REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT · Criterii de clasificare a turbinelor hidraulice 32 1.5.2. Construcția turbinelor hidraulice 34 1.6. UZURA HIDROABRAZIVĂ A PALETELOR TURBINELOR HIDRAULICE

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor

REZUMATUL 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

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor

REZUMATUL 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

Mulţumiri

Deosebită recunoștință datorez domnului prof. univ. dr. ing. Petrică VIZUREANU,

conducătorul științific al tezei de doctorat, căruia îi aduc pe acestă cale, cele mai sincere

mulțumiri pentru îndrumarea științifică și metodologică a domniei sale, răbdarea, tactul și

sprijinul acordat pe tot parcursul elaborării prezentei lucrări.

Mulțumesc în mod special membrilor comisiei de doctorat pentru bunăvoința de a-mi

analiza și aprecia conținutul tezei de doctorat și din partea cărora am beneficiat de recomandări

profesionale și anume prof. univ. dr. ing. Cristian Predescu, prof. univ. dr. ing. Daniel

Munteanu și prof. univ. dr. ing. Corneliu Munteanu.

Mulţumesc domnului conf. univ. dr. ing. Iulian Ioniţǎ, care, în calitatea domniei sale de

Decan al Facultǎţii de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor și doamnei director a Școlii Doctorale a

Facultății de Știința și Ingineria Materialelor, prof. univ. dr. ing. Alina Adriana Minea, care au

depus eforturi deosebite în activitatea administrativǎ, cât şi în rezolvarea aspectelor economice.

Mulţumiri deosebite adresez comisiei de îndrumare pentru presusținere, domnului prof.

univ. dr. ing. Dan - Gelu Gălușcă, domnișoarei şef lucr. univ. dr. ing. Carmen Nejneru şi

domnișoarei şef lucr. univ. dr. ing. Manuela-Cristina Perju, pentru sprijinul acordat la

realizarea tezei.

Adresez alese mulțumiri și domnului prof. dr. ing. Ion Hopulele pentru sfaturile

practice și numeroasele consultări legate de realizarea instalației de hidroabraziune.

De asemenea, doresc să mulţumesc domnilor: conf. univ. dr. ing. Nicanor Cimpoeşu,

C.S. I dr. fiz. Mihail-Liviu Craus, şef lucr. univ. dr. ing. Dragoş-Cristian Achiţei, şef lucr.

univ. dr. ing. Mihai Axinte, şef lucr. univ. dr. ing. Marcelin Benchea, asist. univ. dr. ing.

Bogdan Istrate și conf. univ. dr. ing. Daniel Mareci atât pentru disponibilitate, cât şi pentru

sprijinul oferit la realizarea experimentelor şi investigaţiilor de material.

Adresez mulţumiri colectivului din cadrul laboratorului de Control Tehnic Nedistructiv, al

Institutul Național de Cercetare - Dezvoltare pentru Fizică Tehnică - IFT Iaşi, în special doamnei C.S

II dr. fiz. Adriana Savin.

Doresc să mulțumesc domnului şef lucr. univ. dr. ing. Andrei Victor Sandu, doamnei

asist. univ. dr. ing. Mirabela Georgiana Minciună, doamnei asist. univ. drd. ing. Mădălina

Simona Bălțatu, doamnei asist. univ. dr. ing. Ramona Cimpoeșu, doamnei şef lucr.univ. dr. ing.

Daniela Lucia Chicet și domnului şef lucr. univ. dr. ing. Bogdan Pricop pentru susţinerea şi

prietenia de care au dat dovadă.

De asemenea, dar nu în ultimul rând mulţumesc familiei mele și viitoarei mele soții care

m-au sprijinit pe toată perioada derulării stagiului de doctorat.

