4, X1CrNiMoCuN 20-18-7, X3CrNiMo13-4,
GX5CrNi19-10, GX3CrNi134; deoarece au proprietăți mecanice, fizice și chimice
apropiate, pe parcursul cercetărilor se va alege una dintre aceste variante.
1.3.2. Materiale de depunere a straturilor subțiri
1.3.2.1. Caracterizarea și utilizarea wolframului și a aliajelor sale
Wolframul este un metal greu, având densitatea de 19,4 g/cm3, foarte greu fuzibil
(T = 3395 0C), de culoare albă lucioasă, paramagnetic, rezistent la coroziune, cu rezistență
mecanică (S Zafar, et al., 2016) și duritate mare (Rm = l500 N/mm2, 40 HRC la 20 0C și Rm
= 230 N/mm2), cu refractaritate mare și foarte fragil (temperatura de tranziție ductil - fragil
este mare, de 150 ÷ 450 0C). În stare pură (tehnică), se folosește pentru filamente la lămpi
cu incandescență și la plăci pentru anticatozii tuburilor cu radiații X, (H. Okamoto, 2008).
Wolframul este larg utilizat pentru alierea oțelurilor și obținerea materialelor foarte dure
turnate (stellit) sau sinterizate din carburi metalice (WC + Co).
Carburile de wolfram W2C și WC sub formă de pulberi sinterizate cu 3 ÷ 30% Co
sunt foarte dure și sunt utilizate la scule așchietoare, sape de foraj, componente ale
rachetelor, penetratoare pentru determinarea durității etc., (I. Alexandru, et al., 1997;
E. Metehan, et al., 2010).
1.3.2.2. Caracterizarea și utilizarea nichelului și a aliajelor sale
Nichelul este un metal feromagnetic (TCURIE = 368 0C), greu, având densitatea
egală cu 8,89 g/cm3, cu punctul de topire situat la 1455 0C, foarte rezistent la oxidare
și la coroziune. Nichelul tehnic deformat plastic are Rm = 750 ÷ 900 N/mm2 și duritatea
200 HB, iar în stare recoaptă Rm = 400 ÷ 500 N/mm2 și duritatea cuprinsă între 70 ÷ 90 HB.
Se prelucrează bine prin deformare plastică la cald și la rece. În stare pură, se utilizează
pentru pile electrice Fe - Ni, pentru placare sau depunere galvanică pe oțeluri, catalizator sub
formă de pulberi în industria chimică, filtre pentru combustibili și în tehnică
nucleară (F.C. Campbell, 2008).
Aliajele Ni-Cr, cu până la 30 % Cr, denumite nicrom, cromel etc., au proprietăți
electrice speciale (rezistivitate foarte mare), refractaritate înaltă (1100 0C) și rezistență la
coroziune în medii foarte agresiv oxidante, reducătoare și sulfuroase și sunt folosite ca
22
elemente de încălzire în cuptoare electrice, țevi refractare în camerele de ardere ale
turbinelor cu gaz, motoare cu reacție și paletele turbinelor cu gaz (P. Crook, 2005).
Aliajele Ni - Mo - Cr, cu 8 ÷ 30 % Mo; 1 ÷ 23 % Cr cu adaosuri de fier, cobalt,
mangan, wolfram și restul nichel, cunoscute sub denumirea de hastelloy, sunt refractare,
rezistând până la 1200 0C la coroziune tensofisurantă (se produc ca urmare a unei agresiuni
chimice în prezența unor tensiuni mecanice) și prin pitting, în cele mai agresive medii, sunt
ușor sudabile cu arc electric (G. Coates, 2009).
Fluidele caracterizate prin omogenitate şi izotropie pot fi întâlnite în natură sub
formă de apă, iar în industrie sub forma unor lichide de înaltă puritate obținute prin
procedee chimice. Fluidele au proprietăți diferite de curgere şi manifestări diferite la
interacţiunea cu solidele. Aceasta se datorează compoziției şi concentrației diferite de
amestecuri eterogene caracterizate prin viteze relative (diferența dintre viteza fluidului purtător
şi viteza celeilalte faze cu greutate specifică, în general, mai mare; diferite de zero vr ≠ 0).
1.4. ANALIZA FLUIDULUI UTILIZAT LA TESTELE DE
UZURĂ HIDROABRAZIVĂ
1.4.1. Parametrii uzuali ai apelor curgătoare
Apa conține de cele mai multe ori particule solide şi bule de gaz, iar dacă ar fi să
ne referim la apa de la robinet aceasta reprezintă un amestec de substanțe organice şi
anorganice dizolvate sau în stare de suspensie coloidală.
Amestecurile lichid - solid de tipul sistemelor dispersate (curenţi lichizi cu
suspensii) şi stratificate (curenţi cu pat mobil - nămol) au prezentat un interes deosebit din
punct de vedere a cercetărilor (B. Ciobanu, 2003).
Acest tip de sisteme prezintă următoarele proprietăţi fizice:
� Concentraţia reprezintă o mărime scalară definită ca raportul dintre cantitatea de material
izolat şi cantitatea totală de fluid polifazic din volumul, V. În funcţie de mărimile raportate sunt:
concentrație volumică (C); concentraţie masică (CM) sau (μ); concentraţie în greutate (CG).
� Greutatea specifică echivalentă se poate determina pentru sisteme bifazice prin
relaţia lui Simons relaţia (5.1):
�� = �������(�� ��) (1.1)
23
în care sunt greutăţile specifice ale amestecului, a mediului dispersat (faza solidă) şi
respectiv a celei de dispersie (J. Florea et al., 1987).
� Densitatea echivalentă pentru un fluid bifazic, se obţine cu relaţia (1.2):
ρn=Cp+(1-C) (1.2)
� Vâscozitate aparentă într-un mediu fluid este determinată de dispersia unei faze
oarecare care duce la mărirea forţelor interne de ”frecare” din amestecul polifazic.
Vâscozitatea aparentă se poate determina pentru amestecuri fluide - particule solide,
la concentraţii mici C = 0 ÷ 0,075, cu relaţia (1.3).
ηn=η(1-C1/3)-1 (1.3)
Vâscozitatea dinamică aparentă pentru suspensii diluate C < 0,05 cu particule
sferoidale (nisip), este dată de formula lui Albert Einstein relaţia (1.4):
ηn=η(1 + φC) (1.4)
unde factorul φ reprezentând o constantă numerică stabilită de A. Einstein pe considerente
hidrodinamice (J. Florea et al., 1987).
M.V. Smoluhovski şi W. Krasny - Ergon au completat formula lui A. Einstein
pentru concentraţii medii, C < 0,3, cu termeni care iau în considerare ”efectul electro -
vâscos” datorat creşterii vâscozităţii fluidului polifazic, obţinând relaţia (1.5):
�� = � �1 + �� �1 + � ��� � ��
� � �� � !��!"# (1.5)
unde: b este un coeficient numeric, b = 11.5; χ este conductivitatea specifică a fluidului;
ζ este potenţialul electrocinetic; d este diametrul particulelor solide, iar Dd este constanta
dielectrică (J. Florea et al., 1985).
Noţiunea de vâscozitate cinematică aparentă vn este utilizată în studiul curgerii
fluidelor polifazice, fiind definită prin raportul:
vn = $%&%
(1.6)
24
� Proprietăţile abrazive ale fluidului polifazic manifestate în procesul de
transport, reprezintă un fenomen greu de controlat şi apreciat care conduce la
uzarea. Fenomenul de abraziune este influenţat de forma particulelor (rotunjită sau
colţuroasă), precum şi de duritatea și concentraţia mineralelor în fluid.
Tabelul 1.1. Greutatea specifică medie a particulelor solide în funcție de natura materialului
Natura materialului γs[kN/m3] Natura materialului γs[kN/m3]
Granule aluvionare 21,627,8 Loess 17,8
Nisip cuarțos 26 Suspensiile din apele uzate 11,7
Argilă 24,5 Cărbune 13,3
Mâl 22,2 Bachelită 13
� Turbiditatea este opacitatea sau lipsa de transparență a apei sau a altui
lichid, provocată de particule foarte fine, care nu pot fi individualizate cu ochiul
liber și care, aflate în stare de suspensie în lichid, difuzează și reflectă lumina.
Tabelul 1.2. Turbiditate medie pentru principalele cursuri de apă din ţară (I. Bartha, 1991)
Râul Turbiditatea [kg/m3] Râul Turbiditatea [kg/m3] Râul Turbiditatea [kg/m3]
Dunărea 0,206 + 0,338 Olt 1,300 Mureş 0,535
Prut 0,700 + 0,775 Jiu 1,870 Someş 1,165
Şiret 0,500 + 2,820 Argeş 1,650 Bahlui 1,886
În tabelele 1.1 și 1,2 sunt prezentate o serie de valori numerice pentru diverse mărimi
specifice amestecurilor bifazice lichid - solid întâlnite fie în natură, fie în sistemele tehnice.
1.5. TURBINELE HIDRAULICE
Mașinile care transformă energia hidro-pneumatică în energie mecanică se
numesc maşini de forță sau motoare, cele mai importante fiind turbinele (Weijia Y, P. et
al., 2016). Mașinile care transformă energia mecanică în energie hidro-pneumatică se
numesc maşini de lucru sau generatoare (pompe, ventilatoare şi compresoare). Mașinile
care transformă o formă de energie mecanică în altă formă de energie mecanică, prin
intermediul energiei hidro-pneumatice se numesc transformatoare (cuple şi ambreiaje).
Turbo-transformatoarele sunt maşini reversibile, însă dacă la turbo-ambreiaje, din
cauza simetriei transmiterea inversă a momentului se poate realiza fără dificultate, la turbo-
transformatoare se întâmpină dificultă
rotoare, cât şi pentru reactor
Clasificarea generală a acestor maşini se face pe baza sensului transformării
precum şi al criteriului de fo
desfășurarea transformării: energie potenţială de poziţie, energie potenţială de presiune şi
energie cinetică (I. Florescu, 2007).
1.5.1. Criterii de clasificare a turbinelor hidraulice
Clasificarea mașinil
fi figura 1.7:
Figura 1.7.
25
transformatoare se întâmpină dificultăți mari din cauza profilării palelor, atât pentru
rotoare, cât şi pentru reactor (N. Brânzea, 2007).
Clasificarea generală a acestor maşini se face pe baza sensului transformării
precum şi al criteriului de formă a energiei hidro-pneumatice preponderentă în
ării: energie potenţială de poziţie, energie potenţială de presiune şi
energie cinetică (I. Florescu, 2007).
1.5.1. Criterii de clasificare a turbinelor hidraulice
șinilor hidraulice poate fi făcută după mai multe criterii cum ar
Figura 1.7. Clasificarea mașinilor hidraulice.
ării palelor, atât pentru
Clasificarea generală a acestor maşini se face pe baza sensului transformării
pneumatice preponderentă în
ării: energie potenţială de poziţie, energie potenţială de presiune şi
pă mai multe criterii cum ar
26
Toate turbinele transformă energia hidraulică în energie mecanică, dar după forma
energiei hidraulice primare și felul transformării ei se disting două categorii:
� turbinele cu acțiune sau egală presiune, sunt acele motoare hidraulice
care transformă în stator întreaga cădere netă în înălțime cinetică și primesc la intrarea
în rotor energia hidraulică sub formă pur cinetică, pe care o transformă, după principiul
impulsului, în energie stereomecanică. În această categorie se încadrează următoarele
tipuri de turbine: Girard, Zuppinger, Banki, Bell, Sfindex, precum și actuala
turbină Pelton;
� turbinele cu reacțiune sau cu suprapresiune, sunt turbinele care transformă
energia hidraulică preponderentă în energie potențială de presiune. La aceste turbine
presiunea de intrare în rotor, este mai mare decât cea de la ieșire din rotor.
Clasificarea după admisia apei:
� După gradul admisiei se disting turbine cu:
� admisie totală, (S, F, K, SK, AB, AC, KD), în care apa intră în turbină
pe întreaga periferie;
� admisie parțială, (P, B), în care apa se injectează prin 1 până la 6
injectoare, respectiv pătrunde pe un sector al periferiei.
� După direcția admisiei apei se deosebesc turbine cu admisia:
� tangențială (turbine Pelton figura 1.8, a);
� axială (turbine K, SK, AB, AC, S) - (figura 1.8, b);
� radială (turbine F lente figura 1.8, c);
� diagonală (turbine F normale și F sau KD rapide) - (figura 1.8, d).
Figura 1.8. Clasificarea turbinelor după direcția admisiei: a) tangențială; b) axială;
c) radială; d) diagonală.
a) b) c) d)
27
� După numărul rotoarelor se deosebesc:
� turbine monorotoare, caracterizate prin existenta unui singur rotor pe axul
turbinei. Aceasta este construcția uzuală pentru toate turbinele S, F, K, SK,
E, P cu ax vertical şi, de asemenea, F - lent şi P - lent cu ax orizontal;
� turbine duble, soluție aplicată doar la turbina F ale cărei caracteristici
constau în aceea că au o singură carcasă spirală, un aparat director, două
aspiratoare şi rotorul dublu;
� turbine polirotoare, care constau din mai multe rotoare așezate coaxial. În
trecut, această soluție s-a utilizat la F - orizontal cu 3 ÷ 4 rotoare pe
același arbore orizontal, dar a fost înlocuită cu succes de o singură
turbină K - monorotoare.
În ultimul deceniu, turbinele Francis lente de mare cădere au eliminat turbinele
Pelton rapide în zonele în care căderile de apă sunt cuprinse între 300 ÷ 522 m, iar
turbinele Francis rapide au fost la rândul lor eliminate de turbinele elicoidale Kaplan lente
la căderi de apă cuprinse între 50 ÷ 74 m.
1.5.2. Construcția turbinelor hidraulice Turbinele cu acțiune de tip Pelton (P) figura 1.9 s-au dezvoltat foarte repede,
realizându-se unele turbine de putere foarte mare (110 MW). Limita inferioară a căderii
pentru unitățile mari este de 400 m.
a) b)
Figura 1.9. Turbină cu reacțiune Pelton: a) imagine de ansamblu turbină; b) rotorul și
paletele turbinei (www.flovel.net, 2015).
28
Turbinele cu reacțiune Francis (F) figura 1.10 lucrează cu căderi de la 70 m până
la 500 m și cu puteri unitare tot mai mari. Puterea maximă a acestor turbine
depășește 500 MW la căderi de 100 m.
a) b)
Figura 1.10. Turbină cu reacțiune Francis: a) imagine de ansamblu a turbinei
(N. Agrawal, 2009); b) rotorul și paletele turbinei (www.flovel.net, 2016).
Turbinele Semi-Kaplan (SK) figura 1.11 au palele statorului fixe și cele rotative
reglabile, încadrându-se astfel între turbinele Kaplan și turbinele Kaplan Elicoidale.
a) b)
Figura 1.11. Turbinele Semi-Kaplan: a) imagine de ansamblu a turbinei
(www.brighthubengineering.com); b) rotorul și paletele turbinei, evidențierea reglajului
(www.flovel.net,2016).
Turbinele axiale bulb (AB) sunt tot turbine tubulare, care au generatorul
integrat în axul bulb, aici e și locul unde se face și multiplicarea turației. Datorită
29
acestui fapt puterea este încă limitată la 15 MW la căderi cu înălțimi de până la 20 m
figura 1.12.
a) b) Figura 1.12. Turbinele axiale bulb: a) imagine de ansamblu a turbinei (www.hydrotu.com)
b) elemente componente (www.powerelectronics.com, 2016).
Trecerea de la randamentul de 70 % pe care îl aveau turbinele la începutul
secolului al XX - lea, până la cele actuale în care randamentele maxime sunt: de
peste 91 %, pentru turbinele Pelton; de peste 94% pentru turbinele Francis și de
peste 93,5 % pentru turbinele Kaplan, ilustrează rezultatul evoluției pe baze științifice a
construcției de turbine din ultimul secol (V.C. Câmpian, 2003).
1.6. UZURA HIDROABRAZIVĂ A PALETELOR DE TURBINE
HIDRAULICE
1.6.1. Noțiuni generale
Uzura constă în modificarea progresivă a (dimensiunilor) unui subansamblu
mecanic, pe durata funcționării sistemului din care face parte.
Uzura hidroabrazivă sau hidroabraziunea se referă la acea uzură a detaliilor
paletelor turbinelor hidraulice, care are loc sub acțiunea comună a particulelor abrazive
sau/și a curentului de fluid ca purtător a acestora.
Practica a arătat că acest proces este unul foarte complex, evidențiindu-se unele
cazuri în care acțiunea comună a fluidului și a particulelor abrazive în procesul de uzură
este mult mai mare, decât dacă acestea ar acționa separat (I.V. Kozîrev, 1979).
30
Uzura hidroabrazivă poate fi localizată sub aspectul unor adâncituri locale sau
uniform distribuită (uzură generală). Aspectul uzurii depinde de particularitățile de uzură
ale particulelor din mediul de lucru (viteza jetului fluid, cantitatea particulelor abrazive pe
unitate de volum, tipul acestor particule, agresivitatea mediului fluid etc.), de
particularitățile constructive ale suprafețelor (forma suprafețelor, parametrii macro și
microgeometriei suprafețelor, calitatea de suprafață a acestora etc.), precum și de poziția
suprafețelor active față de jetul fluidului cu particule abrazive (B. Ciobanu, 2003).
Uzura hidroabrazivă este un fenomen complex care apare la generatoarele și
motoarele hidraulice care/și prin care se tranzitează fluide polifazice. Aceasta duce la o
reducere a eficienței și duratei de viață a turbinelor hidroelectrice, cauzând probleme în
exploatare și în întreținere.
În lucrarea (L. A. Teran et. al., 2016) autorul definește hidroabraziunea ca o
tensiune tribologică asupra suprafețelor unor organe de mașini ca rezultat al curgerii
lichidelor ce conțin particule solide.
U. Helbing folosește termenul de hidroabraziune în mod special pentru efectele de
uzură și rupere, ce pot avea loc în ingineria hidraulică, de exemplu, uzarea canalelor prin
care circulă noroi și alte resturi ca rezultat al curgerii apei (U. Helbing et al., 2005).
Tabelul 1.3. Descrierea pe baza aspectului vizual a hidroabraziunii turbinelor hidraulice
(H. Brekke, 2002)
Tip Descriere Luciu metalic O suprafață strălucitoare fără urme de vopsea, piatră sau
rugină
Hidroabraziune fină O suprafață cu solzi fini, superficiali, care sunt rari și localizați separat
Hidroabraziune scalară O suprafață acoperită în întregime cu o peliculă de piatră de adâncime
Hidroabraziune grosieră de mari dimensiuni
O suprafață acoperită în întregime cu solzi de piatră profunzi și extinși
Hidroabraziune în profunzime O suprafață acoperită cu canale adânci și lungi
Dacă prin termenul de hidroabraziune sunt oferite informații exacte despre cauza
care produce degradarea unui organ de mașină, prin termenul de eroziune aflăm informații
doar despre efectul de degradare a proprietăților (aspect, volum, greutate etc.). În general,
este dificil să se facă distincția între tipurile de uzură care se întâlnesc la
mașinile hidraulice.
31
1.6.2. Uzura hidroabrazivă pe turbinele Pelton
Accelerarea particulelor depinde în mare măsură de mărimea racordului și a
capătului turbinei şi nu depășește valoarea de 50000 m/s2. În general, turbinele Pelton
figura 1.13 sunt proiectate pentru o viteză scăzută.
Figura 1.13. Schema elementelor componente ale turbinei Pelton
(www.rivers.bee.oregonstate.edu).
Viteza mare și accelerația particulelor din instalație sunt principalele cauze
care produc uzura hidroabrazivă a acestora. Pentru a studia fenomenul de uzură
hidroabrazivă a turbinei Pelton, a fost aleasă studierea sistemului duză și rotor,
deoarece aici se manifestă cel mai des acest fenomen.
1.6.2.1. Sistemul ac-inel (duză) al turbinei Pelton
Duza turbinei Pelton este compusă dintr-un inel și ac. Capul turbinei Pelton poate
dezvolta un jet de apă cu o viteză de până la 150 m/s, care poate deteriora, atât duza, cât și acul.
a) b)
Figura 1.14. Uzura hidroabrazivă a duzei și a acului de turbină Pelton: a) ac duză; b) inel
duză (O.G. Dahlhaug et al., 2009).
Fotografiile din figura 1.14 prezintă locul unde a avut loc uzura hidroabrazivă
produsă de particule abrazive pe duză și pe acul turbinei Pelton, aceste locuri sunt
32
evidențiate cu culoare roșie. Protecția acului și a inelului duzei se poate face aplicând un
strat subțire ceramico - metalic. Acest strat contribuie la îmbunătățirea rezistenței la uzură
hidroabrazivă, provocată de hidroabraziunea solidelor aflate în lichid.
1.6.2.2. Rotorul turbinei Pelton Uzura hidroabrazivă se întâlnește pe toate componentele turbinei, cu toate acestea
natura uzurii este diferită. În rotorul turbinei Pelton, accelerarea normală absolută poate fi
cuprinsă între 50000 ÷ 100000 m/s2. O astfel de accelerație mare este principalul motiv al
apariției uzurii hidroabrazive ale paletelor rotorului. Paletele directoare și marginile acestora
sunt cel mai grav avariate din cauza lovirilor directe ale particulelor. În figura 1.15b sunt
prezentate efectele negative ale uzurii hidroabrazive pe paletele turbinei.
a) b)
Figura 1.15. Uzura hidroabrazivă a paletelor de rotor Runner: a) suprafața paletei
rotorului; b) splitter (H.P. Neopane et al., 2011).
Particulele mari, de exemplu, mai mari de 0,5 mm, provocă grave daune la
paletele rotorului turbinei Pelton. Acestea creează uzură hidroabrazivă la intrarea în paletă
și în cavitatea acesteia figura 1.16.
Figura 1.16. Traseele urmate de particule într-o paletă de rotor Pelton (B. Thapa, 2004).
33
Particulele fine, pot aluneca împreună cu apa în interiorul paletei de rotor și lovesc
suprafața spre marginile de evacuare figura 1.16, cauzând o uzură hidroabrazivă severă la
vârful paletei, datorită distorsiunii profilurilor paletei de rotor de la vârf.
În lucrarea (B. Thapa, 2004) autorul a subliniat câteva concluzii bazate pe
diferitele observații ale exemplelor de hidroabraziune ale centralelor hidroelectrice:
� dacă particulele sunt fine (aluviuni), atunci va fi o hidroabraziune pe ax și
nu va mai fi o hidroabraziune la paletele de rotor;
� dacă particulele sunt grosiere (nisip), atunci nu va fi o hidroabraziune la
paletele de rotor însă va exista o hidroabraziune mai mică la acul duzei;
� la particule de dimensiuni medii, atât acul, cât și paletele de rotor
vor fi erodate.
1.6.3. Uzura hidroabrazivă pe turbinele Francis
În general, turbinele Francis sunt proiectate pentru funcționarea la viteze mari.
Capul turbinei Francis este afectat de cele mai multe ori de efectele hidroabraziunii
particulelor abrazive.
a) b)
Figura 1.17. Turbina Francis: a) schema de funcționare a turbinei Francis
(www.rivers.bee.oregonstate.edu); b) uzura hidroabrazivă a paletelor Francis.
Brekke (H. Brekke, 2002) a clasificat componentele turbinei Francis în patru
grupe, în scopul de a studia fenomenul uzurii hidroabrazive figura 1.17. Acestea sunt:
sistemul de admisie, sistemul de palete de ghidare, rotorul și conducta de admisie
cu garniturile de etanșare.
34
1.6.3.1. Sistemul de admisie al turbinei Francis
Sistemul de admisie al turbinei Francis constă în colector, duză, sistem bypass și
carcasă spiralată. Comparativ cu duza de intrare a turbinei Pelton, duza turbinei Francis
suportă o presiune cu 50 % mai mică în timpul închiderii din cauza presiunii create de
paletele rotorului. Prin urmare, supapa de admisie a turbinei Francis are o garnitură de
cauciuc care are o mai bună rezistență la uzură.
Este important ca sistemul bypass să fie mai mare pentru a crea o presiune mai
ridicată în carcasa tip spirală, înainte de a deschide duzele, deoarece presiunea scăzută din
timpul deschiderii carcasei spiralate vor duce la creșterea deteriorării garniturilor
dispozitivelor de etanșare.
Prin urmare, sistemul de bypass în turbina Francis trebuie să fie mai puternic
decât la turbina Pelton pentru a crea o presiune mai mare în carcasa spirală (H.P. Neopane
et al., 2011). Paletele sunt astfel proiectate încât debitul și direcția fluxului în
turbină să nu fie afectate.
a) b)
Figura 1.18. Uzura hidroabrazivă a paletelor de turbină Francis de la centrala Cahua
(Peru): a) intrarea la paletele staționare; b) canale inelare tipice în apropiere de
marginile conductelor (H.P. Neopane et al., 2010).
Datorită carcasei de tip spirală, se creează în interiorul acesteia un flux secundar la
un unghi incorect care e direcționat spre partea de sus și de jos a regiunii de admisie a
paletelor staționare provocând o hidroabraziune secundară în turbinele de înaltă presiune.
Un astfel de fenomen s-a observat la centrala Cahua (H.P. Neopane et al., 2007) unde
vopseaua și o parte din materialul metalic au fost îndepărtate din cauza hidroabraziunii.
Coroziunea urmată de îndepărtarea vopselei accelerează viteza de hidroabraziune şi, cu
toate acestea, inelele staționare reduc fluxul incorect și minimizează hidroabraziunea la
intrare în paletele staționare.
35
1.6.3.2. Sistemul paletelor de ghidare al turbinei Francis
Sistemul paletelor de ghidare este extrem de afectat de fenomenul de uzură
hidroabrazivă din cauza vitezei absolute mari și a accelerării. Hidroabraziunea la paletele de
ghidaj, provocată de apa încărcată cu nisip, poate fi clasificată în următoarele patru categorii
(H. Brekke, 2002):
� hidroabraziunea din zona de ieșire este provocată de viteza mare a nisipului fin;
� fluxul de hidroabraziune secundar se întâlnește în spațiul dintre paletele de
ghidaj și paletele staționare și este cauzat de particulele de dimensiuni fine și medii,
acestea provocând șanțuri de tip potcoavă pe conturul paletelor de ghidaj;
� scurgerile datorate hidroabraziunii din spațiul dintre paletele de ghidare și
placă, cauzează separări locale și turbulențe la partea de intrare la refulare și în
partea de ieșire la aspirație cauzând un canal adânc în partea de jos și de sus
al paletelor de ghidaj;
� hidroabraziunea accelerată este cauzată de separarea particulelor mari de la
liniile de curent al fluxului principal, datorate rotației apei în fața rotorului.
a) b)
Figura 1.19. Uzura hidroabrazivă a paletelor de ghidaj și a plăcilor observate la Centrala
electrică Cahua: a) palete erodate; b) vortexuri de tip potcoavă la plăcile cu care se confruntă
(H.P. Neopane et al., 2011).
Studiile întreprinse la centrala electrică Cahua au evidențiat figura 1.19 a) mai
multe urme de uzură hidroabrazivă în apropierea zonei de tranziție a capacului inferior,
datorită accelerării ridicate și vitezei mari din paletele de ghidaj în cascadă.
Hidroabraziunea de pe paletele de ghidare ale turbinei poate fi redusă prin realizarea unui
jet de apă cu o viteză mai uniformă. Unghiul de evacuare al paletelor staționare ar trebui să
fie ales astfel încât paletele de ghidaj să fie în poziție neutră (H. Brekke, 2002).
În mod similar, reducerea spațiului liber dintre paletele de ghidaj și plăcile cu
care se confruntă, evită fluxul în cruce și fluxul secundar. Etanșarea metalului este utilizată
36
pentru a reduce decalajul dintre paletele de ghidaj și plăcile cu care se confruntă, cu
intenția de a îmbunătăți eficiența, dar acest lucru ar putea fi mai distructiv odată ce
deteriorarea la un astfel de sigiliu începe (H.P. Neopane et al., 2009). Capacele vor fi
expuse la hidroabraziune datorită curenților secundari, în special la colțurile dintre
placă și paletele de ghidaj.
Pentru a evita uzura hidroabrazivă este recomandat ca spațiul liber dintre paletele
de ghidaj ale turbinelor să fie între 0,1 ÷ 0,3 mm sub presiune și duritatea paletelor de
ghidaj realizate din 16Cr5Ni să fie cuprinsă între 350 ÷ 400 HB, iar placa cu care se
confruntă să fie realizată din 17Cr1Ni și duritatea să fie de 300 HB,
(H.P. Neopane et al., 2011).
1.6.3.3. Rotorul turbinei Francis
Regiunea de admisie a rotorului este sensibilă la o distribuție incorectă de
presiune între presiune și aspirație și orice separare cauzată de acest lucru poate provoca
grave hidroabraziuni locale la intrare, datorită nisipului cu granulație fină.
Uzura hidroabrazivă a rotorului centralei electrice Cahua este prezentată în
figura 1.20 (H.P. Neopane et al., 2010).
a) b)
Figura 1.20. Uzura hidroabrazivă la rotorul centralei Cahua: a) la ieșirea din rotor;
b) la partea presurizată a lamei (H.P. Neopane et al., 2011).
Fluxul în cruce care curge de la ax către învelișul protector cauzat de lamelele
înclinate incorect va duce, de asemenea, la creșterea așa numitelor vortexuri de tip
potcoavă la baza paletelor. Etanșeitățile dintre spațiile libere ale labirintului pot suferi uzuri
hidroabrazive, precum și acțiuni de abraziune datorită mediului de lucru cu nisip grosier.
Eficiența etanșeității labirintului este invers proporțională cu diferența între spații
(H.P.Neopane et al., 2011).
37
CONCLUZII
În industrie materialele pe care sunt depuse straturi subţiri pot avea utilizări
diverse: industria pompelor de apă murdară, industria constructoare de utilaje agricole,
industria petrochimică, industria navală (elicea vapoarelor), precum şi pentru construcția
paletelor turbinelor hidraulice. Din punct de vedere al construcției turbinelor hidraulice s-a
constatat o diversificare a construcției acestora, respectiv ale rotoarelor și paletelor;
turbinele cu acțiune de tip Pelton, s-au dezvoltat foarte repede, realizându-se turbine de
putere mare (110 MW). Limita inferioară a căderii pentru unitățile mari este de 400 m.
În ceea ce privește materialele utilizate în construcția paletelor turbinelor hidraulice
se poate concluziona că:
� oțelurile inoxidabile speciale sunt cel mai utilizate în construcția
turbinelor hidraulice;
� creşterea rezistenței la uzură hidroabrazivă a oțelurilor inoxidabile speciale se
poate realiza prin tratamente termice, termochimice sau depuneri de straturi
subțiri.
Materialul de bază utilizat va fi oțelul inoxidabil GX3CrNi134 (DIN 1.6982) care
are proprietăți foarte bune de rezistență la coroziune, dar are duritatea scăzută. Pentru
creșterea rezistenței la uzură hidroabrazivă vor fi depuse straturi subţiri prin
două metode de depunere.
În ceea ce privește metodele de depunere a straturilor subțiri consider că metoda de
depunere prin pulverizare termică în jet de plasă (metoda PTJP) permite depunerea unei
diversități mari de materiale, în timp ce metoda de depunere cu electrod vibrator
(metoda EV) prezintă eficiență economică importantă prin comparație cu alte metode
traționale (galvanizare și cromare).
Realizarea stadiului actual al cercetărilor existente a permis analizarea critică a
puținelor rezultate identificate în literatura de specialitate cu privire la uzura
hidroabrazivă a straturilor subțiri depuse pe un material de bază. Astfel, a fost pus în
evidență un ansamblu strat - substrat realizat din materialul de bază (≡ strat), respectiv
materialul de depunere (≡ substrat).
S-a proiectat acest ansamblu strat-substrat, deoarece materialul de bază este cel
mai folosit ca material în construcția turbinelor de mare viteză, în timp ce materialele de
depunere (pulberi pe bază de W, Ni) au în compoziția chimică elemente care pot duce la o
durificare a stratului și respectiv la o creștere a rezistenței la uzură hidroabrazivă.
