Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi Facultatea de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor TITLUL TEZEI DE DOCTORAT CERCETĂRI PRIVIND REZISTENȚA LA UZURĂ HIDROABRAZIVĂ A STRATURILOR SUBŢIRI DEPUSE PE OȚELURI INOXIDABILE SPECIALE Conducător științific: Prof.univ.dr.ing. Petrică VIZUREANU Doctorand: Ing. Cătălin-Andrei ȚUGUI Iaşi, 2016
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi
Facultatea de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor
TITLUL TEZEI DE DOCTORAT
CERCETĂRI PRIVIND REZISTENȚA LA UZURĂ
HIDROABRAZIVĂ A STRATURILOR SUBŢIRI DEPUSE PE
OȚELURI INOXIDABILE SPECIALE
Conducător științific:
Prof.univ.dr.ing. Petrică VIZUREANU
Doctorand:
Ing. Cătălin-Andrei ȚUGUI
Iaşi, 2016
5
CUPRINS INTRODUCERE 12
CAPITOLUL 1
STADIUL ACTUAL AL UZURII HIDROABRAZIVE A
STRATURILOR SUBȚIRI DEPUSE PE ALIAJE Fe-C 14
1.1. NOȚIUNI GENERALE 14
1.2. METODE DE DEPUNERE A STRATURILOR SUBŢIRI 14
1.2.1. Metode fizice de depunere din vapori 15
1.2.1.1. Depunerea fizică prin pulsații laser 15
1.2.1.2. Metoda evaporării termice și condensării din stare de vapori 16
1.2.2. Metode chimice de depunere din vapori 16
1.2.2.1. Depunere chimică din vapori la temperaturi ridicate 16
1.2.2.2. Depunere chimică cu vapori organo - metalici 17
1.2.3. Metode de metalizare prin pulverizare termică folosind
electricitatea ca sursă de energie 18
1.2.3.1. Depunerea prin pulverizare termică în jet de plasmă (PTJP) 18
1.2.3.2. Depunerea prin metoda electrodului vibrator (EV) 19
1.3. MATERIALE METALICE UTILIZATE PENTRU
REALIZAREA ANSAMBLULUI MATERIAL DE BAZĂ -
MATERIAL DE DEPUNERE 19
1.3.1. Materialul de bază 19
1.3.2. Materiale de depunere a straturilor subțiri 21
1.3.2.1. Caracterizarea și utilizarea wolframului și a aliajelor sale 21
1.3.2.2. Caracterizarea și utilizarea nichelului și a aliajelor sale 21
1.4. ANALIZA FLUIDULUI UTILIZAT LA TESTELE DE
UZURĂ HIDROABRAZIVĂ 22
1.4.1. Parametrii uzuali ai apelor curgătoare 22
1.5. TURBINELE HIDRAULICE 24
6
1.5.1. Criterii de clasificare a turbinelor hidraulice 25
1.5.2. Construcția turbinelor hidraulice 27
1.6. UZURA HIDROABRAZIVĂ A PALETELOR DE TURBINE
HIDRAULICE 29
1.6.1. Noțiuni generale 29
1.6.2. Uzura hidroabrazivă pe turbinele Pelton 31
1.6.2.1. Sistemul ac-inel (duză) al turbinei Pelton 31
1.6.2.2. Rotorul turbinei Pelton 31
1.6.3. Uzura hidroabrazivă pe turbinele Francis 33
1.6.3.1. Sistemul de admisie al turbinei Francis 34
1.6.3.2. Sistemul paletelor de ghidare al turbinei Francis 35
1.6.3.3. Rotorul turbinei Francis 36
CONCLUZII 37
CAPITOLUL 2
OBIECTIVELE, PROGRAMUL ȘI METODOLOGIA
CERCETĂRILOR EXPERIMENTALE 38
2.1. OBIECTIVELE CERCETĂRILOR EXPERIMENTALE 38
2.2. PROGRAMUL CERCETĂRILOR EXPERIMENTALE 39
2.3. METODOLOGIA CERCETĂRII EXPERIMENTALE 42
CAPITOLUL 3
METODE ȘI APARATURĂ 46
3.1. METODE ŞI INSTALAȚII DE DEPUNERE A
STRATURILOR SUBȚIRI 46
3.1.1. Metoda şi instalația de depunere prin pulverizare termică
în jet de plasmă (PTJP) 46
3.1.2. Metoda şi instalația de depunere cu electrod vibrator (EV) 47
� diagonală (turbine F normale și F sau KD rapide) - (figura 1.8, d).
Figura 1.8. Clasificarea turbinelor după direcția admisiei: a) tangențială; b) axială;
c) radială; d) diagonală.
a) b) c) d)
27
� După numărul rotoarelor se deosebesc:
� turbine monorotoare, caracterizate prin existenta unui singur rotor pe axul
turbinei. Aceasta este construcția uzuală pentru toate turbinele S, F, K, SK,
E, P cu ax vertical şi, de asemenea, F - lent şi P - lent cu ax orizontal;
� turbine duble, soluție aplicată doar la turbina F ale cărei caracteristici
constau în aceea că au o singură carcasă spirală, un aparat director, două
aspiratoare şi rotorul dublu;
� turbine polirotoare, care constau din mai multe rotoare așezate coaxial. În
trecut, această soluție s-a utilizat la F - orizontal cu 3 ÷ 4 rotoare pe
același arbore orizontal, dar a fost înlocuită cu succes de o singură
turbină K - monorotoare.
În ultimul deceniu, turbinele Francis lente de mare cădere au eliminat turbinele
Pelton rapide în zonele în care căderile de apă sunt cuprinse între 300 ÷ 522 m, iar
turbinele Francis rapide au fost la rândul lor eliminate de turbinele elicoidale Kaplan lente
la căderi de apă cuprinse între 50 ÷ 74 m.
1.5.2. Construcția turbinelor hidraulice Turbinele cu acțiune de tip Pelton (P) figura 1.9 s-au dezvoltat foarte repede,
realizându-se unele turbine de putere foarte mare (110 MW). Limita inferioară a căderii
pentru unitățile mari este de 400 m.
a) b)
Figura 1.9. Turbină cu reacțiune Pelton: a) imagine de ansamblu turbină; b) rotorul și
paletele turbinei (www.flovel.net, 2015).
28
Turbinele cu reacțiune Francis (F) figura 1.10 lucrează cu căderi de la 70 m până
la 500 m și cu puteri unitare tot mai mari. Puterea maximă a acestor turbine
depășește 500 MW la căderi de 100 m.
a) b)
Figura 1.10. Turbină cu reacțiune Francis: a) imagine de ansamblu a turbinei
(N. Agrawal, 2009); b) rotorul și paletele turbinei (www.flovel.net, 2016).
Turbinele Semi-Kaplan (SK) figura 1.11 au palele statorului fixe și cele rotative
reglabile, încadrându-se astfel între turbinele Kaplan și turbinele Kaplan Elicoidale.
a) b)
Figura 1.11. Turbinele Semi-Kaplan: a) imagine de ansamblu a turbinei
(www.brighthubengineering.com); b) rotorul și paletele turbinei, evidențierea reglajului
(www.flovel.net,2016).
Turbinele axiale bulb (AB) sunt tot turbine tubulare, care au generatorul
integrat în axul bulb, aici e și locul unde se face și multiplicarea turației. Datorită
29
acestui fapt puterea este încă limitată la 15 MW la căderi cu înălțimi de până la 20 m
figura 1.12.
a) b) Figura 1.12. Turbinele axiale bulb: a) imagine de ansamblu a turbinei (www.hydrotu.com)
b) elemente componente (www.powerelectronics.com, 2016).
Trecerea de la randamentul de 70 % pe care îl aveau turbinele la începutul
secolului al XX - lea, până la cele actuale în care randamentele maxime sunt: de
peste 91 %, pentru turbinele Pelton; de peste 94% pentru turbinele Francis și de
peste 93,5 % pentru turbinele Kaplan, ilustrează rezultatul evoluției pe baze științifice a
construcției de turbine din ultimul secol (V.C. Câmpian, 2003).
1.6. UZURA HIDROABRAZIVĂ A PALETELOR DE TURBINE
HIDRAULICE
1.6.1. Noțiuni generale
Uzura constă în modificarea progresivă a (dimensiunilor) unui subansamblu
mecanic, pe durata funcționării sistemului din care face parte.
Uzura hidroabrazivă sau hidroabraziunea se referă la acea uzură a detaliilor
paletelor turbinelor hidraulice, care are loc sub acțiunea comună a particulelor abrazive
sau/și a curentului de fluid ca purtător a acestora.
Practica a arătat că acest proces este unul foarte complex, evidențiindu-se unele
cazuri în care acțiunea comună a fluidului și a particulelor abrazive în procesul de uzură
este mult mai mare, decât dacă acestea ar acționa separat (I.V. Kozîrev, 1979).
30
Uzura hidroabrazivă poate fi localizată sub aspectul unor adâncituri locale sau
uniform distribuită (uzură generală). Aspectul uzurii depinde de particularitățile de uzură
ale particulelor din mediul de lucru (viteza jetului fluid, cantitatea particulelor abrazive pe
unitate de volum, tipul acestor particule, agresivitatea mediului fluid etc.), de
particularitățile constructive ale suprafețelor (forma suprafețelor, parametrii macro și
microgeometriei suprafețelor, calitatea de suprafață a acestora etc.), precum și de poziția
suprafețelor active față de jetul fluidului cu particule abrazive (B. Ciobanu, 2003).
Uzura hidroabrazivă este un fenomen complex care apare la generatoarele și
motoarele hidraulice care/și prin care se tranzitează fluide polifazice. Aceasta duce la o
reducere a eficienței și duratei de viață a turbinelor hidroelectrice, cauzând probleme în
exploatare și în întreținere.