Autorul

CUPRINS

INTRODUCERE 11 1

CAPITOLUL 1

STADIUL ACTUAL AL UZURII HIDROABRAZIVE A

STRATURILOR SUBȚIRI DEPUSE PE OȚELURI

INOXIDABILE SPECIALE

22 1

1.1. NOȚIUNI GENERALE 22 1

1.2. METODE DE DEPUNERE A STRATURILOR SUBŢIRI 22 1

1.2.1. Metode fizice de depunere din vapori 23

1.2.1.1. Depunerea fizică prin pulsații laser 23

1.2.1.2. Metoda evaporării termice și condensării din stare de vapori 24

1.2.2. Metode chimice de depunere din vapori 24

1.2.2.1. Depunere chimică din vapori la temperaturi ridicate 24

1.2.2.2. Depunere chimică cu vapori organo - metalici 25

1.2.3. Metode de metalizare prin pulverizare termică folosind

electricitatea ca sursă de energie 26 2

1.2.3.1. Depunerea prin pulverizare termică în jet de plasmă (PTJP) 26 2

1.2.3.2. Depunerea prin metoda electrodului vibrator (EV) 27 2

1.3. REALIZAREA ANSAMBLULUI MATERIAL DE BAZĂ -

MATERIAL DE DEPUNERE 27

1.3.1. Materialul de bază 27

1.3.2. Materiale utilizate la depunerea straturilor subțiri 29

1.3.2.1. Wolframul și aliajelor sale 29

1.3.2.2. Nichelul și aliajelor sale 29

1.4. FLUIDE UTILIZATE LA TESTELE DE UZURĂ

HIDROABRAZIVĂ 30 2

1.5. TURBINELE HIDRAULICE 31 2

1.5.1. Criterii de clasificare a turbinelor hidraulice 32

1.5.2. Construcția turbinelor hidraulice 34

1.6. UZURA HIDROABRAZIVĂ A PALETELOR TURBINELOR

HIDRAULICE 36 2

1.6.1. Noțiuni generale 36 2

1.6.2. Uzura hidroabrazivă a turbinelor Pelton 38 2

1.6.2.1. Sistemul duză (ac-inel) al turbinei Pelton 38

1.6.2.2. Rotorul turbinei Pelton 38

1.6.3. Uzura hidroabrazivă a turbinelor Francis 40 3

1.6.3.1. Sistemul de admisie al turbinei Francis 41 3

1.6.3.2. Sistemul paletelor de ghidare al turbinei Francis 42 3

1.6.3.3. Rotorul turbinei Francis 43

CONCLUZII 44

CAPITOLUL 2

OBIECTIVELE, PROGRAMUL ȘI METODOLOGIA

CERCETĂRILOR EXPERIMENTALE

45 4

2.1. OBIECTIVELE ȘI PROGRAMUL CERCETĂRILOR

EXPERIMENTALE

45 4

2.2. METODOLOGIA CERCETĂRII EXPERIMENTALE 48 6

2.3. METODE ȘI APARATURĂ 49 7

2.3.1. Metode şi instalații de depunere a straturilor subțiri 49 7

2.3.1.1. Metoda şi instalația de depunere prin pulverizare termică în jet de

plasmă (PTJP) 49 7

2.3.1.2. Metoda şi instalația de depunere cu electrod vibrator (EV) 50 7

2.3.2. Echipamente pentru pregătirea probelor în vederea realizării

investigaţiilor metalografice 51 7

2.3.3. Metode şi echipamente utilizate pentru analize structurale 52 8

2.3.4. Metode şi echipamente utilizate pentru determinarea

caracteristicilor mecanice 53 8


caracteristicilor chimice 54 9

CAPITOLUL 3

CARACTERIZAREA MATERIALELOR DE BAZĂ, DE

DEPUNERE ȘI A FLUIDULUI UTILIZAT LA TESTELE

DE HIDROABRAZIUNE. METODE DE DEPUNERE

57 9

3.1. CARACTERIZAREA MATERIALULUI DE BAZĂ 57 9

3.2. CARACTERIZAREA MATERIALELOR DE DEPUNERE 58 10

3.2.1.Caracterizarea pulberilor 59 10

3.2.2. Caracterizarea electrozilor 60 11

3.3. ANALIZA FLUIDULUI UTILIZAT LA TESTELE DE UZURĂ

HIDROABRAZIVĂ 62 11

3.4. OBȚINEREA STRATURILOR SUBȚIRI PRIN DEPUNERE

PE MATERIALUL DE BAZĂ 63 12

3.4.1. Alegerea parametrilor de depunerea straturilor subţiri prin

metoda pulverizării termice în jet de plasmă 63 12

3.4.2 Alegerea parametrilor de depunerea straturilor subţiri prin metoda

electrodului vibrator 63 12

CONCLUZII 66

CAPITOLUL 4

CARACTERIZAREA STRATURILOR SUBŢIRI DEPUSE ÎN

VEDEREA ÎMBUNĂTĂŢIRII REZISTENŢEI LA

HIDROABRAZIUNE

68 12

4.1. ANALIZA STRUCTURALĂ A SUPRAFEŢEI MATERIALULUI

DE BAZĂ ȘI A STRATURILOR SUBȚIRI DEPUSE 68 12

4.1.1. Analiza suprafeţei materialului de bază și a straturilor subțiri

depuse utilizând microscopul electronic cu baleiaj 68 12

4.1.1.1. Analiza SEM a probelor martor 68 12

4.1.1.2. Analiza SEM a probelor depuse cu pulberi pe bază de WC prin

metoda PTJP 71 13

4.1.1.3. Analiza SEM a probelor depuse cu pulberi pe bază de Ni prin

metoda PTJP 72 14

4.1.1.4. Analiza SEM a probelor depuse cu electrozi pe bază de WC prin

metoda EV 75 14

4.1.1.5. Analiza SEM a probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni prin

metoda EV 77 15

4.1.1.6. Analiza SEM a morfologiei stratului depus prin metoda EV 80

4.1.2. Analiza grosimii straturilor depuse 82

4.1.2.1. Analiza grosimii de strat a probelor depuse cu pulberi pe bază de

WC prin metoda PTJP 82

4.1.2.2. Analiza grosimii de strat a probelor depuse cu pulberi pe bază

de Ni prin metoda PTJP 83

4.1.2.3. Analiza grosimii de strat a probelor depuse cu electrozi pe

bază de WC prin metoda EV 84

4.1.2.4. Analiza grosimii de strat a probelor depuse cu electrozi pe

bază de Ni prin metoda EV 86

4.1.3. Examinarea electromagnetică cu ajutorul curenților turbionari 87 16

4.1.4. Determinarea rugozităţii suprafeţei 89 17

4.2. DETERMINAREA CARACTERISTICILOR MECANICE 93 18

4.2.1. Determinarea caracteristicilor de microduritate ale

substratului și ale straturilor depuse 93 18

4.2.2. Analiza prin microamprentare a probelor martor și a probelor

depuse 95 18

4.2.2.1. Analiza prin microamprentare pentru probele martor 96

4.2.2.2. Analiza prin microamprentare pentru probele depuse cu pulberi

pe bază de WC prin metoda PTJP 97

4.2.2.3. Analiza prin microamprentare pentru probele depuse cu pulberi

pe bază de Ni prin metoda PTJP 98

4.2.2.4. Analiza prin microamprentare pentru probele depuse cu

electrozi pe bază de WC prin metoda EV 99

4.2.2.5. Analiza prin microamprentare pentru probele depuse cu

electrozi pe bază de Ni prin metoda EV 100

4.2.3. Determinarea aderenţei straturilor depuse 102 19

4.2.3.1. Analiza de aderență a probelor depuse cu pulberi pe bază de WC

prin metoda PTJP 102

4.2.3.2. Analiza de aderență a probelor depuse cu pulberi pe bază de Ni

prin metoda PTJP 104

4.2.3.3. Analiza de aderenţă a probelor depuse cu electrozi pe bază de WC

prin metoda EV 105

4.2.3.4. Analiza de aderenţă a probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni

prin metoda EV

107 19

4.3. DETERMINAREA CARACTERISTICILOR CHIMICE 108

4.3.1. Obținerea compoziției de fază prin difracție de razații X 108

4.3.1.1. Analiza XRD a probelor martor 108

4.3.1.2. Analiza XRD a probelor depuse cu pulberi pe bază de WC prin

metoda PTJP 109

4.3.1.3. Analiza XRD a probelor depuse cu pulbere pe bază de Ni prin

metoda PTJP 110

4.3.1.4. Analiza XRD a probelor depuse cu electrozi pe bază de WC prin

metoda EV 110

4.3.1.5. Analiza XRD a probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni prin

metoda EV 111

4.3.2. Teste de electrocoroziune a probelor martor și a

probelor depuse 112 20

CONCLUZII 117

CAPITOLUL 5

INSTALAŢIE UTILIZATĂ PENTRU STUDIUL UZURII

HIDROABRAZIVE

119 23

5.1. CONCEPERE 120 23

5.2. PROIECTARE 121 25

5.3. REALIZARE 125 27

5.4. TESTARE 129 30

CONCLUZII 130

CAPITOLUL 6

UZURA HIDROABRAZIVĂ 131 30

6.1. TESTELE DE UZURĂ HIDROABRAZIVĂ 131 30

6.2. ANALIZA SEM A PROBELOR TESTATE LA UZURĂ

HIDROABRAZIVĂ TIMP DE 500 DE ORE 140 39

6.2.1. Analiza SEM a probelor martor 140

6.2.2. Analiza SEM a probelor depuse prin metoda PTJP 141

6.2.2.1. Analiza SEM a probelor depuse cu pulberi pe bază de WC prin

metoda PTJP 141

6.2.2.2. Analiza SEM a probelor depuse cu pulberi pe bază de Ni prin

metoda PTJP 141

6.2.3. 6.2.3. Analiza SEM a probelor depuse prin metoda EV 144

6.2.3.1. Analiza SEM a probelor depuse cu electrozi pe bază de WC prin

metoda EV 144

6.2.3.2. Analiza SEM a probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni prin

metoda EV 145 40

CONCLUZII 147

CONCLUZII FINALE, CONTRIBUȚII PERSONALE,

PERSPECTIVE DE CERCETARE 148 41

CONCLUZII FINALE 148 41

CONTRIBUȚII PERSONALE 150 43

PERSPECTIVE DE CERCETARE 152 44

BIBLIOGRAFIE 153 44

ANEXĂ 161

LISTĂ LUCRĂRI 162 46

Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe oţeluri inoxidabile speciale

1

INTRODUCERE

Noile exigențe tehnice impuse de dezvoltarea tehnologică rapidă trebuie să constituie

găsirea unor soluții care să satisfacă aceste cerințe funcționale ale noilor echipamente,

ansamble și subansamble. Obținerea prin diverse soluții tehnice a unor materiale noi este o

provocare continuă pentru cercetare și industrie.

În acest context, teza de doctorat propune soluții pentru creșterea eficienței de

funcționare a turbinelor hidraulice prin implementarea de tehnologii noi pentru îmbunătățirea

caracteristicilor de material care să permită funcționarea turbinei la parametrii optimi.

În prezent, la fabricarea paletelor turbinelor hidraulice se folosește ca și material de

baza un oțel care face parte din clasa oțelurilor 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.

Programul experimental asociat prezentei teze a presupus depunerea unor straturi

subțiri, aderente - dure, pe substratul de oțel (GX3CrNi134) pentru a mări randamentul de

funcționare și pentru creșterea rezistenței la hidroabraziune a paletelor, fără a scădea

rezistența la coroziune

Depunerile s-au realizat prin două metode, respectiv pulverizare termică în jet de

plasmă (PTJP) şi electrod vibrator (EV). Prin aceste metode s-au realizat / depus straturi

subţiri cu pulberi / electrozi pe bază de wolfram, care au în componență carbon şi cobalt și pe

bază de nichel, care au în compoziție crom şi bor.

Practica a arătat că uzura hidroabrazivă este un proces foarte complex, evidenţiindu-se

că în unele cazuri acțiunea comună a fluidului şi a particulelor abrazive în procesul de uzură

este mult mai mare decât în cazul în care acestea ar acționa separat.

În aceste condiții, se poate evidenția obiectivul general (cadru) al tezei de doctorat,

respectiv la creșterea fiabilității turbinelor prin modificarea suprafeței materialului paletelor, cu

scopul îmbunătățirii proprietăților tribologice și a menținerii rezistenței la coroziune și

a tenacității.

CAPITOLUL 1

STADIUL ACTUAL AL UZURII HIDROABRAZIVE A

STRATURILOR SUBȚIRI DEPUSE PE OȚELURI

INOXIDABILE SPECIALE

1.1. NOȚIUNI GENERALE

Proprietățile materialelor metalice pot fi îmbunătățite prin mai multe

metode: tratamente superficiale (termice, termochimice, mecanice, de conversie) și

depuneri de straturi (fizice, chimice și prin metalizare).

1.2. METODE DE DEPUNERE A STRATURILOR SUBŢIRI

Depunerile de straturi subțiri se realizează prin metode fizice, chimice și prin metalizare:

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).


2

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).

1.2.3.1. Depunerea prin pulverizare termică în jet de plasmă (PTJP)

Metoda de pulverizare termică în jet de plasmă sebazează pe pulverizarea unei

pulberi(ceramice, metalice etc.) topit / depus pe un suport (material de bază) pentru a

obține straturi subțiri (R. Gadow et al., 2015).

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 (T. Cilento et al., 2010).

1.4. FLUIDE UTILIZATE LA TESTELE DE UZURĂ

HIDROABRAZIVĂ

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.

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 (Y.P.Weijia et al., 2016).

Toate turbinele transformă energia hidraulică în energie mecanică, dar după direcția

admisiei apei se deosebesc turbine cu admisia: tangențială (turbine Pelton); axială (turbine K,

SK, AB, AC, S); radială (turbine F lente); diagonală (turbine F normale și F sau KD rapide).

1.6. UZURA HIDROABRAZIVĂ A PALETELOR TURBINELOR

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.

1.6.2. Uzura hidroabrazivă pe turbinele Pelton

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, au fost alese două sisteme (sistemul duză și rotor),

deoarece aici se manifestă cel mai des acest fenomen.


3

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. Brekke (H. Brekke, 2002) a clasificat componentele turbinei Francis în patru grupe,

în scopul de a studia fenomenul uzurii hidroabrazive. Acestea sunt: sistemul de admisie,

sistemul de palete de ghidare, rotorul și conducta de admisie cu garniturile de etanșare.

1.6.3.1. Sistemul de admisie al turbinei Francis

Sistemul de admisie al turbinei Francis este alcătuit din 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.

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).

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 (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.

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).

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).


4

CAPITOLUL 2

OBIECTIVELE, PROGRAMUL ȘI METODOLOGIA

CERCETĂRILOR EXPERIMENTALE

2.1. OBIECTIVELE ȘI PROGRAMUL CERCETĂRILOR

EXPERIMENTALE

În concordanță cu importanța temei de cercetare, obiectivul principal al

demersului științific îl constituie obținerea unor depuneri de straturi subțiri cu o aderență

bună 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.