38
CAPITOLUL 2
OBIECTIVELE, PROGRAMUL ȘI METODOLOGIA
CERCETĂRILOR EXPERIMENTALE
2.1. OBIECTIVELE CERCETĂRILOR EXPERIMENTALE
În concordanță cu importanța temei de cercetare, obiectivul principal al
demersului științific constă în identificarea/realizarea unor depuneri de straturi subțiri care
să contribuie la creșterea fiabilității/durabilităţii paletelor turbinelor hidraulice, să reziste la
acțiunea distructivă cauzată de hidroabraziune și să aibă o eficiență economică ridicată.
Tabelul 2.1. Obiectivele tezei de doctorat
Obiective generale Activităţi
Realizarea unor materiale depuse cu straturi subţiri, superioare materialelor de
bază dar cu costuri mai mici decât a unor materiale
neacoperite scumpe (pulberi pe bază de W, Ni)
Corelarea proprietăţilor obţinute cu informaţiile deja existente
Pregătirea materialelor pentru depunerea straturilor
Realizarea depunerilor cu două tipuri de material de depunere pe un material de bază prin cele două metode de depunere
Verificarea rezistenței la hidroabraziune a straturilor obținute
Corelarea proprietăților obţinute cu informațiile privind proprietăţile materialelor deja existente
Interpretarea rezultatelor obţinute
Analiza structurii şi a proprietăților, chimice şi mecanice ale materialului
de bază
Determinarea compoziției chimice
Analiza structurală cu ajutorul microscopiei optice și electronice
Analiza microdurității materialului de bază
Analiza de microamprentare
Analiza comportării la coroziune a materialelor utilizate
Testarea straturilor subţiri rezistente la uzură
hidroabrazivă
Determinarea compactității stratului depus
Determinarea compoziției chimice
Determinarea microdurității stratului depus
Determinarea aderenței stratului la substrat
Obiective științifice Obținerea unor straturi subțiri cu caracteristici de rezistență bună la uzură hidroabrazivă în medii neutre și în medii corozive
Studierea aderenței straturilor subțiri dure depuse pe materialul de bază
Studierea metodelor folosite pentru depunerea unor straturi subțiri şi dure
39
Obiective tehnice Depunerea straturilor subțiri rezistente la uzură hidroabrazivă
Analiza structurii și a proprietăților fizice, chimice şi mecanice ale straturilor subţiri depuse
Realizarea instalației de testare a uzurii hidroabrazive
Testarea straturilor subţiri la aderență, coroziune și hidroabraziune
În acest sens, se dorește realizarea unor straturi subțiri cu aderență bună la substrat
și cu o rezistență foarte bună la hidroabraziune.
2.2. PROGRAMUL CERCETĂRILOR EXPERIMENTALE
Dacă în domeniul de cercetare al uzurii hidroabrazive literatura de specialitate
consemnează puţine lucrări (N. Agrawal, 2009 și K. Komvopoulos, 2008) situaţia în ceea
ce privește cercetarea uzurii hidroabrazive a straturilor subţiri este aproape inexistentă, atât
la nivel național, cât şi la nivel internațional.
Aplicabilitatea acestei teme reiese din faptul odată cu punerea în practică a
rezultatelor obținute acestea vor avea ca efect creșterea fiabilității/durabilităţii paletelor
turbinelor hidraulice Francis.
Tabelul 2.2. Programul cercetărilor experimentale
1. Stadiul actual al cercetărilor Realizarea stadiului actual al cercetărilor existente a permis analiza critică a rezultatelor identificate în literatura de specialitate cu privire la uzura hidroabrazivă, a straturilor subțiri depuse pe un material de bază şi a avut în vedere teme importante ale programului de cercetare doctorală cum ar fi: hidroabraziunea, oțelurile inoxidabile speciale, metodele de depunere, turbinele hidraulice și tipurile de straturi subțiri care pot fi depuse.
2. Alegerea şi analiza materialului de bază Ca urmare a documentării bibliografice realizate a fost identificat ca material de bază oţelul ferito - martensitic, GX3CrNi134 (DIN 1.6982), care face parte din clasa oţelurilor inoxidabile speciale. Această clasă de oțeluri este folosită pentru realizarea valvelor de aerisire ale motoarelor cu ardere internă şi a paletelor de turbină.
3. Pregătirea materialului de bază
Debitare
Debitarea materialului este necesară pentru obţinerea probelor care vor fi utilizate ca material de bază pentru depuneri de straturi subţiri, respectiv pentru investigații cu privire la structura şi caracteristicile ansamblului strat - substrat.
Şlefuire Procesul de șlefuire se va realiza în vederea obţinerii unei suprafeţe perfect plane, fără zgârieturi; proba este curăţată sub jet de apă pentru a fi îndepărtate toate particulele care au aderat în
40
timpul operaţiei de şlefuire la suprafaţa probei, pentru a se putea realiza analizele metalografice.
Sablare Sablarea se va realiza cu scopul de a obține o rugozitate corespunzătoare tipului de depunere (metoda PTJP), rezultând o aderență cât mai bună între strat şi substrat.
4. Analize ale materialului de bază
Spectrometrie Cu ajutorul spectrometrului de masă se va determina compoziția chimică.
Microscopie electronică
Analizele prin microscopie electronică (SEM - Scanning Electron Microscope) se vor efectua pentru a analiza suprafața și microstructura materialului de bază.
Microscopie optică
Analiza microscopică este necesară pentru a identifica tipul de structură a materialului de bază (feritică, martensitică, austenitică etc.), incluziunile metalice, mărimea şi forma granulaţiei.
Rugozitate Rugozitatea va furniza informaţii referitoare la topografia forma suprafețelor reale pe întinderea lor prin intermediul profilogramei.
Microduritate
Măsurătorile de microduritate vor oferi informaţii legate de microduritatea materialului de bază, pentru ca ulterior aceste valori ale durității să fie comparate cu valorile obținute la testarea straturilor subțiri.
Coroziune
Determinarea coroziunii prin metoda electrochimică se va realiza prin analiza corelaţiei directe care există între curentul măsurat între electrozi şi cantitatea de material de bază transferat în mediul coroziv.
Difractrometrie cu radiații X
Difracţia cu radiații X reprezintă o tehnică non-distructivă care va fi utilizată pentru identificarea şi determinarea calitativă şi cantitativă a compuşilor chimici metalici din materialul de bază.
Aderenţă Prin testele de aderenţă se vor determina forţele de frecare şi coeficienţii de frecare statici şi dinamici la scară micro în mişcare de rotaţie pentru diverse combinaţii de materiale.
Hidroabraziune
Testele de uzură hidroabrazivă pe materialul de bază se vor realiza în scopul comparării uzurii materialului de bază și a materialelor depuse cu straturi subțiri, pentru a vedea care rezistă mai bine la hidroabraziune.
5. Alegerea materialelor de depunere Metco 71NS (WC12Co) este un aliaj pe bază de wolfram, care are în componenţă carbon şi cobalt. Deloro 60 este un aliaj pe bază de nichel, care are în compoziţie crom şi bor utilizat la realizarea de acoperiri dure rezistente la abraziune şi coroziune.
6. Alegerea metodelor de depunere � metoda de depunere prin pulverizare termică în jet de plasmă (PTJP); � metoda de depunere cu electrod vibrator (EV).
41
5. Parametrii tehnologici de depunere Depunerile prin metoda EV cu electrozi compacţi se desfăşoară cu o tensiune cuprinsă între 15 ÷ 220 V, cu o frecvenţă a vibraţiilor cuprinse între 50 ÷ 300 Hz, iar amplitudinea vibraţiilor în timpul depunerii nu depăşeşte 0,2 ÷ 0,5 mm. Principalii parametri tehnologici ai depunerii prin metoda PTJP, care influenţează calitatea stratului depus, sunt: distanţa de pulverizare dintre pistolul de pulverizare şi suprafaţa substratului, atmosfera de lucru și viteza liniară a jetului de plasmă.
6. Analiza stratului depus şi a interfeţei strat - substrat Microscopie
optică Cu ajutorul microscopului optic se va studia calitatea suprafeţei stratului depus (fisuri, neaderențe etc.).
Microscopie electronică
Analiza SEM pe strat se va realiza pentru a determina microstructura, grosimea stratului depus, precum și aria picăturilor formate pe suprafața depusă.
Rugozitate Determinarea rugozității se va realiza pentru a vedea cum influențează aceasta uzura hidroabrazivă.
Microduritate Măsurătorile de microduritate se vor face pentru a evidenţia influenţa stratului depus asupra caracteristicilor stratului.
Coroziune
Testele de coroziune ale straturilor depuse folosite la depunerea paletelor turbinelor hidraulice se vor face pentru a evidenţia rezistenţa materialului depus la mediile corozive în care lucrează (mediu acid sau bazic).
Hidroabraziune Testele de uzură hidroabrazivă pe materialul depus se vor face pentru a determina rezistența la uzură hidroabrazivă a paletelor de turbină.
Măsurarea pierderii de masă
Măsurarea pierderii de masă cauzate de procesul de uzură hidroabrazivă pentru probele depuse se va face cu ajutorul balanței electronice.
Difractrometrie cu radiații X
Difractrometria cu radiații X va fi utilizată pentru a identifica compuşii chimici și fazele formate în stratul depus.
Aderenţă Testele de aderenţă se vor desfășura pentru a studia procesul de alunecare sacadată (stick - slip), forţele de adeziune şi procesele de uzare pentru a determina rezistenţa straturilor subțiri.
7. Analiza grafică Rezultatele obţinute se vor reprezenta grafic pentru a putea fi analizate și pentru a evidenţia valori minime, medii și maxime pentru testele de rugozitate, microduritate și uzură hidroabrazivă.
8. Discuţii asupra rezultatelor Discuţiile asupra rezultatelor asigură integrarea contribuţiilor personale în sistemul de cunoştinţe anterioare. Sunt necesare discuţii teoretice pentru justificarea formulării stadiului iniţial în planul lucrării, încadrarea temei cercetate în contextul domeniului şi aportul cercetării la clarificarea şi precizarea unor aspecte legate de uzura hidroabrazivă.
9. Interpretarea rezultatelor Rezultatele obţinute vor fi interpretate în scopul identificării unor explicaţii corecte a testelor experimentale şi a depistării unor soluţii de creștere a fiabilității paletelor de turbină.
42
10. Concluzii Concluziile tezei vor prezenta rezultatele obţinute într-o manieră concisă şi coerentă, astfel încât acestea să fie în conformitate cu rezultatele demersului ştiinţific iniţiat ȋn această lucrare, evidenţiind, atât contribuţiile personale, cât şi perspectivele de dezvoltare ale tematicii.
Prin experimentele care se vor realiza se va urmări obţinerea unor straturi subţiri,
cu proprietăți chimic, mecanice şi structurale care completează caracteristicile oţelurilor
inoxidabile speciale utilizate la realizarea paletelor turbinelor hidraulice.
2.3. METODOLOGIA CERCETĂRII EXPERIMENTALE
Oţelurile inoxidabile speciale au slabe proprietăţi de rezistenţă la uzură abrazivă şi
hidroabrazivă, iar scopul cercetării reprezintă remedierea acestor dezavantaje prin
depunerea de straturi subţiri dure pentru îmbunătăţirea rezistenţei la uzură (hidroabrazivă).
Depunerea de straturi subţiri prin metoda PTJP are avantajul că poate folosi
materiale cu punct de topire foarte ridicat. Utilizarea pulverizării termice permite creşterea
productivităţii, îmbunătăţind, nivelul calitativ al pieselor finite. Pulverizarea termică,
datorită condiţiilor de depunere, creează o zonă de microaliere întinsă, adică o ancorare
puternică strat - substrat.
Depunerea de straturi subţiri prin metoda EV a fost aleasă deoarece se pot obţine
straturi subţiri cu aderenţă bună la substrat şi pot fi realizate grosimi diferite în funcţie de
numărul de treceri ale electrodului pe piesă.
Pentru verificarea rezistenţei la uzură hidroabrazivă a straturilor depuse se va
utiliza o instalaţie (de concepţie proprie) cu viteze variabile şi cu unghiuri de incidență
diferite între probe şi particulele abrazive.
Probele vor fi pregătite metalografic (debitare, șlefuire etc.) pentru a analiza
structura materialului de bază și a materialului de depunere la microscopul optic și pentru a
obține suprafața necesară în vederea realizării depunerilor (pentru depunerea cu
electrod vibrator).
După depunerea straturilor subțiri se vor analiza proprietăţile mecanice şi chimice
ale ansamblului strat-substrat. Totodată, se vor efectua analize la microscopul electronic şi
prin microanaliza cu radiații X cu dispersia după energie a radiației X (EDX, Energy
Dispersive X-ray Microanalysis) pentru evidenţierea structurii strat - substrat şi a repartiţiei
elementelor chimice pe suprafaţă.
43
Studierea rugozităţii stratului depus este importantă deoarece înălţimea
neregularităților influenţează tipul de curgere a fluidelor în funcție de tipul suprafeței cu
care intră în contact (laminară și/sau turbulentă în funcție de clasa de rugozitate).
Testele de coroziune prezintă modul ȋn care straturilor depuse influenţează asupra
caracteristicilor de rezistenţă la coroziune în medii agresive chimic ale depunerilor pe un
oţel din clasa oţelurilor inoxidabile speciale utilizate la realizarea paletelor de turbine.
Testele de aderenţă (scratch - test) dau indicaţii despre ancorarea stratului la
substrat şi despre forţa de apăsare maximă suportată de ansamblul strat - substrat.
Tabelul 2.3. Aparatura utilizată
DENUMIRE ECHIPAMENTE METODE /
INVESTIGAȚII Metode de depunere
Elitron 22A
Metoda EV
Sulzer Metco 9MCE
Metoda PTJP
Pregătirea probelor
Metacut M250
Debitarea materialelor
Forcipol 2V
Pregătirea
metalografică a
probelor – şlefuire
Sealey SB974
Sablarea probelor
44
DENUMIRE ECHIPAMENTE METODE /
INVESTIGAȚII Caracterizarea probelor
Spectrometrul
Foundry Master
Determinarea
compoziţiei chimice
prin analiza spectrală
Microscop optic
Zeiss, tip Axio
Observer D1M
Analiza structurală
prin microscopie optică
SEM model Vega II
LMH
Analiză microscopie
electronică şi analiza
cantitativă EDX
Difractometru de
raze X-X’pert Pro
Mrd
Analiză calitativă de
fază prin investigaţii
difractometrice cu
radiaţii X
Microdurimetru CV
Instruments 400DM
Testarea microdurităţii
Rugozimetru
Mitutoyo SJ-301
Determinarea
rugozităţii
Profilometrul scan
Explorer Nanofocus
Taylor-Hobson
Determinarea
profilului suprafeţei
45
DENUMIRE ECHIPAMENTE METODE /
INVESTIGAȚII Potenţiostatul
VoltaLab 21
Determinarea
rezistenţei la coroziune
Microtribometrul
Cetr- UMT-2
Determinarea
tribologiei materialului
Investigaţiile se vor realiza pe materialul de bază, pe materialul de depunere,
punând în evidenţă caracteristicile structurale, precum şi proprietăţile chimice şi mecanice
ale ansamblul strat - substrat.
46
CAPITOLUL 3
METODE ȘI APARATURĂ
3.1. METODE ŞI INSTALAȚII DE DEPUNERE A
STRATURILOR SUBȚIRI
3.1.1. Metoda şi instalația de depunere prin pulverizare termică în
jet de plasmă (PTJP)
Pulverizarea termică în jet de plasmă figura 3.1 reprezintă topirea şi pulverizarea
pulberilor de metal sau nemetal cu ajutorul plasmatroanelor. Temperatura din interiorul
norului de plasmă poate ajunge la 16000 0C.
Figura 3.1. Schema procesului de depunere prin metoda PTJP (www.stellite.com, 2016).
Pulberea de material metalic este condusă în jetul de plasmă cu ajutorul unui gaz
inert utilizat ca element transportor, prin intermediul unui injector lateral.
Metoda PTJP constă în utilizarea curentului continuu sub formă de arc electric
format între un anod și un catod de wolfram. Se formează un jet de gaz puternic ionizat
(plasmă) sub formă de nor de plasmă, unde materialul topit este pulverizat pe suprafața
substratului (W. C. Hung et al., 2015).
În scopul depunerii de straturi subţiri prin pulverizare termică în jet de plasmă se
va utiliza instalația Sulzer Metco 9MCE din dotarea Facultății de Mecanică, Universitatea
Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iași.
Pistolul de pulverizare a instalației de depunere cu plasmă este componenta
principală a instalației şi este compus dintr-un anod de Cu (duza) şi un catod de W, iar
gazul inert trece printr-o duză producându-se un arc electric. Când gazul trece prin arcul
47
electric dintre cei doi electrozi din interiorul pistolului, materialul se disociază şi se
ionizează formând plasmă, care este folosită ca sursă de energie termică
concentrată (V. Deynse, 2015).
La ieșirea din duză, ionii gazului se recombină, cedând energia absorbit într-un
timp foarte scurt, ceea ce duce la formarea unui jet de plasmă care are o temperatură foarte
ridicată (Y. Chen et al., 2014). Temperatura jetului de plasmă este cuprinsă între
10000 ÷ 16000 0C. Viteza jetului de plasmă este de peste 3000 m/s (www.plasmajet.ro).
Figura 3.2. Instalaţia de depunere în jet de plasmă Sulzer Metco 9MCE.
Datorită vitezei şi presiunii mari a plasmei, pulberea este pulverizată pe suprafața
materialului de bază cu o viteză cuprinsă între 450 ÷ 650 m/s, iar distanța de pulverizare
este cuprinsă între 25 ÷ 200 mm figura 3.2.
3.1.2. Metoda şi instalația de depunere cu electrod vibrator (EV)
Principiul depunerii de straturi subţiri cu electrod vibrator figura 3.3 se bazează
pe fenomenul de electroeroziune şi transferul polar al materialului anodului (electrod) la
catod (piesa metalică) în timpul descărcării electrice.
Figura 3.3. Schema procesului de depunere prin metoda EV.
48
Transferul de material de la electrod spre piesă asigură stratului superficial format
proprietăți bine determinate atât din punct de vedere fizic, cât şi chimic.
Datorită fenomenelor care apar în timpul procesului de depunere, forma picăturii
metalului lichid se deformează şi apoi se împrăștie. În timpul depunerii are loc de cele mai
multe ori o combinare a materialului topit cu a electrodului, iar cantitatea de metal topit de
pe anod este cu mult mai mare decât cea formată pe catod (Chen, Z, et al., 2016).
Metoda EV prezintă o serie de avantaje, în comparație cu alte metode: stratul de
metal depus are o aderenţă bună cu materialul de bază; se pot realiza depuneri cu aliaje
metalice sau cu metale pure, inclusiv W, Ni. Metoda se realizează la temperaturi cuprinse
între 5000 ÷ 11000 0C.
Instalația care se va folosi pentru realizarea depunerilor este ELITRON 22 A, din
dotarea Facultății de Știința şi Ingineria Materialelor din Iași, laboratorul Proprietățile
Materialelor Metalice din cadrul Departamentului Tehnologii și Echipamente pentru
Procesarea Materialelor figura 3.4.
Figura 3.4. Instalația de depunere prin metoda EV tip Elitron 22A.
Etapele realizării depunerilor prin metoda EV cu electrozi sunt: stabilirea
regimurilor de lucru, a amplitudinii şi a intensității.
3.2. ECHIPAMENTE PENTRU PREGĂTIREA PROBELOR ÎN
VEDEREA REALIZĂRII INVESTIGAŢIILOR METALOGRAFICE
Echipamentele utilizate pentru pregătirea probelor se găsesc în laboratorul
Proprietăţile materialelor metalice din Departamentul de Tehnologii şi Echipamente pentru
Procesarea Materialelor de la Facultatea de Știința şi Ingineria Materialelor din Iași.
49
3.2.1. Maşina de debitat probe Metacut - M 250
În cazul probelor obţinute prin cele două metode de depunere (EV, PTJP),
debitarea se va realiza folosind mașina de debitat cu discuri abrazive cu lichid de răcire
Metacut, prezentată în figura 3.5.
Figura 3.5. Elementele componente ale mașinii de debitat Metacut M250: 1. Orificiu pentru
tăiat piese lungi; 2. Pânză; 3. Sistem de răcire; 4. Sistem de siguranță ; 5, 6. Sistem prindere
piesă cu manetă/cu arc; 7. Piesă; 8. Întrerupător bec; 9.Pornire/oprire pompă;
10, 11. Pornire/Oprire motor;12. Decuplare sursă; 13. Motor; 14. Manetă de acționare
motor; 15. Vizor (Manual de utilizare Metacut).
Răcirea se face cu ajutorul unui lichid de răcire având în compoziție 75 % apă
și 25 % soluție de detergent industrial.
3.2.2. Maşina de şlefuire şi lustruire Forcipol 2V
Şlefuirea probelor în vederea pregătirii metalografice se realizează cu ajutorul
hârtiei metalografice în ordinea scăderii granulaţiei particulelor abrazive.
Procesul de șlefuire se realizează în vederea obţinerii unei suprafeţe perfect plane,
fără zgârieturi. După ce procesul de șlefuire a luat sfârşit, proba este curățată sub jet de apă
pentru îndepărtarea tuturor particulelor care au aderat în timpul operației de șlefuire, la
suprafața probei.
După operația de șlefuire urmează operația de lustruire care se realizează pe
aceeași mașină FORCIPOL 2V (realizată de firma Metkon) cu pâslă și se execută în scopul
înlăturării ultimelor zgârieturi de la șlefuire şi pentru a obţine o suprafață cu un luciu
oglindă (www.metkon.com, 2016).
50
Figura 3.6. Maşina de şlefuire şi lustruire FORCIPOL 2V (Manual de utilizare
FORCIPOL 2V).
Mașina de șlefuit FORCIPOL 2 V figura 3.6 este compactă fiind echipată cu 2
discuri cu diametrul de 250 mm pe care se pune hârtia abrazivă sau pâsla și care apoi este
prinsă de două discuri cu un inel de prindere. Aceasta este echipată, de asemenea, cu un
motor cu turaţie reglabilă 0,75 HP, tensiune 220 V, frecvenţă 50 Hz, permiţând o viteză a
discului cuprinsă între 50 ÷ 600 rot/min.
3.2.3. Instalaţia de sablare
Sablarea este procesul de curățare sau finisare prin suflare abrazivă a suprafețelor
cu ajutorul nisipului sau altor materiale abrazive granulare care sunt propulsate cu viteză,
cu ajutorul unui jet de gaze (aer comprimat) spre suprafețele de prelucrat. Instalaţia de
sablare utilizată este Sealey SB974 și se află în cadrul Facultăţii de Mecanică a
Universităţii Tehnice “Gheorghe Asachi” din Iaşi figura 3.7.
Figura 3.7. Instalația de sablare (Manual de utilizarea Sealey SB974).
Instalaţia are o carcasă realizată din oțel pe care este montat un ecran de vizualizare
din sticlă rezistentă la şocuri şi un dispozitiv de iluminare de joasă tensiune. Ușile laterale ale
instalaţiei sunt duble şi oferă acces ușor pentru mânuirea probelor. În incinta de sablare se
găsește un pistol de sablare care are în vârf montat o duză ceramică.
51
3.3. METODE ŞI ECHIPAMENTE DE INVESTIGARE A
PROPRIETĂȚILOR ANSAMBLULUI STRAT - SUBSTRAT
3.3.1. Echipamente utilizate pentru analize structurale
3.3.1.1. Microscopie optică
Microscopul care va fi utilizat este un microscop ZEISS - modelul
AxioObserver D1m, care funcționează pe principiul reflexiei luminii, dotat cu sistem de
achiziție şi analiză profesională aflat în dotarea Facultății de Știința şi Ingineria
Materialelor din Iași, Departamentul de Tehnologii şi Echipamente pentru Procesarea
Materialelor figura 3.8.
Figura 3.8. Microscopul ZEISS – modelul AxioObserver (www.zeiss.com, 2016).
Microscopul metalografic optic este utilizat pentru a realiza cercetări în ceea ce
privesc incluziunile metalice, mărimea și forma granulației (F. Hanning et al., 2014). De
asemenea cu acest microscop se poate vedea distribuția constituenților structurali existenți
într-un material metalic supus unor procese tehnologice: de prelucrare prin așchiere,
turnare, deformare plastică și sudare.
3.3.1.2. Microscopie electronică cu baleiaj (SEM)
Microscopia electronică este o metodă modernă, neinvazivă pentru analiza
imagistică obiectivă şi specializată a caracteristicilor anatomice ale materialelor la nivel
microscopic.
Tehnologia SEM reprezintă o tehnică modernă de imagistică, cu scopul de a
vizualiza schimbările structurale apărute într-un material în urma unui proces chimic.
52
Analizele realizate pe SEM sunt: de microstructură, de starea suprafeţei, de grosimea
straturilor subţiri, de dimensionare, de analiza profilmetrică și de analiza 3D a suprafeţei
materialului depus.
Modelul II LMH de SEM produs de firma TESCAN din Cehia are montat și un
modul EDX de tip TAX QX2 produs de firma germană ROENTEC, acesta se află în
dotarea Facultății de Știința şi Ingineria Materialelor din Iași, Departamentul de Ştiinţa
Materialelor.
Microscopul SEM este alcătuit dintr-un tun de electroni cu filament realizat din
wolfram cu ajutorul căruia se pot obține rezoluţie de până la 3 nm la o tensiune de 30 kV,
având o putere de mărire cuprinsă între 13 ÷ 1000000 X (Manual de utilizare
VEGA II LMH).
Figura 3.9. SEM, model VEGA II LMH (Manual de utilizare,
Microscop electronic cu baleiaj, VEGA II LMH).
Componentele microscopului electronic cu baleiaj figura 3.9 pot fi grupate în
patru sisteme: sistemul de iluminare - produce fasciculul de electroni şi îl focalizează pe aliaj;
sistemul de culegere a informațiilor - culege şi amplifică semnalele fizice produse la
interacțiunea electronilor cu materialele studiate, sistemul de formare a imaginii - produce
pe cale electronică o imagine convențională a probei şi sistemul de vidare al incintei de
lucru. Microscopul electronic cu baleiaj are în componenţă un modul EDX cu care se poate
identifica compoziția chimică de pe o suprafață mică iar în timpul analizei, proba este
expusă unei unde de electroni în interiorul unui microscop electronic.
53
3.3.1.3. Examinarea nedistructivă electromagnetică cu ajutorul curenților
turbionari
Pentru a testa suprafața materialului de bază și a straturilor subţiri depuse, adică
pentru a se identifica eventualele crăpături din strat și substrat, s-a utilizat un nou tip de
metamaterial, inventat şi brevetat la INCDFT- IFT Iaşi, Laboratorul de Control Nedistructiv
şi denumit Swiss roll conic utilizat la realizarea unui traductor electromagnetic.
În figura 3.10 este prezentată schema de principiu a traductorului electromagnetic.
Figura 3.10. Traductorul electromagnetic.
Traductorul electromagnetic utilizat este de tip emisie - recepție. Partea de emisie
generează un câmp electromagnetic TMz / TEz polarizat și a fost realizată dintr-un cadru
rectangular cu o singură spiră, confecționat dintr-o sârmă de CuEm (pentru TEz, bobina de
emisie este paralelă cu suprafața inspectată).
Partea de recepție conține lentila cu metamateriale de tip Swiss roll conic, un
ecran conductor cu o fantă circulară cu diametrul de 0,1 mm și o bobină de recepție cu
diametrul de 1 mm, plasată în planul focal al lentilei (R. Grimberg et al., 2011).
Swiss roll conic este realizat dintr-o folie de Cu de ordinul micrometrilor,
laminată împreună cu o folie de poliamidă cu grosimea de 12 μm fără adezivi pentru a nu
avea pierderi în radiofrecvență.
Acest traductor a fost proiectat să funcționeze într-o gamă e radiofrecvență de la
zeci de Hz la sute de MHz. În cazul de față, frecvența optimă de funcționare determinată
experimental este de 105 MHz, frecvență determinată de parametrii geometrici ai Swiss
roll conic (A. Savin et al., 2015). Traductorul a fost cuplat la un Network Spectrum
Impedance Analyser 4395A – Agilent USA.
Pentru a se asigura scanarea completă a suprafeței testate este necesar conectarea
senzorului la un sistem de deplasare automat XY de tip Newmark USA cu minim 2 grade
de libertate.
54
3.3.2. Metode şi echipamente utilizate pentru determinarea
caracteristicilor mecanice
3.3.2.1. Determinări de rugozitate
Pentru experiment se va utiliza un echipament specializat (marca Mitutoyo
SJ 301), pentru măsurarea rugozităţii suprafeţei probelor finisate prin lustruire figura 3.11.
Figura 3.11. Echipamentul pentru testarea rugozităţii suprafeţei,
Mitutoyo SJ - 301 (Manual de utilizare, Surftest Mitutoyo SJ-201/301).
Rezultatele măsurătorilor constau în determinarea unor parametri topografici
(abaterea medie aritmetică a profilului evaluat, Rq; înălțimea maximă a profilului, Rz;
abaterea medie pătratică a profilului evaluat, Rq), care oferă informații despre calitatea
suprafeţei straturilor subțiri.
3.3.2.2. Microdurimetrie
Testarea microdurității la metale este utilă pentru o varietate de aplicații pentru care
măsurătorile de duritate nu sunt posibile: testarea materialelor foarte subţiri, cum ar fi folii,
măsurarea straturilor subţiri obţinute prin depuneri. Microdurimetul CV - 400DM (construit
de firma Bowers Metrology) utilizat în cadrul cercetărilor doctorale se află în cadrul
Facultății de Știința și Ingineria Materialelor din Iași, Departamentul de Tehnologii şi
Echipamente pentru Procesarea Materialelor figura 3.12.
Figura 3.12. Microdurimetrul Vickers CV - 400DM (Manual de utilizare Microdurimetrul
CV - 400DM).
55
Acesta se utilizează pentru teste realizate pe: componente de precizie mare din
oţeluri, metale neferoase, materiale compozite, table, placări, depuneri cu straturi subțiri,
suprafeţe oxidate, metalele laminate și pe materiale metalice supuse unor
tratamente termice.
Metoda Vickers constă în apăsarea unui penetrator cu o viteză redusă şi cu o
anumită forţă predeterminată F pe suprafaţa materialului de încercat.
3.3.2.3. Analiza microamprentării şi a aderenței suprafeţei depuse
Evaluarea proprietăților mecanice esențiale ale straturilor subţiri, se face prin
măsurarea a două caracteristici ale materialelor şi anume duritatea (H) şi modulul de
elasticitate Young (E) cu ajutorul tehnicii de amprentare, iar pe baza acestora se determină
indicele de elasticitate (H / E) (X. Xu et al., 2015).
Testele de microamprentare şi testele de aderență se vor efectua cu ajutorul unui
echipament pentru determinări tribologice şi mecanice, numit Universal Micro - Tribometer
(CETR - UMT - 2) care se află în dotarea Laboratorului de Tribologie de la Facultatea de
Mecanică din Iaşi.
Figura 3.13. Aparat pentru determinări mecanice şi tribologice Universal
Micro - Tribometer.
Microtribometrul CETR - UMT - 2 figura 3.13 este un echipament modular
care oferă posibilitatea testării: uzurii la scară micro, microamprentării, microaderenței
(scratch - test).
3.3.3. Metode şi echipamente utilizate pentru determinarea
caracteristicilor chimice
3.3.3.1. Spectrometrie
Identificarea operativă a calității aliajelor metalice se poate realiza prin analize
spectrale cantitative, care permit identificarea tuturor elementelor chimice care intră în
componența unei probe de studiat, într-un timp scurt.
56
Figura 3.14. Spectrometrul Foundry Master (www.barodametalcast.com).
Cu ajutorul spectrometrului Foundry Master figura 3.14 dezvoltat de firma
Oxford Instruments, aflat în dotarea Facultăţii de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor,
laboratorul Proprietăţile materialelor metalice, în cadrul Departamentului de Tehnologii şi
Echipamente pentru Procesarea Materialelor, se poate realiza analiza spectrometrică
(compoziţia chimică) a materialului de bază.
Pentru determinarea cantitativă a elementelor de aliere din componența probelor
metalice, spectrometrul cu emisie optică Foundry Master poate analiza probe din cinci
baze de aliaje (Fe, Cu, Al, Sn, Ti). Aceste cinci baze sunt stocate în softul specific
(WASlab) de analiză şi au rolul de a crește precizia datelor. Timpul de efectuare a
analizelor spectrale cantitative este redus (cca. 3 minute / probă), oferind informații precise
privind compoziția chimică procentuală a probei metalice analizate.