În lucrarea (L. A. Teran et. al., 2016) autorul definește hidroabraziunea ca o
tensiune tribologică asupra suprafețelor unor organe de mașini ca rezultat al curgerii
lichidelor ce conțin particule solide.
U. Helbing folosește termenul de hidroabraziune în mod special pentru efectele de
uzură și rupere, ce pot avea loc în ingineria hidraulică, de exemplu, uzarea canalelor prin
care circulă noroi și alte resturi ca rezultat al curgerii apei (U. Helbing et al., 2005).
Tabelul 1.3. Descrierea pe baza aspectului vizual a hidroabraziunii turbinelor hidraulice
(H. Brekke, 2002)
Tip Descriere Luciu metalic O suprafață strălucitoare fără urme de vopsea, piatră sau
rugină
Hidroabraziune fină O suprafață cu solzi fini, superficiali, care sunt rari și localizați separat
Hidroabraziune scalară O suprafață acoperită în întregime cu o peliculă de piatră de adâncime
Hidroabraziune grosieră de mari dimensiuni
O suprafață acoperită în întregime cu solzi de piatră profunzi și extinși
Hidroabraziune în profunzime O suprafață acoperită cu canale adânci și lungi
Dacă prin termenul de hidroabraziune sunt oferite informații exacte despre cauza
care produce degradarea unui organ de mașină, prin termenul de eroziune aflăm informații
doar despre efectul de degradare a proprietăților (aspect, volum, greutate etc.). În general,
este dificil să se facă distincția între tipurile de uzură care se întâlnesc la
mașinile hidraulice.
31
1.6.2. Uzura hidroabrazivă pe turbinele Pelton
Accelerarea particulelor depinde în mare măsură de mărimea racordului și a
capătului turbinei şi nu depășește valoarea de 50000 m/s2. În general, turbinele Pelton
figura 1.13 sunt proiectate pentru o viteză scăzută.
Figura 1.13. Schema elementelor componente ale turbinei Pelton
(www.rivers.bee.oregonstate.edu).
Viteza mare și accelerația particulelor din instalație sunt principalele cauze
care produc uzura hidroabrazivă a acestora. Pentru a studia fenomenul de uzură
hidroabrazivă a turbinei Pelton, a fost aleasă studierea sistemului duză și rotor,
deoarece aici se manifestă cel mai des acest fenomen.
1.6.2.1. Sistemul ac-inel (duză) al turbinei Pelton
Duza turbinei Pelton este compusă dintr-un inel și ac. Capul turbinei Pelton poate
dezvolta un jet de apă cu o viteză de până la 150 m/s, care poate deteriora, atât duza, cât și acul.
a) b)
Figura 1.14. Uzura hidroabrazivă a duzei și a acului de turbină Pelton: a) ac duză; b) inel
duză (O.G. Dahlhaug et al., 2009).
Fotografiile din figura 1.14 prezintă locul unde a avut loc uzura hidroabrazivă
produsă de particule abrazive pe duză și pe acul turbinei Pelton, aceste locuri sunt
32
evidențiate cu culoare roșie. Protecția acului și a inelului duzei se poate face aplicând un
strat subțire ceramico - metalic. Acest strat contribuie la îmbunătățirea rezistenței la uzură
hidroabrazivă, provocată de hidroabraziunea solidelor aflate în lichid.
1.6.2.2. Rotorul turbinei Pelton Uzura hidroabrazivă se întâlnește pe toate componentele turbinei, cu toate acestea
natura uzurii este diferită. În rotorul turbinei Pelton, accelerarea normală absolută poate fi
cuprinsă între 50000 ÷ 100000 m/s2. O astfel de accelerație mare este principalul motiv al
apariției uzurii hidroabrazive ale paletelor rotorului. Paletele directoare și marginile acestora
sunt cel mai grav avariate din cauza lovirilor directe ale particulelor. În figura 1.15b sunt
prezentate efectele negative ale uzurii hidroabrazive pe paletele turbinei.
a) b)
Figura 1.15. Uzura hidroabrazivă a paletelor de rotor Runner: a) suprafața paletei
rotorului; b) splitter (H.P. Neopane et al., 2011).
Particulele mari, de exemplu, mai mari de 0,5 mm, provocă grave daune la
paletele rotorului turbinei Pelton. Acestea creează uzură hidroabrazivă la intrarea în paletă
și în cavitatea acesteia figura 1.16.
Figura 1.16. Traseele urmate de particule într-o paletă de rotor Pelton (B. Thapa, 2004).
33
Particulele fine, pot aluneca împreună cu apa în interiorul paletei de rotor și lovesc
suprafața spre marginile de evacuare figura 1.16, cauzând o uzură hidroabrazivă severă la
vârful paletei, datorită distorsiunii profilurilor paletei de rotor de la vârf.
În lucrarea (B. Thapa, 2004) autorul a subliniat câteva concluzii bazate pe
diferitele observații ale exemplelor de hidroabraziune ale centralelor hidroelectrice:
� dacă particulele sunt fine (aluviuni), atunci va fi o hidroabraziune pe ax și
nu va mai fi o hidroabraziune la paletele de rotor;
� dacă particulele sunt grosiere (nisip), atunci nu va fi o hidroabraziune la
paletele de rotor însă va exista o hidroabraziune mai mică la acul duzei;
� la particule de dimensiuni medii, atât acul, cât și paletele de rotor
vor fi erodate.
1.6.3. Uzura hidroabrazivă pe turbinele Francis
În general, turbinele Francis sunt proiectate pentru funcționarea la viteze mari.
Capul turbinei Francis este afectat de cele mai multe ori de efectele hidroabraziunii
particulelor abrazive.
a) b)
Figura 1.17. Turbina Francis: a) schema de funcționare a turbinei Francis
(www.rivers.bee.oregonstate.edu); b) uzura hidroabrazivă a paletelor Francis.
Brekke (H. Brekke, 2002) a clasificat componentele turbinei Francis în patru
grupe, în scopul de a studia fenomenul uzurii hidroabrazive figura 1.17. Acestea sunt:
sistemul de admisie, sistemul de palete de ghidare, rotorul și conducta de admisie
cu garniturile de etanșare.
34
1.6.3.1. Sistemul de admisie al turbinei Francis
Sistemul de admisie al turbinei Francis constă în colector, duză, sistem bypass și
carcasă spiralată. Comparativ cu duza de intrare a turbinei Pelton, duza turbinei Francis
suportă o presiune cu 50 % mai mică în timpul închiderii din cauza presiunii create de
paletele rotorului. Prin urmare, supapa de admisie a turbinei Francis are o garnitură de
cauciuc care are o mai bună rezistență la uzură.
Este important ca sistemul bypass să fie mai mare pentru a crea o presiune mai
ridicată în carcasa tip spirală, înainte de a deschide duzele, deoarece presiunea scăzută din
timpul deschiderii carcasei spiralate vor duce la creșterea deteriorării garniturilor
dispozitivelor de etanșare.
Prin urmare, sistemul de bypass în turbina Francis trebuie să fie mai puternic
decât la turbina Pelton pentru a crea o presiune mai mare în carcasa spirală (H.P. Neopane
et al., 2011). Paletele sunt astfel proiectate încât debitul și direcția fluxului în
turbină să nu fie afectate.
a) b)
Figura 1.18. Uzura hidroabrazivă a paletelor de turbină Francis de la centrala Cahua
(Peru): a) intrarea la paletele staționare; b) canale inelare tipice în apropiere de
marginile conductelor (H.P. Neopane et al., 2010).
Datorită carcasei de tip spirală, se creează în interiorul acesteia un flux secundar la
un unghi incorect care e direcționat spre partea de sus și de jos a regiunii de admisie a
paletelor staționare provocând o hidroabraziune secundară în turbinele de înaltă presiune.
Un astfel de fenomen s-a observat la centrala Cahua (H.P. Neopane et al., 2007) unde
vopseaua și o parte din materialul metalic au fost îndepărtate din cauza hidroabraziunii.
Coroziunea urmată de îndepărtarea vopselei accelerează viteza de hidroabraziune şi, cu
toate acestea, inelele staționare reduc fluxul incorect și minimizează hidroabraziunea la
intrare în paletele staționare.
35
1.6.3.2. Sistemul paletelor de ghidare al turbinei Francis
Sistemul paletelor de ghidare este extrem de afectat de fenomenul de uzură
hidroabrazivă din cauza vitezei absolute mari și a accelerării. Hidroabraziunea la paletele de
ghidaj, provocată de apa încărcată cu nisip, poate fi clasificată în următoarele patru categorii
(H. Brekke, 2002):
� hidroabraziunea din zona de ieșire este provocată de viteza mare a nisipului fin;
� fluxul de hidroabraziune secundar se întâlnește în spațiul dintre paletele de
ghidaj și paletele staționare și este cauzat de particulele de dimensiuni fine și medii,
acestea provocând șanțuri de tip potcoavă pe conturul paletelor de ghidaj;
� scurgerile datorate hidroabraziunii din spațiul dintre paletele de ghidare și
placă, cauzează separări locale și turbulențe la partea de intrare la refulare și în
partea de ieșire la aspirație cauzând un canal adânc în partea de jos și de sus
al paletelor de ghidaj;
� hidroabraziunea accelerată este cauzată de separarea particulelor mari de la
liniile de curent al fluxului principal, datorate rotației apei în fața rotorului.
a) b)
Figura 1.19. Uzura hidroabrazivă a paletelor de ghidaj și a plăcilor observate la Centrala
electrică Cahua: a) palete erodate; b) vortexuri de tip potcoavă la plăcile cu care se confruntă
(H.P. Neopane et al., 2011).
