DOKTORANDUSZOK FÓRUMA Sályi István Gépészeti Tudományok Doktori Iskola

Átírás

1 DOKTORANDUSZOK FÓRUMA Sályi István Gépészeti Tudományok Doktori Iskola TERMIKUS SZÓRÁSSAL KÉSZÜLT, NiCrBSi BEVONATOK MINŐSÉGÉNEK JAVÍTÁSA LÉZER SUGÁRRAL VÉGZETT ÚJRAOLVASZTÁSSAL Molnár András PhD hallgató témavezetők: Dr. Balogh András egyetemi docens Dr. Búza Gábor egyetemi tanár 1

2 Az újraolvasztás célja és értelme CÉL: Olyan alkatrészek gyártása, amelyek kifáradási tulajdonságai megegyeznek és a tribológiai tulajdonságaik jobbak az eredeti alapanyagból készültekénél és a bevonat teljes keresztmetszetében érvényesülnek a megolvasztott bevonat anyagának kedvezőbb tulajdonságai 2

3 Termikus szórás Eljárások LV Flame spraying HVOF Thermal spraying Plasma spraying Hideg szórás 3

4 Termikus szórással készült NiCrBSi bevonatok Termikus szórással készült bevonat szerkezete Kissebességű (LV) eljárással készült bevonat Nagysebességű (HVOF) eljárással készült bevonat 4

5 Termikus szórással készült bevonatok kötésszilárdság és keménység térképe Andrew Siao Ang, Noppakun Sanpo, Mitchell L. Sesso, Sun Yung Kim and Christpher C. Berndt: Properties-performance maps for designing thermal spray coatings Industrial Research Institut Swinburne, Australia 5

6 Termikus szórással készült bevonatok kötésszilárdság és keménység térképe Andrew Siao Ang, Noppakun Sanpo, Mitchell L. Sesso, Sun Yung Kim and Christpher C. Berndt: Properties-performance maps for designing thermal spray coatings Industrial Research Institut Swinburne, Australia 6

7 A NiCrBSi anyagú szórt réteg minőségének javítása Hogyan tudom javítani a szórt réteg tulajdonságait A szórási művelet alatt Olyan szórási módszert választok, amely nagyobb kötésszilárdságú és tömörebb réteget ad: plazmaszórás, nagysebességű szórás, robbantó szórás, esetleg kombinált eljárás (nagysebességű robbantó szórás), hideg szórás (CGS). A szórt réteg újraolvasztása: a réteg megolvasztása lánggal védőgázas kemencében, vákuum kemencében olvasztás nagyfrekvenciás árammal megolvasztás koncentrált fény-nyalábbal, megolvasztás lézersugárral Melyek ezek előnyei hátrányai 7

8 Lézersugárral végzett újra olvasztás CO 2 lézer NdYag lézer Dióda lézer (HPDDL) 8

9 Lézersugárral végzett újra olvasztás 9

10 Lézersugárral újra olvasztott NiCrBSi bevonat HVOF termikus szórással készült réteg Lézersugárral megolvasztott réteg 10

11 Milyen hátrányokkal jár a réteg megolvasztása Maradó feszültségek létrejötte A kezelt alkatrész beépítési méretei megváltoznak (deformáció) Az alapfém hőkezelési állapota megváltozik, A szórt réteg összetétele megváltozik (ötvözők kiégése, keményfázis csökkenése) A megolvasztott réteg alapanyaggal való felhígulása (keveredése) ezáltal csökken a réteg használhatósága. Hogyan lehet ezeket a hátrányokat mérsékelni 11

12 A megolvasztott réteg felhígulása (keveredése) az alapfémmel 12

13 Keménységmérések eredményinek személtetése A mikro-keménységmérés eredményei a szórt rétegben A mikro-keménységmérés eredményei a megolvasztott rétegben Jelentős a felhígulás (széles az átmeneti zóna, mely a keménységi értékekben is megmutatkozik) 13

14 Elektronmikroszkópos (SEM) vizsgálatok Cél: A felhígulás ellenőrzése, az egyes ötvözők kiégése, Pontbeli, vonal-menti és felületi elemzések 14

15 Feltevések (Hipotézisek) 1. hipotézis Az alkatrész, vagy szerszám élettartama azért rövidebb (olykor a felére is csökken az élettartam), mert a bevonat elkészítésekor (szórás, olvasztás) a jelentős hő-bevitel maradó feszültséget idéz elő Alapanyagban (főleg a hőhatás övezetben), Az alapanyag-réteg határ zónájában (keveredési, hígulási övezet), Magában a rétegben. 2. hipotézis A maradó feszültségek - elsősorban húzó feszültségek különösen rontják a fáradási jellemzőket. 3. hipotézis Amennyiben a maradó húzó feszültséget megszüntetjük, vagy nyomó feszültségekké alakítjuk akkor a kifáradási jellemzők javulni fognak 4. hipotézis A NiCrBSi rétegben kialakuló maradó feszültséget célszerű még annak meleg állapotában valamilyen mechanikus módszerrel (pl. görgőzés, sörétszórás), csökkenteni. 15