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 că odată cu punerea în practică a

rezultatelor obținute acestea vor avea ca efect creșterea fiabilității / durabilităţii paletelor

turbinelor hidraulice Francis.

Tabelul 2.1. 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.

Șlefuire

Procesul de șlefuire s-a realizat în vederea obţinerii unei suprafeţe

perfect plane, fără zgârieturi; proba a fost curăţată sub jet de apă

pentru a fi îndepărtate toate particulele care au aderat în timpul

operației de șlefuire la suprafaţa probei, pentru a se putea realiza

analizele metalografice.

Sablare

Sablarea s-a realizat 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 s-a determinat

compoziția chimică.


5

Microscopie optică

Analiza microscopică este necesară pentru a identifica tipul de

structură a materialului de bază, incluziunile metalice, mărimea şi

forma granulației.

Microscopie

electronică

Analizele prin microscopie electronică (SEM - Scanning Electron

Microscope) s-au efectuat pentru a analiza suprafața și

microstructura materialului de bază.

Rugozitate Rugozitatea a furnizat informaţii referitoare la topografia formei

suprafețelor reale pe întinderea lor prin intermediul profilogramei.

Microduritate

Măsurătorile de microduritate au oferit 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 s-a realizat

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 s-a

utilizat pentru identificarea şi determinarea calitativă şi cantitativă

a compuşilor chimici metalici din materialul de bază.

Aderenţă

Prin testele de aderenţă s-a determinat 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 s-au realizat 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

Pulberi / electrozi pe bază de WC sunt aliaje care au în componenţă wolfram, carbon şi cobalt.

Pulberi / electrozi pe bază de Ni sunt aliaje care au în compoziţie nichel, crom şi bor.

6. Alegerea metodelor de depunere

metoda de depunere prin pulverizare termică în jet de plasmă (PTJP);

metoda de depunere cu electrod vibrator (EV).

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 s-a studiat calitatea suprafeţei

stratului depus (fisuri, defecte microscopice etc.).

Microscopie

electronică

Analiza SEM pe strat s-a realizat pentru a determina

microstructura, grosimea stratului depus, precum și aria picăturilor

formate pe suprafața depusă.


6

Rugozitate Determinarea rugozității s-a realizat pentru a vedea cum

influențează aceasta uzura hidroabrazivă.

Microduritate Măsurătorile de microduritate se fac pentru a evidenţia influenţa

stratului depus asupra caracteristicilor stratului.

Coroziune

Testele de coroziune ale straturilor depuse folosite la depunerea

paletelor turbinelor hidraulice se realizează pentru a evidenţia

rezistenţa materialului depus la mediile corozive în care lucrează

(mediu acid sau bazic).

Hidroabraziune Testele de uzură hidroabrazivă pe materialul depus s-au făcut 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 s-a făcut cu ajutorul

balanței electronice.

Difractrometrie cu

radiații X

Difractrometria cu radiații X se utilizează pentru a identifica

compuşii chimici și fazele formate în stratul depus.

Aderenţă

Testele de aderenţă s-au desfășurat 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 sunt reprezentate 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 au fost interpretate în scopul identificării unor explicaţii corecte a testelor

experimentale şi a depistării unor soluţii de creștere a fiabilității paletelor de turbină.

10. Concluzii

Concluziile tezei prezintă rezultatele obţinute într-o manieră concisă şi coerentă, astfel încât

acestea să fie în conformitate cu rezultatele demersului ştiinţific iniţiat în această lucrare,

evidenţiind, atât contribuţiile personale, cât şi perspectivele de dezvoltare ale tematicii.

Prin experimentele care s-au realizat s-a urmărit obţinerea unor straturi subţiri, cu

proprietăți chimice, mecanice şi structurale care completează caracteristicile oţelurilor

inoxidabile speciale utilizate la realizarea paletelor turbinelor hidraulice.

2.2. 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. 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 de strat în funcţie de numărul de treceri ale electrodului pe piesă.


7

Pentru verificarea rezistenţei la uzură hidroabrazivă a straturilor depuse s-a utilizat o

instalaţie (de concepţie proprie) cu viteze variabile şi cu unghiuri de incidență diferite între

probe şi particulele abrazive.

2.3. METODE ȘI APARATURĂ

2.3.1.Metode şi instalații de depunere a straturilor subțiri

2.3.1.1.Metoda şi instalația de depunere prin pulverizare termică în jet de plasmă (PTJP)

Pulverizarea termică în jet de plasmă figura 2.1 reprezintă topirea şi pulverizarea

pulberilor de metal sau nemetal cu ajutorul plasmatroanelor. Temperatura din interiorul

norului de plasmă poate ajunge la 16000 0C.

Figura 2.2. 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 2.2.

2.3.1.2.Metoda şi instalația de depunere cu electrod vibrator (EV)

Principiul depunerii de straturi subţiri cu electrod vibrator figura 2.3 se bazează pe

fenomenul de electroeroziune şi transferul polar al materialului anodului (electrod) la catod

(piesa metalică) în timpul descărcării electrice.

Figura 2.4. 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.

2.3.2.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.

Maşina de debitat probe Metacut - M 250. În cazul probelor obţinute prin cele

două metode de depunere (EV, PTJP), debitarea se realizează folosind mașina de debitat cu

discuri abrazive cu lichid de răcire (Manual de utilizare Metacut).


8

Maşina de şlefuire şi lustruire Forcipol 2V. 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).

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 pentru a pregăti probele depuse prin metoda pulverizării termice în jet de plasmă

este Sealey SB974.

2.3.3. Metode şi echipamente utilizate pentru analize structurale

Microscopie optică. 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.

Microscopie electronică cu baleiaj (SEM) este o metodă modernă, neinvazivă pentru

analiza imagistică obiectivă şi specializată a caracteristicilor anatomice ale materialelor la nivel

microscopic.

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.

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 brevetatla INCDFT- IFT Iaşi, Laboratorul de Control Nedistructiv şi denumit

Swissroll conic utilizat la realizarea unui traductor electromagnetic.

Acest traductor a fost proiectat să funcționeze într-o gamă de 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 Swissroll conic (A.

Savinet al., 2015). Traductorul a fost cuplat la un Network Spectrum Impedance Analyser

4395A – Agilent USA.


caracteristicilor mecanice

Determinări de rugozitate. 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.

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.


9

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).


caracteristicilor chimice

Difractometrie cu radiații X. Analiza XRD a fost utilizată pentru determinarea

compuşilor chimici metalici şi nemetalici numiţi și faze. 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).

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 care este produs de firma Princeton

Applied Research (Manual de utilizare, Potenţiostat VoltaLab 21).

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 influențează uzura hidroabrazivă.

CAPITOLUL 3

CARACTERIZAREA MATERIALELOR DE BAZĂ, DE

DEPUNERE ȘI A FLUIDULUI UTILIZAT LA TESTELE DE

HIDROABRAZIUNE. METODE DE DEPUNERE

3.1. CARACTERIZAREA MATERIALULUI DE BAZĂ

Ca material de bază pentru depuneri s-a utilizat un oţel inoxidabil special provenit de

la o paletă de turbină Francis a cărui compoziţie chimică, prezentată în tabelul 3.1, a fost

determinată cu ajutorul Spectrometrului Foundry Master din dotarea Facultăţii de Ştiinţa şi

Ingineria Materialelor, Laboratorul Proprietăţile Materialelor Metalice.

Tabelul 3.1. Compoziţia chimică a materialului de bază

Element chimic Fe C Cr Ni Mn Mo restul

Procente, [%] 80,6 0,105 13 4,38 0,637 0,521 0,757

În urma analizei chimice și a compoziției obținute a oțelului inoxidabil utilizat s-a

identificat ca fiind un oțel inoxidabil special cu un conținut mare de crom şi de nichel.

Acest oțel face parte din clasa oțelurilor inoxidabile şi este GX3CrNi13-4 (1.6982)

EN 10213-2007.


10

Figura 3.1. Analiza microscopică a probei din oţel inoxidabil, 400 X, atac Nital 2 %.

Analiza structurii materialului de bază GX3CrNi134 (oţel inoxidabil) este

prezentată în figura 3.1. Acesta prezintă o structură aciculară martensitică printre care se

găsesc grăunți de Fα alungiți. 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.

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.

3.2. CARACTERIZAREA MATERIALELOR DE DEPUNERE

Pentru depunerea de straturi subțiri s-au utilizat pulberi/electrozi pe bază de WC a

căror compoziții chimice sunt prezentate în tabelele 3.2 și 3.4 și pulberi/electrozi pe bază

de Ni a căror compoziții chimice sunt prezentate în tabelele 3.3 și 3.5.

Pulberile s-au folosit pentru depunerea prin metoda PTJP, iar electrozii pentru

depunerea prin metoda EV.

3.2.1.Caracterizarea pulberilor

Pulberile au fost studiate la microscopul optic Zeiss pentru evidenţierea formei

granulelor și la microscopul electronic SEM.

Pulberile pe bază de WC au în componenţă carbură de wolfram cu cobalt, iar

compoziția chimică este prezentă în tabelul 3.2. Straturile depuse cu acestea au o bună

rezistenţă la eroziune şi hidroabraziune.

Tabelul 3.2. Compoziţia chimică a pulberilor pe bază de WC

Element chimic W Co C

Procente, [%] restul 11,0 ÷ 13,0 3,6 ÷ 4,2

Pulberile pe bază de Ni sunt utilizate pentru acoperirea pistoanelor de la

pompe, inelelor de etanşare şi a pieselor unor maşini care intră în contact de alunecare

cu particulele abrazive. Compoziția chimică a acestora este prezentată în tabelul 3.3.