Studiile întreprinse la centrala electrică Cahua au evidențiat figura 1.19 a) mai
multe urme de uzură hidroabrazivă în apropierea zonei de tranziție a capacului inferior,
datorită accelerării ridicate și vitezei mari din paletele de ghidaj în cascadă.
Hidroabraziunea de pe paletele de ghidare ale turbinei poate fi redusă prin realizarea unui
jet de apă cu o viteză mai uniformă. Unghiul de evacuare al paletelor staționare ar trebui să
fie ales astfel încât paletele de ghidaj să fie în poziție neutră (H. Brekke, 2002).
În mod similar, reducerea spațiului liber dintre paletele de ghidaj și plăcile cu
care se confruntă, evită fluxul în cruce și fluxul secundar. Etanșarea metalului este utilizată
36
pentru a reduce decalajul dintre paletele de ghidaj și plăcile cu care se confruntă, cu
intenția de a îmbunătăți eficiența, dar acest lucru ar putea fi mai distructiv odată ce
deteriorarea la un astfel de sigiliu începe (H.P. Neopane et al., 2009). Capacele vor fi
expuse la hidroabraziune datorită curenților secundari, în special la colțurile dintre
placă și paletele de ghidaj.
Pentru a evita uzura hidroabrazivă este recomandat ca spațiul liber dintre paletele
de ghidaj ale turbinelor să fie între 0,1 ÷ 0,3 mm sub presiune și duritatea paletelor de
ghidaj realizate din 16Cr5Ni să fie cuprinsă între 350 ÷ 400 HB, iar placa cu care se
confruntă să fie realizată din 17Cr1Ni și duritatea să fie de 300 HB,
(H.P. Neopane et al., 2011).
1.6.3.3. Rotorul turbinei Francis
Regiunea de admisie a rotorului este sensibilă la o distribuție incorectă de
presiune între presiune și aspirație și orice separare cauzată de acest lucru poate provoca
grave hidroabraziuni locale la intrare, datorită nisipului cu granulație fină.
Uzura hidroabrazivă a rotorului centralei electrice Cahua este prezentată în
figura 1.20 (H.P. Neopane et al., 2010).
a) b)
Figura 1.20. Uzura hidroabrazivă la rotorul centralei Cahua: a) la ieșirea din rotor;
b) la partea presurizată a lamei (H.P. Neopane et al., 2011).
Fluxul în cruce care curge de la ax către învelișul protector cauzat de lamelele
înclinate incorect va duce, de asemenea, la creșterea așa numitelor vortexuri de tip
potcoavă la baza paletelor. Etanșeitățile dintre spațiile libere ale labirintului pot suferi uzuri
hidroabrazive, precum și acțiuni de abraziune datorită mediului de lucru cu nisip grosier.
Eficiența etanșeității labirintului este invers proporțională cu diferența între spații
(H.P.Neopane et al., 2011).
37
CONCLUZII
În industrie materialele pe care sunt depuse straturi subţiri pot avea utilizări
diverse: industria pompelor de apă murdară, industria constructoare de utilaje agricole,
industria petrochimică, industria navală (elicea vapoarelor), precum şi pentru construcția
paletelor turbinelor hidraulice. Din punct de vedere al construcției turbinelor hidraulice s-a
constatat o diversificare a construcției acestora, respectiv ale rotoarelor și paletelor;
turbinele cu acțiune de tip Pelton, s-au dezvoltat foarte repede, realizându-se turbine de
putere mare (110 MW). Limita inferioară a căderii pentru unitățile mari este de 400 m.
În ceea ce privește materialele utilizate în construcția paletelor turbinelor hidraulice
se poate concluziona că:
� oțelurile inoxidabile speciale sunt cel mai utilizate în construcția
turbinelor hidraulice;
� creşterea rezistenței la uzură hidroabrazivă a oțelurilor inoxidabile speciale se
poate realiza prin tratamente termice, termochimice sau depuneri de straturi
subțiri.
Materialul de bază utilizat va fi oțelul inoxidabil GX3CrNi134 (DIN 1.6982) care
are proprietăți foarte bune de rezistență la coroziune, dar are duritatea scăzută. Pentru
creșterea rezistenței la uzură hidroabrazivă vor fi depuse straturi subţiri prin
două metode de depunere.
În ceea ce privește metodele de depunere a straturilor subțiri consider că metoda de
depunere prin pulverizare termică în jet de plasă (metoda PTJP) permite depunerea unei
diversități mari de materiale, în timp ce metoda de depunere cu electrod vibrator
(metoda EV) prezintă eficiență economică importantă prin comparație cu alte metode
traționale (galvanizare și cromare).
Realizarea stadiului actual al cercetărilor existente a permis analizarea critică a
puținelor rezultate identificate în literatura de specialitate cu privire la uzura
hidroabrazivă a straturilor subțiri depuse pe un material de bază. Astfel, a fost pus în
evidență un ansamblu strat - substrat realizat din materialul de bază (≡ strat), respectiv
materialul de depunere (≡ substrat).
S-a proiectat acest ansamblu strat-substrat, deoarece materialul de bază este cel
mai folosit ca material în construcția turbinelor de mare viteză, în timp ce materialele de
depunere (pulberi pe bază de W, Ni) au în compoziția chimică elemente care pot duce la o
durificare a stratului și respectiv la o creștere a rezistenței la uzură hidroabrazivă.
38
CAPITOLUL 2
OBIECTIVELE, PROGRAMUL ȘI METODOLOGIA
CERCETĂRILOR EXPERIMENTALE
2.1. OBIECTIVELE CERCETĂRILOR EXPERIMENTALE
În concordanță cu importanța temei de cercetare, obiectivul principal al
demersului științific constă în identificarea/realizarea unor depuneri de straturi subțiri care
să contribuie la creșterea fiabilității/durabilităţii paletelor turbinelor hidraulice, să reziste la
acțiunea distructivă cauzată de hidroabraziune și să aibă o eficiență economică ridicată.
Tabelul 2.1. Obiectivele tezei de doctorat
Obiective generale Activităţi
Realizarea unor materiale depuse cu straturi subţiri, superioare materialelor de
bază dar cu costuri mai mici decât a unor materiale
neacoperite scumpe (pulberi pe bază de W, Ni)
Corelarea proprietăţilor obţinute cu informaţiile deja existente
Pregătirea materialelor pentru depunerea straturilor
Realizarea depunerilor cu două tipuri de material de depunere pe un material de bază prin cele două metode de depunere
Verificarea rezistenței la hidroabraziune a straturilor obținute
Corelarea proprietăților obţinute cu informațiile privind proprietăţile materialelor deja existente
Interpretarea rezultatelor obţinute
Analiza structurii şi a proprietăților, chimice şi mecanice ale materialului
de bază
Determinarea compoziției chimice
Analiza structurală cu ajutorul microscopiei optice și electronice
Analiza microdurității materialului de bază
Analiza de microamprentare
Analiza comportării la coroziune a materialelor utilizate
Testarea straturilor subţiri rezistente la uzură
hidroabrazivă
Determinarea compactității stratului depus
Determinarea compoziției chimice
Determinarea microdurității stratului depus
Determinarea aderenței stratului la substrat
Obiective științifice Obținerea unor straturi subțiri cu caracteristici de rezistență bună la uzură hidroabrazivă în medii neutre și în medii corozive
Studierea aderenței straturilor subțiri dure depuse pe materialul de bază
Studierea metodelor folosite pentru depunerea unor straturi subțiri şi dure
39
Obiective tehnice Depunerea straturilor subțiri rezistente la uzură hidroabrazivă
Analiza structurii și a proprietăților fizice, chimice şi mecanice ale straturilor subţiri depuse
Realizarea instalației de testare a uzurii hidroabrazive
Testarea straturilor subţiri la aderență, coroziune și hidroabraziune
În acest sens, se dorește realizarea unor straturi subțiri cu aderență bună la substrat
și cu o rezistență foarte bună la hidroabraziune.
2.2. PROGRAMUL CERCETĂRILOR EXPERIMENTALE
Dacă în domeniul de cercetare al uzurii hidroabrazive literatura de specialitate
consemnează puţine lucrări (N. Agrawal, 2009 și K. Komvopoulos, 2008) situaţia în ceea
ce privește cercetarea uzurii hidroabrazive a straturilor subţiri este aproape inexistentă, atât
la nivel național, cât şi la nivel internațional.
Aplicabilitatea acestei teme reiese din faptul odată cu punerea în practică a
rezultatelor obținute acestea vor avea ca efect creșterea fiabilității/durabilităţii paletelor
turbinelor hidraulice Francis.
Tabelul 2.2. Programul cercetărilor experimentale
1. Stadiul actual al cercetărilor Realizarea stadiului actual al cercetărilor existente a permis analiza critică a rezultatelor identificate în literatura de specialitate cu privire la uzura hidroabrazivă, a straturilor subțiri depuse pe un material de bază şi a avut în vedere teme importante ale programului de cercetare doctorală cum ar fi: hidroabraziunea, oțelurile inoxidabile speciale, metodele de depunere, turbinele hidraulice și tipurile de straturi subțiri care pot fi depuse.
2. Alegerea şi analiza materialului de bază Ca urmare a documentării bibliografice realizate a fost identificat ca material de bază oţelul ferito - martensitic, GX3CrNi134 (DIN 1.6982), care face parte din clasa oţelurilor inoxidabile speciale. Această clasă de oțeluri este folosită pentru realizarea valvelor de aerisire ale motoarelor cu ardere internă şi a paletelor de turbină.