3.3.3.2. Difractometrie cu radiații X
Difractometria cu radiații X reprezintă o tehnică non - distructivă utilizată la
identificarea şi determinarea calitativă și cantitativă a compuşilor chimici metalici şi
nemetalici numiţi și faze. Determinarea compuşilor chimici se va efectua pe difractometrul
de radiații X - X'Pert Pro MRD din cadrul laboratorului de Studiul Materialelor al
Facultăţii de Mecanică Iaşi, acesta fiind produs de PANalytical Olanda figura 3.15.
Figura 3.15. Difractometrul de radiații X - X’Pert Pro MRD (www.xrpd.eu, 2016).
57
Acești compuși se formează în materialele solide compacte cât şi în pulberi.
Identificarea fazelor se realizează prin compararea difractogramei de radiații X obținută pe
proba de test cu una din difractogramele din baza de date (actualizată periodic de către
firma producătoare a echipamentului).
Sistemul de difracție X - X’Pert Pro are următoarele elemente de bază: incinta de
lucru, goniometrul, tubul ceramic de radiații X (cu anod de Cu), răcitorul și module optice
pentru radiațiile X incidente.
3.3.3.3. Determinări de coroziune
Metodele electrochimice ajută la studierea fenomenului de coroziune al
acoperirilor, deoarece coroziunea aliajelor în fluide sunt de natură electrochimică.
Evaluarea comportamentului la coroziunea electrochimică a straturilor subțiri se va realiza
cu următoarele metode de analiză: voltametria ciclică şi spectroscopia de impedanţă
electrochimică, folosind un echipament VoltaLab 21.
Potenţiostatul VoltaLab 21, prezentat în figura 3.16, este produs de firma
Princeton Applied Research.
Figura 3.16. Potenţiostat VoltaLab 21 (Manual de utilizare, Potenţiostat VoltaLab 21).
Caracteristicile acestui potenţiostat sunt următorii (Manual de utilizare
Potenţiostat VoltaLab 21): tensiunea de ieşire: +/- 30 V; curentul maxim de ieşire: +/-1 A;
tensiunea de polarizare: +/-15 V; domeniul de potenţial: +/-2 V, +/-4 V, +/-8 V, +/-15 V;
9 domenii curent: 10 nA ÷ 1A; rezoluţie 0.003 % din domeniu; viteza maximă de baleiere:
20 V/s; capacitatea de eliminare a zgomotului prin selectarea filtrelor corespunzătoare.
Testele de evaluare ale rezistenţei la coroziune se vor realizata cu ajutorul unui
Potenţiostat (model VoltaLab 21), iar curbele potenţiodinamice au fost determinate cu
ajutorul software-ului VoltaMaster 4. Analizând corelaţia directă care există între curentul
măsurat între electrozi şi cantitatea de metal transferată în mediul coroziv, se poate
determina viteza de coroziune pe cale electrochimică.
3.3.3.4. Procesul de demineralizare
Fluidul utilizat în cadrul testelor de uzură hidroabrazivă va fi supus, înainte, unui
proces de demineralizare, pentru a e
hidroabrazivă (exp. coroziunea).
Fluidele demineralizate sunt utilizate în diferite domenii şi industrii,
preponderenţă în industria farmaceutică
iar în cazul termocentralelor pentru producerea aburului necesar antrenării turbinelor.
Demineralizarea se obţine la nivel industrial prin
demineralizare a apei), care permite îndepărtarea sărurilor dizolvate şi a event
impurităţi în procent de 90 ÷ 99 %.
Demineralizarea fluidului utilizat se va face cu ajutorul instalaţiei de
demineralizare a apei de tip Pat Mixt din cadrul companiei S.C. Careu S.A
Figura 3.17. Instalaţie de
Procedeul chimic de demineralizare presupune în primă fază utilizarea de răşini
schimbătoare de ioni care schimbă ionii de hidrogen şi hidroxid, cu anionii şi cationii
conţinuţi de fluid. Procesul de deminera
încărcate la maxim cu cationi (cum ar fi sodiu, calciu, fier
clorurile și sulfații) şi care nu mai au ioni de hidrogen
necesită reîncărcarea cu ioni H
neutralizare, preluând H și O disponibili în regeneran
Recipientul din fibră de sticlă conţine un pat mixt de ră
(anioni - cationi). Acesta este conectat la un panou de comandă care are rolul de a permite
controlul stării răşinilor.
58
Procesul de demineralizare
Fluidul utilizat în cadrul testelor de uzură hidroabrazivă va fi supus, înainte, unui
proces de demineralizare, pentru a evita apariția factorilor care influențeaz
hidroabrazivă (exp. coroziunea).
demineralizate sunt utilizate în diferite domenii şi industrii,
preponderenţă în industria farmaceutică și electronică (la producerea circuitelor integrate),
în cazul termocentralelor pentru producerea aburului necesar antrenării turbinelor.
Demineralizarea se obţine la nivel industrial prin osmoză inversă (cel mai uzual sistem de
demineralizare a apei), care permite îndepărtarea sărurilor dizolvate şi a event
impurităţi în procent de 90 ÷ 99 %.
Demineralizarea fluidului utilizat se va face cu ajutorul instalaţiei de
demineralizare a apei de tip Pat Mixt din cadrul companiei S.C. Careu S.A
Instalaţie de demineralizare a fluidelor (www.demineralizare.ro).
Procedeul chimic de demineralizare presupune în primă fază utilizarea de răşini
schimbătoare de ioni care schimbă ionii de hidrogen şi hidroxid, cu anionii şi cationii
conţinuţi de fluid. Procesul de demineralizare continuă până la epuizarea răşinilor, care
încărcate la maxim cu cationi (cum ar fi sodiu, calciu, fier și cupru) şi anioni (cum ar fi
şi care nu mai au ioni de hidrogen și hidroxid disponibili pentru schimb,
area cu ioni H și OH. Răşinile elimină cationii şi anionii prin tratamentul de
și O disponibili în regeneranţii chimici (HCl și NaOH).
Recipientul din fibră de sticlă conţine un pat mixt de rășini schimb
tioni). Acesta este conectat la un panou de comandă care are rolul de a permite
Fluidul utilizat în cadrul testelor de uzură hidroabrazivă va fi supus, înainte, unui
ția factorilor care influențează uzura
demineralizate sunt utilizate în diferite domenii şi industrii, cu
ă (la producerea circuitelor integrate),
în cazul termocentralelor pentru producerea aburului necesar antrenării turbinelor.
osmoză inversă (cel mai uzual sistem de
demineralizare a apei), care permite îndepărtarea sărurilor dizolvate şi a eventualelor
Demineralizarea fluidului utilizat se va face cu ajutorul instalaţiei de
demineralizare a apei de tip Pat Mixt din cadrul companiei S.C. Careu S.A figura 3.17.
delor (www.demineralizare.ro).
Procedeul chimic de demineralizare presupune în primă fază utilizarea de răşini
schimbătoare de ioni care schimbă ionii de hidrogen şi hidroxid, cu anionii şi cationii
lizare continuă până la epuizarea răşinilor, care
şi anioni (cum ar fi
și hidroxid disponibili pentru schimb,
ăşinile elimină cationii şi anionii prin tratamentul de
și NaOH).
șini schimbătoare de ioni
tioni). Acesta este conectat la un panou de comandă care are rolul de a permite
INSTALAŢIE UTILIZATĂ PENTRU STUDIUL UZURII
În literatura de specialitate pentru studiul hidrodinamicii, curgerii fluide
specifice mașinilor hidraulice și pentru studiul uzurii hidroabrazive a elementelor
componente ale turbinelor hidraulice sunt prezentate instala
hidrodinamicii(cum ar fi tunelele hidrodinamice dezvoltate de cei de la firma CREMHyG)
și de testare a hidroabraziunii prezentată în
inventatorii Preece și Brunton (C.M.
Figura 4.1.Instalația de testare a uzurii hidroabrazive cu disc rotitor și impact cu
Aceste două tipuri de instala
CREMHyG este proiectată doar pentru a vedea hidrodinamica curgerii fluidelor
pentru a testa uzura hidroabrazivă,este scumpă
de către Preece și Brunton nu are posibilitatea dea realiza mai multe tipuri de reglaje
reproduce condițiile reale de curgere ale fluidului pe suprafa
4.1. CONCEPEREA INSTALA
Ca urmare a dezavantajelor de ordin constructiv şi func
prezentate anterior a fost concepută
condiţii similare celor din func
Instalația concepută va fi utilizată pentru a
de bază, precum și probele depuse prin cele dou
Instalaţia concepută pentru testarea uzurii hidroabrazive trebuie să permită
realizarea următoarele tipuri de reglaje
59
CAPITOLUL 4
INSTALAŢIE UTILIZATĂ PENTRU STUDIUL UZURII
HIDROABRAZIVE
În literatura de specialitate pentru studiul hidrodinamicii, curgerii fluide
șinilor hidraulice și pentru studiul uzurii hidroabrazive a elementelor
componente ale turbinelor hidraulice sunt prezentate instalații de testare a
hidrodinamicii(cum ar fi tunelele hidrodinamice dezvoltate de cei de la firma CREMHyG)
e testare a hidroabraziunii prezentată în figura 4.1, care a fost dezvoltată de către
și Brunton (C.M. Preece et al., 1980).
ția de testare a uzurii hidroabrazive cu disc rotitor și impact cu
jet de lichid.
ouă tipuri de instalații prezintă unele dezavantaje majore: instalaţia
CREMHyG este proiectată doar pentru a vedea hidrodinamica curgerii fluidelor
pentru a testa uzura hidroabrazivă,este scumpă și are dimensiuni mari;instala
Brunton nu are posibilitatea dea realiza mai multe tipuri de reglaje
reale de curgere ale fluidului pe suprafața paletelor de turbină.
4.1. CONCEPEREA INSTALAȚIEI
Ca urmare a dezavantajelor de ordin constructiv şi funcțional ale instala
concepută o instalație astfel încât uzura probelor s
condiţii similare celor din funcționare (a paletelor de turbină), dar realizate în laborator.
va fi utilizată pentru a testa la hidroabraziune probele din materialul
și probele depuse prin cele două metode (metoda PTJP
Instalaţia concepută pentru testarea uzurii hidroabrazive trebuie să permită
realizarea următoarele tipuri de reglaje:
INSTALAŢIE UTILIZATĂ PENTRU STUDIUL UZURII
În literatura de specialitate pentru studiul hidrodinamicii, curgerii fluidelor
șinilor hidraulice și pentru studiul uzurii hidroabrazive a elementelor
ții de testare a
hidrodinamicii(cum ar fi tunelele hidrodinamice dezvoltate de cei de la firma CREMHyG)
, care a fost dezvoltată de către
ția de testare a uzurii hidroabrazive cu disc rotitor și impact cu
ă unele dezavantaje majore: instalaţia
CREMHyG este proiectată doar pentru a vedea hidrodinamica curgerii fluidelor și nu
și are dimensiuni mari;instalaţia proiectată
Brunton nu are posibilitatea dea realiza mai multe tipuri de reglaje și nu
a paletelor de turbină.
ional ale instalaților
ție astfel încât uzura probelor să aibă loc în
ă), dar realizate în laborator.
testa la hidroabraziune probele din materialul
ă metode (metoda PTJP și metoda EV).
Instalaţia concepută pentru testarea uzurii hidroabrazive trebuie să permită
60
� reglarea unghiului de incidență (unghiul de atac) (α). Este unghiul la care
este poziționată proba față de direcția generală de curgere a fluidului (figura 4.2).
Figura 4.2. Reglarea unghiului de incidență: 1- axa de simetrie a probei;2 - tijă cu filet și
mecanism de prindere a probei; 3 - unghiul de incidență; 4 - direcția de curgere a fluidului.
� viteza periferică veste viteza cu care fluidul din instalație se deplasează pe
circumferință. Circumferința de testare este data de distanța de la axul motorului la probă
(figura 4.3).
v = 2πR/t (4.1)
unde: R - raza;
t - timpul.
� reglarea distanței dintre axul motorului şi probă. În figura 4.3 este prezentată
reglarea distanței dintre axul motorului şi probă, care se poate realiza prin înșurubarea sau
deșurubarea tijei cu filet și mecanism de prindere a probei (2) ce favorizează mișcarea
acestuia (apropiind sau îndepărtând proba (1) de axul motorului (3)).
Figura 4.3. Reglarea distanței dintre axul motorului şi probă(vedere de sus):
1) probă; 2) tijă cu filet și mecanism de prindere a probei; 3) ax motor.
� reglarea distanţei probei faţă de baza rezervorului. Reglarea distanței probei
de față de baza rezervorului se face pentru a realiza diverse grade de uzură, deoarece în
partea mai apropiată de baza rezervorului densitatea de particule abrazive (carborund, nisip)
este mai mare decât în partea mai îndepărtată de baza rezervorului. Pe axul motorului (1)
sunt înfiletate tijele cu mecanismul de prindere (2) a probelor (3), iar reglarea distanței se
61
face prin poziționarea probelor pe o tijă mai apropiată sau mai îndepărtată față de baza
rezervorului figura 4.4.
Figura 4.4. Reglarea înălțimii (H) a probei față de baza rezervorului:
1)axul motorului; 2)tijă cu filet și mecanism de prindere a probei; 3) probă.
� reglarea vitezei de rotație a axului figura 4.5. Reglarea vitezei în vederea
obținerii unei turații variabile se face cu un potențiometru, astfel se poate regla viteza
necesară realizării unor teste de uzură hidroabrazivă diferite.
Ν = n/t [rot/min] = 300 [rot/min](4.2)
unde: N-viteza de rotație a axului;
n-numărul de rotații complet parcurse;
t - timpul.
Figura 4.5. Reglarea vitezei de rotație a motorului.
Valoarea vitezei motorului este evidențiată în chenarul de culoare roșie.
4.2.PROIECTAREA INSTALAȚIEI
Proiectarea părții mecanice a instalaţiei detestare a uzurii hidroabrazive, întâlnită
la paletelor de turbină şi a paletelor de ghidare,a fost făcută în Catia V5 (Dassault
Systemes CATIA P2 V5R19). Aceasta este alcătuită dintr-un rezervor cilindric din inox, în
interiorul căruia este imersat într-un lichid, cu particule abrazive, un ax care este acţionat
62
cu viteze diferite de un motor. La celălalt capăt al axului este realizat un sistem de prindere
pe care sunt montate probele (figura 4.6).
a)
b)
Figura 4.6. Instalaţia de testare a uzurii hidroabrazive proiectată în Catia: a) vedere de
ansamblu; b) detaliu.
Proiectarea părții electrice a fost realizată cu ajutorul programului Circuit Wizard
deoarece acest program oferă posibilitatea de a combina realizarea circuitului cu proiectarea
PCB (Printed Circuit Board - placă cu circuit imprimat), de asemenea se poate simula şi
realiza CAD/CAM întregul circuit, într-un singur program. Prin integrarea întregului proces
de proiectare, Circuit Wizard oferă instrumentele necesare pentru a produce un proiect
electronic de la început până la sfârşit, inclusiv testarea pe ecran a PCB înainte de construcția
propriu-zisă.
Schema bloc a instalației conține două circuite de alimentare:
� un circuit de alimentare pentru alimentarea motorului cu tura
acesta având o tensiune de 60 V;
� un circuit de alimentare pentru instrumentele de măsurare care au o tensiune
de alimentare de 18 V.
În figura 4.7 este prezentată schema bloc a instal
Circuit Wizard.
D – Celulă de redresare;C – Condensator de filtraj; RT – Regulator de tensiune; P – Potenţiometru; IM – Invertor de turaţie;V – Voltmetru; ST – Stabilizator de tensiune; TRM – Tahometru; Tt– Traductor de turaţie;
Figura 4.7.
Pe circuitul de alimentare de la re
siguranță şi un întrerupător. Prezenţa curentului de alimentare este semnalizată prin becul
B care este în paralel cu transformatorul de alimentare
60 de V ce urmează a fi transformat în curent continuu de către celula de redresare
condensatorul electric C.
63
circuit de alimentare pentru alimentarea motorului cu tura
acesta având o tensiune de 60 V;
un circuit de alimentare pentru instrumentele de măsurare care au o tensiune
este prezentată schema bloc a instalaţiei experimentale proiectată în
Celulă de redresare;
Invertor de turaţie;
de turaţie;
CE – Ceas; TR – Termometru; TC – Termocuplu; M – Motor; S – Siguranţă; I – Întrerupător; B – Semnalizator prezență tensiune; TM – Transformatorul sistemului de măsură;T – Transformatorul motorului.
Figura 4.7. Schema bloc a instalaţiei experimentale.
Pe circuitul de alimentare de la rețeaua cu o tensiune de 220V sunt montate o
ă şi un întrerupător. Prezenţa curentului de alimentare este semnalizată prin becul
care este în paralel cu transformatorul de alimentare T prevăzut cu un
de V ce urmează a fi transformat în curent continuu de către celula de redresare
circuit de alimentare pentru alimentarea motorului cu turație variabilă,
un circuit de alimentare pentru instrumentele de măsurare care au o tensiune
aţiei experimentale proiectată în
Transformatorul sistemului de măsură;
rimentale.
țeaua cu o tensiune de 220V sunt montate o
ă şi un întrerupător. Prezenţa curentului de alimentare este semnalizată prin becul
prevăzut cu un circuit secundar de
de V ce urmează a fi transformat în curent continuu de către celula de redresare D şi
64
Realizarea turației variabile a motorului se face prin intermediul unui regulator de
tensiune RT prevăzut cu potențiometrul P utilizat pentru reglarea tensiunii. Tensiunea
obținută este afișată de voltmetrul legat în paralel cu sursa, iar pentru semnalizarea
curentului de alimentare a motorului se folosește ampermetrul A legat în serie cu sursa.
Instalaţia este prevăzută cu un întrerupător IM, care realizează şi inversarea
sensului de mers al motorului reversibil de curent continuu. Stabilirea turației motorului M
se face prin intermediul unui traductor Tt compus dintr-un senzor magnetic montat pe
rotorul motorului, un senzor de proximitate montat pe partea fixă a motorului în
apropierea rotorului, pentru a prelua semnalul de pe senzorul de pe rotor, şi un modul cu
display care afișează numărul de rotații al motorului.
Circuitul de alimentare a instrumentelor de măsură este prevăzut cu un transformator
TM de reducere a tensiunii și un redresor cu stabilizator de tensiune ST care alimentează
circuitul electronic de măsurare a turației TRM prevăzut cu traductorul Tt. Tot la acest este
alimentat şi instrumentul electronic digital de măsurare a tensiunii şi a curentului.
Proiectarea şi verificarea circuitului electric al instalaţiei de testare a uzurii
hidroabrazive a straturilor subţiri a fost realizată cu programul Circuit Wizard 1.15 figura 4.8.
Figura 4.8. Schema electrică a instalaţiei de testare a uzurii hidroabrazive proiectată şi
testată cu ajutorul programului Circuit Wizard.
65
Proiectarea schițelor de circuit se realizează prin selectarea componentelor
necesare dintr-o bibliotecă de date care trebuie conectate între ele şi apoi apăsat
butonul „Play” pentru a începe procesul de simulare figura 4.9.
Figura 4.9. Schema de testare a circuitului electric a instalaţiei proiectată cu ajutorul
programului Circuit Wizard.
Cu ajutorul acestui program, în urma desenării circuitelor, s-a creat cu o funcție
automată a modelului circuitului electronic al instalaţiei de testare a uzurii hidroabrazive
folosind diferite diagrame.
4.3. REALIZAREA INSTALAȚIEI
În partea de realizare a instalației s-a executat instalaţia propriu-zisă şi panoul
de comandă şi control. Instalaţia propriu-zisă este formată din rezervor și motor de agitare
cu senzor tahometru.
Panoul de comandă şi control are următoarele elemente componente:
cronometru, buton oprire - pornire, afişaj tahometru, buton de reglare a vitezei,
66
comutator de reglare a direcţiei motorului, afişaj termocuplu, ampermetru cu voltmetru
figura 4.10 și figura 4.11.
Figura 4.10.Instalaţia de testare a uzurii hidroabrazive cu panoul de comandă şi control.
Figura4.11. Partea mecanică a instalaţiei de testare a uzurii hidroabrazive cu
elementele componente.
Datele tehnice ale elementelor componente utilizate în realizarea instalației sunt:
� Motor:
� puterea motorului 300 W;
� turația 0 ÷ 3000 rot/min;
� tensiunea de alimentare 60 V;
� intensitatea maximă a curentului 5 A.
67
Cuplul motor fiind constant dictat de rezistența hidraulică, turația motorului
este aproximativ constantă şi nu este necesar un regulator de turație conectat la un
stabilizator de tensiune.
� Transformatorul de alimentare a motorului:
� asigură alimentarea motorului pană la o tensiune de 60 V.
� Tahometrul:
� panou de afișare
• tensiunea: curent continuu 8 ÷ 24V;
• intervalul de măsurare a rotațiilor: 10 ÷ 9999 rot/min;
• frecvența: 100 Hz;
� senzor de proximitate:
• detecție: magnetică;
• distanța de detecție: 1 mm÷ 10 mm;
Figura 4.12. Schema de legare a tahometrului la circuitul electric.
� Voltmetrul şi ampermetrul digital
� tensiune de funcționare: curent continuu 4,5 ÷ 30V;
� intensitate de funcționare: < 20 mA;
� tensiune măsură: curent continuu 0 ÷ 100V;
� intensitatea măsurată: 0 ÷ 10 A.
Figura 4.13. Schema de legare a voltmetrului şi a ampermetrului digital la circuitul
electric.
68
În figura 4.14 sunt prezentate componentele din interiorul panoului de comandă şi
control.
Figura 4.14. Componentele din interiorul panoului de comandă şi control.
Pentru măsurarea temperaturii lichidului din rezervorul unde se produce uzura
hidroabrazivă este utilizat un termocuplu cu afişaj digital cu sursă proprie de curent. De
asemenea, sistemul de măsurare a timpului dispune de sursă proprie de curent.
Reglarea tensiunii în vederea obţinerii unei turații variabile se face cu un
stabilizator de tensiune electronic prevăzut cu 2 tranzistoare de putere legate în paralel şi
un tranzistor de comandă BD135 legat în sistem Darlington.
Instalația realizată are următoarele tipuri de reglaje:
� reglarea unghiului de incidență figura 4.15;
Figura 4.15. Reglarea unghiului de incidență.
� viteza periferică
Figura 4.16.
� reglarea distan
Figura 4.17.
� reglarea distanţei probei faţă de baza rezervorului
Figura 4.18. Reglarea înăl
69
viteza periferică v figura 4.16;
Figura 4.16. Reglarea vitezei periferice.
reglarea distanței dintre axul motorului şi probă figura 4.17
. Reglarea distanţei dintre axul motorului şi probă.
reglarea distanţei probei faţă de baza rezervorului figura 4.18
Reglarea înălțimii probei faţă de baza rezervorului.
h1
h2
figura 4.17;
Reglarea distanţei dintre axul motorului şi probă.
figura 4.18;
ţă de baza rezervorului.
70
� reglarea vitezei de rotație a axului figura 4.19;
Figura 4.19. Reglarea vitezei de rotaţie a motorului.
Odată trasate aceste diagrame pot fi uşor simulate şi animate permiţând testarea şi
rafinarea circuitului. În mod alternativ, Circuit Wizard Professional Edition oferă o gamă
variată de instrumente concepute pentru a analiza performanţa unui circuit PCB şi de
aranjare a plăci pe o singură faţă şi/sau faţă-verso figura 4.20.
Figura 4.20. Circuitul integrat al instalaţiei de testare a uzurii hidroabrazive: 1)
punte redresoare; 2) tranzistor de putere; 3) condensatori electrolitici; 4) tranzistori
de putere - BD 135; 5) borne de conexiune; 6,7) rezistență; 8,9,11) diodă; 12) by-pass;
13)circuit imprimat.
71
Circuitul Wizard Professional Edition este o soluţie completă şi fiabilă de proiectare
electronică care oferă diagrame de circuit şi care permite efectuarea simulării PCB.
4.4. TESTAREA INSTALAȚIEI
Pentru testarea instalației este necesar un volum total de 20 litri de apă
demineralizată în care sunt adăugate 2 kilograme de material abraziv (10 % din volumul
lichidului). În cazul testării s-au folosit particule de carbură de siliciu (carborund) şi nu
nisip, deoarece nisipul sau pietrișul de râu au formă rotunjită, ceea ce nu favorizează
abraziunea de contact, pe când carborundul are muchii ascuțite şi duritatea foarte ridicată
(figura 4.21 şi figura 4.22), ceea ce accentuează hidroabraziunea, reducând timpul de
efectuare a testelor.
a) b) c) Figura 4.21. Analiza microscopică a pulberilor de carborund: a) 100X; b) 200X; c) 400X.
a) b) c)
Figura 4.22. Analiza SEM a pulberilor de carborund: a) 250X; b) 750X; c) dimensiune
particule.
Probele se pot regla la diferite unghiuri de contact producând în același timp şi
agitarea lichidului împreună cu particulele hidroabrazive. Agitarea este necesară pentru a
împiedica procesul de decantare a particulelor abrazive.
72
CONCLUZII
Instalația concepută pentru testarea la uzură hidroabrazivă are un grad mare de
noutate, deoarece dispune de diverse tipuri de reglaje. Aceasta a fost realizată astfel încât
să satisfacă cerinţele experimentului și să permită o testare la uzură hidroabrazivă cât mai
apropiată de cazurile de funcționare a paletelor turbinelor hidraulice.
Probele utilizate pentru experiment pot fi fixate sub unghiuri de incidență diferite.
Poate fi variată şi distanța dintre probe și axul motorului, fapt care duce la realizarea de
viteze periferice diferite.
Probele pot fi montate la înălţimi diferite față de baza rezervorului,ceea ce duce la o
uzură hidroabrazivă diferită, deoarece în partea mai apropiată de baza rezervorului
densitatea de particule este mai mare decât în partea superioară a rezervorului.
Pentru încercări de hidroabraziune în lichid pot fi puse diverse cantități de particule
abrazive cum ar fi: nisip, pietriș de râu, carborund etc.
Fluidul folosit la experimente poate fi atât apa demineralizată cât şi apă din diverse
surse (râuri, lacuri de acumulare, apa marină etc.).
73
CAPITOLUL 5
CARACTERIZAREA MATERIALELOR
5.1. CARACTERIZAREA MATERIALULUI DE BAZĂ ȘI A
MATERIALELOR DE DEPUNERE
5.1.1. Alegerea materialului de bază
Ca material de bază pentru depuneri s-a utilizat un oţel inoxidabil special
GX3CrNi134 (DIN 1.6982),a cărui compoziţie chimică, prezentată în tabelul 5.1, a fost
determinată cu ajutorul Spectrometrului Foundry Master din dotarea Facultăţii de Ştiinţa şi
Ingineria Materialelor, Laboratorul Proprietăţile Materialelor Metalice.
Tabelul 5.1. Compoziţia chimică a materialului de bază, GX3CrNi134 (DIN 1.6982)
Element chimic Fe C Cr Ni Mn Mo restul
Procente, [%] 80,6 0,105 13 4,38 0,637 0,521 0,757
În vederea realizării depunerii prin metoda EV probele au fost rectificate şi
şlefuite pentru îndepărtarea rizurilor. Pentru depunerea cu metoda PTJP, probele au fost
sablate cu instalaţia de sablare Sealey SB974. De asemenea, probele au fost pregătite
metalografic pentru evidenţierea structurii.
Justificarea alegerii materialului de bază este dată de faptul că acest tip de oţel
inoxidabil special este utilizat în principal la elementele active (de mişcare de contact) şi de
transmitere a forţei (palete de turbine).
Oţelul inoxidabil special are o bună rezistenţă la coroziune, dar are caracteristici
slabe de rezistenţă mecanică la uzură de contact şi hidroabraziune. Din acest motiv este
importantă modificarea proprietăților de suprafaţă, prin realizarea depunerilor, fără a
scădea calităţile de refractaritate şi de rezistenţă la coroziune.
Analiza structurii materialului de bază GX3CrNi134 (oţel inoxidabil) este
prezentată în figura 5.1, acesta prezintă o structura aciculară martensitică printre care se
găsesc grăunți de Fα alungiți.
74
De asemenea din imaginea obținută pe microscopul optic din dotarea Facultății
de Știința și Ingineria Materialelor a probei martor atacate se observă prezența unor
zone cu oxizi figura 5.1.
Figura 5.1. Analiza microscopică a probei din oţel inoxidabil, 400 X, atac Nital 2 %.
În figura 5.2 sunt prezentate secţiuni ale diagramei ternare pentru aliajele Fe-Cr-Ni.
Cu linie verde sunt trasate zonele ce reprezintă procentele elementelor de aliere a oţelului
studiat (Cr - 13%; Ni - 4,5%; restul Fe).
a) b)
Figura 5.2. Digrama ternară a aliajelor Fe-Cr-Ni: a) diagrama ternară secţiune orizontală;
b) digrama ternară secţiune longitudinală în zona de interes pentru oţelul studiat.
Din diagramă se pot observa atât liniile de transformare în stare solidă,
figura 5.2 b, cât şi prezenţa unor soluţii solide şi compuşi intermetalici care influenţează
proprietăţile fizico-chimice şi mecanice ale aliajului studiat.
5.1.2. Alegerea materialelor de depunere
S-au ales,pentru depunerea de straturi subțiri, două tipuri de materiale:
� pulberi, tip Metco 71Ns şi Deloro 60 pentru depunerea prin metoda PTJP;
� electrozi, tip Metco71Nsşi Deloro 60 pentru depunerea prin metoda EV.
75
Materialele de depunere s-au ales pentru a realiza straturi subţiri dure, cu grad
ridicat de ancorare în substrat (coeficient de dilatare / contracţie apropiat strat - substrat în
vederea evitării exfolierii, dacă materialul de bază are coeficientul de dilatare mai mic
decât al stratului depus sau de fisurare când coeficientul de dilatare al substratului este mai
mare decât cel al stratului depus).
Pulberile au fost studiate la microscopul optic Zeiss, tip Axio Observer D1M, din
dotarea Facultăţii de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor, pentru evidenţierea formei granulelor.
Pulbere tip Metco 71Ns. Are formula chimică 88W2C/WC12Co şi are în
componenţă carbură de wolfram cu cobalt. Straturile depuse cu acesta au o bună rezistenţă
la eroziune şi rezistenţă la hidroabraziune.
Tabelul 5.2. Compoziţia chimică a materialului de depunere de tip Metco 71Ns
Element chimic W Co C
Procente, [%] restul 11,0 ÷ 13,0 3,6 ÷ 4,2
c) d)
Figura 5.3. Analiza microscopică (a, b)și analiza SEM a pulberilor de tip Metco71Ns
(c, d):a) 100 X, b) 200 X; c) dimensiune particule 125 X, d)dimensiune particule750X.
Se observă din figura 5.3 că pulberile de tip Metco 71Ns sunt de granulaţie foarte
fină, cu formă neregulată, în principal ovoidală.
Pulbere tip Deloro 60 Această pulbere este utilizată pentru acoperirea
pistoanelor de la pompe, inelelor de etanşare şi a pieselor unor maşini care intră în
76
contact de alunecare cu particulele abrazive, iar compoziția chimică a acesteia este
prezentată în tabelul 5.3.
Tabelul5.3.Compoziţia chimică a materialului de depunere de tip Deloro 60
Element chimic Ni B C Cr Si Fe
Procente, [%] restul 3,1 ÷ 3,5 0,7 14 ÷ 15 2 ÷ 4,5 4
Pulberile de tip Deloro 60 sunt pulberi metalice cu conţinut de bor de 3 %, care au
o formă de sferoidală,datorită tensiunii superficiale a materialului figura 5.4.
Figura 5.4. Analiza microscopică (a, b) și analiza SEM a pulberilor de tip Deloro 60 (c, d):
a) 100 X; b) 200 X; c) dimensiune particule 750X; d)dimensiune particule 5000X.
S-a ales această pulbere deoarece are în compoziție bor care creşte duritatea şi
tenacitatea materialului, chiar și în procente de numai 0,05%.
5.2. DEPUNEREA STRATURILOR SUBŢIRI PRIN METODA
PULVERIZĂRII TERMICE ÎN JET DE PLASMĂ
În cadrul cercetărilor doctorale se va utiliza ca instalație de depunere prin metoda
PTJP echipamentul Sulzer Metco 9MCE.