Tabelul 3.3. Compoziţia chimică a pulberilor pe bază de Ni

Element chimic Ni B Cr Fe Si C

Procente, [%] restul 3,1 ÷ 3,5 14 ÷ 15 4 2 ÷ 4,5 0,7


11

S-a ales această pulbere deoarece are în compoziție bor care creşte duritatea şi

tenacitatea materialului, chiar și în procente de numai 0,05 %.

3.2.2. Caracterizarea electrozilor

Electrozii utilizați pentru depunerea prin metoda electrodului vibrator au fost

studiați cu ajutorul microscopului optic și a microscopului SEM.

Electrozii pe bază de WC conțin carburi de wolfram cu cobalt cu granulații fine,

rezistente la abraziune și la hidroabraziune, cu ajutorul cărora se pot obține suprafețe foarte

dure care pot fi utilizate la realizarea mecanismelor supuse la uzură prin frecare uscată sau

umedă. Compoziția chimică obținută la EDX a acestor electrozi este prezentată în tabelul 3.4.

Tabelul 3.4. Compoziţia chimică a electrozilor pe bază de WC

Element chimic W Co C O Si

Procente, [%] restul 11,64 3,89 1,14 0,32

Wolframul este larg utilizat pentru alierea oţelurilor şi obţinerea materialelor foarte

dure, turnate (stellite) sau sinterizate din carburi metalice (WC+Co).

Electrozii pe bază de Ni sunt realizați prin sinterizarea pulberilor de nichel, crom,

fier și bor figura 3.6 și sunt utilizați pentru a depune suprafețe dure și foarte compacte.

Compoziția chimică obținută la EDX a acestor electrozi este prezentată în tabelul 3.5.

Tabelul 3.5. Compoziţia chimică a electrozilor pe bază de Ni

Element chimic Ni B Cr Fe Si O

Procente, [%] restul 3,04 14,45 4,63 3,74 2,31

Electrozii pe bază de Ni conțin și Cr, elemente care se regăsesc și în materialul de

bază, ceea ce conduce la o bună aderență între materialul de bază și stratul depus.

3.3. 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 = 104 µm;

Densitatea amestecului bifazic este ρn = 10 %.

Din testele efectuate pe apa de Argeș (probă de apă luată din zona Bucureștiului) a

rezultat 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.

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.


12

3.4. OBȚINEREA STRATURILOR SUBȚIRI PRIN DEPUNERE

PE MATERIALUL DE BAZĂ


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.

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.


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 electrozi pe bază de WC: amplitudine 8; regim 4;

pentru depunerea cu electrozi pe bază de Ni: amplitudine 9; regim 6.

CAPITOLUL 4

CARACTERIZAREA STRATURILOR SUBŢIRI DEPUSE ÎN

VEDEREA ÎMBUNĂTĂŢIRII REZISTENŢEI LA

HIDROABRAZIUNE

4.1. ANALIZA STRUCTURALĂ A SUPRAFEŢEI

MATERIALULUI DE BAZĂ ȘI A STRATURILOR SUBȚIRI DEPUSE

4.1.1.Analiza suprafeţei materialului de bază și a straturilor subțiri

depuse utilizând microscopul electronic cu baleiaj

4.1.1.1. Analiza SEM a probelor 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.

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.


13

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 4.1.

4.1.1.2. Analiza SEM a probelor depuse cu pulberi pe bază de WC prin metoda PTJP

Analizând imaginile obţinute la microscopul electronic cu baleiaj de pe suprafaţa

depunerii cu pulberi pe bază de WC prin metoda PTJP se observă un aspect rugos al

suprafeței cu multe, microadâncituri, microcratere și pulberi parțial topite figura 4.4.

Figura 4.4. Analiza microscopică SEM a probelor depuse cu pulberi pe bază de WC 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 pe bază de WC care se topeşte la temperaturi foarte ridicate, creând

zone cu oxizi şi material parţial topit în depuneri figura 4.4.

Figura 4.6. Analiza EDX pe o zonă de suprafață pe care s-a făcut repartiția elementelor

chimice pe strat a probei depuse cu pulberi pe bază de WC prin metoda PTJP: a) zona

analizată; b) repartiția tuturor elementelor.

Analiza compoziției chimice figura 4.6 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.

4.1.1.3. Analiza SEM a probelor depuse cu pulberi pe bază de Ni prin metoda PTJP

Spre deosebire de depunerea cu pulberi pe bază de WC (W > 80 %), depunerile cu

pulberi pe bază de Ni (Ni > 70 %), prin metoda PTJP prezintă un aspect cu picături

multiple interţesute şi aplatizate.


14

Figura 4.7. Analiza microscopică SEM a probei depuse cu pulberi pe bază de Ni prin

metoda PTJP: a) 250 X; b) 750 X; c) 1250 X; d) 5000 X.

Studiind repartiția nichelului de pe suprafața depunerii cu pulberi pe bază de Ni

figura 4.9 se observă o distribuire bună a acestuia. De asemenea din analiza EDX de pe

suprafața depusă cu pulberi pe bază de Ni prin metoda PTJP se observă că o concentrare

mai mare de nichel care se găsește în centrul picăturii şi mai puţin spre margine.

4.1.1.4. Analiza SEM a probelor depuse cu electrozi pe bază de WC prin metoda EV

Din imaginea 3D din figura 4.11 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 mișcărilor paletei, deoarece nu creează turbulenţe la

nivelul suprafeţei care pot deveni periculoase prin crearea de zone cavitaţionale.

Figura 4.11. Imaginea 3D a probei depuse cu electrozi pe bază de WC prin metoda EV.

Imaginea 3D prezintă o suprafață relativ compactă, cu aspect vălurit figura 4.11.

Din harta de reprezentație a elementelor de pe suprafaţa piesei realizată cu ajutorul

sondei EDX, se observă prezenţa unor zone relativ întinse depuse cu W, dar şi zone cu o

cantitatea ridicată de crom. Acest lucru se datorează prezentei unor compuși chimici tip

oxizi de crom sau carburi figura 4.12 b.

Analizând compoziția chimică cu ajutorul EDX, prezentată în tabelul 4.4 se poate

observa prezenţa wolframului într-un procent de aproximativ 39 %. Acest procent de

wolfram este mai scăzut decât la depunerea cu pulberi pe bază de WC prin metoda PTJP

deoarece la acest tip de depunere se creează microbăi de aliaj care conţine material de

bază şi material de depunere.


15


chimice pe stratul probei depusă cu electrozi pe bază de WC prin metoda EV: a) zona


Tabelul 4.4. Compoziția chimică EDX a probei depuse cu electrozi pe bază de WC prin

metoda EV

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 din baia metalică, lucru ce este întâlnit doar la electrozii pe bază de carbură de wolfram.

4.1.1.5. Analiza SEM a probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV

Pe suprafaţa depusă cu electrozi pe bază de Ni se observă mici 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 4.13.

Figura 4.13. Analiza microscopică SEM a probei depuse cu electrozi pe bază de Ni prin

metoda EV: a) 250 X; b) 750 X; c) 1250 X; d) 5000 X.

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


16

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 4.15.


chimice pe strat a probei depuse cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV: a) zona


De asemenea se observă în figura 4.15b prezenţa locală, în centrul picăturilor

formate prin depunerea cu metoda EV, a unor compuşi chimici ai cromului.

Tabelul 4.5. Compoziţia chimică EDX a probei depuse cu electrozi pe bază de Ni

prin metoda EV

Elemente %

Nichel 72,40

Crom 13,86

Fier 10,12

Carbon 1,60

Bor 1,22

Altele 0,8

Din tabelul 4.5 cu compoziţia chimică a probei depuse cu electrozi pe bază de Ni

prin metoda 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, acest lucru datorându-se

amestecului de material topit din materialul de bază cu cel al electrodului.

4.1.3. Examinarea electromagnetică cu ajutorul curenților turbionari

Pentru a identifica crăpăturile din strat și substrat, s-a utilizat un nou tip de

traductor electromagnetic realizat dintr-un metamaterial denumit Swiss roll conic, iar

rezultatele obținute au fost prelucrate cu ajutorul soft-ului Matlab 2014b.

Figura 4.28. Răspunsul traductorului electromagnetic la trecerea peste proba depusă cu

pulberi /electrozi pe bază de WC prin: a) metoda PTJP; b) metoda EV.

Comparativ cu metoda EV, depunerea prin metoda PTJP prezintă o aderență mult

mai slabă pentru pulberi pe bază de WC figura 4.28 a și b, comparativ cu pulberi pe bază


17

de Ni figura 4.28 d, în condițiile în care la 5 treceri proba cu acoperire cu pulberi pe bază

de Ni are o suprafață mai compactă a stratului depus.

Figura 4.29. Răspunsul traductorului electromagnetic la trecerea peste proba depusă cu

pulberi / electrozi pe bază de Ni prin: a) metoda PTJP; b) metoda EV.

Pentru depunerea cu electrozi pe bază de WC prin metoda EV, figura 4.29 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

prin zonele galbene.

4.1.4. Determinarea rugozităţii suprafeţei

Rugozitatea suprafeţei este o componentă a texturii suprafeţei. Aceasta este

cuantificată prin abaterile în direcţia vectorului normal al unei suprafeţe reale de la

forma sa ideală.

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 figurile 4.31, 4.32 şi

4.33. 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 4.31. Analiza comparativă a rugozităţii medii Rz (μm) pentru proba martor şi cele

4 tipuri de depuneri.