3. Pregătirea materialului de bază
Debitare
Debitarea materialului este necesară pentru obţinerea probelor care vor fi utilizate ca material de bază pentru depuneri de straturi subţiri, respectiv pentru investigații cu privire la structura şi caracteristicile ansamblului strat - substrat.
Şlefuire Procesul de șlefuire se va realiza în vederea obţinerii unei suprafeţe perfect plane, fără zgârieturi; proba este curăţată sub jet de apă pentru a fi îndepărtate toate particulele care au aderat în
40
timpul operaţiei de şlefuire la suprafaţa probei, pentru a se putea realiza analizele metalografice.
Sablare Sablarea se va realiza cu scopul de a obține o rugozitate corespunzătoare tipului de depunere (metoda PTJP), rezultând o aderență cât mai bună între strat şi substrat.
4. Analize ale materialului de bază
Spectrometrie Cu ajutorul spectrometrului de masă se va determina compoziția chimică.
Microscopie electronică
Analizele prin microscopie electronică (SEM - Scanning Electron Microscope) se vor efectua pentru a analiza suprafața și microstructura materialului de bază.
Microscopie optică
Analiza microscopică este necesară pentru a identifica tipul de structură a materialului de bază (feritică, martensitică, austenitică etc.), incluziunile metalice, mărimea şi forma granulaţiei.
Rugozitate Rugozitatea va furniza informaţii referitoare la topografia forma suprafețelor reale pe întinderea lor prin intermediul profilogramei.
Microduritate
Măsurătorile de microduritate vor oferi informaţii legate de microduritatea materialului de bază, pentru ca ulterior aceste valori ale durității să fie comparate cu valorile obținute la testarea straturilor subțiri.
Coroziune
Determinarea coroziunii prin metoda electrochimică se va realiza prin analiza corelaţiei directe care există între curentul măsurat între electrozi şi cantitatea de material de bază transferat în mediul coroziv.
Difractrometrie cu radiații X
Difracţia cu radiații X reprezintă o tehnică non-distructivă care va fi utilizată pentru identificarea şi determinarea calitativă şi cantitativă a compuşilor chimici metalici din materialul de bază.
Aderenţă Prin testele de aderenţă se vor determina forţele de frecare şi coeficienţii de frecare statici şi dinamici la scară micro în mişcare de rotaţie pentru diverse combinaţii de materiale.
Hidroabraziune
Testele de uzură hidroabrazivă pe materialul de bază se vor realiza în scopul comparării uzurii materialului de bază și a materialelor depuse cu straturi subțiri, pentru a vedea care rezistă mai bine la hidroabraziune.
5. Alegerea materialelor de depunere Metco 71NS (WC12Co) este un aliaj pe bază de wolfram, care are în componenţă carbon şi cobalt. Deloro 60 este un aliaj pe bază de nichel, care are în compoziţie crom şi bor utilizat la realizarea de acoperiri dure rezistente la abraziune şi coroziune.
6. Alegerea metodelor de depunere � metoda de depunere prin pulverizare termică în jet de plasmă (PTJP); � metoda de depunere cu electrod vibrator (EV).
41
5. Parametrii tehnologici de depunere Depunerile prin metoda EV cu electrozi compacţi se desfăşoară cu o tensiune cuprinsă între 15 ÷ 220 V, cu o frecvenţă a vibraţiilor cuprinse între 50 ÷ 300 Hz, iar amplitudinea vibraţiilor în timpul depunerii nu depăşeşte 0,2 ÷ 0,5 mm. Principalii parametri tehnologici ai depunerii prin metoda PTJP, care influenţează calitatea stratului depus, sunt: distanţa de pulverizare dintre pistolul de pulverizare şi suprafaţa substratului, atmosfera de lucru și viteza liniară a jetului de plasmă.
6. Analiza stratului depus şi a interfeţei strat - substrat Microscopie
optică Cu ajutorul microscopului optic se va studia calitatea suprafeţei stratului depus (fisuri, neaderențe etc.).
Microscopie electronică
Analiza SEM pe strat se va realiza pentru a determina microstructura, grosimea stratului depus, precum și aria picăturilor formate pe suprafața depusă.
Rugozitate Determinarea rugozității se va realiza pentru a vedea cum influențează aceasta uzura hidroabrazivă.
Microduritate Măsurătorile de microduritate se vor face pentru a evidenţia influenţa stratului depus asupra caracteristicilor stratului.
Coroziune
Testele de coroziune ale straturilor depuse folosite la depunerea paletelor turbinelor hidraulice se vor face pentru a evidenţia rezistenţa materialului depus la mediile corozive în care lucrează (mediu acid sau bazic).
Hidroabraziune Testele de uzură hidroabrazivă pe materialul depus se vor face pentru a determina rezistența la uzură hidroabrazivă a paletelor de turbină.
Măsurarea pierderii de masă
Măsurarea pierderii de masă cauzate de procesul de uzură hidroabrazivă pentru probele depuse se va face cu ajutorul balanței electronice.
Difractrometrie cu radiații X
Difractrometria cu radiații X va fi utilizată pentru a identifica compuşii chimici și fazele formate în stratul depus.
Aderenţă Testele de aderenţă se vor desfășura pentru a studia procesul de alunecare sacadată (stick - slip), forţele de adeziune şi procesele de uzare pentru a determina rezistenţa straturilor subțiri.
7. Analiza grafică Rezultatele obţinute se vor reprezenta grafic pentru a putea fi analizate și pentru a evidenţia valori minime, medii și maxime pentru testele de rugozitate, microduritate și uzură hidroabrazivă.
8. Discuţii asupra rezultatelor Discuţiile asupra rezultatelor asigură integrarea contribuţiilor personale în sistemul de cunoştinţe anterioare. Sunt necesare discuţii teoretice pentru justificarea formulării stadiului iniţial în planul lucrării, încadrarea temei cercetate în contextul domeniului şi aportul cercetării la clarificarea şi precizarea unor aspecte legate de uzura hidroabrazivă.
9. Interpretarea rezultatelor Rezultatele obţinute vor fi interpretate în scopul identificării unor explicaţii corecte a testelor experimentale şi a depistării unor soluţii de creștere a fiabilității paletelor de turbină.
42
10. Concluzii Concluziile tezei vor prezenta rezultatele obţinute într-o manieră concisă şi coerentă, astfel încât acestea să fie în conformitate cu rezultatele demersului ştiinţific iniţiat ȋn această lucrare, evidenţiind, atât contribuţiile personale, cât şi perspectivele de dezvoltare ale tematicii.
Prin experimentele care se vor realiza se va urmări obţinerea unor straturi subţiri,
cu proprietăți chimic, mecanice şi structurale care completează caracteristicile oţelurilor
inoxidabile speciale utilizate la realizarea paletelor turbinelor hidraulice.
2.3. METODOLOGIA CERCETĂRII EXPERIMENTALE
Oţelurile inoxidabile speciale au slabe proprietăţi de rezistenţă la uzură abrazivă şi
hidroabrazivă, iar scopul cercetării reprezintă remedierea acestor dezavantaje prin
depunerea de straturi subţiri dure pentru îmbunătăţirea rezistenţei la uzură (hidroabrazivă).
Depunerea de straturi subţiri prin metoda PTJP are avantajul că poate folosi
materiale cu punct de topire foarte ridicat. Utilizarea pulverizării termice permite creşterea
productivităţii, îmbunătăţind, nivelul calitativ al pieselor finite. Pulverizarea termică,
datorită condiţiilor de depunere, creează o zonă de microaliere întinsă, adică o ancorare
puternică strat - substrat.
Depunerea de straturi subţiri prin metoda EV a fost aleasă deoarece se pot obţine
straturi subţiri cu aderenţă bună la substrat şi pot fi realizate grosimi diferite în funcţie de
numărul de treceri ale electrodului pe piesă.
Pentru verificarea rezistenţei la uzură hidroabrazivă a straturilor depuse se va
utiliza o instalaţie (de concepţie proprie) cu viteze variabile şi cu unghiuri de incidență
diferite între probe şi particulele abrazive.
Probele vor fi pregătite metalografic (debitare, șlefuire etc.) pentru a analiza
structura materialului de bază și a materialului de depunere la microscopul optic și pentru a
obține suprafața necesară în vederea realizării depunerilor (pentru depunerea cu
electrod vibrator).
După depunerea straturilor subțiri se vor analiza proprietăţile mecanice şi chimice
ale ansamblului strat-substrat. Totodată, se vor efectua analize la microscopul electronic şi
prin microanaliza cu radiații X cu dispersia după energie a radiației X (EDX, Energy
Dispersive X-ray Microanalysis) pentru evidenţierea structurii strat - substrat şi a repartiţiei
elementelor chimice pe suprafaţă.
43
Studierea rugozităţii stratului depus este importantă deoarece înălţimea
neregularităților influenţează tipul de curgere a fluidelor în funcție de tipul suprafeței cu
care intră în contact (laminară și/sau turbulentă în funcție de clasa de rugozitate).
Testele de coroziune prezintă modul ȋn care straturilor depuse influenţează asupra
caracteristicilor de rezistenţă la coroziune în medii agresive chimic ale depunerilor pe un
oţel din clasa oţelurilor inoxidabile speciale utilizate la realizarea paletelor de turbine.
Testele de aderenţă (scratch - test) dau indicaţii despre ancorarea stratului la
substrat şi despre forţa de apăsare maximă suportată de ansamblul strat - substrat.