Acesta funcționează în regim automatizat și permite reglarea parametrilor de
lucru, realizând straturi subțiri uniforme.
77
Parametrii de depunere ai metodei PTJP sunt pentru cele două tipuri de pulberi:
� tipul pistolului: 9MB;
� parametrii argonului: presiune - 5,17 bari; debitul de gaz - 138 m3/s;
� parametrii hidrogenului: presiune - 3,44 bari; debitul de gaz - 17 m3/s;
� parametrii electrici: curent continuu: intensitatea 400 A; tensiune 74 ÷ 80 V;
� distanța de pulverizare:≈0,1 m.
a) b)
Figura 5.5. Analiza stereomicroscopică a probelor depuse prin metoda PTJP:
a) cu Metco 71Ns, 150 X; b) cu Deloro 60, 150X.
În figura 5.5 este prezentat aspectul suprafeţelor depuse prin metoda PTJP atât cu
pulbere tip Metco 71Ns cât și cu Deloro 60, evidenţiindu-se aspectul granular al suprafeței,
care este mai accentuat în cazul depunerii cu Deloro 60.Acest lucru se datorează
dimensiunii mai mari a puberii de depunere.
Analizând suprafaţa probelor depuse prin metoda PTJP cu pulberi de tip Metco 71Ns
(având în compoziţie peste 80 % W) se observă că depunerea este compactă, cu stropi fini
datoraţi tensiunii superficiale mari a wolframului topit, cu puţine decolorări (pete galbene şi
roşii) care reprezintă oxizi de Co, W şi Fe absorbiți pe suprafaţă.
a) b) c)
Figura 5.6. Analiza microscopică a probei depuse cu Metco 71Ns prin metoda PTJP;
a) 100 X; b) 200 X; c) 400 X.
Datorită temperaturii mari de topire a wolframului (34220C) se observă şi
microzone cu pulberi parţial topite figura 5.6.
78
În cazul depunerii cu pulbere tip Deloro 60 figura 5.7 care conţine preponderent
Ni (>70%) şi 14 ÷ 15% Cr, se observă o suprafaţă cu stropi aplatizați (tensiune superficială
mică) fără denivelări majore.
a) b) c)
Figura 5.7. Analiza microscopică a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda PTJP;
a) 100 X; b) 200 X; c) 400 X.
Prezenţa cromului este benefică pentru realizarea unei ancorări bune în substrat (Cr din
substrat fiind în procente similare). Nichelul se pretează bine la obţinerea de depuneri uniforme.
5.3. DEPUNEREA STRATURILOR SUBŢIRI PRIN METODA
ELECTRODULUI VIBRATOR
Depunerea prin metoda EV este un proces de microaliere utilizat pentru
îmbunătățirea proprietăților de suprafață (rezistență la uzură și coroziune) și creșterea
fiabilității componentelor turbinelor hidraulice (palete).
Instalaţia, cu care s-au obținut straturile subţiri utilizând metoda EV, este de tip
Elitron 22A și prezintă 9 mărimi de amplitudini şi 6 regimuri de lucru.
Parametrii de depunere pentru metoda EV sunt:
� pentru depunerea cu Metco 71Ns: amplitudine 8; regim 4;
� pentru depunerea cu Deloro 60: amplitudine 9; regim 6.
a) b)
Figura 5.8. Analiza stereomicroscopică a probelor depuse prin metoda EV:
a) cu Metco 71Ns, 150X; b) cu Deloro 60,150X.
79
a ) b) c) Figura 5.9. Analiza microscopică a probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV;
a) 100 X; b) 200 X; c) 400 X.
Analiza microscopică a depunerilor pulberilor de tip Metco 71Ns figura 5.9,
(W > 80 %) pe materialul de bază arată o suprafaţă cu aspect granular fin, cu
microparticule netopite înglobate în suprafaţă cu microexfolieri şi microaderenţe.
a) b) c)
Figura 5.10. Analiza microscopică a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda EV:
a) 100 X; b) 200 X; c) 400 X.
La analiza microscopică a depunerilor de tip Deloro 60figura 5.12,se observă o
suprafaţă cu stropi de topitură, aplatizați și fără asperități pregnante. Aceasta duce la o
scădere a uzurii hidroabrazive pe durate mici de timp deoarece particulele abrazive
alunecă pe suprafață.
5.4. ANALIZA FLUIDULUI UTILIZAT LA TESTELE DE
UZURĂ HIDROABRAZIVĂ
În cadrul experimentului se va utiliza ca fluid de lucru apa de Argeș,
demineralizată la temperatura mediului ambiant şi cu adaos de suspensii solide
(carborund - în concentrații de 10%). În aceste condiţii mărimile specifice vor fi:
� Mărimea medie particulelor solide de carborund d= 104µm;
� Densitatea amestecului bifazic este ρn=10%.
80
Din testele efectuate pe apa de Argeș (probă de apă luată din zona Bucureștiului) a
rezultat faptul că aceasta este ușor alcalină şi are un conținut de oxigen dizolvat de peste
6,9 mg/l, iar valorile pH-ului sunt cuprinse între 7,29÷ 7,78. O observație notabilă este că
bicarbonatul de amoniu este complet absent, acesta fiind înlocuit de ioni ai clorului (Cl-) şi
într-o mai mică măsură de sulfat (SO4- ). În ciuda acestor factori mineralizarea a fost mai
mică de 450 mg/l.
Din cauza cantității reduse de materii organice consumul chimic de oxigen a
variat între 3,73 ÷ 13,2 mg/l. Conținutul de dioxid de carbon a apei de Argeș a variat de la
10 ÷ 69,3 mg/l. Ionii majori identificați în apă sunt bicarbonatul de amoniu (HCO3-),
împreună cu cationii de calciu (Ca2+) şi magneziu (Mg2
+).
Suspensiile minerale au avut valori cuprinse între 310 ÷ 1002 mg/l, în timp ce
duritatea totală a fost între 11,3 ÷ 51,2 mg/l, respectiv, cu o pondere de carbonați şi
bicarbonat de calciu de 79 ÷ 99,99%.
Apa de Argeș are un conținut de dioxid de carbon cuprins între 19 ÷ 39 mg/l şi
valorile de mineralizare în jur de 0,98 mg/l. Conținutul ionic a fost dominat de prezenţa
anionului bicarbonat (HCO3-), mineralizarea totală este cuprinsă între 39 % şi
respectiv 60,1%, urmat de cationi de calciu (Ca2+), cu procente de 13,3.
Valorile de reziduuri fixe au fost destul de scăzute, ele fiind cuprinse între
396 ÷ 1,184 mg/l. De asemenea, duritatea apei a fost ridicată (52 dH), în mod exclusiv
carbonic, ceea ce înseamnă că poate să dispară complet prin fierbere.
81
CAPITOLUL 6
CERCETĂRI PRIVIND DEPUNEREA DE STRATURI
SUBŢIRI ÎN VEDEREA ÎMBUNĂTĂŢIRII REZISTENŢEI LA
HIDROABRAZIUNE
6.1. ANALIZA STRUCTURALĂ A SUPRAFEŢEI
MATERIALULUI DE BAZĂ ȘI A STRATURILOR SUBȚIRI DEPUSE
6.1.1. Analiza suprafeţei materialului de bază și a straturilor
subțiri depuse utilizând microscopul electronic cu baleiaj
Investigarea completă a probelor depuse s-a efectuat pe un microscop
electronic cu baleiaj, model Vega Tescan LMH II. Acest microscop se află în dotarea
Facultății de Știința și Ingineria materialelor din cadrul laboratorului de
Microscopie Electronică.
6.1.1.1. Analiza SEM a probei martor
Ca material de bază s-a utilizat un oţel inoxidabil ferito-martensitic GX3CrNi134
(DIN 1.6982). Otelurile C-Cr, care au mai mult de 12% Cr şi un conţinut de 1% C sunt
denumite oţeluri inoxidabile.
Oţelurile inoxidabile cu 12% Cr conferă acestora proprietatea de a se acoperi cu
un strat pasivant în contact cu aerul şi apa, făcându-le rezistente la oxidare şi coroziune.
Stratul pasiv este format în principul din oxizi de Cr care sunt rezistenţi la acţiunea a
numeroase medii agresive.
În cazul celor două tipuri de depunere, suprafaţa probei nu trebuie să aibă o
rugozitate mică (luciu oglindă) deoarece în cazul metodei EV microasperitățile se topesc
mult mai uşor, creând microbăi metalice de aliere între probă şi materialul depus, ridicând
nivelul de aderenţă a stratului subțire depus.
În cazul depunerii prin metoda PTJP, suprafaţa probei trebuie să fie mai rugoasă
decât cea rezultată după rectificare, fiind necesare nu doar rizuri ci chiar microcratere
(obţinute după sablare) astfel încât picăturile jetului de plasmă să poată fi ancorate în
substrat atât prin componenta termică cât şi prin cea dinamică, lucru care nu s-ar realiza la
o suprafaţă netedă figura 6.1.
Figura 6.1. Analiza microscopică a
În imaginea 3D din
de bază datorate procesului de rectificare.
Figura 6.2
Aliajele Fe-C-Cr (din ca
elemente de aliere ca: nichel, molibden, cupru, mangan, titan, bor, aluminiu, aşa cum
82
Analiza microscopică a probei martor; a) 250 X; b) 750 X; c) 1250X; d) 5000 X.
În imaginea 3D din figura 6.2 se observă denivelări paralele pe suprafaţa materialului
de bază datorate procesului de rectificare.
Figura 6.2. Imaginea 3D a probei martor.
Cr (din care face parte și oțelul GX3CrNi134)
elemente de aliere ca: nichel, molibden, cupru, mangan, titan, bor, aluminiu, aşa cum
probei martor; a) 250 X; b) 750 X; c) 1250X; d) 5000 X.
se observă denivelări paralele pe suprafaţa materialului
GX3CrNi134) conţin și alte
elemente de aliere ca: nichel, molibden, cupru, mangan, titan, bor, aluminiu, aşa cum
83
reiese şi din spectrul EDX al probei martor, care au ca rol mărirea rezistenţei la
coroziune şi îmbunătăţirea comportării acestor oțeluri la solicitări mecanice figura 6.3.
a) b)
Figura 6.3. Analiza EDX pe o zonă de suprafață pe care s-a făcut repartiția elementelor
chimice: a) zona analizată; b) repartiția tuturor elementelor.
Este interesant modul cum cromul modifică transformările alotropice ale fierului
şi în consecinţă influenţa pe care o exercită asupra domeniilor de existenţă a diverşilor
constituenţi structurali ai oţelurilor.
Tabelul6.1. Compoziţia chimică EDX a materialului de bază
În aliajele Fe-C-Cr, prezenţa cromului duce la apariţia carburilor de crom de tipul
cementitei aliate (FeCr)3 şi carburi aliate CrxCy (Capitolul V, figura 5.1).
6.1.1.2. Analiza SEM a probei depuse cu Metco 71Nsprin metoda PTJP
Analizând imaginile obţinute la microscopul electronic cu baleiaj de pe
suprafaţa depunerii cu pulberi de tip Metco 71Ns depuse prin metoda PTJP se observă
Elemente % Fier 82,37
Crom 12,94 Nichel 3,08 Siliciu 1,54 Carbon 0,57 Altele 0,50
84
un aspect rugos al suprafeței cu multe, microadâncituri, microcratere și pulberi parțial
topite figura 6.4.
Figura 6.4. Analiza microscopică a probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda PTJP:
a) 250 X; b) 750 X; c) 1250 X; d) 5000 X.
Suprafaţa prezintă oxizi vizibili şi arderi de strat, adâncituri şi zone stratificate
caracteristice pulberii de W care se topeşte la temperaturi foarte ridicate, creând zone cu
oxizi şi material parţial topit în depuneri figura 6.4.
Figura 6.5. Imaginea 3D a probei depuse cu Metco 71Ns prin metoda PTJP.
85
Imaginea 3D prezintă forma suprafeței probei depuse cu pulbere tip Metco 71Ns
prin metoda PTJP, aceasta fiind relativ compactă, fără exfolieri și fără aderențe figura 6.5.
a) b) Figura 6.6. Analiza EDX pe o zonă de suprafață pe care s-a făcut repartiția elementelor
chimice pe strat a probei depuse cu Metco 71Ns prin metoda PTJP: a) zona analizată;
b) repartiția tuturor elementelor.
Tabelul 6.2. Compoziţia chimică EDX a probei depuse cu Metco 71Ns prin metoda PTJP
Elemente % Wolfram 61,37 Oxigen 24,40 Carbon 9,84 Cobalt 1,97 Altele 2,40
Analiza compoziției chimice figura 6.6 determinată cu ajutorul sondei EDX
evidențiază o depunere relativ compactă de carbură de wolfram. Pe suprafață apar și zone
mari (în special adâncituri) cu oxizi și picături aplatizate sferoidale de cobalt, ceea ce oferă
informații despre faptul că pulberea conține particule separate de carbură de wolfram și
particule de cobalt.
6.1.1.3. Analiza SEM a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda PTJP
Spre deosebire de depunerea cu pulbere de tip Metco 71Ns (W>80%),
depunerile cu pulberi de Deloro 60 (Ni>70 %), prin metoda PTJP prezintă un aspect cu
picături multiple interţesute şi aplatizate.
Acest lucru se datorează tensiunilor superficiale mici ale picăturilor împroşcate
prin jet de plasmă, acestea ducând la realizarea unei aderenţe mai bune şi a unui aspect
86
mai neted al suprafeţei. În cazul picăturilor cu tensiune superficială ridicată, ca în cazul
pulberii de tip Metco 71Ns, picătura care se depune are o aderenţă mică figura 6.7.
Figura 6.7. Analiza microscopică a probei depuse cu Deloro 60 prin metoda PTJP:
a) 250 X; b) 750 X; c) 1250 X; d) 5000 X.
Figura 6.8. Imaginea 3D a probei depuse cu Deloro 60 prin metoda PTJP.
87
Din imaginea 3D obţinută la SEM, pe suprafaţa depunerii cu pulbere de tip
Deloro 60 prin metoda PTJP, se observă un aspect rugos al acesteia cu multe exfolieri,
microfisuri și pulberi parțial topite figura 6.8.
a) b) Figura 6.9. Analiza EDX pe o zonă de suprafață pe care s-a făcut repartiția elementelor
chimice pe strat a probei depuse cu Deloro 60 prin metoda PTJP: a) zona analizată;
b) repartiția tuturor elementelor.
Studiind repartiția nichelului de pe suprafața depunerii cu Deloro 60 figura 6.9 se
observă o distribuire bună a acestuia. De asemenea din analiza EDX de pe suprafața
depusă cu Deloro 60 prin metoda PTJP se observă că o concentrare mai mare de nichel
care se găsește în centrul picăturii şi mai puţin spre margine.
Din tabelul 6.3 cu compoziţia chimică EDX a probei depuse cu Deloro 60 prin
metoda PTJP se observă o scădere a procentului de bor la o valoare de aproximativ 1,5%
faţă de procentul de 3,6% specificat de firma producătoare.
Tabelul6.3. Compoziţia chimică EDX a probei depuse cu Deloro 60 prin metoda PTJP
Elemente % Nichel 73,40 Crom 14,25 Fier 6,05
Carbon 2,28 Bor 1,58
Altele 2,44
Această scădere a borului se datorează punctului de topire mult mai scăzut decât
cel dezvoltat de jetul de plasmă, cea ce duce la arderea acestui într-o anumită proporție.
88
6.1.1.4. Analiza SEM a probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV
Datorită temperaturii foarte ridicate de topire a wolframului acesta durifică
suprafaţa prin călire cu retopire şi formarea în exterior a unui strat amorf cu structură
vitroasă, figura 6.10. Aceasta duce la formarea de compuşi intermetalici duri de tipul
carburilor complexe formate cu fierul şi cu elementele de aliere precum Cr, Mn, dar şi cu
materialul de depunere care în cazul acesta este cobaltul. Picăturile de pe suprafaţa
materialului se formează ciclic şi relativ uniform urmând traiectoria spiralată a electrodului.
Dacă depunerile realizate ar fi fost cu un singur strat suprafaţa materialului ce s-
ar fi depus ar fi fost uşor vălurită având zone de rugozitate maximă pe marginile
picăturilor. Această rugozitate duce la creşterea uzurii hidroabrazive datorate
turbulenţelor create în apă. Picăturile formate prin metoda EV au formă aproape rotundă
având un menisc concav în zona de mijloc.
În figura 6.10 b se observă o suprafaţă care corespunde modelului de împroşcare,
ceea ce indică o pulverizare a picăturii topite în timpul depunerii. În cazul acestei depuneri
are loc o uniformizare a vârfurile obținute la prima trecere prin topirea vârfurilor, având loc
astfel şi o intensificare a microalierii wolframului, acesta este un element foarte greu fuzibil.
Figura 6.10. Analiza microscopică a probei depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV:
a) 250 X; b) 750 X; c) 1250 X; d) 5000 X
89
Din imaginea 3D din figura 6.11 a suprafeţei depuse prin metoda EV se observă
puţine maxime de rugozitate, această suprafaţă creată fiind în general netedă. Acest lucru
prezintă un real avantaj în cazul mişcărilor paletei, deoarece nu creează turbulenţe la
nivelul suprafeţei care pot deveni periculoase prin crearea de zone cavitaţionale.
Figura 6.11. Imaginea 3D a probei depuse cu Metco 71Nsprin metoda EV.
Imaginea 3D prezintă o suprafață relativ compactă, cu aspect vălurit figura 6.11.
Din harta de reprezentaţie a elementelor de pe suprafaţa piesei realizată cu
ajutorul sondei EDX, se observă prezenţa unor zone relativ întinse depuse cu W, care
provine din pulberea de Metco 71Ns, dar şi zone cu cantitatea ridicată de crom. Acest lucru
se datorează prezenţei unor compuşi chimici tip oxizi de crom sau carburi figura 6.12 b.
a) b)
Figura 6.12. Analiza EDX pe o zonă de suprafață pe care s-a făcut repartiția elementelor
chimice pe stratul probei depusă cu Metco 71Ns prin metoda EV: a) zona analizată;
b) repartiția tuturor elementelor.
90
Stratul depus cu Metco 71Ns este un strat dur și compact. Acest tip de material
formează carburi de wolfram care aderă foarte bine la substrat şi chiar topește o parte din
suprafaţa acestuia, energia de topire creează condiţii pentru o aliere superficială bună, iar
puterea de impact creează zone concave ce afectează planeitatea piesei.
Analizând compoziţia chimică prezentată în tabelul 6.4se poate observa prezenţa
wolframului într-un procent de aproximativ 39 %. Acest procent de wolfram este mai scăzut
decât la depunerea cu Metco 71 Ns prin metoda PTJP deoarece la acest tip de depunere se
creează microbăi de aliaj care conţine material de bază şi material de depunere.
Tabelul6.4. Compoziţia chimică EDX a probei depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV
Elemente % Fier 40,05
Wolfram 38,62 Crom 10,39 Cobalt 7,35 Nichel 2,56 Altele 1,02
Transferul termic la acest tip de electrozi cât și restul electrozilor pe bază
de carbură de wolfram este foarte mare și este datorat în special temperaturii
foarte ridicate de topire a wolframului.
Acest transfer termic favorizează înglobarea particulelor de carbon din
lamele în baia metalică, lucru întâlnit doar la electrozii pe bază de carbură de
wolfram.
6.1.1.5. Analiza SEM a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda EV
Pe suprafaţa depusă cu Deloro 60 se observă cratere, găuri datorate unei activităţi
mai intense din punct de vedere chimic între elementele chimice, componente ale
substratului şi ale electrodului care duc la formarea de bule cu gaze de ardere, oxizi şi
carburi figura 6.13.
Formarea de oxizi şi de carburi se datorează în special unei afinități mai ridicate a
nichelului decât cele ale wolframului (elemente chimice preponderente în cele două tipuri
de materiale Metco 71Ns și Deloro 60) față de carbon și oxigen.
91
Analiza de suprafaţă 3D arată o rugozitate mai mare a depunerii cu Deloro 60
decât a suprafeței acoperite cu Metco 71Ns prin metoda EV, deoarece electrodul de
Deloro 60 are tendinţa de a se lipi de substrat figura 6.13., ceea ce duce la smulgerea
unei părţi mici din materialul electrodului şi de a crea vârfuri (asperităţi) figura 6.14.
Figura 6.13. Analiza microscopică a probei depuse cu Deloro 60 prin metoda EV:
a) 250 X; b) 750 X; c) 1250 X; d) 5000 X.
Figura 6.14. Imaginea 3D a probei depuse cu Deloro 60 prin metoda EV.
92
Din harta de distribuţie a elementelor realizată cu ajutorul sondei EDX se observă
că nichelul este distribuit în principal pe marginile picăturilor de depunere şi în mai mică
măsură pe zonele de mijloc ale picăturilor, lucru datorat dinamicii stropilor și a
temperaturii ridicate a arcului electric care duce la o topire a materialului de bază în zona
de contact dintre electrodul de nichel și materialul de bază, creând astfel un amestec între
acesta şi materialul electrodului figura 6.15.
a) b) Figura 6.15. Analiza EDX pe o zonă de suprafață pe care s-a făcut repartiția elementelor
chimice pe strat a probei depuse cu Deloro 60 prin metoda EV: a) zona analizată;
b) repartiția tuturor elementelor.
De asemenea se observă în figura 6.15b prezenţa locală, în centrul picăturilor
formate prin depunerea cu metoda EV, a unor compuşi chimici ai cromului.
Tabelul6.5. Compoziţia chimică EDX a probei depuse cu Deloro 60 prin metoda EV
Elemente % Nichel 72,40 Crom 13,86 Fier 10,12
Carbon 1,60 Bor 1,22
Altele 0,8
Din tabelul 6.5 cu compoziţia chimică EDX a probei depuse cu Deloro 60
prinmetoda PTJP se observă o creştere a procentului de fier de la o valoare de aproximativ
6,05% la o valoarea de 10,12% în cazul depunerii cu metoda EV, datorându-se
amestecului de material topit din materialul de bază cu cel al electrodului.
93
6.1.1.6.Analiza SEM a morfologiei stratului depus prin metoda EV
Studiul experimental al morfologiei picăturilor de depunere, la condiţii de formare
în funcţie de tipul sistemului picătură-substrat, a fost realizat datorită importanţei pe care o
are fiecare picătură pentru obţinerea unei acoperi calitative. Învelişul este format din
multiple picături parţial suprapuse şi care se formează în funcţie de traiectoria de deplasare
a electrodului. Când o picătură ajunge pe suprafaţa stratului are loc aplatizarea laterală a
fluidului care se comportă ca un lichid de-a lungul suprafeţei stratului ce apare, datorită
energiei cinetice.
Din figura 6.16 se observă că picătura este compactă, cu oxizi pe margine şi mai
puţini pe interior şi cu uşoare fisuri. Analizând forma picăturii, se observă pe zona centrală o
acoperire compactă şi cu microfragmente de electrod netopit semiînglobate în topitură. Zona
mediană a picăturii cuprinde margini neregulate datorate dinamicii împrăştierii cu o uşoară
denivelare de ridicare, care reprezintă marginile unui menisc format de cele două zone.
a) b)
Figura 6.16. Analiza formei picăturii formate în urma depunerii prin metoda EV.
Zona exterioară cuprinde stropii ce formează marginile picăturii care s-au răcit
rapid în contact cu suprafaţa substratului, formând o zonă cu rugozitate ridicată. Picăturile
se formează aleatoriu în funcţie de mişcările electrodului şi temperatura acestuia, care
depinde de tensiunea şi intensitatea de lucru al regimului. Studiind imaginea mărită a unei
picături figura 6.16 se observă prezenţa denivelărilor mai accentuate în zona porţiunilor cu
W netopit (porţiuni aderenţe) precum şi crăpături destul de vizibile prezentate în zona de
mijloc şi în zona intermediară mai puţin pe margine. Acest lucru se poate datora
coeficientului de dilatare diferit dintre wolfram/nichel şi substratul din oţel.
Toate aceste zone sunt delimitate prin cercurile galbene din figura 6.17. Pentru
fiecare zonă este calculată şi aria ei interioară (pe suprafaţă circulară, nu inelară). Picătura
are formă ovoidală, relativ compactă cu un grad de împrăştiere nu foarte mare. Acest lucru
poate fi datorat caracteristicilor de topire
temperaturi ridicate, deci rămâne în stare lichidă mai puţin timp (secunde)
Figura 6.17. Analiza unei picături
În timpul depunerii apar procese complexe de aliere care se petrec atât în timpul
formării şi solidificării băii de topire cât şi în timpul difuz
electrodului în substrat.
a)
Figura 6.18. Forma picăturii: a) imagine SEM; b) imagine 3D a suprafeţei.
Imaginea 3D a picăturii formate la suprafaţa probei depuse realizate prin metoda
EV este prezentată în figura 6.18 b
o zonă centrală mult mai netedă, cu uşor menisc, iar celelalte zone fiind mai puţin întinse,
având arii circulare mult mai mici.
Compuşii chimici formaţi în baia metalică au temperatura de solidificare mult mai
mare decât a wolframului ceea ce arată că rămân în formă dizolvată mai mult timp şi
găsi împroşcaţi la periferia picăturii, lucru care se poate vedea în
sunt redate cele trei zone de evoluţie a picăturii: zona primară de formare a băii metalice
impact, zona secundară de tranziţie şi zona a treia de împrăştiere.
94
are formă ovoidală, relativ compactă cu un grad de împrăştiere nu foarte mare. Acest lucru
poate fi datorat caracteristicilor de topire-solidificare ale wolframului care se solidifică la
deci rămâne în stare lichidă mai puţin timp (secunde)
Analiza unei picături formate la depunerea prin metoda E
În timpul depunerii apar procese complexe de aliere care se petrec atât în timpul
formării şi solidificării băii de topire cât şi în timpul difuz
b)
Forma picăturii: a) imagine SEM; b) imagine 3D a suprafeţei.
Imaginea 3D a picăturii formate la suprafaţa probei depuse realizate prin metoda
figura 6.18 b. Din punct de vedere a morfologiei, picătura reprezintă
o zonă centrală mult mai netedă, cu uşor menisc, iar celelalte zone fiind mai puţin întinse,
având arii circulare mult mai mici.
Compuşii chimici formaţi în baia metalică au temperatura de solidificare mult mai
framului ceea ce arată că rămân în formă dizolvată mai mult timp şi
găsi împroşcaţi la periferia picăturii, lucru care se poate vedea în imaginea
sunt redate cele trei zone de evoluţie a picăturii: zona primară de formare a băii metalice
impact, zona secundară de tranziţie şi zona a treia de împrăştiere.
are formă ovoidală, relativ compactă cu un grad de împrăştiere nu foarte mare. Acest lucru
solidificare ale wolframului care se solidifică la
deci rămâne în stare lichidă mai puţin timp (secunde) figura 6.17.
formate la depunerea prin metoda EV.
În timpul depunerii apar procese complexe de aliere care se petrec atât în timpul
formării şi solidificării băii de topire cât şi în timpul difuziei elementului
Forma picăturii: a) imagine SEM; b) imagine 3D a suprafeţei.
Imaginea 3D a picăturii formate la suprafaţa probei depuse realizate prin metoda
logiei, picătura reprezintă
o zonă centrală mult mai netedă, cu uşor menisc, iar celelalte zone fiind mai puţin întinse,
Compuşii chimici formaţi în baia metalică au temperatura de solidificare mult mai
framului ceea ce arată că rămân în formă dizolvată mai mult timp şi se pot
imaginea SEM în care
sunt redate cele trei zone de evoluţie a picăturii: zona primară de formare a băii metalice la
95
Formele picăturilor realizate prin depunere cu cei doi electrozi de Metco 71Ns şi
Deloro 60 sunt bine evidenţiate, ele prezentând microadâncituri pe mijloc datorate topirii şi
solidificării rapide.
6.1.2. Analiza grosimii straturilor depuse
6.1.2.1. Analiza grosimii de strat a probelor depuse cu Metco 71Ns prin
metoda PTJP
În figura 6.19 este prezentată secțiunea prin stratul depus cu Metco 71Ns prin
metoda PTJP. Se observă în imaginea obținută la microscopul cu baleiaj, structura stratului
depus care este neuniformă cu goluri şi oxizi la interfața strat-substrat, lucru ce afectează
aderența depunerii pe materialul de bază.
a ) b)
c) d)
Figura 6.19. Analiza straturilor subțiri depuse cu Metco 71Ns prin metoda PTJP:1- strat, 2 -
substrat; a), b) microstructura obținută la microscopul optic; c) analiza SEM a grosimii de strat;
d) analiza tip mapare EDX a ansamblului strat-substrat.
În figura 6.19 este prezentată maparea EDX a zonei de atac strat-material de bază și
se observă o prezență considerabilă a elementului de wolfram în depunere. Stratul depus cu
Metco 71Ns prin metoda PTJP este relativ subțire, cu o grosime de aproximativ 73µm.
96
Stratul depus prezintă o ușoară neuniformitate de-a lungul interfeței şi o
puternică delimitare între strat şi substrat, observându-se chiar şi prezența unui start
subțire de oxizi pe linia de separare. Aceasta afectează aderența depunerii, iar
neuniformitatea structurii are un impact negativ asupra refractarității (neuniformității la
răcire-încălzire). Jetul de plasmă nu creează structuri tranzitorii de material topit strat-
substrat, ci doar a structurii formate din picături aplatizate datorate dinamicii împroșcării
care sunt lipite de suprafaţa probei.
Figura 6.20. Analiza EDX în linie a probei depusă cu Metco 71Ns prin metoda PTJP.
Analiza EDX în linie arată că există wolfram în zona stratului și lipsește în zona
de contact dintre materialul de bază și substrat figura 6.20.
6.1.2.2. Analiza grosimii de strat a probelor depuse cu Deloro 60 prin
metoda PTJP
În figura 6.21 a și b sunt prezentate microstructurile în secțiune a probelor cu
depuneri tip Deloro 60 prin metoda PTJP. Se observă o delimitare precisă între strat şi
substrat având inserate între ele şi un strat subțire de oxizi. Configuraţia substratului de
grăunţi ferito-martensitici diferă de configuraţia stratului depus ce se prezintă sub formă de
picături aplatizate amorfe lipite prin topire parţială. În figura 6.21 c) este prezentată
imaginea SEM în care este dată valoarea grosimii de strat a depunerii cu Deloro 60 prin
metoda PTJP. După cum se observă grosimea de strat este de aproximativ 370µm, aceasta
fiind 7 ori mai mare decât depunerea cu Metco 71Ns realizată prin metoda PTJP. O
asemenea diferență de grosime poate fi datorată dimensiunilor mult mai mari ale pulberilor
de Deloro 60 în comparație cu dimensiunea pulberilor de Metco 71Ns. Din analiza
imaginilor SEM şi maparea EDX se observă prezența în strat a nichelului (doar în strat nu
şi în substrat sau la interfață) precum şi a unor mici zone cu bor dispersate în întreg stratul,
97
iar spre exteriorul stratului depus acesta este repartizat liniar în cantități mai mari și mai
compacte figura 6.21 d).
a) b)
c) d) Figura 6.21. Analiza straturilor subțiri depuse cu Deloro 60 prin metoda PTJP: 1- strat,
2- substrat; a), b)microstructura obținută la microscopul optic: c)analiza SEM a grosimii
de strat; d)analiza tip mapare EDX a ansamblului strat-substrat;
Figura 6.22. Analiza EDX în linie a probei depuse cu Deloro 60 prin metoda PTJP.
Analiza în linie din figura 6.22 arată o prezență ridicată de Ni în strat dar şi de Cr care
se găsește în aceeași măsură şi în substrat. Se observă de asemenea între strat şi substrat o zonă
de oxizi, poroasă şi necompactă care influențează negativ aderența stratului.
98
6.1.2.3. Analiza grosimii de strat a probelor depuse cu Metco 71Ns prin
metoda EV
În figura 6.23 sunt prezentate microstructurile probelor din oțel inoxidabil depuse
cu electrod de tip Metco Ns71 depuse prin metoda EV.
a) b)
c) d)
Figura 6.23. Analiza straturilor subțiri depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV: 1- strat,
2 - substrat; a), b)microstructură obținută la microscopul optic; c)analiza SEM a grosimi
de strat; d) analiza tip mapare EDX a ansamblului strat-substrat;.