Parametrul Rz 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 n / 2 goluri

în limitele lungimii de referinţă. După cum se observă din figura 4.31 cea mai mică

rugozitate a avut-o proba martor cu o valoare Rz de 11,37 μm, urmată de acoperirea cu

pulberi pe bază de WC prin metoda PTJP care are o valoare de aproximativ 12,79 μm.

Valoarea cea mai mare a lui Rz, de 42,76 μm, o are depunerea cu pulberi pe bază de Ni

prin metoda PTJP.


18

4.2. DETERMINAREA CARACTERISTICILOR MECANICE

4.2.1. 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 și 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 50 gf (HV50).

Figura 4.34. Analiza comparativă a microdurităţii probei martor și a celor 4 tipuri de

depuneri obţinute.

Din analiza graficului de variaţie a microdurității figura 4.34 se observă că toate cele

patru depuneri au microdurități mai mari decât ale materialului de bază care are o duritate

de aproximativ 280 HV.

Depunerea cu pulberi pe bază de Ni este cea mai dură depunere din toate cele patru

tipuri de depuneri. Din figura 4.34 se observă de asemenea că ambele tipuri de depuneri

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 realizate cu ajutorul microdurimetrului în secţiune s-

a dorit determinarea valorilor microdurității doar pentru stratul depus, astfel încât acestea

să nu fie influenţate de duritatea materialului de bază.

4.2.2. Analiza prin microamprentare a probelor martor și a probelor

depuse

Microamprentările s-au efectuat 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.

Se observă că depunerile prin metoda EV nu au diferențe foarte mari de elasticitate.

Dacă depunerea cu electrozi pe bază de WC prin metoda EV are valori medii ale elasticității de


19

aproximativ 15 GPa, depunerea cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV are valori ale

elasticității de aproximativ 5 ori mai mari decât a probelor depuse prin metoda PTJP.

Figura 4.42. 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 pulberi pe bază de WC are o valoare maximă de 12,36 GPa, iar depunerea cu

pulberi pe bază de Ni are o valoare maxima de 11,90 GPa figura 4.42. Din analiza

comparativă a elasticităţii (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

electrozi pe bază de Ni prin metoda EV care are o valoare mai mare.

4.2.3. 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-2) care se află în

dotarea laboratorului de Tribologie de la Facultatea de Mecanică din Iaşi. Cu ajutorul

programului echipamentului s-au calculat şi s-au reprezentat grafic următorii parametrii: variaţia

forţei de răspuns Fx (N), variaţia forţei de încărcare normală, Fz (N), variaţia forţei de frecare, Ff

(N) şi variaţia coeficientului de frecare, COF.

Metoda folosită pentru a testa cele 4 probe depuse cu pulberi / electrozi pe bază de WC și

Ni utilizate în cadrul tezei de doctorat este cea a încărcării progresive. Parametrii de testare sunt:

viteza de deplasare a penetratorului care este egală cu l mm/s, forţa de încărcare normală care

variază liniar de la 0 ÷ 19 N. Durata de încărcare a fost de 10 secunde şi lungimea pe care s-a

realizat încercarea de aderență a fost de 10 mm.

4.2.3.4. Analiza de aderenţă a probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni prin

metoda EV

Din analiza testelor de aderență efectuate pe probele depuse cu electrozi pe bază de

Ni prin metoda EV figura 4.52 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.


20

Figura 4.52. Graficul încercării la aderenţă ale probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni prin

metoda EV.

Aceste valori indică o aderență foarte bună a stratului depus cu electrozi pe bază

de Ni prin metoda EV la substrat.

Figura 4.53. Testele de aderență şi analiza profilometrică a probelor depuse cu electrozi pe

bază de Ni 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 imaginea obținută la SEM figura 4.53 c se observă că urma lăsată de către

penetrator pe stratul depus cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV are o adâncime

foarte mică, ceea înseamnă că stratul are o aderență bună.

4.3.2. Teste de electrocoroziune a probelor martor și a probelor depuse

Datele de impedanță electrochimică pentru proba martor și pentru probele depuse

obţinute la diverse perioade de timp: 10 min, 1 h, 10 h, în apă de ploaie acidă (apă acidă cu


21

pH 5.4), sunt prezentate în figura 4.60 (diagrame Nyquist) şi figura 4.61 a și b

(diagrame Bode).

Figura 4.60. Diagrama Nyquist pentru: a) proba martor; b) probele depuse; menținute

diferite perioade de timp în apă acidă, pH 5,4.

Figura 4.61. Diagramele Bode pentru: a) proba martor; b) probele depuse; menținute

diferite perioade de timp în apă acidă, pH 5,4.

În cazul probei martor ambele diagrame de impedanță indică prezența unei singure

constante de timp. Astfel modelarea datelor experimentale s-a efectuat cu ajutorul

circuitului echivalent prezentat în figura 4.62, iar rezultatele sunt prezentate în

tabelul 4.14. Se constată o scădere a valorii rezistenței, R1, care în acest caz reprezintă

rezistența transferului de sarcină. Stratul pasiv nu se mai formează în cazul depunerilor

prin metoda PTJP.

Pentru toate cele trei tipuri de depuneri studiate (una dintre cele patru tipuri de

depuneri, mai precis cea depusă cu pulberi pe bază de WC prin metoda PTJP nu a mai fost

studiată din cauza rezultatelor foarte slabe la electrocoroziune), se observă din datele

prezentate în tabelul 4.13 comportarea lor la electrocoroziune în apă acidă.

Se constată că ambele rezistențe ale transferului de sarcină (R1) cât şi rezistența

stratului de produși de coroziune (R2) sunt mici, de ordinul a 103kΩ cm

2 și scad cu

timpul de imersare.


22

În urma imersării în apă acidă, pH 5,4 proba martor neacoperită și probele depuse au

stratul pasiv deteriorat. Din datele prezentate în tabelul 4.13 se constată că rezistența

transferului de sarcină este de 20 de ori mai mare în cazul probei neacoperite față de cea

acoperită cu pulberi pe bază de Ni prin metoda PTJP. Exponentul n2 prezintă valori mici

datorate rugozității stratului de produși de coroziune.

Tabelul 4.14.Parametrii circuitului echivalent pentru probele acoperite și neacoperite

imersate la diferite perioade de timp în apă acidă pH 5,4

Proba R1

(Ω cm2)

Q1(F cm-2

sn-1

) n1 R2(Ω cm2) Q2(F cm

-2 s

n1) n2

După 10 minute de la imersare în apă acidă

Probă martor 44,6 x 103

1,9 x 10-5

0,81 - - -

Pulberi pe bază de Ni prin

metoda PTJP 2,2 x 10

3 3,5 x 10

-5 0,82 1,1 x 10

3 3,8 x 10

-4 0,75

Electrozi pe bază de WC prin

metoda EV 13,2 x10

3 2,5 x 10

-5 0,82 1,5 x 103

3,8 x 10-4

0,77

Electrozi pe bază de Ni prin

metoda EV 22 x 10

3 2,3 x 10

-5 0,81 1,7 x 103

3,8 x 10-4

0,77

După60 minute de la imersare în apă acidă

Probă martor 41,4 x 103

1,9 x 10-5

0,81 - - -



3 3,6 x 10

-5 0,81 1,1 x 10

3 3,8 x 10

-5 0,73


metoda EV 3,2 x10

3 3,1 x 10

-5 0,81 1,1 x103

3,7 x 10-5 0,75


metoda EV 19,1 x 10

3 2,4 x 10

-5 0,81 - - -

După600minute de la imersare în apă acidă

Proba martor 22,5 x 103

2,3 x 10-5

0,81 - - -



3 4,1 x 10

-5 0,80 1,1 x 10

3 3,9 x 10

-5 0,69


metoda EV 1,4 x 10

3 4,1 x 10

-5 0,80 1,1 x 103

3,9 x 10-5 0.72


metoda EV 8,1 x 10

3 2,9 x 10

-5 0,80 4,3 x 103

3,3 x 10-5 0,75

În tabelul 4.13 se observă că rezistența 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 soluție).

Cu ajutorul microscopiei electronice se constată apariția produșilor de coroziune

figura 4.64 mai ales în cazul depunerilor cu pulberi pe bază de Ni prin metoda PTJP. De

asemenea pentru toate cele 4 probe, coroziunea este uniformă, dar mai puțin vizibilă pentru

proba electrozi pe bază de Ni prin metoda EV.

Cea mai bună rezistență la agenți chimici o are proba acoperită cu electrozi pe bază

de Ni prin metoda EV. Se observă că depunerile prin metoda EV sunt mult mai bune din

punct de vedere al rezistenței la coroziune decât cele depuse prin metoda PTJP.

Depunerea prin metoda PTJP cu pulberi pe bază de WC a fost atât de dezavantajoasă

încât rezultatele nici nu au mai fost trecute în tabel şi pe grafic.


23

Figura 4.65. Analizele SEM a probelor imersate timp de 600 de minute în apă acidă,

pH 5,4: a) probă martor; b) probă depusă cu pulberi pe bază de Ni prin metoda PTJP;

c) probă depusă cu electrozi pe bază de WC prin metoda EV; d) probă depusă cu electrozi

pe bază de Ni prin 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.

CAPITOLUL 5

INSTALAŢIE UTILIZATĂ PENTRU STUDIUL UZURII

HIDROABRAZIVE

În literatura de specialitate pentru studiul hidrodinamicii, curgerii fluidelor specifice

mașinilor 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) și de testare a

hidroabraziunii prezentată în figura 5.1, care a fost dezvoltată de către inventatorii Preece

și Brunton (C.M. Preece et al., 1980).