Tabelul 2.3. Aparatura utilizată
DENUMIRE ECHIPAMENTE METODE /
INVESTIGAȚII Metode de depunere
Elitron 22A
Metoda EV
Sulzer Metco 9MCE
Metoda PTJP
Pregătirea probelor
Metacut M250
Debitarea materialelor
Forcipol 2V
Pregătirea
metalografică a
probelor – şlefuire
Sealey SB974
Sablarea probelor
44
DENUMIRE ECHIPAMENTE METODE /
INVESTIGAȚII Caracterizarea probelor
Spectrometrul
Foundry Master
Determinarea
compoziţiei chimice
prin analiza spectrală
Microscop optic
Zeiss, tip Axio
Observer D1M
Analiza structurală
prin microscopie optică
SEM model Vega II
LMH
Analiză microscopie
electronică şi analiza
cantitativă EDX
Difractometru de
raze X-X’pert Pro
Mrd
Analiză calitativă de
fază prin investigaţii
difractometrice cu
radiaţii X
Microdurimetru CV
Instruments 400DM
Testarea microdurităţii
Rugozimetru
Mitutoyo SJ-301
Determinarea
rugozităţii
Profilometrul scan
Explorer Nanofocus
Taylor-Hobson
Determinarea
profilului suprafeţei
45
DENUMIRE ECHIPAMENTE METODE /
INVESTIGAȚII Potenţiostatul
VoltaLab 21
Determinarea
rezistenţei la coroziune
Microtribometrul
Cetr- UMT-2
Determinarea
tribologiei materialului
Investigaţiile se vor realiza pe materialul de bază, pe materialul de depunere,
punând în evidenţă caracteristicile structurale, precum şi proprietăţile chimice şi mecanice
ale ansamblul strat - substrat.
46
CAPITOLUL 3
METODE ȘI APARATURĂ
3.1. METODE ŞI INSTALAȚII DE DEPUNERE A
STRATURILOR SUBȚIRI
3.1.1. Metoda şi instalația de depunere prin pulverizare termică în
jet de plasmă (PTJP)
Pulverizarea termică în jet de plasmă figura 3.1 reprezintă topirea şi pulverizarea
pulberilor de metal sau nemetal cu ajutorul plasmatroanelor. Temperatura din interiorul
norului de plasmă poate ajunge la 16000 0C.
Figura 3.1. Schema procesului de depunere prin metoda PTJP (www.stellite.com, 2016).
Pulberea de material metalic este condusă în jetul de plasmă cu ajutorul unui gaz
inert utilizat ca element transportor, prin intermediul unui injector lateral.
Metoda PTJP constă în utilizarea curentului continuu sub formă de arc electric
format între un anod și un catod de wolfram. Se formează un jet de gaz puternic ionizat
(plasmă) sub formă de nor de plasmă, unde materialul topit este pulverizat pe suprafața
substratului (W. C. Hung et al., 2015).
În scopul depunerii de straturi subţiri prin pulverizare termică în jet de plasmă se
va utiliza instalația Sulzer Metco 9MCE din dotarea Facultății de Mecanică, Universitatea
Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iași.
Pistolul de pulverizare a instalației de depunere cu plasmă este componenta
principală a instalației şi este compus dintr-un anod de Cu (duza) şi un catod de W, iar
gazul inert trece printr-o duză producându-se un arc electric. Când gazul trece prin arcul
47
electric dintre cei doi electrozi din interiorul pistolului, materialul se disociază şi se
ionizează formând plasmă, care este folosită ca sursă de energie termică
concentrată (V. Deynse, 2015).
La ieșirea din duză, ionii gazului se recombină, cedând energia absorbit într-un
timp foarte scurt, ceea ce duce la formarea unui jet de plasmă care are o temperatură foarte
ridicată (Y. Chen et al., 2014). Temperatura jetului de plasmă este cuprinsă între
10000 ÷ 16000 0C. Viteza jetului de plasmă este de peste 3000 m/s (www.plasmajet.ro).
Figura 3.2. Instalaţia de depunere în jet de plasmă Sulzer Metco 9MCE.
Datorită vitezei şi presiunii mari a plasmei, pulberea este pulverizată pe suprafața
materialului de bază cu o viteză cuprinsă între 450 ÷ 650 m/s, iar distanța de pulverizare
este cuprinsă între 25 ÷ 200 mm figura 3.2.
3.1.2. Metoda şi instalația de depunere cu electrod vibrator (EV)
Principiul depunerii de straturi subţiri cu electrod vibrator figura 3.3 se bazează
pe fenomenul de electroeroziune şi transferul polar al materialului anodului (electrod) la
catod (piesa metalică) în timpul descărcării electrice.
Figura 3.3. Schema procesului de depunere prin metoda EV.
48
Transferul de material de la electrod spre piesă asigură stratului superficial format
proprietăți bine determinate atât din punct de vedere fizic, cât şi chimic.
Datorită fenomenelor care apar în timpul procesului de depunere, forma picăturii
metalului lichid se deformează şi apoi se împrăștie. În timpul depunerii are loc de cele mai
multe ori o combinare a materialului topit cu a electrodului, iar cantitatea de metal topit de
pe anod este cu mult mai mare decât cea formată pe catod (Chen, Z, et al., 2016).
Metoda EV prezintă o serie de avantaje, în comparație cu alte metode: stratul de
metal depus are o aderenţă bună cu materialul de bază; se pot realiza depuneri cu aliaje
metalice sau cu metale pure, inclusiv W, Ni. Metoda se realizează la temperaturi cuprinse
între 5000 ÷ 11000 0C.
Instalația care se va folosi pentru realizarea depunerilor este ELITRON 22 A, din
dotarea Facultății de Știința şi Ingineria Materialelor din Iași, laboratorul Proprietățile
Materialelor Metalice din cadrul Departamentului Tehnologii și Echipamente pentru
Procesarea Materialelor figura 3.4.
Figura 3.4. Instalația de depunere prin metoda EV tip Elitron 22A.
Etapele realizării depunerilor prin metoda EV cu electrozi sunt: stabilirea
regimurilor de lucru, a amplitudinii şi a intensității.
3.2. ECHIPAMENTE PENTRU PREGĂTIREA PROBELOR ÎN
VEDEREA REALIZĂRII INVESTIGAŢIILOR METALOGRAFICE
Echipamentele utilizate pentru pregătirea probelor se găsesc în laboratorul
Proprietăţile materialelor metalice din Departamentul de Tehnologii şi Echipamente pentru
Procesarea Materialelor de la Facultatea de Știința şi Ingineria Materialelor din Iași.
49
3.2.1. Maşina de debitat probe Metacut - M 250
În cazul probelor obţinute prin cele două metode de depunere (EV, PTJP),
debitarea se va realiza folosind mașina de debitat cu discuri abrazive cu lichid de răcire
Metacut, prezentată în figura 3.5.
Figura 3.5. Elementele componente ale mașinii de debitat Metacut M250: 1. Orificiu pentru
tăiat piese lungi; 2. Pânză; 3. Sistem de răcire; 4. Sistem de siguranță ; 5, 6. Sistem prindere
suprafeţe oxidate, metalele laminate și pe materiale metalice supuse unor
tratamente termice.
Metoda Vickers constă în apăsarea unui penetrator cu o viteză redusă şi cu o
anumită forţă predeterminată F pe suprafaţa materialului de încercat.
3.3.2.3. Analiza microamprentării şi a aderenței suprafeţei depuse
Evaluarea proprietăților mecanice esențiale ale straturilor subţiri, se face prin
măsurarea a două caracteristici ale materialelor şi anume duritatea (H) şi modulul de
elasticitate Young (E) cu ajutorul tehnicii de amprentare, iar pe baza acestora se determină
indicele de elasticitate (H / E) (X. Xu et al., 2015).
Testele de microamprentare şi testele de aderență se vor efectua cu ajutorul unui
echipament pentru determinări tribologice şi mecanice, numit Universal Micro - Tribometer
(CETR - UMT - 2) care se află în dotarea Laboratorului de Tribologie de la Facultatea de
Mecanică din Iaşi.
Figura 3.13. Aparat pentru determinări mecanice şi tribologice Universal
Micro - Tribometer.
Microtribometrul CETR - UMT - 2 figura 3.13 este un echipament modular
care oferă posibilitatea testării: uzurii la scară micro, microamprentării, microaderenței
(scratch - test).
3.3.3. Metode şi echipamente utilizate pentru determinarea
caracteristicilor chimice
3.3.3.1. Spectrometrie
Identificarea operativă a calității aliajelor metalice se poate realiza prin analize
spectrale cantitative, care permit identificarea tuturor elementelor chimice care intră în
componența unei probe de studiat, într-un timp scurt.
56
Figura 3.14. Spectrometrul Foundry Master (www.barodametalcast.com).
Cu ajutorul spectrometrului Foundry Master figura 3.14 dezvoltat de firma
Oxford Instruments, aflat în dotarea Facultăţii de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor,
laboratorul Proprietăţile materialelor metalice, în cadrul Departamentului de Tehnologii şi
Echipamente pentru Procesarea Materialelor, se poate realiza analiza spectrometrică
(compoziţia chimică) a materialului de bază.
Pentru determinarea cantitativă a elementelor de aliere din componența probelor
metalice, spectrometrul cu emisie optică Foundry Master poate analiza probe din cinci
baze de aliaje (Fe, Cu, Al, Sn, Ti). Aceste cinci baze sunt stocate în softul specific
(WASlab) de analiză şi au rolul de a crește precizia datelor. Timpul de efectuare a
analizelor spectrale cantitative este redus (cca. 3 minute / probă), oferind informații precise
privind compoziția chimică procentuală a probei metalice analizate.