Se observă că stratul depus este relativ subțire de aproximativ 10µm.Din
figura 6.23 a și b în care sunt prezentate analizele SEM se observă că este o ușoară zonă
de trecere între stat şi substrat (zonă influențată termic cu granulaţie mai fină ce face
trecerea atât ca proprietăți cât şi ca structură spre zona depusă creând o zonă intermediară
de semiaderență între strat şi substrat).
Se remarcă lipsa stratului de oxizi între strat şi substrat şi chiar a oxizilor din strat
ceea ce duce la o mai bună compactitate şi la proprietăți de rezistență mecanică mai bună.
În imaginile SEM cu analiza EDX se observă în strat prezența Cr şi a W şi o bună gradare
între concentrații, trecerea făcându-se treptat.
99
Figura 6.24. Analiza EDX în linie a probei depusă cu Metco71Ns prin metoda EV.
Analiza în linie figura 6.24 arată prezenţa constantă a Cr în strat şi în substrat şi
de asemenea prezenţa W în strat.
6.1.2.4. Analiza grosimii de strat a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda EV
În figura 6.25 a și b este prezentată microscopia optică a depunerii cu Deloro 60 prin metoda
EV. În imagine este prezintă un strat relativ compact cu o grosime de aproximativ 30µm
a) b)
c) d)
Figura 6.25. Analiza straturilor subțiri depuse cu Deloro 60 prin metoda EV: 1- strat,
2 - substrat;a), b)microstructura obținută la microscopul optic; c)analiza SEM a
grosimi de strat; d) analiza tip mapare EDX a ansamblului strat-substrat.
În figura 6.25 d unde este prezentată analiza
prin metoda EV se observă un strat de tranzi
depunerii de microbăi de topitură strat
de coerență structurală.
Acestea este benefică atât aderenţei depunerii cât
proprietăților fizico - chimice, coeficientului de contrac
şi rupere etc. Astfel se evită apari
tenacitate mai bune.
Figura 6.26. Analiza EDX în linie a probei depusă cu Deloro 60 prin metoda EV
Analiza EDX figura 6.26
arată, creșterea procentului de Ni pe zona stratului de depunere în detrimentul Fe și Cr. Se
observă și faptul că stratul depus este coerent cu substratul, neexistând oxizi între strat
substrat, ancorarea făcându
materialul electrodului.
6.1.3. Examinarea electromagnetică cu ajutorul curen
Pentru a identifica
electromagnetic realizat dintr
obținute au fost prelucrate cu
Figura 6.27. Răspunsul traductorului electromagnetic la trecerea peste proba martor100
unde este prezentată analiza EDX pe probă depusă cu Deloro
prin metoda EV se observă un strat de tranziție ce s-a format prin crearea în timpul
robăi de topitură strat-substrat ce duc la crearea unei zone
Acestea este benefică atât aderenţei depunerii cât și pentru uniformizarea
chimice, coeficientului de contracție - dilatare, rezisten
etc. Astfel se evită apariția microfisurilor din strat şi la caracteristici de
Analiza EDX în linie a probei depusă cu Deloro 60 prin metoda EV
figura 6.26 în linie a probei, depusă cu Deloro 6
șterea procentului de Ni pe zona stratului de depunere în detrimentul Fe și Cr. Se
ă stratul depus este coerent cu substratul, neexistând oxizi între strat
substrat, ancorarea făcându-se bine datorită prezenței Ni și în materialul de baz
6.1.3. Examinarea electromagnetică cu ajutorul curen
identifica crăpăturile din strat și substrat, s-a utilizat un nou tip de
electromagnetic realizat dintr-unmetamaterial denumitSwiss roll conic
ținute au fost prelucrate cuajutorul soft-ului Matlab 2014b.
Răspunsul traductorului electromagnetic la trecerea peste proba martor
EDX pe probă depusă cu Deloro 60
a format prin crearea în timpul
substrat ce duc la crearea unei zone
și pentru uniformizarea
dilatare, rezistenței la curgere
şi la caracteristici de
Analiza EDX în linie a probei depusă cu Deloro 60 prin metoda EV.
depusă cu Deloro 60 prin metoda EV
șterea procentului de Ni pe zona stratului de depunere în detrimentul Fe și Cr. Se
ă stratul depus este coerent cu substratul, neexistând oxizi între strat și
ței Ni și în materialul de bază și în
6.1.3. Examinarea electromagnetică cu ajutorul curenților turbionari
a utilizat un nou tip de traductor
Swiss roll conic, iar rezultatele
Răspunsul traductorului electromagnetic la trecerea peste proba martor.
101
Analiza probei martor prezintă zone cu pori în strat, ca urmare a gazelor care se
formează la procesul de depunere. Realizarea acestor pori în interiorul stratului, şi nu la interfața
strat-substrat, nu afectează major caracteristicile de rezistență mecanică şi de duritate.
a) b)
Figura 6.28. Răspunsul traductorului electromagnetic la trecerea peste proba depusă cu
Metco 71Ns prin: a) metoda PTJP; b) metoda EV.
Comparativ cu metoda EV, depunerea prin metoda PTJP prezintă o aderență mult
mai slabă pentru Metco 71Ns figura 6.28a și b, comparativ cu Deloro 60 figura 6.28 d, în
condițiile în care la 5 treceri proba cu acoperire Deloro 60 suferă o suprafață mai compactă
a materialului de depunere.
a) b)
Figura 6.29.Răspunsul traductorului electromagnetic la trecerea peste proba depusă cu
Deloro 60 prin: a) metoda PTJP; b) metoda EV.
Pentru depunerea cu Metco71Ns prin metoda EV, figura 6.29 a, se observă un
profil mai ascuțit al fazei semnalului iar din punct de vedere al aderenței la suport, există
zone în care este posibil ca stratul să nu aibă o aderență foarte bună acest lucru fiind
marcată pe grafic prin zonele galbene.
Din analiza fazei semnalului se observă că din punct de vedere al aderen
suport proba depusă cu Deloro 60 prin metoda EV este cea mai bună, semnalul dat de
traductorul electromagnetic cu metamateriale
Figura 6.30.Diferența între amplitudinile semnalelor la depunerea Deloro 60 prin cele
Rezultatele traductorului electromagnetic sunt confirmate şi de răspunsul în
amplitudine, în condițiile în care s
utilizat de echipament. Compararea
Matlab 2014b. Acesta a constat în compararea diferen
recepționat de traductorul cu metamateriale și a magnitudinii semnalului pentru depuner
prin metoda EV și PTJP pentru proba depusă cu Deloro 60.
Din imagini se observă că cea mai bună aderen
prin metoda EV, aceasta este
depuse cu Deloro 60 prin metod
cu Deloro 60 prin metoda PTJP.
6.1.4. Determinarea rugozităţii suprafeţei
Rugozitatea suprafeţei este o componentă a texturii suprafeţei. Aceasta este
cuantificată prin abaterile în direcţia vector
forma sa ideală.
Rugozitatea în general este considerată a fi o componentă de frecvenţă înaltă pe
lungimi scurte de undă a suprafeţei de măsurat.
Verificarea rugozită
acesteia este prea mică, atunci aderen
este prea mare atunci există pericolul ca vârfurile să rămână neacoperite.
102
Din analiza fazei semnalului se observă că din punct de vedere al aderen
suport proba depusă cu Deloro 60 prin metoda EV este cea mai bună, semnalul dat de
ectromagnetic cu metamateriale fiind prezentat în figura 6.
ța între amplitudinile semnalelor la depunerea Deloro 60 prin cele
doua metode.
Rezultatele traductorului electromagnetic sunt confirmate şi de răspunsul în
țiile în care s-a utilizat un alt soft de comparare de imagini decât c
lizat de echipament. Compararea imaginilor figura 6.30 s-a realizat cu soft
2014b. Acesta a constat în compararea diferențelor amplitudinilor semnalului
ționat de traductorul cu metamateriale și a magnitudinii semnalului pentru depuner
pentru proba depusă cu Deloro 60.
Din imagini se observă că cea mai bună aderență o are proba depusă cu Deloro
sta este și cea mai compactă. Amplitudinea de imagine a probei
depuse cu Deloro 60 prin metoda EV diferă cu 56,80% față de amplitudinea probei depuse
cu Deloro 60 prin metoda PTJP.
6.1.4. Determinarea rugozităţii suprafeţei
Rugozitatea suprafeţei este o componentă a texturii suprafeţei. Aceasta este
cuantificată prin abaterile în direcţia vectorului normal al unei suprafeţe reale d
Rugozitatea în general este considerată a fi o componentă de frecvenţă înaltă pe
lungimi scurte de undă a suprafeţei de măsurat.
Verificarea rugozității este importantă în procesele de depunere. D
acesteia este prea mică, atunci aderența stratului la substrat va scădea, iar dacă valoarea
este prea mare atunci există pericolul ca vârfurile să rămână neacoperite.
Din analiza fazei semnalului se observă că din punct de vedere al aderenței la
suport proba depusă cu Deloro 60 prin metoda EV este cea mai bună, semnalul dat de
figura 6.29b.
ța între amplitudinile semnalelor la depunerea Deloro 60 prin cele
Rezultatele traductorului electromagnetic sunt confirmate şi de răspunsul în
un alt soft de comparare de imagini decât cel
a realizat cu soft-ul
țelor amplitudinilor semnalului
ționat de traductorul cu metamateriale și a magnitudinii semnalului pentru depunerile
e proba depusă cu Deloro 60
de imagine a probei
ă de amplitudinea probei depuse
Rugozitatea suprafeţei este o componentă a texturii suprafeţei. Aceasta este
ului normal al unei suprafeţe reale de la
Rugozitatea în general este considerată a fi o componentă de frecvenţă înaltă pe
ă în procesele de depunere. Dacă valoarea
ădea, iar dacă valoarea
este prea mare atunci există pericolul ca vârfurile să rămână neacoperite.
Cercetările experimentale au fost efectuate pe cinci probe, atât pe proba m
cât și pe probele acoperite.
Tabelul6.
Tip de depunere Nr. încercare
Probă nedepusă
Ra Rz Rq
1 1,4 10,56 3,78
2 1,7 12,38 1,56
3 1,6 11,18 2,03
Media 1,57 11,37 2,46
Rz- variația rugozită
medii pătratice
În urma testelor realizate şi a va
mai bine în evidenţă rezultatele obţinute, aceste rezultate fiind prezentate în
6.32şi6.33. Aceste teste de rugozitate au fost realizate deoarece există o strânsă legătură între
rugozitatea unui material şi rezistenţa acestuia la hidroabraziune şi la coroziune.
Figura 6.31. Analiza comparativă a rugozităţii medii R
Rugozitatea pieselor rectificate este mică, caracterizată prin vâr
refulate (tip sinusoidal). Piesele rectificate nu necesită şlefuire pentru a obţine o suprafaţă
fină deoarece atât depunerile
suprafeţe cu un anumit grad de rugozitate pentru a
obţine rezultate cât mai concludente ale valorilor R
103
Cercetările experimentale au fost efectuate pe cinci probe, atât pe proba m
.
6.6. Valorile obţinute ale rugozităţii (ANEXA1)
Depunere prin metoda PTJP Depunere Metco 71Ns Deloro 60 Metco 71Ns
Ra Rz Rq Ra Rz Rq Ra Rz Rq
3,93 12,82 5,12 7,23 39,67 9,44 5,27 33,18 6,92
3,54 11,77 5,03 7,93 44,02 9,97 5,58 33,77 7,11
4,11 13,78 5,32 8,21 44,59 10,3 5,05 33,01 6,63
3,86 12,79 5,16 7,79 42,76 9,91 5,30 33,32 6,89
ății medii; Ra- variația abaterii medii aritmetice; R
În urma testelor realizate şi a valorilor obţinute au fost create grafice pentru a pune
mai bine în evidenţă rezultatele obţinute, aceste rezultate fiind prezentate în
. Aceste teste de rugozitate au fost realizate deoarece există o strânsă legătură între
ea unui material şi rezistenţa acestuia la hidroabraziune şi la coroziune.
Analiza comparativă a rugozităţii medii Rz (μm) pentru proba martor
4 tipuri de depuneri.
Rugozitatea pieselor rectificate este mică, caracterizată prin vâr
refulate (tip sinusoidal). Piesele rectificate nu necesită şlefuire pentru a obţine o suprafaţă
fină deoarece atât depunerile prin metoda PTJP cât şi cele prin metoda EV
suprafeţe cu un anumit grad de rugozitate pentru a favoriza aderenţa stratului.
obţine rezultate cât mai concludente ale valorilor Ra, Rz şi Rq s-au realizat pe fiecare probă
Cercetările experimentale au fost efectuate pe cinci probe, atât pe proba martor,
(ANEXA1)
Depunere prin metoda EV Ns Deloro 60 Rq Ra Rz Rq
6,92 5,27 29,91 6,47
7,11 5,01 29,44 6,07
6,63 5,52 30,14 6,89
6,89 5,27 29,83 6,48
ția abaterii medii aritmetice; Rq- variația abaterilor
lorilor obţinute au fost create grafice pentru a pune
mai bine în evidenţă rezultatele obţinute, aceste rezultate fiind prezentate în figurile 6.31,
. Aceste teste de rugozitate au fost realizate deoarece există o strânsă legătură între
ea unui material şi rezistenţa acestuia la hidroabraziune şi la coroziune.
(μm) pentru proba martor şi cele
Rugozitatea pieselor rectificate este mică, caracterizată prin vârfuri şi adâncituri
refulate (tip sinusoidal). Piesele rectificate nu necesită şlefuire pentru a obţine o suprafaţă
prin metoda EV se realizează pe
favoriza aderenţa stratului. Pentru a
au realizat pe fiecare probă
câte 3 teste în aceleaşi condiţii, care mai apoi au fost puse sub forma unui grafic pentru a fi
mai uşor observate diferenţele dintre valorile rugozităţilor.
Parametrul Rz este înălţimea în
absolute ale înălţimilor celor de mai sus proeminenţe
goluri în limitele lungimii de referinţă.
mică rugozitate a avut-o proba martor cu o valoare R
acoperirea cu Metco 71Ns prin metoda
μm. Valoarea cea mai mare
metoda PTJP.
Depunerile realizate
depunerilor cu Metco 71Ns şi Deloro 60, acestea având valori apropiate
respectiv 29,83 μm.
Depunerile prin metoda
celor două tipuri de depun
înregistrată dintre toate cele patru tipuri de depunere, depunerea cu Deloro
mai mare valoare înregistrată. Această diferenţă
diferită a particulelor pulberilor de depunere,
Parametrul Ra este abaterea medie aritmetică a profilului şi reprezintă valoarea
medie a modulului profilului măsurat faţă de linia medie.
Figura 6.32. Analiza comparativă a abaterii medii
proba martor şi cele 4 tipuri de depuneri.
Studiind graficul comparativ al rugozităţii
rugozitate mică o are proba nedepusă (R
104
câte 3 teste în aceleaşi condiţii, care mai apoi au fost puse sub forma unui grafic pentru a fi
ţele dintre valorile rugozităţilor.
este înălţimea în n puncte a profilului şi anume media valorilor
absolute ale înălţimilor celor de mai sus proeminenţe n/2 şi a celor mai adânci
goluri în limitele lungimii de referinţă. După cum se observă din figura 6.3
o proba martor cu o valoare Rz de 11,37 μm, urmat
acoperirea cu Metco 71Ns prin metoda PTJP care are o valoare de aproximativ 12,79
cea mai mare a lui Rz, de 42,76 μm,o are depunerea cu
Depunerile realizate prin metoda EV au o variaţie mai mică a rugozităţii R
Ns şi Deloro 60, acestea având valori apropiate
prin metoda PTJP au variaţii mari ale valorilor rugozităţii R
celor două tipuri de depuneri, dacă depunerea cu Metco 71Ns are cea mai mică valoare
înregistrată dintre toate cele patru tipuri de depunere, depunerea cu Deloro
mai mare valoare înregistrată. Această diferenţă poate fi cauzat
ulelor pulberilor de depunere, care au granulaţii diferite.
este abaterea medie aritmetică a profilului şi reprezintă valoarea
profilului măsurat faţă de linia medie.
iza comparativă a abaterii medii aritmetice ale profilului R
proba martor şi cele 4 tipuri de depuneri.
Studiind graficul comparativ al rugozităţii figura 6.32
rugozitate mică o are proba nedepusă (Ra = 1,57 μm), urmată de depunerea
câte 3 teste în aceleaşi condiţii, care mai apoi au fost puse sub forma unui grafic pentru a fi
puncte a profilului şi anume media valorilor
/2 şi a celor mai adânci n/2
figura 6.31 cea mai
de 11,37 μm, urmată de
care are o valoare de aproximativ 12,79
depunerea cu Deloro 60 prin
au o variaţie mai mică a rugozităţii Rz a
Ns şi Deloro 60, acestea având valori apropiate, 33,32 μm şi
ale valorilor rugozităţii Rz ale
Ns are cea mai mică valoare
înregistrată dintre toate cele patru tipuri de depunere, depunerea cu Deloro 60 are cea
ată de dimensiunea
care au granulaţii diferite.
este abaterea medie aritmetică a profilului şi reprezintă valoarea
aritmetice ale profilului Ra (μm) pentru
2se observă că o
ată de depunerea prin metoda
PTJP cu pulbere tip Metco
pulbere tip Deloro 60 are o rugozitate mare (R
microtulburenţe, având şi un rezultat mai slab în timpul experimen
hidroabraziune (Capitolul V
Rugozităţi medii au depunerile prin metoda EV
electrod tip Metco 71Ns şi R
acestora fiind un lucru pozitiv
Parametrul Rq este r
distribuţiei înălţimilor profilului.
Figura 6.33. Analiza comparativă a rugozităţii medii pătratice R
Dacă în cazul parametrilor R
standard a distribuţiei înălţimilor profilului (R
tipuri de depunere e mai mică,
Topirea suprafeţei,
formează mai bine când suprafaţa de contact este mai mare (suprafaţa nu e netedă ci are
vârfuri). Importanţa rugozităţii în cazul curgerii fluidului (apă) pe suprafaţă la o rugozitate
nu foarte netedă apar turbulenţe ce accentuează hidroabraziunea prin antrenarea
particulelor în suspensie şi lovirea lor de suprafeţele plane.
formează un filtru de lichid cu vector zero (strat limită) ce constituie o protecţie dar care
favorizează mişcarea din apropierea sa. La o rugozitate medie stratul limită este mic şi
funcţionează cu rol pozitiv pentru protecţia suprafeţei neîncetând mişcarea iar turbulenţele
nu apar sau apar cu mică intensitate, eventual cu amortizarea pe lungi
105
cu pulbere tip Metco 71Ns (Ra = 3,86 μm). Depunerea prin metoda PTJP
are o rugozitate mare (Ra = 7,78 μm) care duce la formarea de
microtulburenţe, având şi un rezultat mai slab în timpul experimen
hidroabraziune (Capitolul VII).
gozităţi medii au depunerile prin metoda EV (Ra = 5,30 μm
şi Ra = 5,27 μm depunere cu electrod tip Deloro
acestora fiind un lucru pozitiv.
este rugozitatea medie pătratică și reprezintă abaterea standard a
distribuţiei înălţimilor profilului.
Analiza comparativă a rugozităţii medii pătratice Rq (μm) pentru proba
martor şi cele 4 tipuri de depuneri.
Dacă în cazul parametrilor Rz şi Ra variaţia valorilor este mare, în cazul abaterii
standard a distribuţiei înălţimilor profilului (Rq), variaţia valorilor rezultate ale celor patr
tipuri de depunere e mai mică, aceasta fiind cuprinsă între 5,16 ÷ 6,48 μm
Topirea suprafeţei, în principal a vârfurilor, şi baia metalică de microsudură se
formează mai bine când suprafaţa de contact este mai mare (suprafaţa nu e netedă ci are
vârfuri). Importanţa rugozităţii în cazul curgerii fluidului (apă) pe suprafaţă la o rugozitate
netedă apar turbulenţe ce accentuează hidroabraziunea prin antrenarea
particulelor în suspensie şi lovirea lor de suprafeţele plane. La o suprafaţă prea netedă se
formează un filtru de lichid cu vector zero (strat limită) ce constituie o protecţie dar care
favorizează mişcarea din apropierea sa. La o rugozitate medie stratul limită este mic şi
funcţionează cu rol pozitiv pentru protecţia suprafeţei neîncetând mişcarea iar turbulenţele
nu apar sau apar cu mică intensitate, eventual cu amortizarea pe lungimea paletei.
prin metoda PTJP cu
= 7,78 μm) care duce la formarea de
microtulburenţe, având şi un rezultat mai slab în timpul experimentului de
= 5,30 μm), depunere cu
= 5,27 μm depunere cu electrod tip Deloro 60), constanţa
ă abaterea standard a
(μm) pentru proba
variaţia valorilor este mare, în cazul abaterii
), variaţia valorilor rezultate ale celor patru
μm figura 6.33.
, şi baia metalică de microsudură se
formează mai bine când suprafaţa de contact este mai mare (suprafaţa nu e netedă ci are
vârfuri). Importanţa rugozităţii în cazul curgerii fluidului (apă) pe suprafaţă la o rugozitate
netedă apar turbulenţe ce accentuează hidroabraziunea prin antrenarea
La o suprafaţă prea netedă se
formează un filtru de lichid cu vector zero (strat limită) ce constituie o protecţie dar care nu
favorizează mişcarea din apropierea sa. La o rugozitate medie stratul limită este mic şi
funcţionează cu rol pozitiv pentru protecţia suprafeţei neîncetând mişcarea iar turbulenţele
mea paletei.
106
6.2. DETERMINAREA CARACTERISTICILOR MECANICE
6.2.1. Determinarea caracteristicilor de microduritate ale
substratului și ale straturilor depuse
Microdurimetrul utilizat în cadrul cercetărilor doctorale este de tip CV-400 DM din
cadrul Facultăţii de Știinţa şi Ingineria Materialelor din Iaşi, Departamentul de Tehnologii şi
Echipamente pentru Procesarea Materialelor din cadrul laboratorului de deformări plastice.
Testele experimentale au fost efectuate pe 5 probe diferite, atât pe proba martor cât si pe
probele depuse. Analiza aspectelor legate de procesele de deformare ale stratului superficial
s-a realizat cu ajutorul metodei Vickers, iar probele au fost încercate la un nivelul de
solicitare de 50gf (HV50).
Tabelul6.7. Valorile obţinute în urma testelor de microduritate
Figura 6.34. Analiza comparativă a microdurităţii probei martor și a celor 4 tipuri de
depuneri obţinute.
Din analiza graficului de variaţie a microdurității figura 6.34 se observă că toate
cele patru depuneri au microdurități mai mari decât a materialului de bază care are o
duritate de aproximativ 280 HV.
MartorMetco 71 NS -
jet de plasmăDeloro 60 - jet de
plasmăMetco 71 NS -
electrod vibrartorDeloro 60 -
electrod vibrartor
1 280.6 487.7 853 304 366.12 287.6 437.1 869.6 300.1 367.33 281.8 456.5 899.8 308.8 365.2
Nr.Tip probă
Valoare duritate HV
107
Depunerea cu Deloro 60 este cea mai dură depunere din toate cele patru tipuri de
depuneri. Din figura 6.34 se observă de asemenea că ambele tipuri de depunere prin
metoda EV au o duritate mai mare decât cele depuse cu metoda PTJP.
Testele de microduritate s-au realizat datorită grosimii mici a stratului de ordinul
micronilor. Penetratorul microdurimetrului a fost acţionat în secţiunea probei depuse şi nu
pe suprafaţa de depunere. Prin testele de microduritate realizate cu ajutorul
microdurimetrului în secţiune s-a dorit să se afle valoarea microdurității doar a stratului
depus şi nu a întregului ansamblu strat-substrat, astfel încât valorile obţinute să nu fie
influenţate de duritatea materialului de bază.
Figura 6.35. Amprenta lăsată de microdurimetrul Vickers pe proba martor.
Probele depuse prin metoda PTJP cu Metco 71Ns au o microduritate de aproximativ 450
HV, fiind mai puţin dure în comparație cu probele depuse prin metoda PTJP cu Deloro 60
care are duritatea de aproximativ 870 HV.
Figura 6.36. Amprentele lăsate de microdurimetrul Vickers pe probele depuse cu:
a),b) Metco 71Ns şi Deloro 60 prin metoda PTJP; c), d)Metco 71Ns şi Deloro 60 prin
metoda EV.
Depunerea cu Metco 71
de aproximativ 304 HV decât cea cu Deloro 60 depusă prin aceeaşi metodă care are
microduritatea de aproxim
valoarea cea mai mică dintre
poate concluziona că depunerile cu Deloro 60 sunt mai du
71Ns pentru ambele metode de depunere.
6.2.2. Analiza de microamprentare a probei martor
depunerilor
Microamprentările s
tribologice şi mecanice, numit Universal Micro
dotarea Laboratorului de Tribologie de la Facultatea de Mecanică din Iaşi.
Cu ajutorul tehnicii de amprentare se evaluează proprietăţile mecanice ale
straturilor subţiri, prin măsurarea a două caracteristici: duritatea (H) şi modulul de
elasticitate Young (E), iar pe baza acestora se determină: indicele de elasticitate (H/E) şi
rezistenţa la deformare plastică (H3/E2) a acestora (X.
Modulul de elasticitate poate fi determinat cu ajutorul aparatului anterior amintit
care calculează acest indicator cu ajutorul parametrilor următori: forţa de apăsare
adâncimea amprentei lăsate
Cu ajutorul acestor parametri se calculează
unde:
S - este rigiditatea de contact;
A - proiecţia ariei de contac
υ – coeficientul Poisson al probei testate;
γ – factor de corecţie.
Testele de microamprentare se realizează în patru paşi:
1) se aplică o forţă constantă mică de aproximativ 1 % din forţa maximă de
amprentare pe probă, timp de 20 d
108
u Metco 71Ns depusă prin metoda EV are o microduritate mai mică,
de aproximativ 304 HV decât cea cu Deloro 60 depusă prin aceeaşi metodă care are
microduritatea de aproximativ 366 HV. Depunerea cu Metco 71Ns pri
valoarea cea mai mică dintre toate cele patru tipuri de depuneri. Din analiza durităţilor se
poate concluziona că depunerile cu Deloro 60 sunt mai dure decât depunerile cu Metco
Ns pentru ambele metode de depunere.
Analiza de microamprentare a probei martor
Microamprentările s-au efectual cu ajutorul unui echipament pentru determinări
tribologice şi mecanice, numit Universal Micro-Tribometer (CETR-UMT
dotarea Laboratorului de Tribologie de la Facultatea de Mecanică din Iaşi.
hnicii de amprentare se evaluează proprietăţile mecanice ale
straturilor subţiri, prin măsurarea a două caracteristici: duritatea (H) şi modulul de
elasticitate Young (E), iar pe baza acestora se determină: indicele de elasticitate (H/E) şi
eformare plastică (H3/E2) a acestora (X. Xu et al., 2015).
Modulul de elasticitate poate fi determinat cu ajutorul aparatului anterior amintit
care calculează acest indicator cu ajutorul parametrilor următori: forţa de apăsare
adâncimea amprentei lăsate de penetrator h şi aria proiectată la suprafaţa
Cu ajutorul acestor parametri se calculează modulul de elasticitate
este rigiditatea de contact;
proiecţia ariei de contact pe suprafaţa epruvetei;
coeficientul Poisson al probei testate;
factor de corecţie.
Testele de microamprentare se realizează în patru paşi:
se aplică o forţă constantă mică de aproximativ 1 % din forţa maximă de
amprentare pe probă, timp de 20 de sec.;
are o microduritate mai mică,
de aproximativ 304 HV decât cea cu Deloro 60 depusă prin aceeaşi metodă care are
71Ns prin metoda EV are
toate cele patru tipuri de depuneri. Din analiza durităţilor se
re decât depunerile cu Metco
Analiza de microamprentare a probei martor și a
au efectual cu ajutorul unui echipament pentru determinări
UMT-2) care se află în
dotarea Laboratorului de Tribologie de la Facultatea de Mecanică din Iaşi.
hnicii de amprentare se evaluează proprietăţile mecanice ale
straturilor subţiri, prin măsurarea a două caracteristici: duritatea (H) şi modulul de
elasticitate Young (E), iar pe baza acestora se determină: indicele de elasticitate (H/E) şi
Modulul de elasticitate poate fi determinat cu ajutorul aparatului anterior amintit
care calculează acest indicator cu ajutorul parametrilor următori: forţa de apăsare P,
şi aria proiectată la suprafaţa A.
modulul de elasticitate:
(6.2)
se aplică o forţă constantă mică de aproximativ 1 % din forţa maximă de
109
2) în această etapă forţa de amprentare a crescut liniar până la valoarea maximă
timp de 30 de sec.;
3) se menţine valoarea maximă de apăsare pentru 20 de sec.;
4) forţa de apăsare este scăzută cu o viteză liniară până atinge valoarea zero.
6.2.2.1. Analiza de microamprentare pentru proba martor
După parcurgerea etapelor de lucru şi după înregistrarea acestora de către program
au fost trasate curbele de amprentare a probei martor şi ale probelor depuse.
Figura 6.37. Curba de microamprentare (forță - adâncime) pentru proba martor.
În tabelul 6.7 sunt prezentate valorile Modulului lui Young şi a durităţii obţinute
prin analiza de microamprentare a probei martor în urma trasării curbelor de
microamprentare prezentate în figura 6.37.
Tabelul6.7. Valorile modulului lui Young şi a durităţii în urma testelor de
microamprentare
Teste de microamprentare
Proba martor
Modulul lui Young (GPa) Duritatea (GPa) 48,34 0,79 44,25 0,70 46,54 0,76
Pentru a fi mai uşor comparate durităţile obţinute prin microamprentare pot fi
convertite în unităţi Vickers utilizând tabele de conversie.
110
6.2.2.2. Analiza de microamprentare pentru probele depuse cu Metco 71Ns
prin metoda PTJP
În figura 6.38 este prezentată curba de variație a forței în raport cu adâncimea
amprentării în cazul probelor acoperite cu Metco 71Ns prin metoda PTJP.
Figura 6.38. Curba de microamprentare (forță - adâncime) pentru probele depuse cu
Metco 71Ns prin metoda PTJP.
Modulul de elasticitate obţinut în urma testelor de microamprentare este de
aproximativ 12 GPa, valoare mai mică decât a probei martor, iar duritatea obţinută este de
0,6 GPa, de asemenea mai mică - tabelul 6.8.
Tabelul 6.8. Valorile modulului lui Young şi a durităţii în urma testelor de
microamprentare pentru probele depuse cu Metco 71Ns prin metoda PTJP
Teste de microamprentare
Metco 71Ns prin metoda PTJP
Modulul lui Young (GPa) Duritatea (GPa)
12,07 0,62
12,36 0,69 12,24 0,67
Aceste teste de microamprentare au fost realizate cu o forţă de apăsare de 5N, iar
pe fiecare probă s-au realizat câte trei teste.
111
6.2.2.3. Analiza de microamprentare pentru probele depuse cu Deloro 60
prin metoda PTJP
În figura 6.39 este prezentată curba de variație a forței în raport cu adâncimea de
apăsare pe cazul depunerii cu Deloro 60 prin metoda PTJP.
Figura 6.39. Curba de microamprentare (forță - adâncime) pentru probele depuse cu
Deloro 60 prin metoda PTJP.
Prin depunerea cu straturi subțiri s-a dorit realizarea de materiale dure care să
crească rezistenţa la uzură hidroabrazivă. Aşa cum se ştie legătura dintre duritate şi
rezistenţa la uzură hidroabrazivă cât şi la uzură uscată este de cele mai multe ori
direct proporţională.
Tabelul6.9. Valorile modulului lui Young şi a durităţii în urma testelor de
microamprentare pentru probele depuse cu Deloro 60 prin metoda PTJP
Teste de microamprentare
Deloro 60 prin metoda PTJP
Modulul lui Young (GPa) Duritatea(GPa) 11,90 1,42
11,28 1,38 11,45 1,41
În tabelul 6.9 este prezentat modulul de elasticitate obţinut în urma testelor de
microamprentare care este de aproximativ 11,5 GPa, valoare mai mică decât a probei
112
martor, iar duritatea obținută este de 1,4 GPa, mai mare decât a probei martor şi a probei
depuse cu Metco 71Ns.