16 Feltevések (Hipotézisek) 5. hipotézis Célszerű az megolvasztott bevonattal ellátott munkadarabot eredeti állapotának megfelelő hőkezelési állapotba hozni úgy, hogy a réteg kötése az alapfémhez metallurgiai jellegű (hegesztett) legyen kvázi 0 felhígulás, 0 porozitás és lehetőleg nyomó maradó feszültségek mellet. 6. hipotézis Amennyiben a bevonatban olyan nyomó maradó feszültségek vannak, amelyek az üzemi igénybevétel során keletkező húzófeszültségek következtében 0-ra csökkennek akkor feltehetően optimális lesz az alkatrész kifáradási határa. 7. hipotézis Egy alkatrész gyártása szempontjából nem elegendő a klasszikus technológia alkalmazása, mely szerint: adott hőfokra való előmelegítés, felszórás, a réteg megolvasztása, majd lassú lehűtése. A gyártás során szükséges a maradó feszültségek csökkentésére irányuló valamilyen módszer alkalmazása és az alaptest anyagára jellemző hőkezelés alkalmazása. 8. hipotézis A réteg lézersugaras megolvasztása során alkalmazott lézersugár jelentős kinetikus energiája a réteg alapanyaggal való felhígulását okozza ezt kerülni kell. 16

17 A maradó feszültségek csökkentése Lézersugár impulzusokkal való kezelés (Laser shock peening) Szemcseszórás (Ball shooting) Hengerlés (Deep rolling) 17

18 A maradó feszültségek csökkentése utáni fárasztó vizsgálatok eredménye A különböző hőmérsékleteken (25 oc, 250 oc és 450 oc ) és különböző mechanikai feszültségekkel terhelt (670 MPa, 550 MPa és 460 MPa) fárasztó vizsgálatok egyértelműen azt mutatják, hogy a felszórt újraolvasztott réteggel ellátott munkadaraboknál jobb eredményt mutat a lézer-impulzusos kezelés és ezeket jóval meghaladja a görgőzés (deep rolling) utáni eredmény* R. K. Nalla, I.- Altenberger, U. Noster, G. Liu, B Scholtes and R.O Ritchie :On the influence of mechanical surface treatments deep rolling and laser shock peening on the fatigue behavior of Ti 6Al 4V at ambient and elevated temperatures Materials Science and Engineering: A Volume 355, Issues 1 2, 25 August 2003, Pages

19 Maradó feszültségek A rétegben keletkező feszültségek szemléltetése a megolvasztás közben Y.C. Tsui, T.W. Clyne, Thin Solid Films, 306 (1997), A réteg/alaptest rendszerben keletkező feszültségek hűlés közben Y.C. Tsui, T.W. Clyne, Thin Solid Films, 306 (1997),

20 Maradó feszültségek Y.C. Tsui, T.W. Clyne, Thin Solid Films, 306 (1997),

21 Modellezési terv 21

22 A hő-bevitel modellezése (lézersugaras hőforrás alkalmazása a réteg megolvasztására) 22

23 A hő-bevitel modellezése 23

24 Az eredmények hasznosítása a gyakorlatban Jármű alkatrészek gyártása és javítása Mezőgazdasági alkatrészek gyártása 24

25 A kutató munka helyei Miskolci Egyetem Miskolci Egyetem Anyagtudományi Intézet Bay Zoltán Anyagtudományi Intézet Böhler Magyarország Kft. GMR Group GmBH. DVK Kft. MÁV Szolnoki Járműjavító 25

26 Várható eredmények A NiCrBSi alapú rétegek megolvasztási technológiáinak optimalizálása az eredeti alkatrész élettartamának megtartása, vagy növelése mellett. A réteg alapanyaggal való felkeveredésének minimalizálása, A maradó feszültségek csökkentési lehetőségének kidolgozása a kifáradási jellemzők javítása érdekében. A termikus szórást követő megolvasztási technológia optimalizálása A modellezési és kísérleti eredmények matematikai összefüggésekkel való leírása A kidolgozott technológia alkalmazásának elősegítése 26

27 Köszönetnyilvánítás A tanulmány/kutató munka a TÁMOP-4.2.2/B-10/ jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. 27

28 Köszönöm a figyelmet! 28