3.3.3.2. Difractometrie cu radiații X
Difractometria cu radiații X reprezintă o tehnică non - distructivă utilizată la
identificarea şi determinarea calitativă și cantitativă a compuşilor chimici metalici şi
nemetalici numiţi și faze. Determinarea compuşilor chimici se va efectua pe difractometrul
de radiații X - X'Pert Pro MRD din cadrul laboratorului de Studiul Materialelor al
Facultăţii de Mecanică Iaşi, acesta fiind produs de PANalytical Olanda figura 3.15.
Figura 3.15. Difractometrul de radiații X - X’Pert Pro MRD (www.xrpd.eu, 2016).
57
Acești compuși se formează în materialele solide compacte cât şi în pulberi.
Identificarea fazelor se realizează prin compararea difractogramei de radiații X obținută pe
proba de test cu una din difractogramele din baza de date (actualizată periodic de către
firma producătoare a echipamentului).
Sistemul de difracție X - X’Pert Pro are următoarele elemente de bază: incinta de
lucru, goniometrul, tubul ceramic de radiații X (cu anod de Cu), răcitorul și module optice
pentru radiațiile X incidente.
3.3.3.3. Determinări de coroziune
Metodele electrochimice ajută la studierea fenomenului de coroziune al
acoperirilor, deoarece coroziunea aliajelor în fluide sunt de natură electrochimică.
Evaluarea comportamentului la coroziunea electrochimică a straturilor subțiri se va realiza
cu următoarele metode de analiză: voltametria ciclică şi spectroscopia de impedanţă
electrochimică, folosind un echipament VoltaLab 21.
Potenţiostatul VoltaLab 21, prezentat în figura 3.16, este produs de firma
Princeton Applied Research.
Figura 3.16. Potenţiostat VoltaLab 21 (Manual de utilizare, Potenţiostat VoltaLab 21).
Caracteristicile acestui potenţiostat sunt următorii (Manual de utilizare
Potenţiostat VoltaLab 21): tensiunea de ieşire: +/- 30 V; curentul maxim de ieşire: +/-1 A;
tensiunea de polarizare: +/-15 V; domeniul de potenţial: +/-2 V, +/-4 V, +/-8 V, +/-15 V;
9 domenii curent: 10 nA ÷ 1A; rezoluţie 0.003 % din domeniu; viteza maximă de baleiere:
20 V/s; capacitatea de eliminare a zgomotului prin selectarea filtrelor corespunzătoare.
Testele de evaluare ale rezistenţei la coroziune se vor realizata cu ajutorul unui
Potenţiostat (model VoltaLab 21), iar curbele potenţiodinamice au fost determinate cu
ajutorul software-ului VoltaMaster 4. Analizând corelaţia directă care există între curentul
măsurat între electrozi şi cantitatea de metal transferată în mediul coroziv, se poate
determina viteza de coroziune pe cale electrochimică.
3.3.3.4. Procesul de demineralizare
Fluidul utilizat în cadrul testelor de uzură hidroabrazivă va fi supus, înainte, unui
proces de demineralizare, pentru a e
hidroabrazivă (exp. coroziunea).
Fluidele demineralizate sunt utilizate în diferite domenii şi industrii,
preponderenţă în industria farmaceutică
iar în cazul termocentralelor pentru producerea aburului necesar antrenării turbinelor.
Demineralizarea se obţine la nivel industrial prin
demineralizare a apei), care permite îndepărtarea sărurilor dizolvate şi a event
impurităţi în procent de 90 ÷ 99 %.
Demineralizarea fluidului utilizat se va face cu ajutorul instalaţiei de
demineralizare a apei de tip Pat Mixt din cadrul companiei S.C. Careu S.A
Figura 3.17. Instalaţie de
Procedeul chimic de demineralizare presupune în primă fază utilizarea de răşini
schimbătoare de ioni care schimbă ionii de hidrogen şi hidroxid, cu anionii şi cationii
conţinuţi de fluid. Procesul de deminera
încărcate la maxim cu cationi (cum ar fi sodiu, calciu, fier
clorurile și sulfații) şi care nu mai au ioni de hidrogen
necesită reîncărcarea cu ioni H
neutralizare, preluând H și O disponibili în regeneran
Recipientul din fibră de sticlă conţine un pat mixt de ră
(anioni - cationi). Acesta este conectat la un panou de comandă care are rolul de a permite
controlul stării răşinilor.
58
Procesul de demineralizare
Fluidul utilizat în cadrul testelor de uzură hidroabrazivă va fi supus, înainte, unui
proces de demineralizare, pentru a evita apariția factorilor care influențeaz
hidroabrazivă (exp. coroziunea).
demineralizate sunt utilizate în diferite domenii şi industrii,
preponderenţă în industria farmaceutică și electronică (la producerea circuitelor integrate),
în cazul termocentralelor pentru producerea aburului necesar antrenării turbinelor.
Demineralizarea se obţine la nivel industrial prin osmoză inversă (cel mai uzual sistem de
demineralizare a apei), care permite îndepărtarea sărurilor dizolvate şi a event
impurităţi în procent de 90 ÷ 99 %.
Demineralizarea fluidului utilizat se va face cu ajutorul instalaţiei de
demineralizare a apei de tip Pat Mixt din cadrul companiei S.C. Careu S.A
Instalaţie de demineralizare a fluidelor (www.demineralizare.ro).
Procedeul chimic de demineralizare presupune în primă fază utilizarea de răşini
schimbătoare de ioni care schimbă ionii de hidrogen şi hidroxid, cu anionii şi cationii
conţinuţi de fluid. Procesul de demineralizare continuă până la epuizarea răşinilor, care
încărcate la maxim cu cationi (cum ar fi sodiu, calciu, fier și cupru) şi anioni (cum ar fi
şi care nu mai au ioni de hidrogen și hidroxid disponibili pentru schimb,
area cu ioni H și OH. Răşinile elimină cationii şi anionii prin tratamentul de
și O disponibili în regeneranţii chimici (HCl și NaOH).
Recipientul din fibră de sticlă conţine un pat mixt de rășini schimb
tioni). Acesta este conectat la un panou de comandă care are rolul de a permite
Fluidul utilizat în cadrul testelor de uzură hidroabrazivă va fi supus, înainte, unui
ția factorilor care influențează uzura
demineralizate sunt utilizate în diferite domenii şi industrii, cu
ă (la producerea circuitelor integrate),
în cazul termocentralelor pentru producerea aburului necesar antrenării turbinelor.
osmoză inversă (cel mai uzual sistem de
demineralizare a apei), care permite îndepărtarea sărurilor dizolvate şi a eventualelor
Demineralizarea fluidului utilizat se va face cu ajutorul instalaţiei de
demineralizare a apei de tip Pat Mixt din cadrul companiei S.C. Careu S.A figura 3.17.
delor (www.demineralizare.ro).
Procedeul chimic de demineralizare presupune în primă fază utilizarea de răşini
schimbătoare de ioni care schimbă ionii de hidrogen şi hidroxid, cu anionii şi cationii
lizare continuă până la epuizarea răşinilor, care
şi anioni (cum ar fi
și hidroxid disponibili pentru schimb,
ăşinile elimină cationii şi anionii prin tratamentul de
și NaOH).
șini schimbătoare de ioni
tioni). Acesta este conectat la un panou de comandă care are rolul de a permite
INSTALAŢIE UTILIZATĂ PENTRU STUDIUL UZURII
În literatura de specialitate pentru studiul hidrodinamicii, curgerii fluide
specifice mașinilor hidraulice și pentru studiul uzurii hidroabrazive a elementelor
componente ale turbinelor hidraulice sunt prezentate instala
hidrodinamicii(cum ar fi tunelele hidrodinamice dezvoltate de cei de la firma CREMHyG)
și de testare a hidroabraziunii prezentată în
inventatorii Preece și Brunton (C.M.
Figura 4.1.Instalația de testare a uzurii hidroabrazive cu disc rotitor și impact cu
Aceste două tipuri de instala
CREMHyG este proiectată doar pentru a vedea hidrodinamica curgerii fluidelor
pentru a testa uzura hidroabrazivă,este scumpă
de către Preece și Brunton nu are posibilitatea dea realiza mai multe tipuri de reglaje
reproduce condițiile reale de curgere ale fluidului pe suprafa
4.1. CONCEPEREA INSTALA
Ca urmare a dezavantajelor de ordin constructiv şi func
prezentate anterior a fost concepută
condiţii similare celor din func
Instalația concepută va fi utilizată pentru a
de bază, precum și probele depuse prin cele dou
Instalaţia concepută pentru testarea uzurii hidroabrazive trebuie să permită
realizarea următoarele tipuri de reglaje
59
CAPITOLUL 4
INSTALAŢIE UTILIZATĂ PENTRU STUDIUL UZURII
HIDROABRAZIVE
În literatura de specialitate pentru studiul hidrodinamicii, curgerii fluide
șinilor hidraulice și pentru studiul uzurii hidroabrazive a elementelor
componente ale turbinelor hidraulice sunt prezentate instalații de testare a
hidrodinamicii(cum ar fi tunelele hidrodinamice dezvoltate de cei de la firma CREMHyG)
e testare a hidroabraziunii prezentată în figura 4.1, care a fost dezvoltată de către
și Brunton (C.M. Preece et al., 1980).
ția de testare a uzurii hidroabrazive cu disc rotitor și impact cu
jet de lichid.
ouă tipuri de instalații prezintă unele dezavantaje majore: instalaţia
CREMHyG este proiectată doar pentru a vedea hidrodinamica curgerii fluidelor
pentru a testa uzura hidroabrazivă,este scumpă și are dimensiuni mari;instala
Brunton nu are posibilitatea dea realiza mai multe tipuri de reglaje
reale de curgere ale fluidului pe suprafața paletelor de turbină.