6.2.2.4. Analiza de microamprentare pentru probele depuse cu Metco 71Ns
prin metoda EV
În figura 6.40 este prezentată curba de variație a forței în raport cu adâncimea
amprentării în cazul probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV.
Figura 6.40. Curba de microamprentare (forță - adâncime) pentru probeledepuse cu
Metco 71Ns prin metoda EV.
După cum se observă din tabelul 6.10 valorile de duritate au crescut de
aproape 2 ori faţă de a materialului de bază. Dacă materialul de bază are valori
apropiate de 0,7 GPa, probele depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV au valori
cuprinse între 1,38÷1,65 Gpa.
Tabelul 6.10. Valorile modulului lui Young şi a durităţii în urma testelor de microamprentare
pentru probele depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV
Teste de microamprentare
Metco 71Ns prin metoda EV
Modulul lui Young (GPa) Duritatea(GPa) 16,98 1,65
13,28 1,38
14,56 1,53
Duritatea crescută a depunerii cu Metco 71Ns prin metoda EV este datorată
prezenţei carburii de wolfram din stratul format.
113
6.2.2.5. Analiza de microamprentare pentru probele depuse cu Deloro 60
prin metoda EV
Analiza comportării la microamprentare şi la deformare locală poate oferi date în
ceea ce privește comportarea mecanică cum ar fi rezistenţa la rupere şi modulul
de elasticitate figura 6.41.
Figura 6.41. Curba de microamprentare (forță - adâncime) pentru probele depuse cu
Deloro 60 prin metoda EV.
Duritatea evaluată prin microamprentare a avut valori cuprinse între 1,55 GPa şi
2,15 GPa, iar modulul de elasticitate a variat între 65,46 GPa şi 72,12 GPa. Pentru ca
adâncimea de penetrare să fie mai mică decât grosimea stratului depus cu Deloro 60 prin
metoda EV, forţa de apăsare trebuie să fie cât mai mică deoarece penetratorul nu trece prin
strat. Rezultatele obţinute depus cu Deloro 60 prin metoda EV sunt prezentate în tabelul 6.11.
Tabelul 6.11. Valorile modulului lui Young şi a durităţii în urma testelor de
microamprentare pentru probele depuse cu Deloro 60 prin metoda EV
Teste de microamprentare
Deloro 60 prin metoda EV
Modulul lui Young Duritatea (GPa) 65,46 1,55 72,12 2,15 73,56 2,21
114
Duritatea crescută a depunerii cu Deloro 60 prin metoda EV este datorată
compactităţii stratului depus.
Din tabelul 6.12 coloana cu modulul lui Young se observă că depunerea cu
Deloro 60 prin metoda EV este cea mai elastică depunere din toate cele patru tipuri de
depuneri, având o valoare medie de aproximativ 68,5 GPa.
Tabelul 6.12. Valorile modulului lui Young în urma testelor de microamprentare
Teste de microamprentare - Modulul lui Young Modulul lui Young (GPa)
Proba martor 48,34 Metco 71Ns prin metoda PTJP 12,07 Deloro 60 prin metoda PTJP 11,90 Metco 71Ns prin metoda EV 16,99 Deloro 60 prin metoda EV 65,46
Din tabel se observă că depunerile prin metoda EV nu au diferenţe foarte mari de
elasticitate. Dacă depunerea cu Metco 71Ns prin metoda EV are valori medii ale elasticităţii
de aproximativ 15 GPa, depunerea cu Deloro 60 prin metoda EV are valori ale elasticităţii de
aproximativ 5 ori mai mari, având o valoare maximă a elasticităţii de 72,12 GPa.
Figura 6.42. Analiza comparativă a Modulului lui Young la microamprentare pentru
proba martor și probele depuse.
Probele depuse prin metoda PTJP au valori ale elasticităţii mici şi apropiate,
depunerea cu Metco 71Ns are o valoare maximă de 12,36 GPa, iar depunerea cu Deloro 60
are o valoare maxima de 11,90 GPa figura 6.42.Din analiza comparativă a elasticităţii
115
(Modulul lui Young), se observă că trei din cele patru depuneri au module de elasticitate
mai mici decât a materialului de bază, care are un modul de elasticitate mai mare, acesta
fiind aproximativ 44,6 GPa, excepţie făcând depunerea cu Deloro 60 prin metoda EV care
are o valoare mai mare.
Din tabelul 6.13 se observă că ambele tipuri de depunere realizate prin metoda EV
au o duritate medie mai mare decât cele depuse prin metoda PTJP. Depunerea cu Deloro
60 prin metoda EV este cea mai dură depunere dintre cele patru tipuri, având o valoare
medie de aproximativ 1,9 GPa.
Tabelul 6.13. Valorile durității în urma testelor de microamprentare
Teste de microamprentare - Duritatea Duritatea(GPa)
Proba martor 0,80 Metco 71Ns prin metoda PTJP 0,63 Deloro 60 prin metoda PTJP 1,42 Metco 71Ns prin metoda EV 1,65 Deloro 60 prin metoda EV 1,56
Figura 6.43.Analiza comparativă a durității la microamprentare pentru proba martor și
probele depuse.
Din analiza comparativă a durității la microamprentare pe suprafaţa depusă
figura 6.43 se observă că trei dintre cele patru depuneri au durităţi mai mari decât a
materialului de bază, care are o duritate de aproximativ 0,8 GPa, excepţie făcând
depunerea cu Metco 71Ns prin metoda PTJP care are o valoare mai mică. Probele depuse
prin metoda EV cu Metco 71
aproximativ 1,65 GPa. Din analiza microamprent
poate concluziona că depunerile
metoda PTJP comparativ pe
6.2.3. Determinarea
Testele de aderenţă s
tribologice şi mecanice, numit Universal Micro
dotarea laboratorului de Tribologie de la Facultatea de Mecanică din Iaşi
programului echipamentului
variaţia forţei de răspuns Fx(N), variaţia
frecare, Ff(N) şi variaţia coeficientului de frecare, COF.
Metoda folosită pentru a testa cele
utilizate în cadrul tezei de doctorat este cea a încărcării progresive.
viteza de deplasare a penetratorului care este egală cu l
variază liniar de la 0 ÷ 19 N. Durata de încărcare a fost de 10 secun
realizat încercarea de aderen
6.2.3.1. Analiza de aderen
Din analiza datelor de pe diagrama de încărcare
depus amorsează fisuri foarte fine la o forţă F
6,3 ÷ 7,1 mm de la startul testului.
Figura 6.44. Graficul încercării la aderenţă a
116
cu Metco 71Ns au o duritate mare a ansamblului strat
,65 GPa. Din analiza microamprentărilor obţinute pe suprafaţa depusă, se
ă depunerile prin metoda EV sunt mai dure decât depunerile prin
comparativ pentru fiecare material de depunere.
6.2.3. Determinarea aderenţei straturilor depuse
Testele de aderenţă s-au efectuat cu ajutorul unui echipament pentru determinări
tribologice şi mecanice, numit Universal Micro - Tribometer (CETR-UMT
dotarea laboratorului de Tribologie de la Facultatea de Mecanică din Iaşi
programului echipamentului s-au calculat şi s-au reprezentat grafic următorii pa
variaţia forţei de răspuns Fx(N), variaţia forţei de încărcare normală, Fz (N), variaţia forţei de
Ff(N) şi variaţia coeficientului de frecare, COF.
Metoda folosită pentru a testa cele 4 probe depuse cu Metco 71Ns şi Deloro 60
în cadrul tezei de doctorat este cea a încărcării progresive. Parametrii de testare sunt:
tratorului care este egală cu l mm/s, forţa de încărcare normală care
19 N. Durata de încărcare a fost de 10 secunde şi lungimea pe care s
aderență a fost de 10 mm.
Analiza de aderență a probelor depuse cu Metco71Ns prin metoda
lor de pe diagrama de încărcare figura 6.44 se observă că stratul
ri foarte fine la o forţă Fz de aproximativ 4,8 N, adică la distan
7,1 mm de la startul testului.
Graficul încercării la aderenţă a probelor depuse cu Metco 71Ns
prin metoda PTJP.
ului strat - substrat de
pe suprafaţa depusă, se
re decât depunerile prin
au efectuat cu ajutorul unui echipament pentru determinări
UMT-2) care se află în
dotarea laboratorului de Tribologie de la Facultatea de Mecanică din Iaşi. Cu ajutorul
grafic următorii parametrii:
(N), variaţia forţei de
depuse cu Metco 71Ns şi Deloro 60
Parametrii de testare sunt:
mm/s, forţa de încărcare normală care
de şi lungimea pe care s-a
71Ns prin metoda PTJP
se observă că stratul
adică la distanță de
probelor depuse cu Metco 71Ns
117
Apariția fisurilor foarte fine apar la o distanță cuprinsă între 6,2 ÷ 6,4 mm, de la
startul testului de aderență.
Figura 6.45. Testele de aderență şi analiza profilometrică a probelor depuse cu
Metco 71Ns prin metoda PTJP: a) zona mediană a zgârieturii; b) zona finală a zgârieturii; c)
imagine SEM pentru zona finală a zgârieturii; d) analiza EDX pentru zona finală a zgârieturii.
Din analiza profilometrică a probei depuse cu Metco 71Ns prin metoda PTJP se
observă că în zona testului de aderență adâncimea urmei lăsate de către vârful
penetratorului este de aproximativ 5µm, iar în zona de la sfârșitul testului este de 15µm.
În figura 6.45 c, imaginile SEM prezintă urmele rezultate în urma testelor de
aderență şi prezintă o bună comportare elasto-plastică a materialului de bază, de asemenea
nu sunt identificate fisuri de profunzime şi fisuri transversale.
Figura 6.46. Analiza EDX pe zona finală a zgârieturii.
Analiza EDX pe zona finală a zgârieturii
scădere a procentului de wolfram
6.2.3.2. Analiza de aderen
Variaţiile forţelor Fx şi Ff arată răspunsul materialului, adică reacţiunea acestuia
la acţiunea forţei Fz crescătoare.
Figura 6.47. Graficul încercări
În momentul amorsării fisurilor în stratul depus cu Deloro 60 se înregistrează o
creștere a COF de la 0,05 la 1,4, iar forța de frecare Ff crește de la 0,025N la peste 1,6 N
figura 6.47.
Figura 6.48. Teste
Deloro 60 prin metoda PTJP
imagine SEM pentru zona finală a zgârieturii; d) analiz
118
zona finală a zgârieturii figura 6.45 d și figura 6.
scădere a procentului de wolfram și o creștere ușoară a procentului de cobalt.
6.2.3.2. Analiza de aderență a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda PTJP
Variaţiile forţelor Fx şi Ff arată răspunsul materialului, adică reacţiunea acestuia
la acţiunea forţei Fz crescătoare.
Graficul încercării la aderenţă a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda
În momentul amorsării fisurilor în stratul depus cu Deloro 60 se înregistrează o
ștere a COF de la 0,05 la 1,4, iar forța de frecare Ff crește de la 0,025N la peste 1,6 N
Testele de aderență şi analiza profilometrică a probe
PTJP: a) zona mediană a zgârieturii; b) zona finală a zgârieturii;
zona finală a zgârieturii; d) analiza EDX pentru zona finală a zgâ
figura 6.46, se observă o
rocentului de cobalt.
depuse cu Deloro 60 prin metoda PTJP
Variaţiile forţelor Fx şi Ff arată răspunsul materialului, adică reacţiunea acestuia
probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda PTJP.
În momentul amorsării fisurilor în stratul depus cu Deloro 60 se înregistrează o
ștere a COF de la 0,05 la 1,4, iar forța de frecare Ff crește de la 0,025N la peste 1,6 N
probelor depuse cu
i; b) zona finală a zgârieturii; c)
zona finală a zgârieturii.
Faptul că majoritatea microfisurilor
lăsate de către vârful penetratorului pe suprafa
PTJP, indică o bună compatibilitate între strat
procesului avansat de ecruisare.
Figura 6.
Peste zona zgârieturi realizate în urma testelor de aderen
EDX în linie (a se vedea săgeata verde din
în evidență o inversare a cantită
prin metoda PTJP, cu cea a fierului. Acest lucru se datorează străpungeri
de către penetrator care ajunge în sup
cantitate mare de fier.
6.2.3.3. Analiza de aderenţă a probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV
În figura 6.50 se observă amorsarea unor microfisuri spre marginea zgârieturi
făcute de penetrator odată cu cre
a stratului.
Figura 6.50.Graficul încercării la aderenţă ale
119
l că majoritatea microfisurilor figura 6.48 c se dezvoltă
lăsate de către vârful penetratorului pe suprafața stratului depus cu Deloro 60 prin metoda
, indică o bună compatibilitate între strat și substrat, fisurile apar în substrat din cauza,
procesului avansat de ecruisare.
Figura 6.49. Analiza EDX pe zona finală a zgârieturii.
Peste zona zgârieturi realizate în urma testelor de aderență s
n linie (a se vedea săgeata verde din figura 6.49). Acestă analiză EDX în lin
ă o inversare a cantității se nichel de pe suprafața stratului depus, cu Deloro 60
, cu cea a fierului. Acest lucru se datorează străpungeri
de către penetrator care ajunge în suprafața materialului de bază, care are în componen
6.2.3.3. Analiza de aderenţă a probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV
se observă amorsarea unor microfisuri spre marginea zgârieturi
dată cu creșterea forţei de apăsare, cea ce indică o mică fragi
Graficul încercării la aderenţă ale probelor depuse cu Metco71Ns
metoda EV.
se dezvoltă în cavitatea urmei
ța stratului depus cu Deloro 60 prin metoda
par în substrat din cauza,
zona finală a zgârieturii.
ă s-a realizat analiza
Acestă analiză EDX în linie pune
stratului depus, cu Deloro 60
, cu cea a fierului. Acest lucru se datorează străpungerii stratului depus
ă, care are în componență o
6.2.3.3. Analiza de aderenţă a probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV
se observă amorsarea unor microfisuri spre marginea zgârieturii
ţei de apăsare, cea ce indică o mică fragilitate
probelor depuse cu Metco71Ns prin
120
Urma obţinută prin testul de aderenţă efectuat pe proba depusă cu Metco 71Ns
prin metoda EV s-a analizat la SEM.
Figura 6.51. Testele de aderență şi analiza profilometrică a probelor depuse cu
Metco 71Ns prin metoda EV: a) zona mediană a zgârieturii; b) zona finală a zgârieturii; c)
imagine SEM pentru zona finală a zgârieturii; d) analiza EDX pentru zona finală a zgârieturii.
Din analiza profilometrică realizată pe proba depusă cu Metco 71Ns prin
metoda EV figura 6.51 b se observă că adâncimea lăsată de vârful penetratorului în urma
testului de zgâriere este mai mare 40µm.
Figura 6.52. Analiza EDX pe zona finală a zgârieturii
De asemenea, în figura 6.52 se observă că pe zona zgârieturii sunt evidențiate
elemente chimice ale substratului. După cum se observă în zona zgârieturii, analiza EDX
prezintă o inversare a elementelor chimice, wolfram și nichel.
6.2.3.4. Analiza de aderenţă a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda EV
Din analiza testelor de aderen
EV figura 6.53 a rezultat o variaţie medie a coeficientului de freca
forţei de răspuns (Fx), de 8,98 N
Figura 6.53. Graficul încercării la aderenţă ale
Aceste valori indică o aderen
metoda EV la substrat.
Figura 6.54. Testele de aderen
prin metoda EV: a) zona mediană a zgârieturi
pentru zona finală a zgârieturii; d) analiz
Din imaginea obținut
poanson pe stratul depus cu Deloro 60 prin metoda
înseamnă că stratul este dur
121
6.2.3.4. Analiza de aderenţă a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda EV
Din analiza testelor de aderență efectuate pe probele depuse cu Deloro 60 prin metoda
a rezultat o variaţie medie a coeficientului de frecare (COF) de 1,64, o medie a
forţei de răspuns (Fx), de 8,98 N și o variaţie medie a forţei de frecare (Ff), de 7,921 N.
Graficul încercării la aderenţă ale probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda EV.
Aceste valori indică o aderență foarte bună a stratului depus cu Deloro 60 prin
de aderență şi analiza profilometrică a probelor depuse cu Deloro 60
a) zona mediană a zgârieturii; b) zona finală a zgârieturii;
zona finală a zgârieturii; d) analiza EDX pentru zona finală a zgârieturii.
ținută la SEM figura 6.54 c se observă că urma lăsată de către
poanson pe stratul depus cu Deloro 60 prin metoda EV are o adâncime foarte mică
ratul este dur și cu o aderență bună.
6.2.3.4. Analiza de aderenţă a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda EV
ă efectuate pe probele depuse cu Deloro 60 prin metoda
re (COF) de 1,64, o medie a
ţie medie a forţei de frecare (Ff), de 7,921 N.
depuse cu Deloro 60 prin metoda EV.
bună a stratului depus cu Deloro 60 prin
lor depuse cu Deloro 60
i; b) zona finală a zgârieturii; c) imagine SEM
zona finală a zgârieturii.
se observă că urma lăsată de către
are o adâncime foarte mică, ceea
122
Figura 6.55. Analiza EDX pe zona finală a zgârieturii.
Analiza EDX în linie nu evidenţiază o variaţie a elementelor chimice în dreptul
zonei zgâriate ceea ce înseamnă că penetratorul nu a trecut prin strat, deci nu a ajuns
în substrat.
6.3. DETERMINAREA CARACTERISTICILOR CHIMICE
6.3.1. Caracterizarea chimică prin difracție de raze X (XRD)
Determinarea compuşilor chimici s-a efectuat cu ajutorul difractometrului de raze X
”X`PERT PRO MRD” din cadrul laboratorului de Studiul Materialelor al Facultăţii de
Mecanică Iaşi. Difracţia cu raze X reprezintă o tehnică non-distructivă utilizată la identificarea
şi determinarea calitativă și cantitativă a compuşilor chimici metalici şi nemetalici numiţi și
faze. Aceşti compuşi se formează în materialele solide compacte cât şi în pulberi.
6.3.1.1. Analiza XRD a probei martor
Proba martor are o structură monofazică inegalizată a aliajului Inconel 750 CG,
care este cubică cu volum centrat, grup spaţial Im3m.
Figura 6.56. Identificarea compușilor de pe proba martor.
123
6.3.1.2. Analiza XRD a probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda PTJP
Proba depusă cu Metco 71Ns prin metoda PTJP are ca fază compusul
αWC(W2C), cu structura hexagonală ce aparţine grupului spaţial P3m1 cu 2 constante
de reţea: a=b=2,997Å si c=4.728Å figura 6.57.
a)
b)
Figura 6.57. Identificare compușilor de pe proba depusă cu Metco 71Ns prin
metoda PTJP: a) Ni – Cr – Fe, WC; b) Co – WC, WC.
124
Depunerea cu Metco 71Ns are posibile urme ale unei faze: fier, nichel, crom,
care are forma structurii: cub cu feţe centrate, acesta fiind o fază minoritară tip Fm3m
(<5%), cu compoziţia chimică Ni75Cr15Fe8 iar restul Si, Mn, Mo, C. Faza principală
de tip W2C (aliat cu Co- wolframul substituie cobaltul) - structura 304 la marginea de
grăunţi apare fenomenul de coroziune Inconel - (material de bază) are structura unui
oţel austenito-martensitic.
6.3.1.3. Analiza XRD a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda PTJP
În figura6.58 se observă că trei dintre maximele principale sunt ale
constituentului Cr0,19Fe0,7Ni0,11. Structura este cubică cu fețe centrate și este foarte
apropiată de cea austenitică clasică iar constanta de rețea este de 3,59 Å.
Figura 6.58. Identificarea compușilor de pe probele depuse cu Deloro 60 prin
metoda PTJP.
Ca fază secundară s-a identificat o carbură dublă de Fe și Cr. De asemenea s-a
identificat o fază secundară BNi2 cu o structură de tip tetragonal (grup spațial Gs I4/mcm) și
o fază minoritară de tipul Cr15.58Fe7.42C6care are o structură hexagonală.
6.3.1.4. Analiza XRD a probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV
Analize XRD a probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda electrodului
vibrator au o singura fază identificată care este cubică cu feţe centrate Fm3m, cu o
125
constantă de reţea apropiată de cea a aliajului ANSI 304 care are compoziţia chimică
Cr0.13Fe0.7Ni0.11, figura 6.59.
Figura 6.59. Identificarea compușilor de pe probele depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV.
6.3.1.5. Analiza XRD a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda EV
Proba depusă cu Deloro 60 prin metoda EV are o singură fază majoră în proporţie
de peste 90 %, este un cubic cu volum centrat şi grup spaţial Im3m.
Figura 6.60. Identificarea compușilor de pe probele depuse cu Deloro 60 prin metoda EV.
Posibil ca faza secundară să fie W3O cu o structură cubică Pm3n (celula primitivă).
6.3.2. TESTE DE ELECTROCOROZIUNE A PROBEI MARTOR
PROBELOR DEPUSE
Datele de impedanţă electrochimică pentru proba martor
obţinute la diverse perioade de timp: 10 min, 1 h, 10 h
prezentate în figura 6.
a) b)Figura 6.61. Diagrama Nyquist
diferite perioade de timp în ploaie acid
a) b)Figura 6.62. Diagramele Bode pentru
diferite perioade de timp în ploaie acid
În cazul probei martor ambele diagrame de impedan
singure constante de timp. Astfel modelarea datelor experimentale s
circuitului echivalent prezentat în
tabelul 6.14. Se constată o scădere a valorii rezisten
rezistența transferului de sarcin
126
6.3.2. TESTE DE ELECTROCOROZIUNE A PROBEI MARTOR
Datele de impedanţă electrochimică pentru proba martor și pentru probele depuse
obţinute la diverse perioade de timp: 10 min, 1 h, 10 h, în ploaie acid
figura 6.61 (diagrame Nyquist) şi figura 6.62 a-b (diagrame Bode).
a) b) Diagrama Nyquist pentru: a) proba martor;b) probele depuse; me
diferite perioade de timp în ploaie acidă, pH 5,4.
a) b) Diagramele Bode pentru:a) proba martor; b) probele depuse; me
diferite perioade de timp în ploaie acidă, pH 5,4.
În cazul probei martor ambele diagrame de impedanță indic
singure constante de timp. Astfel modelarea datelor experimentale s-a efectuat cu ajut
circuitului echivalent prezentat în figura 6.63, iar rezultatele sunt prezentate
o scădere a valorii rezistenței, R1, care în acest caz reprezint
a transferului de sarcină. Stratul pasiv nu se mai formează în caz
6.3.2. TESTE DE ELECTROCOROZIUNE A PROBEI MARTOR ȘI A
și pentru probele depuse
ploaie acidă, pH 5.4 sunt
b (diagrame Bode).
pentru: a) proba martor;b) probele depuse; menţinute
b) probele depuse; menţinute
ă indică prezența unei
a efectuat cu ajutorul
iar rezultatele sunt prezentate în
n acest caz reprezintă
. Stratul pasiv nu se mai formează în cazul depunerilor
127
prin metoda PTJP. În ambele diagrame se poate distinge existenţa a două constante de timp
care împart domeniul frecvenţelor în două zone. Aceste două constante de timp sunt puse
în evidență de cele două semicercuri în diagrama Nyquist și de prezența a două maxime în
diagrama de fază Bode. Spectrele obţinute au fost interpretate prin modelarea datelor cu un
circuit echivalent ale căror elemente de circuit descriu proprietăţile fizice şi electrochimice
ale suprafeţei celor patru probe imersate în ploaie acidă simulată, pH 5,4. Circuitul
echivalent care a fost asociat acestui model fizic este ilustrat în figura 6.63.
Figura 6.63.Circuitul echivalent (CE) utilizat în filtrarea datelor experimentale obţinute.
Figura 6.64.Schema atacului chimic a unui strat depus utilizat în filtrarea datelor
experimentale obţinute pentru suprafețele acoperite menţinute în ploaie acidă, pH 5,4.
În acest circuit echivalent Rsol(R1Q1)(R2Q2), Rsol - reprezintă rezistența soluției,
R1 - rezistența transferului de sarcină, iar R2-rezistența stratului de produși de coroziune
figura 6.64. De asemenea, pentru a lărgi sfera de aplicabilitate a modelului, în locul
capacităților ideale au fost introduse elementele de fază constantă corespunzătoare stratului
dublu electric, Q1 şi stratului de produși de coroziune, Q2. Valorile coeficientului χ2 sunt
cuprinse între 10-4 şi 8 x 10-4, ceea ce indică faptul că corelarea datelor din circuitul
echivalent ales s-a realizat în limitele unor erori cuprinse între 1,5% şi 3%. Valorile
128
parametrilor electrici ai circuitului echivalent pentru aceste aliaje menținute la diferite
perioade de timp în ploaie acidă simulată, pH 3,4 sunt prezentate în tabelul 6.14.
Pentru toate cele trei tipuri de depuneri studiate (una dintre cele patru tipuri de
depuneri, mai precis cea depusă cu Metco 71Ns prin metoda PTJP nu a mai fost studiată
din cauza rezultatelor foarte slabe la electrocoroziune), se observă din datele prezentate în
tabelul 6.14comportarea lor la electrocoroziune în ploaie acidă a acestora. Se constată că
ambele rezistențe ale transferului de sarcină (R1) cât şi rezistenţa stratului de produși de
coroziune (R2) sunt mici, de ordinul a 103kΩ cm2 și scad cu timpul de imersare.
În urma imersării în ploaie acidă, pH 5,4 proba martor neacoperită și probele
depuse au stratul pasiv deteriorat. Din datele prezentate în tabelul 6.14se constată că
rezistența transferului de sarcină este de 20 de ori mai mare în cazul probei neacoperite față
de cea acoperită cu Deloro 60 prin metoda PTJP. Exponentul n2prezintă valori mici
datorate rugozității stratului de produși de coroziune.
Tabelul 6.14.Parametrii circuitului echivalent pentru probele acoperite și neacoperite
imersate la diferite perioade de timp în ploaie acidă pH 5,4
Proba R1
(Ω cm2) Q1(F cm-2 sn-1) n1 R2(Ω cm2) Q2(F cm-2 sn1) n2
După 10 minute de la imersare Probă martor 44,6 x 103 1,9 x 10-5 0,81 - - - Deloro 60 prin metoda PTJP 2,2 x 103 3,5 x 10-5 0,82 1,1 x 103 3,8 x 10-4 0,75 Metco 71Ns prin metoda EV 13,2 x103 2,5 x 10-5 0,82 1,5 x 103 3,8 x 10-4 0,77 Deloro 60 prin metoda EV 22 x 103 2,3 x 10-5 0,81 1,7 x 103 3,8 x 10-4 0,77 După60 minute de la imersare Probă martor 41,4 x 103 1,9 x 10-5 0,81 - - - Deloro 60 prin metoda PTJP 1,9 x 103 3,6 x 10-5 0,81 1,1 x 103 3,8 x 10-5 0,73 Metco 71Ns prin metoda EV 3,2 x103 3,1 x 10-5 0,81 1,1 x103 3,7 x 10-5 0,75 Deloro 60 prin metoda EV 19,1 x 103 2,4 x 10-5 0,81 - - - După600minute de la imersare
Proba martor 22,5 x 103 2,3 x 10-5 0,81 - - - Deloro 60 prin metoda PTJP 1,5 x 103 4,1 x 10-5 0,80 1,1 x 103 3,9 x 10-5 0,69 Metco 71Ns prin metoda EV 1,4 x 103 4,1 x 10-5 0,80 1,1 x 103 3,9 x 10-5 0.72 Deloro 60prin metoda EV 8,1 x 103 2,9 x 10-5 0,80 4,3 x 103 3,3 x 10-5 0,75
În tabelul 6.14 se observă că rezistenţa la coroziune R1 a probei martor este mai
ridicată decât a probelor acoperite, lucru justificat prin faptul că în cazul acoperirilor apar
pile galvanice (2 sau mai multe tipuri de metale în soluţie).
Cu ajutorul microscopiei electronice se constată apariția produșilor de coroziune
figura 6.65 mai ales în cazul depunerilor cu Deloro 60 prin metoda PTJP. De asemenea
129
pentru toate cele 4 probe, coroziunea este uniformă, dar mai puțin vizibilă pentru proba
Deloro 60 prin metoda EV.
Figura 6.65.Analizele SEM a probelor imersate timp de 600de minute în ploaie acidă,
pH 5,4: a) probă martor; b) probă depusă cu Deloro 60metoda PTJP; c) probă depusă cu
Metco 71Ns prin metoda EV; d) probă depusă cu Deloro 60 prin metoda EV.
Cea mai bună rezistenţă la agenţi chimici o are proba acoperită cu Deloro 60 prin
metoda EV. Se observă că depunerile de Deloro 60 şi Metco 71Ns prin metoda EV sunt
mult mai bune din punct de vedere al rezistenţei la coroziune decât cele depuse
prin metoda PTJP.
Depunerea prin metoda PTJP cu pulberi tip Metco 71Ns a fost atât de
dezavantajoasă încât rezultatele nici nu au mai fost trecute în tabel şi pe grafic.
130
Figura 6.66. Analizele SEM a probelor imersate timp de 600 de minute în ploaie acidă,
pH 5,4: a) probă martor; b) probă depusă cu Deloro 60 prin metoda PTJP; c) probă
depusă cu Metco 71Ns prin metoda EV; d) probă depusă cu Deloro 60prin metoda EV.
Depunerile prin metoda PTJP au o structură a stratului mai puţin compactă decât
cea prin metoda EV, iar prezenţa golurilor şi a oxizilor în interiorul stratului depus şi la
interfaţa cu materialul de bază înrăutăţeşte proprietăţile la agresiuni chimice.
Depunerile prin metoda EV, în special cele cu Deloro 60 (aliaj pe bază de Ni) au o
bună rezistenţă la agresiunea agenţilor chimici, datorită compactităţii stratului exterior şi a
proprietăţilor anticorozive ale Ni care se găseşte în procent mai mare de 70% în strat.
131
CONCLUZII
Din analiza la microscopul electronic şi optic a secţiunilor se observă că probele
cu depuneri prin metoda PTJP au dezavantajul prezenţei unui strat de oxizi aproape
compact între strat şi substrat în cazul ambelor tipuri de pulberi, lucru ce slăbeşte
considerabil rezistenţa stratului.
La depunerea prin metoda EV între stratul depus şi substrat există o zonă de
trecere, zonă intermediară formată prin topire într-o baie metalică comună a materialului
de depunere şi a materialului de bază. Această zonă de trecere este deosebit de benefică
deoarece ancorează bine stratul exterior şi prezintă caracteristici fizico-chimice şi mecanice
de trecere între cele ale stratului şi substratului (coeficient de dilatare variabil, coeficient de
transfer termic variabil etc.) şi coerenţă structurală.
Acest avantaj lipseşte de la depunerea prin metoda PTJP,acesta având o trecere
bruscă de la strat la substrat cu o denivelare clară fără zone de trecere existând astfel
pericolul compactării diferite în caz de solicitare termică sau mecanică a stratului de
substrat (se comportă ca două materiale diferite).
Depunerea de W poate fi realizată cu succes prin metoda EV deoarece arcul
electric dintre catod şi anod are o temperatură de peste 11000 0C, care duce la o topire bună
a wolframului care are a temperatură de topire de 3600 0C.
La depunerea cu electrod de wolfram durificarea suprafeţei se realizează, o dată
prin călirea superficială datorată încălzirii foarte rapide cu picături de wolfram topit şi o
dată prin microaliere, favorizată de baia metalică care este formată atât din elementele
electrodului cât şi din suprafaţa oţelului inoxidabil pe care se depune.
Depunerile obţinute prin metoda EV sunt alcătuite din multiple picături unice,
care se formează într-o ordine dependentă de mişcarea relativă a electrodului.
Prin metoda PTJP sunt realizate straturi mult mai groase decât prin metoda EV.
Grosimea de strat la depunerea prin metoda PTJP poate varia în funcţie de numărul de
treceri al jetului de plasmă.
Acoperirile cu Deloro 60 prin prin metoda PTJP oferă o aderenţă bună la substrat şi
o duritate mare de aproximativ 59 ÷ 62 HRC a noului ansamblu strat - substrat obţinut.