5.1. CONCEPŢIE

Ca urmare a dezavantajelor de ordin constructiv şi funcțional ale instalaților

prezentate anterior a fost concepută o instalație astfel încât uzura probelor să aibă loc în

condiţii similare celor din funcționare (a paletelor de turbină), dar realizate în laborator.

Instalația concepută va fi utilizată pentru a testa la hidroabraziune probele din materialul

de bază, precum și probele depuse prin cele două metode (metoda PTJP și metoda EV).

Instalaţia concepută pentru testarea uzurii hidroabrazive trebuie să permită realizarea

următoarele tipuri de reglaje:


24

reglarea unghiului de incidență (unghiul de atac) (α). Este unghiul la care

este poziționată proba față de direcția generală de curgere a fluidului (figura 5.2).

Figura 5.2. 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 v este viteza cu care fluidul din instalație se deplasează pe

circumferință. Circumferința de testare este data de distanța de la axul motorului la probă.

reglarea distanței dintre axul motorului şi probă. În figura 5.3 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 5.3. 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

face prin poziționarea probelor pe o tijă mai apropiată sau mai îndepărtată față de baza

rezervorului figura 5.4.

Figura 5.4. Reglarea înălțimii (H) probei față de baza rezervorului:

1)vaxul motorului; 2) tijă cu filet și mecanism de prindere a probei; 3) probă.

reglarea vitezei de rotație a axului figura 5.5. 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.


25

5.2. PROIECTARE

Proiectarea părții mecanice a instalaţiei de testare a uzurii hidroabrazive, întâlnită la

paletelor de turbină şi la paletelor de ghidare, a fost proiectată 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

de un motor cu viteze reglabile. La celălalt capăt al axului este realizat un sistem de

prindere pe care sunt montate probele (figura 5.6).

a)

b)

Figura 5.6. 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 turație variabilă,

acesta având o tensiune de 60 V;

un circuit de alimentare pentru instrumentele de măsurare care au o tensiune

de alimentare de 18 V.


26

În figura 5.7 este prezentată schema bloc a instalaţiei experimentale proiectată în

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;

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 5.7. Schema bloc a instalaţiei experimentale.

Pe circuitul de alimentare de la rețeaua cu o tensiune de 220V sunt montate o

siguranță şi un întrerupător. Prezenţa curentului de alimentare este semnalizată prin becul

B care este în paralel cu transformatorul de alimentare T prevăzut cu un circuit secundar de

60 de V ce urmează a fi transformat în curent continuu de către celula de redresare D şi

condensatorul electric C.

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


27

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 acesta 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 5.8.

Figura 5.8. Schema electrică a instalaţiei de testare a uzurii hidroabrazive proiectată şi

testată cu ajutorul programului Circuit Wizard.

Proiectarea schițelor de circuit s-a 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.

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.

5.3. REALIZARE

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, comutator de reglare

a direcţiei motorului, afişaj termocuplu, ampermetru cu voltmetru figura 5.9.


28

Figura 5.9. Instalaţia de testare a uzurii hidroabrazive cu panoul de comandă şi

control.

În figura 5.13 sunt prezentate componentele din interiorul panoului de comandă

şi control.

Figura 5.13. 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 prezintă următoarele tipuri de reglaje:

reglarea unghiului de incidență figura 5.14;

Figura 5.14. Reglarea unghiului de incidență.


29

viteza periferică v figura 5.15;

Figura 5.15. Reglarea vitezei periferice.

reglarea distanței dintre axul motorului şi probă figura 5.16;

Figura 5.16. Reglarea distanţei dintre axul motorului şi probă.

reglarea distanței probei faţă de baza rezervorului figura 5.17;

Figura 5.17. Reglarea înălțimii probei faţă de baza rezervorului.

reglarea vitezei de rotație a axului figura 5.18;

Figura 5.18. Reglarea vitezei de rotaţie a motorului

(numărul de rotații indicat de tahometru).

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


30

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 5.19.

Figura 5.19. 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) bypass; 13)circuit imprimat.

Circuitul Wizard Professional Edition este o soluție completă şi fiabilă de proiectare

electronică care oferă diagrame de circuit şi care permite efectuarea simulării PCB.

5.4. TESTARE

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 5.20 şi figura 5.21), ceea ce accentuează hidroabraziunea, reducând timpul de

efectuare a testelor.

Figura 5.20. Analiza microscopică a pulberilor de carborund:

a) 100 X; b) 200 X; c) 400 X.

Figura 5.21. Analiza SEM a pulberilor de carborund:

a) 250 X; b) 750 X; c) dimensiune particule.


31

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.

CAPITOLUL 6

UZURA HIDROABRAZIVĂ

6.1. TESTELE DE UZURA HIDROABRAZIVĂ

Testele de uzură hidroabrazivă au fost realizate cu ajutorul instalaţiei concepută şi

prezentată în capitolul 5, folosind ca mediu de testare apa demineralizată cu suspensii de

carborund. Mediul de hidroabraziune şi parametrii de lucru ai instalaţiei cât și parametrii

de testare sunt prezentaţi în tabelul 6.1.

Tabelul 6.1.Parametrii de lucru ai instalaţiei

Denumire Simbol Unitate de

măsura

Valoare

Detalii rezervor

Diametrul rezervorului Dr [mm] 300

Nivelul de umplere Hu [mm] 150

Nivelul de umplere/diametrului rezervorului Hu/Dr [-] 1/2

Tip de agitator

Unghi de incidență Ua grade 4x45°

Diametrul agitatorului (axa centrală a probei) Da [mm] 120

Proporţie adimensională a diametrului Dr/Da [-] 0.6

Înălţimea medie de instalare a agitatorului Ha [mm] 40

Înălţimea relativă de instalare a agitatorului Ha/Da [-] 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 de un motor

la se care poate regla viteza. La celălalt capăt al axului se regăseşte 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, ca diferenţă între masa iniţială a probei şi masa după testare.

Perioada de testare 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 a probelor testate la uzură hidroabrazivă până la 100 de

ore, au fost înregistrate tabelul 6.2, respectiv tabelul 6.3, iar cele până la 500 de ore au

fost consemnate în tabelul 6.4 respectiv în tabelul 6.5.


32


33


34

Cercetări privind rezistența la uzură hidroabrazivă a straturilor subţiri depuse pe inoxidabile speciale

35


36

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.

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 6.1.

Figura 6.1. Prezentarea schematică a curenţilor turbionari datoraţi neuniformităţilor de pe

suprafaţă.

Se observă astfel că, atât pulberile, cât şi electrozii pe bază de Ni, utilizați la realizarea

depunerilor de straturi subțiri prezintă o rezistenţă mai mare la hidroabraziune decât cele

realizate folosind pulberi și electrozi pe bază de WC pentru cele două metode de depunere

(metoda PTJP, respectiv metoda EV).

Pulberile / electrozii pe bază de WC are ca principal element W, care se topeşte la

temperaturi de peste 3000 0C, găsindu-se în stare vâscoasă (parţial topit) atât la metoda PTJP, cât

la metoda EV. Pulberile / electrozii pe bază de Ni conţin 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.

Figura 6.2. Schema de reprezentare a tensiunilor superficiale ale picăturilor formate la

depunerea prin metoda EV: a) depunerea cu electrozi pe bază de WC; b) depunerea cu electrozi

pe bază de Ni.

Tensiunea superficială a picăturilor de electrod pe bază de WC este mai mare, ceea ce face

ca suprafaţa depusă cu acest material să fie rugoasă cu denivelări neaplatizate formate din

picături sferoidale figura 6.2.

În tabelul 6.6 sunt prezentate valorile pierderilor de masă medii pe probă pentru probele martor

și pentru toate tipurile de depuneri care au fost testate de uzură hidroabrazivă și care sunt

necesare pentru a calcula ulterior pierderile de masă medii pe cm2, valori care sunt prezentate în

tabelul 6.7.

Analizând graficele de uzură hidroabrazivă în care sunt reprezentate valorile obținute până

la 100 de ore de testare figura 6.3 și tabelul 6.7, se observă o uzură hidroabrazivă mai intensă la

toate probele testate, lucru datorat uzurii vârfurilor de rugozitate ale probelor.

Rugozitatea probelor este relativ mare, deoarece în timpul depunerii (metoda PTJP şi

metoda EV) se formează pe suprafaţă suprapuneri de material de depunere, stropi parţial topiţi şi

înglobaţi în microbăile metalice solidificate etc. Aceste proeminenţe de pe suprafaţă, în timpul

testării în lichidul cu particule abrazive, creează microturbulențe ce erodează zona de exterior

smulgând oxizi şi stropi parţial topiţi, formaţi în urma depunerii prin cele două metode.


37


38


39

După primele 100 de ore de testare la uzură hidroabrazivă se observă netezirea suprafeţelor

probelor depuse, datorită şlefuirii vârfurilor mari al stratului subțire și o scădere a intensităţii

uzurii hidroabrazive figura 6.3. 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. Probele cu rezultatele cele mai bune la testele de uzură

hidroabrazivă au fost cele depuse cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV figura 6.4.

Se observă că straturile depuse 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 prin depunerea unui strat de grosime mai mare, lucru posibil la acest tip de depunere şi

mai puţin posibil la depunerea prin metoda EV, unde grosimea de strat maxim admisibilă nu

poate fi depăşită.