4.1. CONCEPEREA INSTALAȚIEI
Ca urmare a dezavantajelor de ordin constructiv şi funcțional ale instala
concepută o instalație astfel încât uzura probelor s
condiţii similare celor din funcționare (a paletelor de turbină), dar realizate în laborator.
va fi utilizată pentru a testa la hidroabraziune probele din materialul
și probele depuse prin cele două metode (metoda PTJP
Instalaţia concepută pentru testarea uzurii hidroabrazive trebuie să permită
realizarea următoarele tipuri de reglaje:
INSTALAŢIE UTILIZATĂ PENTRU STUDIUL UZURII
În literatura de specialitate pentru studiul hidrodinamicii, curgerii fluidelor
șinilor hidraulice și pentru studiul uzurii hidroabrazive a elementelor
ții de testare a
hidrodinamicii(cum ar fi tunelele hidrodinamice dezvoltate de cei de la firma CREMHyG)
, care a fost dezvoltată de către
ția de testare a uzurii hidroabrazive cu disc rotitor și impact cu
ă unele dezavantaje majore: instalaţia
CREMHyG este proiectată doar pentru a vedea hidrodinamica curgerii fluidelor și nu
și are dimensiuni mari;instalaţia proiectată
Brunton nu are posibilitatea dea realiza mai multe tipuri de reglaje și nu
a paletelor de turbină.
ional ale instalaților
ție astfel încât uzura probelor să aibă loc în
ă), dar realizate în laborator.
testa la hidroabraziune probele din materialul
ă metode (metoda PTJP și metoda EV).
Instalaţia concepută pentru testarea uzurii hidroabrazive trebuie să permită
60
� reglarea unghiului de incidență (unghiul de atac) (α). Este unghiul la care
este poziționată proba față de direcția generală de curgere a fluidului (figura 4.2).
Figura 4.2. Reglarea unghiului de incidență: 1- axa de simetrie a probei;2 - tijă cu filet și
mecanism de prindere a probei; 3 - unghiul de incidență; 4 - direcția de curgere a fluidului.
� viteza periferică veste viteza cu care fluidul din instalație se deplasează pe
circumferință. Circumferința de testare este data de distanța de la axul motorului la probă
(figura 4.3).
v = 2πR/t (4.1)
unde: R - raza;
t - timpul.
� reglarea distanței dintre axul motorului şi probă. În figura 4.3 este prezentată
reglarea distanței dintre axul motorului şi probă, care se poate realiza prin înșurubarea sau
deșurubarea tijei cu filet și mecanism de prindere a probei (2) ce favorizează mișcarea
acestuia (apropiind sau îndepărtând proba (1) de axul motorului (3)).
Figura 4.3. Reglarea distanței dintre axul motorului şi probă(vedere de sus):
1) probă; 2) tijă cu filet și mecanism de prindere a probei; 3) ax motor.
� reglarea distanţei probei faţă de baza rezervorului. Reglarea distanței probei
de față de baza rezervorului se face pentru a realiza diverse grade de uzură, deoarece în
partea mai apropiată de baza rezervorului densitatea de particule abrazive (carborund, nisip)
este mai mare decât în partea mai îndepărtată de baza rezervorului. Pe axul motorului (1)
sunt înfiletate tijele cu mecanismul de prindere (2) a probelor (3), iar reglarea distanței se
61
face prin poziționarea probelor pe o tijă mai apropiată sau mai îndepărtată față de baza
rezervorului figura 4.4.
Figura 4.4. Reglarea înălțimii (H) a probei față de baza rezervorului:
1)axul motorului; 2)tijă cu filet și mecanism de prindere a probei; 3) probă.
� reglarea vitezei de rotație a axului figura 4.5. Reglarea vitezei în vederea
obținerii unei turații variabile se face cu un potențiometru, astfel se poate regla viteza
necesară realizării unor teste de uzură hidroabrazivă diferite.
Ν = n/t [rot/min] = 300 [rot/min](4.2)
unde: N-viteza de rotație a axului;
n-numărul de rotații complet parcurse;
t - timpul.
Figura 4.5. Reglarea vitezei de rotație a motorului.
Valoarea vitezei motorului este evidențiată în chenarul de culoare roșie.
4.2.PROIECTAREA INSTALAȚIEI
Proiectarea părții mecanice a instalaţiei detestare a uzurii hidroabrazive, întâlnită
la paletelor de turbină şi a paletelor de ghidare,a fost făcută în Catia V5 (Dassault
Systemes CATIA P2 V5R19). Aceasta este alcătuită dintr-un rezervor cilindric din inox, în
interiorul căruia este imersat într-un lichid, cu particule abrazive, un ax care este acţionat
62
cu viteze diferite de un motor. La celălalt capăt al axului este realizat un sistem de prindere
pe care sunt montate probele (figura 4.6).
a)
b)
Figura 4.6. Instalaţia de testare a uzurii hidroabrazive proiectată în Catia: a) vedere de
ansamblu; b) detaliu.
Proiectarea părții electrice a fost realizată cu ajutorul programului Circuit Wizard
deoarece acest program oferă posibilitatea de a combina realizarea circuitului cu proiectarea
PCB (Printed Circuit Board - placă cu circuit imprimat), de asemenea se poate simula şi
realiza CAD/CAM întregul circuit, într-un singur program. Prin integrarea întregului proces
de proiectare, Circuit Wizard oferă instrumentele necesare pentru a produce un proiect
electronic de la început până la sfârşit, inclusiv testarea pe ecran a PCB înainte de construcția
propriu-zisă.
Schema bloc a instalației conține două circuite de alimentare:
� un circuit de alimentare pentru alimentarea motorului cu tura
acesta având o tensiune de 60 V;
� un circuit de alimentare pentru instrumentele de măsurare care au o tensiune
de alimentare de 18 V.
În figura 4.7 este prezentată schema bloc a instal
Circuit Wizard.
D – Celulă de redresare;C – Condensator de filtraj; RT – Regulator de tensiune; P – Potenţiometru; IM – Invertor de turaţie;V – Voltmetru; ST – Stabilizator de tensiune; TRM – Tahometru; Tt– Traductor de turaţie;
Figura 4.7.
Pe circuitul de alimentare de la re
siguranță şi un întrerupător. Prezenţa curentului de alimentare este semnalizată prin becul
B care este în paralel cu transformatorul de alimentare
60 de V ce urmează a fi transformat în curent continuu de către celula de redresare
condensatorul electric C.
63
circuit de alimentare pentru alimentarea motorului cu tura
acesta având o tensiune de 60 V;
un circuit de alimentare pentru instrumentele de măsurare care au o tensiune
este prezentată schema bloc a instalaţiei experimentale proiectată în
Celulă de redresare;
Invertor de turaţie;
de turaţie;
CE – Ceas; TR – Termometru; TC – Termocuplu; M – Motor; S – Siguranţă; I – Întrerupător; B – Semnalizator prezență tensiune; TM – Transformatorul sistemului de măsură;T – Transformatorul motorului.
Figura 4.7. Schema bloc a instalaţiei experimentale.
Pe circuitul de alimentare de la rețeaua cu o tensiune de 220V sunt montate o
ă şi un întrerupător. Prezenţa curentului de alimentare este semnalizată prin becul
care este în paralel cu transformatorul de alimentare T prevăzut cu un
de V ce urmează a fi transformat în curent continuu de către celula de redresare
circuit de alimentare pentru alimentarea motorului cu turație variabilă,
un circuit de alimentare pentru instrumentele de măsurare care au o tensiune
aţiei experimentale proiectată în
Transformatorul sistemului de măsură;
rimentale.
țeaua cu o tensiune de 220V sunt montate o
ă şi un întrerupător. Prezenţa curentului de alimentare este semnalizată prin becul
prevăzut cu un circuit secundar de
de V ce urmează a fi transformat în curent continuu de către celula de redresare D şi
64
Realizarea turației variabile a motorului se face prin intermediul unui regulator de
tensiune RT prevăzut cu potențiometrul P utilizat pentru reglarea tensiunii. Tensiunea
obținută este afișată de voltmetrul legat în paralel cu sursa, iar pentru semnalizarea
curentului de alimentare a motorului se folosește ampermetrul A legat în serie cu sursa.
Instalaţia este prevăzută cu un întrerupător IM, care realizează şi inversarea
sensului de mers al motorului reversibil de curent continuu. Stabilirea turației motorului M
se face prin intermediul unui traductor Tt compus dintr-un senzor magnetic montat pe
rotorul motorului, un senzor de proximitate montat pe partea fixă a motorului în
apropierea rotorului, pentru a prelua semnalul de pe senzorul de pe rotor, şi un modul cu
display care afișează numărul de rotații al motorului.
Circuitul de alimentare a instrumentelor de măsură este prevăzut cu un transformator
TM de reducere a tensiunii și un redresor cu stabilizator de tensiune ST care alimentează
circuitul electronic de măsurare a turației TRM prevăzut cu traductorul Tt. Tot la acest este
alimentat şi instrumentul electronic digital de măsurare a tensiunii şi a curentului.
Proiectarea şi verificarea circuitului electric al instalaţiei de testare a uzurii
hidroabrazive a straturilor subţiri a fost realizată cu programul Circuit Wizard 1.15 figura 4.8.
Figura 4.8. Schema electrică a instalaţiei de testare a uzurii hidroabrazive proiectată şi
testată cu ajutorul programului Circuit Wizard.
65
Proiectarea schițelor de circuit se realizează prin selectarea componentelor
necesare dintr-o bibliotecă de date care trebuie conectate între ele şi apoi apăsat
butonul „Play” pentru a începe procesul de simulare figura 4.9.
Figura 4.9. Schema de testare a circuitului electric a instalaţiei proiectată cu ajutorul
programului Circuit Wizard.