La depunerea prin metoda PTJP rugozitatea este influenţată de granulaţia
pulberilor. La depunerea cu Deloro, care are o granulaţie mai grosolană, rugozitatea
132
este mai mare (Ra = 7,79 μm) faţă de depunerea cu Metco 71Ns, care are o rugozitate
mai mică (Ra = 3,86 μm), datorită pulberii mai fine.
Rugozităţile medii se întâlnesc la metoda EV lucru datorat, atât tehnologiei de
depunere, cât şi formării băii de topire strat - substrat care aplatizează forma picăturilor ce
constituie stratul de depunere. Cu cât suprafaţa este mai netedă, cu atât rezistenţa la
hidroabraziune şi coroziune este mai mare.
La o suprafaţă rugoasă apar multiple turbulenţe locale ce accentuează hidroabraziunea
pe zona respectivă. În cazul coroziunii o suprafaţă cu rugozitate ridicată este mai mare decât o
suprafaţă netedă crescând zonele de contact între agentul agresiv chimic şi probă.
Depunerile cu Metco 71Ns au wolfram în compoziţie mai mult de 80 %, ceea ce
duce la obţinerea de straturi deosebit de dure. Analiza microdurităţii arată însă o duritate
mai ridicată a depunerii cu Deloro 60 care are ca principal component chimic
nichelul 70 %, care se datorează prezenţei borului. Acest element, chiar în procente mai
mici de 0,2 %, duce la creşterea durităţii, rezistenţei mecanice şi tenacităţii.
Procentul de bor, în cazul depunerii cu Deloro 60, este de 3,1 ÷ 3,5 %, cantitate
suficient de mare să formeze compuşi complecşi, duri de Fe, Cr, Ni şi Mo, chiar după ce a
fost ars parţial în procesul de depunere. Analizând mai atent compoziţia chimică a celor
două tipuri de depunere se observă că Deloro 60 are în compoziţie şi o cantitate
semnificativă de bor, care este şi elementul principal care face ca depunerea cu Deloro 60
să fie mai dură decât cea cu Metco 71Ns.
133
CAPITOLUL VII
UZURA HIDROABRAZIVĂ
7.1. TESTELE DE UZURA HIDROABRAZIVĂ
Testele de uzură hidroabrazivă au fost realizate cu ajutorul instalaţiei concepută şi
prezentată în capitolul IV, folosind ca mediu de testare apa demineralizată cu suspensii de
carborund. Mediul de hidroabraziune şi parametrii de lucru ai instalaţiei sunt
prezentaţi ȋn tabelul 7.1.
Tabelul 7.1. Parametrii de lucru ai instalaţiei
Denumire Simbol Unitate de
masura Valoare
Detalii rezervor Diametrul rezervorului D [mm] 300
Nivelul de umplere H [mm] 150 Nivelul de umplere/diametrului rezervorului H/D [-] 1/2
Tip de agitator Unghi de incidență Ua grade 4x45°
Diametrul agitatorului (axa centrală a probei) D [mm] 120 Proporţie adimensională a diametrului D/D [-] 0.6
Înălţimea medie de instalare a agitatorului Ha [mm] 40 Înălţimea relativă de instalare a agitatorului H/D [-] 0.267
Informaţii testare Numărul de rotaţie Nr [rot/min] 300
Viteza periferică a agitatorului Vp [m/s] 3,1
Durata testului (între două măsurători) t [min] 300 Numărul de probe n [-] 4
Instalația este alcătuită dintr-un rezervor cilindric din inox, în interiorul căruia este
imersat într-un lichid, cu particule abrazive, un ax care este acţionat cu o viteze de un motor.
La celălalt capăt al axului este realizat un sistem de prindere pe care sunt montate probele.
Probele au fost cântărite iniţial cu ajutorul balanţei analitice, apoi după fiecare
testare la uzură hidroabrazivă au fost cântărite din nou pentru a se vedea pierderea de masă
(diferenţa dintre masa iniţială a probei şi masa după testare). Perioada dintre o cântărire şi
cealaltă este de 10 ore pentru primele zece teste, iar pentru următoarele cinci teste
este de 100 de ore.
Toate valorile rezultate în urma cântăririi şi calculării diferenţelor de masă, după
ce probele au fost supuse testelor de uzură hidroabrazivă, au fost înregistrate în tabelul 7.2.
134
Analizând graficele de uzură hidroabrazivă în care sunt reprezentate valorile
obținute până la 100 de ore de testare, se observă că până la această perioadă apare o uzură
hidroabrazivă mai intensă la toate probele testate, lucru datorat uzurii vârfurilor de
rugozitate a probelor.
Rugozitatea probelor este relativ mare, din cauza de metodelor de depunere
(metoda PTJD şi metoda EV) care formează pe suprafaţa probelor aderenţe, suprapuneri de
material de depunere, stropi parţial topiţi şi înglobaţi în microbăile metalice
solidificate, oxizi etc. Aceste proeminenţe de pe suprafaţă în timpul testării în lichidul cu
particule abrazive creează microturbulențe ce erodează puternic zona de exterior smulgând
oxizi şi stropi parţial topiţi, formaţi în urma depunerii prin cele două metode.
După primele 10 teste, adică după primele 100 de ore a avut loc netezirea
suprafeţelor, datorită şlefuirii vârfurilor mari de uzură. Astfel, se observă o scădere a
intensităţii uzurii hidroabrazive, panta curbelor scăzând la jumătate. Comparând rezistenţa
la uzură hidroabrazivă a probelor testate se observă că proba nedepusă are o uzură mai
mare decât probele depuse, pentru cazul în care sunt testate mai mult de 100 de ore. Proba
cu rezultatele cele mai bune la testele de uzură hidroabrazivă au fost cele care au fost
depuse cu Deloro 60 prin metoda EV.
Se observă că depunerile prin metoda PTJP au rezistenţa la hidroabraziune mai
slabă decât probele depuse prin metoda EV pe perioade scurte de funcţionare, însă acest
lucru poate fi remediat printr-o depunere mult mai mare, lucru posibil la acest tip de
depunere şi mai puţin la depunerea prin metoda EV, unde grosimea de strat poate ajunge la
o valoare de la care nu mai poate crește.
Uzura hidroabrazivă mai crescută, pe perioade scurte de timp, a depunerilor prin
metoda PTJP se datorează neuniformităţii stratului depus care prezintă numeroase maxime
de rugozitate. De asemenea, suprafaţa depusă prin metoda PTJP este formată din
numeroase micropicături formate în urma dezintegrării unor picături mai mari.
Dezintegrarea se datorează vitezei foarte mari a jetului de plasmă format şi a forţelor de
contact foarte mari a picăturilor care se lovesc de materialul de bază.
Micropicăturile astfel formate sunt mai mult integrate în suprafaţa materialului
deoarece, datorită dimensiunilor foarte mici, se răcesc foarte repede şi se solidifică aproape
instant când ajung pe suprafaţa de depunere, ele rămânând sub formă sferică. Această
formă sferică duce la zone de contact şi de adeziune foarte mici.
135
Tabelul 7.2. Masa probelor după testele de uzură hidroabrazivă la 100 de ore de testare
Probe
Numar de ore (h)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Greutate (g)
Probă martor
13.0791 13.0568 13.0455 13.0343 13.0281 13.0172 13.0091 12.9988 12.9907 12.9848 12.9724
12.5411 12.5235 12.5083 12.4979 12.4906 12.4864 12.4789 12.4708 12.4655 12.4601 12.4515
13.3159 13.2902 13.2779 13.2665 13.2576 13.2497 13.2408 13.2305 13.2221 13.2142 13.2033
Metco 71Ns - metoda PTJP
12.7815 12.7639 12.7523 12.7443 12.7346 12.73 12.7243 12.7169 12.7094 12.7043 12.6951
12.8002 12.7778 12.7596 12.7513 12.7395 12.7314 12.7219 12.7124 12.7035 12.6947 12.6838
12.3098 12.2783 12.2631 12.2501 12.2366 12.2303 12.2194 12.2123 12.2047 12.1938 12.1845
Deloro 60 - j metoda PTJP
13.0715 13.0623 13.0578 13.0532 13.0485 13.0445 13.0366 13.0315 13.0269 13.0212 13.0103
13.0385 13.0204 13.0159 13.0105 13.0043 13.0001 12.9929 12.9894 12.9781 12.9688 12.9591
13.0529 13.0324 13.0285 13.0215 13.0139 13.0064 12.9996 12.9943 12.9836 12.9772 12.9709
Metco 71Ns –metoda EV
12.5695 12.5584 12.5432 12.5363 12.5291 12.5244 12.5189 12.5093 12.5017 12.4953 12.4864
12.4571 12.5592 12.4398 12.4347 12.4296 12.4231 12.4188 12.4127 12.4073 12.4012 12.3995
12.9745 12.9676 12.9619 12.9578 12.9518 12.9455 12.9405 12.9353 12.9302 12.927 12.921
Deloro 60 -metoda EV
11.2819 11.2721 11.2709 11.267 11.2619 11.2581 11.2548 11.2501 11.2469 11.2407 11.2365
12.4192 12.4192 12.4192 12.4192 12.4192 12.4192 12.4192 12.4192 12.4192 12.4192 12.4192
12.7163 12.7057 12.7006 12.6974 12.6934 12.6894 12.6846 12.6806 12.6756 12.6697 12.6641
136
Tabelul 7.3. Pierderea de masă după testele de uzură hidroabrazivă la 100 de ore de testare
Probe
Numar de ore (h)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Greutate (g)
Probă martor
0 0.0223 0.0336 0.0448 0.051 0.0619 0.07 0.0803 0.0884 0.0943 0.1067
0 0.0176 0.0309 0.04 0.0481 0.0547 0.0622 0.0703 0.0756 0.081 0.092
0 0.0257 0.038 0.0494 0.0583 0.0662 0.0751 0.0854 0.0938 0.1017 0.1126
Metco 71Ns - metoda PTJP
0 0.0176 0.0292 0.0372 0.0469 0.0515 0.0572 0.0646 0.0721 0.0772 0.0864
0 0.0224 0.0406 0.0489 0.0607 0.0688 0.0783 0.0878 0.0967 0.1055 0.1164
0 0.0315 0.0467 0.0597 0.0732 0.0795 0.0904 0.0975 0.1051 0.116 0.1253
Deloro 60 - metoda PTJP
0 0.0092 0.0137 0.0183 0.023 0.0269 0.0349 0.04 0.0446 0.0503 0.0612
0 0.0181 0.0226 0.028 0.0342 0.0384 0.0456 0.0491 0.0604 0.0697 0.0794
0 0.0205 0.0244 0.0314 0.039 0.0465 0.0533 0.0586 0.0693 0.0757 0.082
Metco 71Ns– metoda EV
0 0.0135 0.0263 0.0332 0.0404 0.0451 0.0506 0.0602 0.0678 0.0742 0.0831
0 0.0103 0.0173 0.0224 0.0275 0.034 0.0383 0.0444 0.0498 0.0559 0.0688
0 0.0069 0.0126 0.0167 0.0227 0.029 0.034 0.0392 0.0443 0.0475 0.0535
Deloro 60 – metoda EV
0 0.0098 0.011 0.0149 0.02 0.0238 0.0271 0.0318 0.035 0.0412 0.0454
0 0.0032 0.0071 0.009 0.0129 0.0167 0.0206 0.0238 0.027 0.0315 0.0373
0 0.0106 0.0157 0.0189 0.0229 0.0269 0.0317 0.0357 0.0407 0.0466 0.0522
137
Tabelul 7.4. Masa probelor după testele de uzură hidroabrazivă la 500 de ore de testare
Probe
Număr de ore (h)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 200 300 400 500
Masa (g)
Probă martor 13.0791 13.0568 13.0455 13.0343 13.0281 13.0172 13.0091 12.9988 12.9907 12.9848 12.9724 12.9359 12.9066 12.8761 12.8478
Metco 71Ns - metoda PTJP
12.8002 12.7778 12.7596 12.7513 12.7395 12.7314 12.7219 12.7124 12.7035 12.6947 12.6838 12.6632 12.6421 12.6206 12.5971
Deloro 60 -metoda PTJP
13.0385 13.0204 13.0159 13.0105 13.0043 13.0001 12.9929 12.9894 12.9781 12.9688 12.9591 12.9383 12.9146 12.8939 12.8747
Metco 71NS – metoda EV
12.4571 12.5592 12.4398 12.4347 12.4296 12.4231 12.4188 12.4127 12.4073 12.4012 12.3995 12.3775 12.3515 12.3302 12.3025
Deloro 60 – metoda EV
11.2819 11.2721 11.2709 11.267 11.2619 11.2581 11.2548 11.2501 11.2469 11.2407 11.2365 11.2165 11.1944 11.1749 11.1543
Tabelul 7.5. Pierderea de masă după testele de uzură hidroabrazivă la 500 de ore de testare
Probe
Număr de ore (h)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 200 300 400 500
Pierderea de masă pe probă (g)
Probă martor 0 0,0223 0,0336 0,0448 0,051 0,0619 0,07 0,0803 0,0884 0,0943 0,1067 0,1432 0,1725 0,203 0,2313
Metco 71Ns - metoda PTJP 0 0,0224 0,0406 0,0489 0,0607 0,0688 0,0783 0,0878 0,0967 0,1055 0,1164 0,137 0,1581 0,1796 0,2031
Deloro 60 - metoda PTJP 0 0,0181 0,0226 0,028 0,0342 0,0384 0,0456 0,0491 0,0604 0,0697 0,0794 0,1002 0,1239 0,1446 0,1638
Metco 71Ns – metoda EV 0 0,0103 0,0173 0,0224 0,0275 0,034 0,0383 0,0444 0,0498 0,0559 0,0688 0,0796 0,1056 0,1269 0,1546
Deloro 60 – metoda EV 0 0,0098 0,011 0,0149 0,02 0,0238 0,0271 0,0318 0,035 0,0412 0,0454 0,0654 0,0875 0,107 0,1276
138
Tabelul 7.6. Pierderea de masă pe probă după testele de uzură hidroabrazivă (•10-3g/probă)
Probe
Număr de ore (h)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 200 300 400 500
Uzura pe probă (•10-3g/probă)
Probă martor 0 22 34 45 51 62 70 80 88 94 108 143 173 203 231 Metco 71Ns - metoda PTJP
0 22 41 49 61 69 78 88 97 105 116 137 158 180 203
Deloro 60 - metoda PTJP
0 18 23 28 34 38 46 49 60 70 79 100 124 145 164
Metco 71Ns – metoda EV
0 10 17 22 27 34 38 44 50 56 69 80 106 127 155
Deloro 60 – metoda EV
0 10 11 15 20 24 27 32 35 41 45 65 88 107 128
Tabelu 7.7. Uzura hidroabrazivă pe unitatea de suprafață după teste (•10-3g/cm2)
Probe Număr de ore (h)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 200 300 400 500
Uzura pe probă (•10-3g/cm) Probă martor 0 11 17 22 26 31 35 40 44 47 54 72 86 102 116
Metco 71Ns - metoda PTJP 0 11 20 24 30 34 39 44 48 53 58 68 79 90 102 Deloro 60 - metoda PTJP 0 9 11 14 17 19 23 25 30 35 40 50 62 72 82 Metco 71 Ns - metoda EV 0 5 9 11 14 17 19 22 25 28 34 40 53 63 77
Deloro 60 - metoda EV 0 5 6 7 10 12 14 16 18 21 23 33 44 54 64
Aceste caracteristici ale suprafeţei duc la posibilitatea smulgerii oxizilor şi a
particulelor cu aderenţă mică ceea ce duce la o uzură hidroabrazivă mai mare a probelor
depuse prin metoda PTJP. Un rol important îl au, aşa cum am menţionat anterior, şi gazele
înglobate în stratul depus, în principal ale dioxidului de carbon CO
Gazele formează pori în stratul depus prin metoda PTJP, ceea care duce la
scăderea fiabilităţii stratului depus. Picăturile formate pe suprafaţa de depunere prin
această metodă, împreună cu oxizii de pe suprafaţă, creează microturbulenţe în apa din
instalația de testare, care smulg picăturile de pe suprafaţă
Figura 7.1. Prezentarea schematică a curenţilor turbionari datoraţi neuniformităţilor de
Se observă astfel că atât pulberile de Deloro 60 cât şi electrozii de Deloro 60
folosiți produc straturi mai bune din punct de vedere al rezistenţei la hidroabraziune decât
cele realizate folosind Metco 71Ns atât ca pulberi cât şi ca electrozi pentru cele două
metode de depunere (metoda PTJP, respectiv metoda EV).
Metco 71Ns are ca principal element
3000 0C, găsindu-se în stare vâscoasă (parţial topit) atât la metoda PTJP cât şi la depunerile
prin metoda EV. Deloro 60 conţine ca element principal Ni, care are o bună aderenţă şi
formează, la depunerea prin met
unor tensiuni superficiale mari ale picăturilor topite.
a)
Figura 7.2. Schema de reprezent
depunerea prin metoda EV
Tensiunea superficială a picăturilor de Metco 71Ns este mai mare, ceea ce face ca
suprafaţa depusă cu acest material
picături sferoidale figura 7.2
139
Aceste caracteristici ale suprafeţei duc la posibilitatea smulgerii oxizilor şi a
culelor cu aderenţă mică ceea ce duce la o uzură hidroabrazivă mai mare a probelor
depuse prin metoda PTJP. Un rol important îl au, aşa cum am menţionat anterior, şi gazele
înglobate în stratul depus, în principal ale dioxidului de carbon CO2.
ază pori în stratul depus prin metoda PTJP, ceea care duce la
scăderea fiabilităţii stratului depus. Picăturile formate pe suprafaţa de depunere prin
această metodă, împreună cu oxizii de pe suprafaţă, creează microturbulenţe în apa din
re, care smulg picăturile de pe suprafaţă figura 7.1.
Prezentarea schematică a curenţilor turbionari datoraţi neuniformităţilor de
pe suprafaţă.
Se observă astfel că atât pulberile de Deloro 60 cât şi electrozii de Deloro 60
straturi mai bune din punct de vedere al rezistenţei la hidroabraziune decât
cele realizate folosind Metco 71Ns atât ca pulberi cât şi ca electrozi pentru cele două
metode de depunere (metoda PTJP, respectiv metoda EV).
Metco 71Ns are ca principal element W, care se topeşte la temperaturi de peste
se în stare vâscoasă (parţial topit) atât la metoda PTJP cât şi la depunerile
prin metoda EV. Deloro 60 conţine ca element principal Ni, care are o bună aderenţă şi
formează, la depunerea prin metoda EV, picături plane bine înglobate în suprafaţă, datorită
unor tensiuni superficiale mari ale picăturilor topite.
a) b)
Schema de reprezentare a tensiunilor superficiale ale picăturilor formate la
prin metoda EV: a) depunerea cu Metco 71Ns; b) depunerea cu Deloro 60.
Tensiunea superficială a picăturilor de Metco 71Ns este mai mare, ceea ce face ca
suprafaţa depusă cu acest material să fie rugoasă cu denivelări neaplatizate formate din
figura 7.2.
Aceste caracteristici ale suprafeţei duc la posibilitatea smulgerii oxizilor şi a
culelor cu aderenţă mică ceea ce duce la o uzură hidroabrazivă mai mare a probelor
depuse prin metoda PTJP. Un rol important îl au, aşa cum am menţionat anterior, şi gazele
ază pori în stratul depus prin metoda PTJP, ceea care duce la
scăderea fiabilităţii stratului depus. Picăturile formate pe suprafaţa de depunere prin
această metodă, împreună cu oxizii de pe suprafaţă, creează microturbulenţe în apa din
Prezentarea schematică a curenţilor turbionari datoraţi neuniformităţilor de
Se observă astfel că atât pulberile de Deloro 60 cât şi electrozii de Deloro 60
straturi mai bune din punct de vedere al rezistenţei la hidroabraziune decât
cele realizate folosind Metco 71Ns atât ca pulberi cât şi ca electrozi pentru cele două
W, care se topeşte la temperaturi de peste
se în stare vâscoasă (parţial topit) atât la metoda PTJP cât şi la depunerile
prin metoda EV. Deloro 60 conţine ca element principal Ni, care are o bună aderenţă şi
oda EV, picături plane bine înglobate în suprafaţă, datorită
are a tensiunilor superficiale ale picăturilor formate la
: a) depunerea cu Metco 71Ns; b) depunerea cu Deloro 60.
Tensiunea superficială a picăturilor de Metco 71Ns este mai mare, ceea ce face ca
să fie rugoasă cu denivelări neaplatizate formate din
140
Figura 7.3. Uzura hidroabrazivă pe unitatea de suprafaţă după 100 ore de testare.
141
Figura 7.4. Uzura hidroabrazivă pe unitatea de suprafaţă după 500 ore de testare.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
142
7.2. ANALIZA SEM A PROBELOR TESTATE LA UZURĂ
HIDROABRAZIVĂ LA 500 ORE
7.2.1. Analiza SEM a probei martor din oțel inoxidabil testată la
hidroabraziune la 500 ore
Din imaginile SEM ale probei martor supusă testelor care au durat 500 h se observă
urme fine de uzură hidroabrazivă figura 7.5 a și b.
Figura 7.5. Analiza microscopică a probei martor testată la hidroabraziune la 500 h:
a) 250 X; b) 750 X; c) 1250 X; d) 5000 X.
Uzura hidroabrazivă este vizibilă și se caracterizată prin adâncituri refulate și găuri
fine figura 7.5 c și d cu forme colțuroase provocate de loviturile particulelor carborundului și
asemănătoare colțurilor acestuia.
Din harta de repartiție a elementelor realizată cu ajutorul analizei EDX se observă
prezenţa unor zone cu adâncituri în care apar particule cu fine de carborund, deoarece după
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
143
cum se observă din harta elementelor în aceste zone apar identificate cantități mai mare de
carbon figura 7.6.
a) b) Figura 7.6. Analiza EDX pe o zonă de suprafață pe care s-a făcut repartiția elementelor
chimice: a) zona analizată; b) repartiția tuturor elementelor.
Aceste particule fine de carborund au fost dislocate din particule mai mari care mai
apoi s-au înglobat în materialul de bază.
7.2.2. Analiza SEM a probelor depuse prin metoda PTJP testate la
hidroabraziune la 500 ore
7.2.2.1. Analiza SEM a probei depuse cu Metco71Ns prin metoda PTJP testate la
hidroabraziune la 500 ore
Uzura hidroabrazivă este vizibilă pe depunerile prin metoda PTJP cu pulbere tip
Metco 71Ns. Aderențele și oxizii au fost primele care s-au desprins de pe suprafață figura 7.7.
a) b)
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
144
c) d)
Figura 7.7. Analiza microscopică a probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda PTJP
testate la hidroabraziune la 500 h: a) 250 X; b) 750 X; c) 1250 X; d) 5000 X.
a) b)
Figura 7.8. Analiza EDX pe o zonă de suprafață pe care s-a făcut repartiția elementelor
chimice pe strat a probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda PTJP testate la
hidroabraziune la 500 h: a) zona analizată; b) repartiția tuturor elementelor.
Din analiza EDX figura 7.8 se observă faptul că uzura puternică a îndepărtat parțial
stratul depus. Se constă de asemenea şi apariția de suprafață a contaminatului tip depunere de
oxizi de Na datorate apei.
7.2.2.2. Analiza SEM a probelor depuse cu DELORO 60 prin metoda PTJP
testate la hidroabraziune la 500 ore
Depunerile cu pulbere tip Deloro 60 depuse prin metoda PTJP au o uzură
neuniformă, aceasta fiind mai pronunțată printre picături şi stropii ce se formează.
Zonele dintre picături au o hidroabraziune mai puternică datorită turbulențelor care apar
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
145
la contactul apei demineralizate din instalația de testare a uzurii hidroabrazive cu
denivelările de la nivelul suprafeţei formate de picături figura 7.9.
Figura 7.9. Analiza microscopică a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda PTJP testate
la hidroabraziune la 500 h: a) 250 X; b) 750 X; c) 1250 X; d) 5000 X.
a) b)
Figura 7.10. Analiza EDX pe o zonă de suprafață pe care s-a făcut repartiția elementelor
chimice pe strat a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda PTJP testate la hidroabraziune
la 500 h: a) zona analizată; b) repartiția tuturor elementelor.
Din analiza EDX figura 7.10 realizată pe proba depusă Deloro 60 prin metoda PTJP
se observă ca suprafața depusă are zone întinse nichel (pe zona unde picăturile au fost
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
146
compacte) iar acolo unde suprafața depusă nu a fost compactă (la marginea picăturilor sau
între picături) hidroabraziunea s-a manifestat mai pregnant, care au dus la apariția unor zone
cu o cantitate mare de fier.
Din harta de distribuție a elementelor chimice figura 7.10 realizată cu ajutorul sondei
EDX se observă și prezența unor cantități mari de siliciu între picături, acesta provenind din
carbura de siliciu.
7.2.3. Analiza SEM a probelor depuse prin metoda EV testate la hidroabraziune la 500 ore
7.2.3.1. Analiza SEM a probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV testate
la hidroabraziune la 500 ore
Depunerile prin metoda EV tip Metco 71Ns au o suprafaţă mai puțin rugoasă decât
cele cu depuneri prin metoda PTJP, lucru avantajos pentru hidroabraziune pentru că nu apar
vizibile aderențe și oxizi, necreându-se astfel premisa apariției turbulențelor figura 7.11.
Figura 7.11. Analiza microscopică a probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV testate
la hidroabraziune la 500 h: a) 250 X; b) 750 X; c) 1250 X; d) 5000 X.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
147
a) b)
Figura 7.12. Analiza EDX pe o zonă de suprafață pe care s-a făcut repartiția elementelor
chimice pe stratul probelor depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV testate la hidroabraziune
la 500 h: a) zona analizată; b) repartiția tuturor elementelor.
Probele depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV rezistă bine, wolframul creând o
vitrifiere a suprafeţei datorate topirii şi solidificării rapide, starea amorfă ducând la obţinerea de
cruste dure, dar neuniforme.
Neuniformitatea creează vârfuri care sunt şlefuite de particulele de carborund din mediul
de hidroabraziune, ceea ce face să scadă uşor rezistenţa la hidroabraziune.
7.2.3.2. Analiza SEM a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda EV testate la
hidroabraziune la 500 ore
Proba care rezistă cel mai bine la hidroabraziune este proba depusă prin metoda
EV cu Deloro 60. Acest lucru se datorează compatibilității stratului depus și aderenței
nichelului la substrat (care conține și el 4% Ni), ceea ce duce la o compatibilitate strat -
substrat forte bună. Acest lucru se datorează, în principal, prezenţei borului, care este în
cantitate suficientă pentru a crește proprietăţile mecanice de duritate şi tenacitate și pentru a
forma boruri complexe, dure, mici ca dimensiuni, plasate pe marginile grăunţilor ferito -
martensitici ai materialului de bază, chiar dacă s-a pierdut parţial prin ardere.
În anumite cazuri precipitatele de bor, măresc duritatea și cresc limita de
curgere, astfel încât materialele devin mai rezistente mecanic. În acest context putem
spune ca borul în combinație cu nichelul creează premisele obțineri unui strat de
depunere cu o tenacitate bună, cu o aderență bună la substrat și cu o rezistență
ridicată la hidroabraziune.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
148
Figura 7.13. Analiza microscopică a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda EV
testate la hidroabraziune la 500 h: a) 250 X; b) 750 X; c) 1250 X; d) 5000 X.
Borurile simple sau complexe, se găsesc poziționate la marginea grăunților sub
formă de lanțuri microprecipitate figura 7.13.
a) b) Figura 7.14. Analiza EDX pe o zonă de suprafață pe care s-a făcut repartiția elementelor
chimice pe strat a probelor depuse cu Deloro 60 prin metoda EV testate la hidroabraziune
la 500 h: a) zona analizată; b) repartiția tuturor elementelor.
Analiza EDX figura 7.14 realizată după testele de hidroabraziune evidențiază,
prezența unui strat de depunere relativ uniform din punct de vedere al compoziției chimice cu
mici zone cu oxizi în interiorul porilor.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
149
CONCLUZII
Viteza de depunere prin metoda PTJP este mult mai mare decât la depunerea prin
metoda EV, ceea ce duce la obținerea unei structuri cu multe neuniformităţi pe suprafaţă cum
ar fi stropi, oxizi, aderenţe goluri, oxidări în interiorul stratului depus şi particule de oxizi
între strat şi substrat. Proprietăţile stratului obţinut vor fi dependente de reacţiile chimice de la
interfaţă şi în acelaşi timp acestea duc la formarea de compuşi variaţi, care la rândul lor
influenţează proprietăţile învelişurilor.
În cazul unei tensiuni superficiale mari posibilitatea smulgerii de către turbulenţele
din zona activă a peletelor este mai mare (cazul depunerii cu Metco 71Ns prin metoda
PTJP) iar atunci când tensiunea superficială a picăturii este mai mică aderenţa este mai
mare. Depunerile prin metoda PTJP sunt mai puţin rezistente, apropiindu-se ca valoare cu a
materialului de bază.
Probele depuse cu Metco 71Ns prin metoda EV rezistă bine, wolframul creând o
vitrifiere a suprafeţei datorate topirii şi solidificării rapide, starea amorfă ducând la obţinerea
de cruste dure, dar neuniforme. Neuniformitatea creează vârfuri care sunt şlefuite de
particulele de carborund din mediul de hidroabraziune, ceea ce face să scadă uşor rezistenţa
la hidroabraziune.
O rezistenţă foarte bună la uzură hidroabrazivă o are proba depusă cu Deloro 60 prin
metoda EV. Acest lucru se datorează, în principal, prezenţei borului, care este în cantitate
suficientă pentru a crește proprietăţile mecanice de duritate şi tenacitate și pentru a forma
boruri complexe, dure, mici ca dimensiuni, plasate pe marginile grăunţilor ferito - martensitici
ai materialului de bază, chiar dacă s-a pierdut parţial prin ardere.
Din punct de vedere a uzurii hidroabrazive se constată că o mai mare importanţă o
are structura fizico - chimică a materialului depus decât rugozitatea materialului.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
150
CONCLUZII FINALE, CONTRIBUȚII PERSONALE,
PERSPECTIVE DE CERCETARE
CONCLUZII FINALE
Prin finalizarea acestei teme îmi propun să obţin un ansamblu metalic compus din
materiale depuse cu straturi subţiri cu proprietăţi bune de uzură hidroabrazivă, de duritate, de
rezistenţă la coroziune, pentru a putea fi folosite în industria chimică, în industria
medicamentelor şi în industria producătoare de energie electrică. În industrie aceste materiale
depuse cu straturi subţiri pot avea utilităţi diverse cum ar fi: industria pompelor de apă
murdară, industria constructoare de utilaje agricole, la crearea de palete de turbine ale
hidrocentralelor, industria petrochimică, industria navală (elicea vapoarelor).
Din cele prezentate poate concluziona că:
� în ultimul timp s-a realizat o perfecţionarea şi o extinderea a tehnicilor moderne
de depunere a straturilor subțiri;
� din punct de vedere economic, aceste tehnologii au o eficiență foarte ridicată în
comparație cu metodele tradiționale;
� în ultimii ani s-a înregistrat o creştere spectaculoasă a aplicațiilor industriale în
care sunt folosite;
� procedeul de depunere prin pulverizare termică în jet de plasmă permite
depunerea unei diversităţi mari de materiale;
� oţelurile inoxidabile sunt cel mai des folosite în construcția turbinelor hidraulice
� creşterea rezistenței la uzură hidroabrazivă se poate realiza prin tratamente
termice sau depuneri de straturi superficiale mult mai rezistente;
� oţelurile aliate cu nichel de pana la 6% , conduce la micşorarea cantităţii de
ferită până la 2-4% fapt ce conduce la îmbunătăţirea rezistenţa la uzură
hidroabrazivă;
� materiale cele mai utilizate în construcția paletelor de turbină sunt oțelurile
inoxidabile speciale: 5NiCr180, 10 TiNiCr 180 și 30Cr 130 care sunt un
materiale rezistent la coroziune dar care sunt mai puţin dure deci nu foarte
rezistent la uzură hidroabrazivă.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
151
� o buna rezistenţa la uzură hidroabrazivă o au straturile depuse cu aliaje pe bază
de wolfram, care are în componenţă carbon şi cobalt și cu aliaje pe bază de
nichel, care are în compoziţie crom și bor;
� cu cât duritatea materialului de bază pe care se va depune stratul pe bază de
wolfram, care are în componenţă carbon şi cobalt și stratul pe bază de nichel,
care are în compoziţie crom şi bor, utilizat la realizarea de acoperiri dure este
mai dur, cu atât materialul va avea o rezistenţă mai bună la uzura
hidroabrazivă.