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.

6.2. ANALIZA SEM A PROBELOR TESTATE LA UZURĂ

HIDROABRAZIVĂ TIMP DE 500 DE ORE

Depunerile cu pulberi pe bază de Ni depuse prin metoda PTJP au o uzură neuniformă,

aceasta fiind mai pronunțată printre picăturile şi stropii ce se formează. Zonele dintre picături

au o hidroabraziune mai puternică datorită turbulențelor care apar la contactul apei

demineralizate din instalația de testare a uzurii hidroabrazive cu denivelările de la nivelul

suprafeţei formate de picături figura 6.10.

Figura 6.10. Analiza microscopică SEM a probelor depuse cu pulberi pe bază de Ni prin metoda

PTJP testate la hidroabraziune timp de 500 de ore:

a) 250 X; b) 750 X; c) 1250 X; d) 5000 X.


40


chimice pe strat a probelor depuse cu pulberi pe bază de Ni prin metoda PTJP testate la

hidroabraziune timp de 500 de ore: a) zona analizată; b) repartiția tuturor elementelor.

Din analiza EDX figura 6.11 realizată pe proba depusă cu pulberi pe bază de Ni prin metoda

PTJP se observă că suprafața stratului subțire are zone întinse de nichel (pe zona unde picăturile au fost

compacte) iar acolo unde suprafața depusă nu a fost compactă (la marginea picăturilor) hidroabraziunea

s-a manifestat mai pregnant, lucru care a dus la apariția unor zone cu o cantitate mare de fier.

Din harta de distribuție a elementelor chimice figura 6.11 realizată cu ajutorul sondei EDX se

observă și prezența unor cantități mari de siliciu între picături, acesta provenind din carbura de siliciu

(carbura de siliciu).

6.2.3.2. Analiza SEM a probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV

Proba care rezistă cel mai bine la hidroabraziune este proba depusă prin metoda EV cu

electrozi pe bază de Ni. 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 dar și a 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 procesul de depunere.

Figura 6.14. Analiza microscopică SEM a probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni prin metoda

EV testate la hidroabraziune timp de 500 de ore: 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 6.14.


41


chimice pe strat a probelor depuse cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV testate la

hidroabraziune timp de 500 de ore: a) zona analizată; b) repartiția tuturor elementelor.

Analiza EDX figura 6.15 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.

CONCLUZII FINALE, CONTRIBUȚII PERSONALE,

PERSPECTIVE DE CERCETARE

CONCLUZII FINALE

Prin finalizarea acestei teme am obţinut un ansamblu metalic compus din materiale

realizate prin depunerea de 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, în industria producătoare de energie electrică, industria constructoare de utilaje

agricole, la crearea de palete de turbină ale hidrocentralelor, industria petrochimică și industria

navală (elicea vapoarelor).

Concluziile finale cu privire la cercetările experimentale privind rezistența la uzură

hidroabrazivă a straturilor subțiri depuse pe oțeluri inoxidabile speciale au în vedere

următoarele:

• o bună rezistenţă la uzură hidroabrazivă o au straturile depuse cu aliaje pe bază de

wolfram, care au în componenţă carbon şi cobalt și cu aliaje pe bază de nichel, care au

în compoziţie crom și bor;

• cu cât duritatea materialului de bază pe care se va depune stratul pe bază de wolfram

și stratul pe bază de nichel utilizat la realizarea de acoperiri dure este mai mare, cu

atât materialul obținut prin depunere va avea o rezistenţă mai bună la uzură

hidroabrazivă;

• piesele din componenţa turbinelor şi pompelor hidraulice care sunt supuse cel mai mult

la hidroabraziune sunt rotorul şi paletele sale, de aceea testele au fost realizate pe

materiale din care sunt confecționate paletele de turbină;

• uzura hidroabrazivă poate fi definită ca fiind un fenomen complex care apare la generatoarele

şi motoarele hidraulice prin care tranzitează fluide ce conțin particule abrazive;


42

• particulele care provoacă cele mai mari daune la paletele rotorului turbinei Pelton sunt

cele mai 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;

• rugozitatea influențează modul de acționare a jetului de lucru prin posibilitatea apariției

de zone cu microturbulențe.

• rugozităţile medii se întâlnesc la metoda electrodului vibrator lucru datorat, atât

tehnologiei de depunere, cât şi formării băii de topire strat - substrat care aplatizează

forma picăturilor ce constituie stratul de depunere;

• la depunerea cu jet de plasmă rugozitatea este influenţată de granulaţia pulberilor. La

depunerea cu pulberi pe bază de Ni, care are o granulaţie mai grosolană, rugozitatea este

mai mare (Ra = 7,79 μm) faţă de depunerea cu pulberi pe bază de WC, care are o

rugozitate mai mică (Ra = 3,86 μm), datorită pulberii mai fine;

• depunerile cu pulberi / electrozi pe bază de WC au în compoziţie mai mult de 80 %

wolfram, ceea ce ar trebui să ducă la obţinerea de straturi deosebit de dure. Analiza

microdurităţii arată însă o duritate mai ridicată a depunerilor cu pulberi / electrozi pe

bază de Ni care are ca principal component chimic nichelul, 75 %, acest lucru

datorându-se însă prezenţei borului. Acest element, chiar în procente mai mici de 0,2 %,

duce la creşterea durităţii, rezistenţei mecanice şi a tenacităţii;

• procentul de bor, în cazul pulberilor pe bază de Ni, este de 3,1 ÷ 3,5 %, o cantitate

suficient de mare să formeze compuşi complecşi, duri de Fe, Cr, Ni şi Mo. Analizând

mai atent compoziţia chimică a celor două tipuri de depunere se observă că pulberile /

electrozii pe bază de Ni au în compoziţie şi o cantitate semnificativă de bor, care este şi

elementul principal care face ca depunerea cu pulberi / electrozi pe bază de Ni să fie mai

dură decât cea cu pulberi / electrozi pe bază de WC;

• electrodul pe bază de Ni conține 15 % Cr, 3 % B, 75 % Ni, de asemenea și materialul de

bază conține Ni, Cr, ceea ce conduce la o aderență foarte bună între acestea prin

coerența dintre substrat și stratul depus;

• depunerile prin metoda EV cu electrozi pe bază de Ni, comparativ cu depunerea cu

electrozi pe bază de WC și cu depunerile prin 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);

• nichelul nu are o duritate ridicată, dar pentru rezistența la hidroabraziune mai

importante sunt aderența la substrat, tenacitatea și calitatea stratului depus (să fie fără

microaderențe, microfisuri, goluri și arderi). Aderența bună este dată de prezenţa

nichelului, 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 grăunți.


43

CONTRIBUȚII PERSONALE

Aplicabilitatea acestei teme reiese din faptul că 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.

Principalele contribuții personale sunt:

• instalația concepută pentru testarea la uzură hidroabrazivă este originală şi dispune de mai

multe tipuri de reglaje cum ar fi: unghiul de incidență, distanța dintre probe, viteza

periferică diferită, înălţimea diferită față de baza rezervorului;

• am realizat o instalație de testare a uzurii hidroabrazive 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 caracterizat din punct de vedere microstructural, chimic și mecanic straturile depuse pe

materialul de bază GX3CrNi134;

• am efectuat investigații metalografice cu privire la structurile materialelor depuse cu

ajutorul microscopului optic, care apoi au fost investigate cu tehnici moderne: analiza

2D/3D prin microscopie electronică;

• am analizat microscopic depunerile cu pulberi pe bază de WC depuse prin metoda PTJP,

iar acestea prezintă o suprafaţă cu aspect granular fin, cu puține microparticule netopite

înglobate în suprafaţă, microexfolieri şi microaderenţe;

• am obținut straturi subțiri cu pulberi pe bază de Ni 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;

• am examinat electromagnetic, cu ajutorul curenților turbionari, straturile depuse și din

imaginile obținute prin prelucrare se observă că cea mai bună aderență o are proba depusă

cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV, iar suprafaţa realizată prin această depunere

este cea mai compactă;

• testele de rugozitate efectuate pe depunerile obținute prin metoda PTJP au pus în evidenţă

variaţii mari ale valorilor rugozităţii Rz pentru cele două tipuri de depuneri, variaţie care poate

fi cauzată de granulaţiile diferite ale pulberilor, deoarece o rugozitate mare duce la crearea de

microturbulențe care accentuează hidroabraziunea;

• au fost efectuate determinări cu privire la microduritățile obținute pe cele patru depuneri și

s-a observat că toate cele patru straturi depuse au microdurități mai mari decât a

materialului de bază (280 HV) și că depunerile cu pulberi / electrozi pe bază de Ni sunt

mai dure decât depunerile cu pulberi / electrozi pe bază de WC pentru ambele metode de

depunere;

• am realizat teste de microamprentare și am comparat elasticitatea depunerilor obținute

(modulul lui Young) și s-a observat că trei din cele patru depuneri au module de elasticitate

mai mici decât ale materialului de bază (acesta fiind de aproximativ 44,6 GPa), excepţie

făcând depunerea cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV care are o valoare mai mare;


44

• am identificat prin testele de microaderență că cea mai bună aderență la substrat o are

stratul depus cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV;

• am realizat teste de electrocoroziune și am identificat că cele mai bune rezistenţe la

coroziune le au probele depuse cu electrozi pe bază de Ni prin metoda EV, de

asemenea am observat că depunerile cu electrozi pe bază de Ni și WC prin metoda EV

sunt mult mai bune din punct de vedere a rezistenţei la coroziune decât cele depuse

prin metoda PTJP;

• testele de hidroabraziune au pus în evidenţă că proba depusă cu electrozi pe bază de Ni prin

metoda EV are rezistenţa cea mai bună la uzură hidroabrazivă. Aceasta se datorează

prezenţei borului, care este în cantitate suficientă pentru a determina creșterea proprietăţilor

mecanice (duritate, tenacitate) și pentru a forma boruri complexe, dure, mici ca dimensiuni,

situați pe marginile grăunţilor ferito-martensitici ai materialului de bază.