� construcția turbinelor hidraulice a cunoscut o dezvoltare destul de rapidă în
ultima jumătate de secol;
� s-a realizat o diversificarea metodelor constructive ale turbinelor hidraulice, de
asemenea s-au îmbunătățit constructiv și rotoarele cât și palete acestora;
� turbinele cu acţiune de tip Pelton (P), s-au dezvoltat foarte repede, realizându-se
unele turbine de putere foarte mare, ca, de exemplu 110 MW;
� piesa din componenţa turbinelor şi pompelor hidraulice care este supusă cel mai
mult hidroabraziune este rotorul şi paletele sale;
� uzura hidroabrazivă poate fi definita ca fiind un fenomen complex care apare la
generatoarele şi motoarele hidraulice prin care se tranzitează fluide ce conțin
particule abrazive;
� la turbinele Pelton, cel mai des apare fenomenul de uzura la sistemului duză şi
rotor.
� particulele care provoacă cele mai mari daune la paletele rotorului turbinei
Pelton sunt cele mari de 0,5 mm. Acestea provocând uzură hidroabrazivă la
intrarea în paletă și în cavitatea acesteia.
� la turbinele Francis sistemul paletelor de ghidare este extrem de afectat de
fenomenul uzurii hidroabrazive, datorită vitezei absolute mari și a accelerării, iar
regiunea de admisie a rotorului este predispusă la o distribuție incorectă a jetului
de apă lucru poate provoca grave uzuri hidroabrazive, locale la intrare, datorită
nisipului cu granulație fină;
� rugozităţile medii se întâlnesc la metoda electrodului vibrator lucru datorat, atât
tehnologiei de depunere, cât şi formării băii de topire strat-substrat ce
aplatizează forma picăturilor ce constituie stratul de depunere.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
152
� la depunerea cu jet de plasmă rugozitatea este influenţată de granulaţia
pulberilor. La depunerea cu Deloro, care are o granulaţie mai grosolană,
rugozitatea este mai mare (Ra = 7,79 μm) faţă de depunerea cu Metco, care are o
rugozitate mai mică (Ra = 3,86 μm), datorită pulberii mai fine.
� depunerile cu Metco 71Ns au wolfram în compoziţie mai mult de 80%, ceea ce
ar trebui să ducă la obţinerea de straturi deosebit de dure. Analiza microdurităţii
arată însă o duritate mai ridicată a depunerii cu Deloro 60 care are ca principal
component chimic nichelul, 75%, acest lucru datorându-se prezenţei borului.
Acest element, chiar în procente mai mici de 0,2%, duce la creşterea durităţii,
rezistenţei mecanice şi tenacităţii.
� procentul de bor, în cazul pulberilor de Deloro 60, este de 3,1 ÷ 3,5%, o cantitate
suficient de mare să formeze compuşi complecşi, duri de Fe, Cr, Ni şi Mo, chiar
după ce a fost ars parţial în procesul de depunere. Analizând mai atent
compoziţia chimică a celor două tipuri de depunere se observă că Deloro 60 are
în compoziţie şi o cantitate semnificativă de bor, care este şi elementul principal
care face ca depunerea cu Deloro 60 să fie mai dură decât cea cu Metco 71Ns.
� probele depuse cu Metco 71Ns prin metoda electrodului vibrator rezistă bine,
wolframul creând o vitrifiere a suprafeţei datorate topirii şi solidificării rapide,
stare amorfă ducând la obţinerea de cruste dure dar neuniforme.
Neuniformitatea creează vârfuri ce sunt şlefuite de particulele de carborund din
mediul de hidroabraziune, ceea ce face să scadă uşor rezistenţa la
hidroabraziune. Mai puţin rezistente sunt depunerile jet de plasmă, apropiindu-
se ca valoare cu a materialului de bază.
� electrodul tip Deloro 60 conține 15 % Cr, 3 % B, 75 % Ni, de asemenea și
materialul de bază conține Ni, Cr, ceea ce duce la o aderență foarte
bună între acestea.
� Ni are o tensiune superficială mică și formează la topire și la depunere pe strat
picături aplatizate înglobate parțial (făcând parțial parte din microbăile de
topitură strat-substrat). Electrodul tip Deloro 60 are coeficient de dilatarea-
contracție apropiat de cel al materialului de bază și atunci suprafața depusă este
mai compactă și fără microfisuri aparente.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
153
� combinația în strat a nichelului cu borul (depunerea cu Deloro 60 prim
metoda EV) duce la obținerea unui strat compact, fără microcrevase sau
vârfuri proeminenţe cu o bună ancorare în strat și o tenacitate ridicată.
Rezultatele la hidroabraziune implică o rezistență la șocuri mecanice cauzată
de particulele solide (pulbere de carborund), o rezistență la spargere și la
smulgere date de forma colțuroasă (și forța apei).
� depunerile prim metoda EV cu Deloro 60 (cu 75% Ni) comparativ depunerea cu
Metco 71Ns și cu depunerile prim metoda PTJP, formează suprafețe cu puțini
oxizi și puține aderențe spre deosebire de celelalte depuneri unde se întâlnesc
oxizi complecși și gaze înglobate în stratul depus sau în principal între strat și
substrat (depunerile realizate prin metoda PTJP).
� Ni nu are o duritate ridicată dar pentru rezistență la hidroabraziune mai
importantă la hidroabraziune este aderența la substrat, tenacitatea, calitate
stratului depus (să fie fără microaderențe, microfisuri, goluri și arderi). Aderența
bună e dată de nichel iar tenacitatea este dată de prezenţa borului.
� borul poate forma microprecipitate pe bază de bor cu dimensiuni foarte mici,
la fel și compuși de azot și au ca efect principal creșterea tenacității, deoarece
favorizează alunecarea planelor cristaline la nivel intergranular pe
spațiile dintre grăunții.
CONTRIBUȚII PERSONALE
Aplicabilitatea acestei teme reiese din faptul odată cu punerea în practică a rezultatului
obținut acesta poate avea ca efect creșterea fiabilității paletelor turbinelor hidraulice Francis.
Investigaţiile materialelor realizate prin depuneri de straturi subțiri depuse pe oțelul
inoxidabil special GX3CrNi134 (DIN 1.6982), utilizat la realizarea paletelor de turbină
Francis, au avut drept scop evidenţierea creşterii proprietăţilor fizico-chimice și mecanice
ale ansamblului strat - substrat.
Aceste investigaţii se vor realiza pe materialul bază care este oțelul inoxidabil special
GX3CrNi134 (DIN 1.6982) și pe materialele de depunere care sunt: un aliaj pe bază de
wolfram, care are în componenţă carbon şi cobalt (Metco 71Ns) și un aliaj pe bază de nichel,
care are în compoziţie crom și bor (Deloro 60), iar acesta vor pune în evidenţă caracteristicile
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
154
structurale şi proprietăţile chimice şi mecanice ale ansamblul strat - substrat, rezultate care
vor putea fi utilizate în domeniul uzurii hidroabrazive.
Principalele contribuții personale sunt:
� am concepută o instalație de testarea la uzură hidroabrazivă cu un grad mare
de noutate, deoarece dispune de diverse tipuri de reglaje cum ar fi: unghiului
de incidență, distanța dintre probe, viteză periferică diferite, înălţimea diferită
față de baza rezervorului.
� am realizată o instalație care să satisfacă cerinţele experimentului și să permită o
testare la uzură hidroabrazivă cât mai apropiată de cazurile de funcționare a
paletelor turbinelor hidraulice.
� am pregătit metalografic suprafaţa materialelor prin şlefuire, lustruire fină şi
atacată cu reactiv (Nital).
� am caracterizat din punct de vedere microstructural, chimic și mecanic
omogenitatea stratului superficial depus.
� am cerceta structurile metalografice a materialelor cu ajutorul microscopului
optic, care apoi au fost investigate cu tehnici moderne: analiza 2D/3D prin
microscopie electronică.
� am analizat microscopic depunerile cu Metco 71Ns depuse prin metoda PTJP ,
iar acestea au o suprafaţă cu aspect granular fin, cu microparticule netopite
înglobate în suprafaţă cu microexfolieri şi microaderenţe.
� am analizat microscopic depunerile cu Deloro 60 prin metoda PTJP iar acestea
prezintă un aspect cu picături multiple interţesute şi aplatizate.
� am depus cu succes straturi subțiri cu Metco 71Ns (WC cu Co) prin metoda cu EV
deoarece arcul electric dintre catod şi anod are o temperatură de peste 11000 0C, care
duce la o topire bună a wolframului care are a temperatură de topire de 3600 0C.
� am realizat prin metoda PTJP straturi mult mai groase decât prin metoda EV,
grosimea de strat la depunerea cu jet de plasmă poate varia în funcţie de
numărul de treceri al jetului de plasmă.
� am obținut de straturi subțiri cu Deloro 60 prin metoda PTJP cu o aderenţă
foarte bună la substrat şi o duritate mare de aproximativ 59-62 HRC a noului
ansamblu strat-substrat obţinut.
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
155
� am examinat electromagnetică cu ajutorul curenților turbionari straturile depuse
și din imaginile obținute prin prelucrare se observă că cea mai bună aderență o
are proba depusă cu Deloro 60 prin metoda EV, aceasta fiind și cea mai
compactă.
� am făcut teste de rugozitate pe depunerile obținute prin metoda PTJP și s-a
observat variaţii mari ale valorilor rugozităţii Rz ale celor două tipuri de
depuneri (Metco 71Ns și Deloro 60), această diferenţă poate fi cauzată de
granulaţiile diferite ale pulberilor.
� am determinat valorile rugozității pentru a vedea cum influențează aceasta
uzura hidroabrazivă, deoarece o rugozitate mare duce la crearea de
microturbulențe care accentuează hidroabraziunea.
� am analizat microduritățile obținute pe cele 4 depuneri și am observă că toate
cele patru depuneri au microdurități mai mari decât a materialului de bază care
are o duritate de aproximativ 280 HV și că depunerile cu Deloro 60 sunt mai
dure decât depunerile cu Metco 71Ns pentru ambele metode de depunere.
� am realizat teste de microamprentare și am comparat elasticitatea depunerilor
obținute (Modulul lui Young), si s-a observă că trei din cele patru depuneri au
module de elasticitate mai mici decât a materialului de bază (acesta fiind de
aproximativ 44,6 Gpa) excepţie făcând depunerea cu Deloro 60 prin metoda EV
care are o valoare mai mare.
� am identificat prin testele de microaderență că cea mai bună aderența la substrat
o are stratul depus cu Deloro 60 prin metoda EV.
� am realizat teste de electrocoroziune și am identificat că cea mai bună
rezistenţă la agenţi chimici o are proba acoperită cu Deloro 60 prin metoda
EV, de asemenea se observă că depunerile de Deloro 60 şi Metco 71Ns prin
metoda EV sunt mult mai bune din punct de vedere al rezistenţei la coroziune
decât cele depuse prin metoda PTJP.
� am constatat în urma testelor de hidroabraziune că o rezistenţă foarte bună la
uzură hidroabrazivă o are proba depusă cu Deloro prim metoda electrodului
vibrator. Acest lucru se datorează, în principal, prezenţei borului, care este în
cantitate suficientă pentru a crește proprietăţile mecanice de duritate şi tenacitate
și pentru a forma boruri complexe, dure, mici ca dimensiuni, plasate pe
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
156
marginile grăunţilor ferito-martensitici ai materialului de bază, chiar dacă s-a
pierdut parţial prin ardere.
PERSPECTIVE DE CERCETARE
Tema abordează mai multe domenii de cercetare de mare interes științific. Acesta
poate crea perspectivele unor noi direcții de cercetare cu caracter de noutate pe plan tehnic:
� pe baza studiilor realizate prin diverse metode de depunere prin metalizare
termică se recomandă cercetări ulterioare care pot fi utilizate pentru aplicații
diverse cum ar fi pompe de noroi sau agitatoare chimice, care amestecă lichide
cu conținut mare de particule abrazive.
� domeniul depunerilor suprafețelor metalice prin pulverizare în jet de plasmă
este foarte mare, cu diverse posibilitatea de modificare a parametrilor
parametri de depunere (distanța de pulverizare, presiunea gazului purtător al
pulberi, tipul de pulbere folosit, arii de depunere, etc.) și posibilitatea de a
obține o diversitate de suprafețe depuse cu proprietăți foarte bune din punct de
vedere mecanic, fizic și chimic.
� cu ajutorul celor două metode de depunere (metoda PTJP și metoda EV) pot fi
depuse o varietate de materiale pe numeroase materiale de bază.
� după depunerile realizate prin aceste două metode se pot încerca tratamente de
recoacere de difuzie pentru o mai bună ancorare și o grosime de strat mai mare.
� instalația realizată poate fi folosită pentru testarea uzurii hidroabrazive prin
varierea unor parametri cum ar fi: înălțimea față de baza rezervorului, viteza
periferică a probei, distanța față de axul motorului etc.
BIBLIOGRAFIE
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
157
1. Alexandru I., Popovici R., Călin M., Bulancea V., Alexandru A., Baciu C., Cojocaru V.,
Carcea I., Paloșanu G., (1997), Alegerea și utilizarea materialelor metalice, Ed. Didactică
și pedagogică, București, pag .265÷263;
2. Anton, I., (1979), Turbine Hidraulice; Editura Facla, Timişoara, pag. 123÷134;
3. Avram P., (2015), Îmbunătăţirea proprietăților fizico-mecanice ale rolelor de ghidare
prin depuneri termice, Iași pag. 87÷93;
4. Axinte M, Perju M., Nejneru C., Ţugui C. A., (2013) Unconventionally Microstructure
Behaviour Analysis For W1.8507, International Conference TEME, Analele Universității
Dunărea de Jos din Galați, ISSN 1453-083X, pag. 18÷22;
5. Bartha I., (1991), Masurarea vitezei fazei lichide și solide a amestecurilor eterogene în
conducte, Hidrotecnica, vol. 36, pag. 56÷62;
6. Bordeaşu I., (2006), Eroziunea cavitaţională a materialelor, Editura Politehnica,
Timişoara pag. 78÷62;
7. Bordeaşu I., Bădărău R., Oancă O., (2012), Consideraţii privind criteriile de evaluare a
rezistenţei materialelor la eroziune cavitaţională, Ştiinţă și Tehnică, an XII, vol. 22, ISSN
2067-7138, Bucureşti pag. 127÷134;
8. Brânzea N., (2016), Tehnici de recondiționare prin metalizare - Laborator RRP, pag. 3÷4;
9. Brekke, H., Wu, Y. L., B. Y. Cai, (2002), Design of hydraulic machinery working in sand
laden water, Book series on Hydraulic machinery, Vol. 2 pag. 53÷64;
10. Campbell F.C., (2008) Nickel and Cobalt, Elements of Metallurgy and Engineering
Alloys (ASM International), pag. 547÷561;
11. Campbell F.C., (2012), Titanium Alloys, Lightweight Materials: Understanding the Basics
(ASM International), pag. 223÷298;
12. Câmpian V.C., (2003), Turbine hidraulice de mică putere şi microturbine. Principii de
funcţionare. Soluţii constructive, Editura Orizonturi Universitare, ISBN 973-638-036-X,
Timişoara, pag. 23÷28;
13. Chebotkevich L.A.,. Ognev A.V, (2015) The thermal evaporation method for thin film
growth, Methodological manual, Educational electronic edition, pag. 23.
14. Chen Y., Gu F., Zheng G., Liu Y., (2014), Temperature's optical tomography diagnosis of
arc plasma jet flowing into air, Optik - International Journal for Light and Electron
Optics, Volum 125, pag. 3051÷3054;
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
158
15. Chen, Z, Zhou, Y., (2016) Surface modification of resistance welding electrodes by
electro-spark deposited composite coatings: Part II. Metallurgical behavior during
welding. Surface and Coatings Technology, pag. 2419÷2430;
16. Cilento T., Schenkel M., Yun C., Mishra R., Chatty J. Li. K., R. (2010) Gauthier,
Simulation of ESD protection devices in an advanced CMOS technology using a TCAD
workbench based on an ESD calibration methodology Microelectronics
Reliability, Volume 50, Issues 9–11, pag. 1367÷1372;
17. Ciobanu B., (2003), Cercetări privind influența parametrilor microgeometriei suprafețelor
active asupra performanțelor mașinilor hidraulice, Teza de doctorat; pag. 137÷139;
18. Ciobanu, B., (2008), Turbomaşini hidraulice – Partea I Hidrogeneratoare, Iaşi, pag. 108÷109;
19. Claudel A., Blanquet E., Chaussende D., Boichot R., Doisneau B., Berthomé G., Crisci A.,
Mank H., Moisson C., Pique D., Pons M., (2011), Investigation on AlN epitaxial growth and
related etching phenomenon at high temperature using high temperature chemical vapor
deposition process, Journal of Crystal Growth, Volume 335, pag. 17÷24;
20. Coates G., (2009), Nickel-Containing Stainless, Steels Advanced Materials & Processes,
Volume 167, pag. 29÷32;
21. Crook P., (2005), Corrosion of Nickel and Nickel-Base Alloys, ASM Handbook Volume
13B, Corrosion: Materials (ASM International), pag. 228÷251;
22. Dahalhaug O. G, SkareP. E., (2009), Development of a sediment resistive Francis runner,
Hydro 2009: Progress - Potential - Plans, Lyon, France: The International Journal on
Hydropower & Dam pag. 6÷9;
23. Deynse V. A., Cools P., Leys C., Morent R., De Geyter N., (2015) Surface modification of
polyethylene in an argon atmospheric pressure plasma jet, Surface and Coatings
Technology, Volum 276, 25, pag. 384÷391;
24. Drevet R., Legros C., Bérardan D., Ribot P., Dragoé D., Cannizzo C., Barthés-Labrousse
M.G., Chaussé A., Andrieu M., (2014), Metal organic precursor effect on the properties
of SnO2 thin films deposited by MOCVD technique for electrochemical applications
Surface and Coatings Technology, pag. 234÷241;
25. Florea J., Petrovici T., Robescu D., Stamatoiu D., (1987), Dinamica fluidelor polifazice și
aplicațiile tehnice, Ed. Tehnica , București pag. 409÷430;
26. Florescu I. (2007), Maşini hidraulice - Note de curs pentru uzul studenţilor, Editura
Alma Mater, Bacău, pag.18÷19;
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
159
27. Gadow R., Floristán M., (2015) Manufacturing engineering in thermal spraying by
advanced robot systems and process kinematics, Future Development
of Thermal Spray Coatings, pag. 259÷280;
28. Gohil P. P., Saini R.P., (2014), Coalesced effect of cavitation and silt erosion in
hydro turbines - A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews,
Volume 33, pag. 280÷289;
29. Grajales D.H.M., Ospina C.M.G., Tschiptschin A.P., (2009), Mesoscale plasticity
anisotropy at the earliest stages of cavitation-erosion damage of a high nitrogen
austenitic stainless steel, Wear, vol.267, pag. 99÷103;
30. Hanning F., Engelber D.L., (2014), Metallographic screening of grain boundary
engineered type 304 austenitic stainless steel, Materials Characterization, Volum 94,
pag. 111÷115;
31. Helbig, U.; Horlacher, H., Schnutterer, C., Engler, T., (2005), Möglichkeiten zur
Erhöhung der Festigkeit abrasions beanspruchter Betonoberflächen bei Wasserbaulichen
Anlagen, Die Bautechnik, pag. 82;
32. Hironobu U. (2015), Gas-phase diagnoses in catalytic chemical vapor deposition (hot-
wire CVD) processes, Thin Solid Films Volume 575, pag. 3÷8;
33. Hopulele I., Nejneru C., Axinte M., Perju M. C., Tugui C. A., (2015), Researches on the
emulsified oil synthetic quenching environment, International Conference New
Technologies and Products in Machine Manufacturing Technologies, Tehnomus Journal,
ISSN-1224-029X, pag. 143-149;
34. Hung W. C., Chen J-Z., (2015), Ultrafast atmospheric-pressure-plasma-jet processed
conductive plasma-resistant Y2O3/carbon-nanotube nanocomposite, Journal of Alloys
and Compounds, Volum 651, pag. 357÷362;
35. Kozîrev S.P., (1979), Uzura hidroabrazivă a metalelor sub efectul cavitației,
Moskova, pag. 14÷17;
36. Marra F., Baiamonte L., Bartuli C., Pulci G., Valente M. (2016) Tribological behaviour
of alumina - titania nanostructured coatings produced by air plasma spray technique,
Chemical Engineering Transactions, pag. 23÷24,
37. Mercier F., C. Coindeau S., Lay S., Crisci A., Benz M., Thierry Encinas T., Boichot R.,
Mantoux A., Jimenez C., Weiss F, Blanquet E., (2014), Niobium nitride thin films
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
160
deposited by high temperature chemical vapor deposition, Surface and Coatings
Technology, Volume 260, pag. 126÷132;
38. Metehan E., Ishak K., (2010), Electrochemical Reduction of Tungsten Compounds to
Produce Tungsten Powder, Metallurgical and Materials Transactions B, pag. 798÷804;
39. Neopane, H. P., (2010) Sediment erosion in hydro turbines, PhD thesis, Norwegian
University of Science and Technology (NTNU) Trondheim, Norway, Faculty of
Engineering Science and Technology, Department of energy and process
engineering, pag. 62÷69;
40. Neopane, H. P., Dahlhaug O. G., Thapa B., (2007) Alternative Design of a Francis
Turbine for sand-laden water, International Conference on Small Hydropower - Hydro Sri
Lanka, Sri Lanka, Kendy, pag. 78÷99;
41. Neopane, H. P., Dahlhaug Ole. G, and M. Eltvik, (2010) Numerical prediction of particle
shape factor effect on sediment erosion in Francis turbine blades, 6th International
conference on hydropower, Tromso Norway, pag. 31÷49;
42. Neopane, H. P.,. Dahlhaug O. G, Thapa B, (2009) Experimental examination of the effect
of particle size and shape in hydraulic turbines, Waterpower XVI, Spokane, Washington,
USA: HCI, pag. 131÷49;
43. Neopane, H. P.,Dahlhaug O. G, Cervantes M., (2011) Sediment Erosion in Hydraulic
Turbines, Global Journal of researches in engineering Mechanical and mechanics
engineering Volume 11 Issue 6 Version 1.0, pag. 131÷49;
44. Ohring, M., (2015) The Materials Science of Thin Films, Academic Press Inc., Harcourt
Brace Jovanovich, Publishers pag. 178÷179;
45. Okamoto H., (2008) C-W Carbon-Tungsten, Journal of Phase Equilibria and Diffusion,
Volume 29, pag. 543 ÷ 544;
46. Palamarciuc I., Galusca D., Tugui C. A., Nutescu C., (2015), Contamination of steels in
petroleum products, International Conference BRAMAT, Advanced Materials Research
Vol. 1128, pag. 378÷383;
47. Pădurean I., (2005) Cercetări asupra măririi rezistenţei la eroziune cavitaţională a
rotoarelor de turbină, Teză de doctorat, Universitatea Politehnica Timişoara, pag. 1÷9;
48. Pădurean I., (2007) Experimental researches upon cavitation erosion resitance of the austenitic
stainless steel heat treating by solution treatment and nitriding, Scientific Bulletin of the
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
161
“Politehnica” University of Timisoara, Transactions on Mechanics, vol. 52 (66), Timişoara, pag.
1÷6;
49. Perju M. C, Tugui C.A., Nejneru C., (2015) Assessment of Synthetic Quenching Media
for Hardening, International Conference, Innovative Research, Key Engineering Materials
Vol. 660, pag. 143 ÷ 149;
50. Perju M.C., Nejneru C., Gălușcă D-G., Agop M., (2010) Straturi subțiri: descărcări în
impuls, pag. 66÷67;
51. Preece C.M.; Brunton J.H., (1980), Liquid impact erosion of Al-Mg and Al-Cu alioys,
WEAR vol.60, pag. 249÷308;
52. Preece C.M.; Brunton J.H., Lawn R.F., (1980), A comparison of liquid impact erosion and
cavitation erosion, WEAR, vol.60, no 1, pag 269÷284;
53. Radek N., Bartkowiak K., (2011) Laser Treatment of Cu-Mo Electro-Spark Deposited
Coatings, Physics Procedia, Volum 12, pag. 499÷505;
54. Robescu D., Florea J., (1985), Hidrodinamica instalaților de transport hidropneumatic și de
depoluare a apei și aerului, Ed. Didactică și pedagogică, Bucureșți, pag. 301÷307;
55. Rojinschi V., Ognean Th., (1997) Cartea operatorului din stații de epurare a
apelor uzate, Ed. Tehnică București, pag. 45÷48;
56. Scheichl B., Neacşu I.A, Kluwick A., (2015), A novel view on lubricant flow
undergoing cavitation in sintered journal bearings, Tribology International, pag.1÷9;
57. Subramanyam G., Cole M. W., Sun N. X., Kalkur T. S., Sbrockey N. M., Tompa G. S., Guo X.,
Chen C., Alpay S. P., Rossetti G. A. Jr., Dayal K., Chen L.Q., and Schlom D. G., (2013)
Challenges and opportunities for mulţi-funcţional oxide thin films for voltage tunable radio
frequency/microwave components, Journal of Applied Physics 114, pag.191÷201;
58. Suchánek J., Kuklík V., Zdravecká E., (2009), Influence of microstructure on erosion
resistance of steels, Wear Volume 267, pag. 2092÷2099;
59. Terana L.A., Apontea R.D., Muñoz-Cubillosa J., Roaa C.V., Coronadoa J.J.,
Ladinoa J.A., Larrahondob F.J., Rodrígueza S.A., (2016), Analysis of economic
impact from erosive wear by hard particles in a run-of-the-river hydroelectric plant
Energy Volume 113 pag. 1188÷1201;
60. Thapa B., (2004), Sand erosion in hydraulic machinery, PhD thesis, Trondheim:
Norwegian University of Science and Technology, Faculty of Engineering
Science and Technology, pag. 59÷62;
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
162
61. Tsai M-L, C-C Fang, Le L-Y., (2014), Numerical simulation of the temperature
distribution in a planetary MOCVD reactor, Chemical Engineering and Processing:
Process Intensification, Volume 81, pag. 48÷58;
62. Tugui C.A, Axinte M., Nejneru C., Vizureanu P., Perju M.C., Chicet D., (2015) Active
Screen Plasma Nitriding Efficiency and Ecology, Applied Mechanics and Materials,
Volume: 657, pag. 369÷373,.
63. Tugui C.A, Nejneru C, Achiței D. C., Palamarciuc I., Sandu A.V., (2014) TheAnalysis of
the Alloy AlCu4Mg1,5Mn Used in the Construction of Utility Aircrafts, International
Conference AFASES, Brașov, AFASES 2014, ISSN-L:2247-3173, pag. 111÷116;
64. Tugui C.A, Nejneru C., Găluşcă D. G., Perju M.C., Axinte M., Cimpoeşu N., Vizureanu P.,
(2015), The influence of the al deposition by MOC-CVD method on stainless steel thermal
conductivity depending on the substrate roughness, International Conference BRAMAT,
Journal of optoelectronics and advanced materials-17, pag. 855÷861;
65. Tugui C.A, Vizureanu P., Nejneru C., Perju M. C., Axinte M., (2015) Quality surface
modification for refractory stainless steel by tungsten deposition, using electro-spark
deposition method, IMANE - Innovative Manufacturing Engineering International
Conference, Applied Mechanics and Materials, Vols. 809-810, pag. 417÷422;
66. Uetz, H, (1986) Abrasion und Erosion, München Wien: Carl Hanser Verlag pag. 26÷29;
67. Watjen, J.I., Liu, X.L., Zhao, B., and Zhang, Z.M., (2016), A Computational Simulation of
Using Tungsten Gratings in Near-Field Thermophotovoltaic Devices,” 5th ASME
Micro/Nanoscale Heat and Mass Transfer International Conference, Singapore, pag. 24÷39;
68. Xu X., Zwaag S., X. Wei, (2015), A novel multi-pass dual-indenter scratch test to unravel
abrasion damage formation in construction steels, Wear, Volum 322÷323, pag. 51÷60;
69. Yang B., Lawn C., (2013) Three-dimensional effects on the performance of a vertical axis
tidal turbine,Ocean Engineering, Volume 58, pag. 1÷10;
70. Yang F.H., (2014) Modern metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) reactors
and growing nitride-based materials, Nitride Semiconductor Light-Emitting Diodes
(LEDs), pag. 27÷65;
71. Yang X., Wei L., Song W., Bi-feng Z., Zhao-hui C., (2012) Microstructures and
mechanical s of CVD-SiC coated PIP-C/SiC composites under high temperatur, Surface
& Coatings Technology 209, pag.197÷202;
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
163
72. Yong Q., Fenglei G., Lili D., Yu Z., Daoquan T., Dongzhi Y., (2015) A novel label -free
and enzyme-free electrochemical aptasensor based on DNA in situ metallization,
Biosensors and Bioelectronics, Volume 74, 15, pag 483÷490;
73. Yuri V. Shevtsov, Boris М. Kuchumov, Vladimir N. Kruchinin, Evgeni V. Spesivtsev, Igor F.
Golovnev, Igor K. Igumenov, (2015), Features of oxide layer formation in high-aspect slot
structures by means of MOCVD, Journal of Crystal Growth, Volume 414, pag. 135÷142;
74. Zafar S., Kumar S. A., (2016), Abrasive and erosive wear behaviour of nanometric WC
12Co microwave clads Wear, Volumes 346–347, pag 29÷45;
75. Zijlstra A, Fernandez Rivas D., Gardeniers J.G.E., Versluis M., Lohse D., (2015),
Enhancing acoustic cavitation using artificial crevice bubbles, Ultrasonics,
Volume 56, pag. 512÷523.
**
76. Manual de utilizare Potenţiostat VoltaLab 21, VoltaLab Electrochemical Research
Equipament, Radiometer analytical, A Hach Company Brand, pag. 6;
77. Manual de utilizare VEGA II LMH, Scanning Electron Microscope Instructions For Use, pag. 25;
78. Manual de utilizare, CETR-UMT-2, Innovation with Integrity Tribology and Mechanical
Testing, CETR-UMT, Bruker, pag. 5;
79. Manual de utilizare, FORCIPOL 2V , Grinding & Polishing Forcilol, , pag. 3;
80. Manual de utilizare, Metacut M250/350, Metkon Metallography pag. 4;
81. Manual de utilizare, Sealey SB974 Sealey power Products, , Instructions for: Shot Blasting
Cabinet Model No: SB974.V3, pag. 1;
82. Manual de utilizare, Surftest Mitutoyo SJ-201/301 Portable surface roughness tester
surftest SJ-201/301, pag.16;
83. Manual de utilizare, Zeiss, tip Axio Observer D1M ,Microscopy from Carl Zeiss, Axio
Observer, Precise Analysis, Senang, Material Microscopy, Zeiss, pag.16.
***
84. DIN 50320:1979: (1979) Verschleiß: Begriffe, Systemanalyse von Verschleißvorgängen,
Gliederung des Verschleißgebietes, (zurückgezogen);
85. DIN EN 14483-1-4: (2004) Emails und Emaillierungen, Bestimmung der Beständigkeit
gegen chemische Korrosion
Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe aliaje Fe-C
164
86. ISO 28721-4:2010:(2010)Vitreous and porcelain enamels, Glass-lined apparatus for
process plants, Part 4: Quality requirements for glass-lined flanged steel pipes and flanged
steel fittings;
87. ISO 6370:1991: (1991)Vitreous and porcelain enamels, Determination of the resistance to
abrasion, Part 1: Abrasion testing apparatus.
****
88. www.demineralizare.ro, (2016);
89. www.flovel.net, (2016);
90. www.gft-ev.de/tribologie, (2016);
91. www.measure-all.com, (2016);
92. www.metapress.com, (2016);
93. www.metkon.com, (2016);
94. www.mnm.physics.mcgill.ca, (2016);
95. www.nanofocus.com, (2016);
96. www.plasmajet.ro, (2016);
97. www.rivers.bee.oregonstate.edu, (2016);
98. www.sablare.com, (2016);
99. www.sio2med.com, (2016);
100. www.stellite.com, (2016);
101. www.xrpd.eu, (2016);
102. www.zeiss.com, (2016).
Recommended