PERSPECTIVE DE CERCETARE

Tema abordează mai multe domenii de cercetare de mare interes științific şi poate

determina perspective pentru noi direcții de cercetare:

• pe baza studiilor realizate prin diverse metode de depunere prin metalizare termică se pot

realiza cercetări ulterioare cu privire la depunerea straturilor subțiri care pot fi utilizate

pentru aplicații diverse cum ar fi pompe de noroi sau agitatoare chimice, echipamente care

amestecă lichide cu conținut mare de particule abrazive;

• domeniul depunerilor suprafețelor metalice prin pulverizare în jet de plasmă oferă diverse

posibilități de modificare a parametrilor de depunere (distanța de pulverizare, presiunea

gazului purtător al pulberi, tipul de pulbere folosită, 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;

• instalația realizată poate fi folosită pentru continuarea cercetărilor care să aibă în vedere

testarea uzurii hidroabrazive prin variaţia unor parametri cum ar fi: înălțimea față de baza

rezervorului, viteza periferică a probei, distanța față de axul motorului etc.

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

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, pp.265÷263;

2. Anton, I., (1979), Turbine Hidraulice; Ed. Facla, Timişoara, pp. 123÷134;

3. Avram P., (2015), Îmbunătăţirea proprietăților fizico-mecanice ale rolelor de ghidare prin

depuneri termice, Iași pp. 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, pp. 18÷22;

5. Bordeaşu I., (2006), Eroziunea cavitaţională a materialelor, Ed. Politehnica, Timişoara

pp. 78÷62;

6. Brânzea N., (2016), Tehnici de recondiționare prin metalizare - Laborator RRP, pp. 3÷4;


45

7. 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 pp. 53÷64;

8. Câmpian V.C., (2003), Turbine hidraulice de mică putere şi microturbine. Principii de

funcţionare. Soluţii constructive, Ed. Orizonturi Universitare, ISBN 973-638-036-X,

Timişoara,pp. 23÷28;

9. Ciobanu, B., (2008), Turbo maşini hidraulice – Partea I Hidrogeneratoare, Iaşi, pp. 108÷109;

10. Florea J., Petrovici T., Robescu D., Stamatoiu D., (1987), Dinamica fluidelor polifazice și

aplicațiile tehnice, Ed. Tehnica , București pp. 409÷430;

11. Florescu I. (2007), Maşini hidraulice - Note de curs pentru uzul studenţilor, Ed. Alma

Mater, Bacău, pp.18÷19;

12. Neopane, H. P., Dahlhaug O. G., Thapa B., (2007), Alternative Design of a Francis Turbine

for sand-ladenwater, International Conference on Small Hydropower - Hydro Sri Lanka, Sri

Lanka, Kendy, pp. 78÷99;

13. 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, pp. 31÷49;

14. Palamarciuc I., Galusca D., Țugui C. A., Nutescu C., (2015), Contamination of steels in

petroleum products, International Conference BRAMAT, Advanced Materials Research,

Vol. 1128, pp. 378÷383;

15. Perju M. C, Țugui C.A., Nejneru C., (2015) Assessment of Synthetic Quenching Media for

Hardening, International Conference, Innovative Research, Key Engineering Materials Vol.

660, pp. 143 ÷ 149;

16. Preece C.M.; Brunton J.H., (1980), Liquid impact erosion of Al-Mg and Al-Cu alioys, WEAR

Vol.60, pp. 249÷308;

17. Preece C.M.; Brunton J.H., Lawn R.F., (1980), A comparison of liquid impact erosion and

cavitation erosion, WEAR, Vol.60, no 1, pp. 269÷284;

18. Thapa B., (2004), Sand erosion in hydraulic machinery, PhD thesis, Trondheim:

Norwegian University of Scienceand Technology, Faculty of Engineering

Science and Technology, pp. 59÷62;

19. Țugui C.A, Axinte M., Nejneru C., Vizureanu P., Perju M.C., Chicet D., (2015) Active

Screen Plasma Nitriding Efficiencyand Ecology, Applied Mechanicsand Materials, Vol. 657,

pp. 369÷373;

20. Țugui C.A, Nejneru C., Găluşcă D. G., Perju M.C., Axinte M., Cimpoeşu N., Vizureanu P.,

(2015), The influence of the al depositionby MOC-CVD method on stainless steel thermal

conductivity depending on the substrate roughness, International Conference BRAMAT,

Journal of OptoelectronicsandAdvanced Materials-17, pp. 855÷861(Fi=0,35);

21. Țugui 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 Mechanicsand Materials, Vol. 809-810, pp. 417÷422;

22. Uetz, H, (1986) Abrasionund Erosion, München Wien: Carl Hanser Verlag pp. 26÷29.


46

LISTĂ LUCRĂRI

A. Articole publicate în reviste cotate ISI în domeniul tezei de doctorat

1. C. A. ȚUGUI, M. AXINTE, C. NEJNERU, P. VIZUREANU, M. Cristina PERJU, D.

CHICET, Active Screen Plasma Nitriding Efficiency and Ecology, IMANE - Innovative

Manufacturing Engineering International Conference, Applied Mechanics and Materials,

Vol. 657, 2015, pp. 369÷373;

2. C. A. ȚUGUI, C. NEJNERU, D. G. GĂLUŞCĂ, M. C. PERJU, M. AXINTE, N.

CIMPOEŞU, P. VIZUREANU, 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,

Vol. 17, 11-12, 2015, pp. 1855÷1861.

B. Articole publicate în reviste cotate ISI în domenii conexe tezei de doctorat

1. I. PALAMARCIUC, D. GALUSCA, C. A. ȚUGUI, C. NUTESCU, Contamination of

Steels in Petroleum Products, International Conference BRAMAT, Advanced Materials

Research Vol. 1128, 2015, pp. 378÷383.

C. Articole publicate în reviste cotate BDI în domeniul tezei de doctorat

1. C. A. ȚUGUI, P. VIZUREANU, C. NEJNERU, M. C. PERJU, M. AXINTE, 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, Vol. 809-810, 2015, pp.

417÷422;

2. C. A. ȚUGUI, P VIZUREANU , N. IFTIMIE and R. STEIGMANN, Some aspects over

the quality of thin films deposited on special steels used in hydraulic blades, ACME -

International Conference on Advanced Concepts in Mechanical Engineering, Materials

Science and Engineering, Vol. 147, 2016, pp. 1÷6;

3. C. A. ȚUGUI, P. Vizureanu, A. SAVIN, N. IFTIMIE, M. C. PERJU, N. CIMPOESU,

C. NEJNERU, Quality Control of Thin Films Deposited on Special Steels Used in

Hydraulic Blades, International Conference TIMA - Innovative technologies for joining

advanced materials, Advanced Materials Research, Vol. 1138, pp. 62÷68.


47

D. Articole publicate în reviste cotate BDI în domenii conexe tezei de doctorat

1. M. C. PERJU, C. A. ȚUGUI, C. NEJNERU, Assessment of Synthetic Quenching Media

for Hardening, International Conference, Innovative Research, Key Engineering

Materials Vol. 660 (2015), pp. 143÷149;

2. M. AXINTE, M. C. PERJU, C. NEJNERU, C. A. ŢUGUI, Unconventionally

Microstructure Behaviour Analysis For W1.8507, International Conference TEME,

Analele Universității Dunărea de Jos din Galați, Year XXXI, November 2013, Special

Issue 2013, ISSN 1453-083X, pp. 18÷23;

3. I. HOPULELE, C. NEJNERU, M. AXINTE, M. C. PERJU, C. A. ȚUGUI, Researches

on the emulsified oil synthetic quenching environment, International Conference New

Technologies and Products in Machine Manufacturing Technologies, Tehnomus Journal,

Special Issue 2014, ISSN-1224-029X.

E. Articole publicate în reviste cotate B

1. C. A. ȚUGUI, P. VIZUREANU, D. C. ACHIȚEI, I. PALAMARCIUC, A. V. SANDU,

The Analysis of the Alloy AlCu4Mg1,5Mn Used in the Construction of Utility Aircrafts,

International Conference AFASES, Brașov, Special ISSUE 2014, ISSN-L:2247-3173.

F. Lucrări prezentate la conferințe internaționale

1. C. A. ȚUGUI, P. VIZUREANU, D. C. ACHIȚEI, I. PALAMARCIUC, A. V. SANDU,

The Analysis of the Alloy AlCu4Mg1,5Mn Used in the Construction of Utility Aircrafts,

International Conference AFASES, Brașov;

2. C. A. ȚUGUI, M. AXINTE, C. NEJNERU, P. VIZUREANU, M. C. PERJU, D.

CHICET, Active Screen Plasma Nitriding Efficiency and Ecology, International

Conference IMANE, Chișinau.

Documents

REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT · Criterii de clasificare a turbinelor hidraulice 32 1.5.2. Construcția turbinelor hidraulice 34 1.6. UZURA HIDROABRAZIVĂ A PALETELOR TURBINELOR HIDRAULICE