Cu ajutorul acestui program, în urma desenării circuitelor, s-a creat cu o funcție
automată a modelului circuitului electronic al instalaţiei de testare a uzurii hidroabrazive
folosind diferite diagrame.
4.3. REALIZAREA INSTALAȚIEI
În partea de realizare a instalației s-a executat instalaţia propriu-zisă şi panoul
de comandă şi control. Instalaţia propriu-zisă este formată din rezervor și motor de agitare
cu senzor tahometru.
Panoul de comandă şi control are următoarele elemente componente:
cronometru, buton oprire - pornire, afişaj tahometru, buton de reglare a vitezei,
66
comutator de reglare a direcţiei motorului, afişaj termocuplu, ampermetru cu voltmetru
figura 4.10 și figura 4.11.
Figura 4.10.Instalaţia de testare a uzurii hidroabrazive cu panoul de comandă şi control.
Figura4.11. Partea mecanică a instalaţiei de testare a uzurii hidroabrazive cu
elementele componente.
Datele tehnice ale elementelor componente utilizate în realizarea instalației sunt:
� Motor:
� puterea motorului 300 W;
� turația 0 ÷ 3000 rot/min;
� tensiunea de alimentare 60 V;
� intensitatea maximă a curentului 5 A.
67
Cuplul motor fiind constant dictat de rezistența hidraulică, turația motorului
este aproximativ constantă şi nu este necesar un regulator de turație conectat la un
stabilizator de tensiune.
� Transformatorul de alimentare a motorului:
� asigură alimentarea motorului pană la o tensiune de 60 V.
� Tahometrul:
� panou de afișare
• tensiunea: curent continuu 8 ÷ 24V;
• intervalul de măsurare a rotațiilor: 10 ÷ 9999 rot/min;
• frecvența: 100 Hz;
� senzor de proximitate:
• detecție: magnetică;
• distanța de detecție: 1 mm÷ 10 mm;
Figura 4.12. Schema de legare a tahometrului la circuitul electric.
� Voltmetrul şi ampermetrul digital
� tensiune de funcționare: curent continuu 4,5 ÷ 30V;
� intensitate de funcționare: < 20 mA;
� tensiune măsură: curent continuu 0 ÷ 100V;
� intensitatea măsurată: 0 ÷ 10 A.
Figura 4.13. Schema de legare a voltmetrului şi a ampermetrului digital la circuitul
electric.
68
În figura 4.14 sunt prezentate componentele din interiorul panoului de comandă şi
control.
Figura 4.14. Componentele din interiorul panoului de comandă şi control.
Pentru măsurarea temperaturii lichidului din rezervorul unde se produce uzura
hidroabrazivă este utilizat un termocuplu cu afişaj digital cu sursă proprie de curent. De
asemenea, sistemul de măsurare a timpului dispune de sursă proprie de curent.
Reglarea tensiunii în vederea obţinerii unei turații variabile se face cu un
stabilizator de tensiune electronic prevăzut cu 2 tranzistoare de putere legate în paralel şi
un tranzistor de comandă BD135 legat în sistem Darlington.
Instalația realizată are următoarele tipuri de reglaje:
� reglarea unghiului de incidență figura 4.15;
Figura 4.15. Reglarea unghiului de incidență.
� viteza periferică
Figura 4.16.
� reglarea distan
Figura 4.17.
� reglarea distanţei probei faţă de baza rezervorului
Figura 4.18. Reglarea înăl
69
viteza periferică v figura 4.16;
Figura 4.16. Reglarea vitezei periferice.
reglarea distanței dintre axul motorului şi probă figura 4.17
. Reglarea distanţei dintre axul motorului şi probă.
reglarea distanţei probei faţă de baza rezervorului figura 4.18
Reglarea înălțimii probei faţă de baza rezervorului.
h1
h2
figura 4.17;
Reglarea distanţei dintre axul motorului şi probă.
figura 4.18;
ţă de baza rezervorului.
70
� reglarea vitezei de rotație a axului figura 4.19;
Figura 4.19. Reglarea vitezei de rotaţie a motorului.
Odată trasate aceste diagrame pot fi uşor simulate şi animate permiţând testarea şi
rafinarea circuitului. În mod alternativ, Circuit Wizard Professional Edition oferă o gamă
variată de instrumente concepute pentru a analiza performanţa unui circuit PCB şi de
aranjare a plăci pe o singură faţă şi/sau faţă-verso figura 4.20.
Figura 4.20. Circuitul integrat al instalaţiei de testare a uzurii hidroabrazive: 1)
După 10 minute de la imersare Probă martor 44,6 x 103 1,9 x 10-5 0,81 - - - Deloro 60 prin metoda PTJP 2,2 x 103 3,5 x 10-5 0,82 1,1 x 103 3,8 x 10-4 0,75 Metco 71Ns prin metoda EV 13,2 x103 2,5 x 10-5 0,82 1,5 x 103 3,8 x 10-4 0,77 Deloro 60 prin metoda EV 22 x 103 2,3 x 10-5 0,81 1,7 x 103 3,8 x 10-4 0,77 După60 minute de la imersare Probă martor 41,4 x 103 1,9 x 10-5 0,81 - - - Deloro 60 prin metoda PTJP 1,9 x 103 3,6 x 10-5 0,81 1,1 x 103 3,8 x 10-5 0,73 Metco 71Ns prin metoda EV 3,2 x103 3,1 x 10-5 0,81 1,1 x103 3,7 x 10-5 0,75 Deloro 60 prin metoda EV 19,1 x 103 2,4 x 10-5 0,81 - - - După600minute de la imersare
Proba martor 22,5 x 103 2,3 x 10-5 0,81 - - - Deloro 60 prin metoda PTJP 1,5 x 103 4,1 x 10-5 0,80 1,1 x 103 3,9 x 10-5 0,69 Metco 71Ns prin metoda EV 1,4 x 103 4,1 x 10-5 0,80 1,1 x 103 3,9 x 10-5 0.72 Deloro 60prin metoda EV 8,1 x 103 2,9 x 10-5 0,80 4,3 x 103 3,3 x 10-5 0,75
În tabelul 6.14 se observă că rezistenţa la coroziune R1 a probei martor este mai
ridicată decât a probelor acoperite, lucru justificat prin faptul că în cazul acoperirilor apar
pile galvanice (2 sau mai multe tipuri de metale în soluţie).
Cu ajutorul microscopiei electronice se constată apariția produșilor de coroziune
figura 6.65 mai ales în cazul depunerilor cu Deloro 60 prin metoda PTJP. De asemenea
129
pentru toate cele 4 probe, coroziunea este uniformă, dar mai puțin vizibilă pentru proba
Deloro 60 prin metoda EV.
Figura 6.65.Analizele SEM a probelor imersate timp de 600de minute în ploaie acidă,
pH 5,4: a) probă martor; b) probă depusă cu Deloro 60metoda PTJP; c) probă depusă cu
Metco 71Ns prin metoda EV; d) probă depusă cu Deloro 60 prin metoda EV.
Cea mai bună rezistenţă la agenţi chimici o are proba acoperită cu Deloro 60 prin
metoda EV. Se observă că depunerile de Deloro 60 şi Metco 71Ns prin metoda EV sunt
mult mai bune din punct de vedere al rezistenţei la coroziune decât cele depuse
prin metoda PTJP.
Depunerea prin metoda PTJP cu pulberi tip Metco 71Ns a fost atât de
dezavantajoasă încât rezultatele nici nu au mai fost trecute în tabel şi pe grafic.
130
Figura 6.66. Analizele SEM a probelor imersate timp de 600 de minute în ploaie acidă,
pH 5,4: a) probă martor; b) probă depusă cu Deloro 60 prin metoda PTJP; c) probă
depusă cu Metco 71Ns prin metoda EV; d) probă depusă cu Deloro 60prin metoda EV.
Depunerile prin metoda PTJP au o structură a stratului mai puţin compactă decât
cea prin metoda EV, iar prezenţa golurilor şi a oxizilor în interiorul stratului depus şi la
interfaţa cu materialul de bază înrăutăţeşte proprietăţile la agresiuni chimice.
Depunerile prin metoda EV, în special cele cu Deloro 60 (aliaj pe bază de Ni) au o
bună rezistenţă la agresiunea agenţilor chimici, datorită compactităţii stratului exterior şi a
proprietăţilor anticorozive ale Ni care se găseşte în procent mai mare de 70% în strat.
131
CONCLUZII
Din analiza la microscopul electronic şi optic a secţiunilor se observă că probele
cu depuneri prin metoda PTJP au dezavantajul prezenţei unui strat de oxizi aproape
compact între strat şi substrat în cazul ambelor tipuri de pulberi, lucru ce slăbeşte
considerabil rezistenţa stratului.
La depunerea prin metoda EV între stratul depus şi substrat există o zonă de
trecere, zonă intermediară formată prin topire într-o baie metalică comună a materialului
de depunere şi a materialului de bază. Această zonă de trecere este deosebit de benefică
deoarece ancorează bine stratul exterior şi prezintă caracteristici fizico-chimice şi mecanice
de trecere între cele ale stratului şi substratului (coeficient de dilatare variabil, coeficient de
transfer termic variabil etc.) şi coerenţă structurală.
Acest avantaj lipseşte de la depunerea prin metoda PTJP,acesta având o trecere
bruscă de la strat la substrat cu o denivelare clară fără zone de trecere existând astfel
pericolul compactării diferite în caz de solicitare termică sau mecanică a stratului de
substrat (se comportă ca două materiale diferite).
Depunerea de W poate fi realizată cu succes prin metoda EV deoarece arcul
electric dintre catod şi anod are o temperatură de peste 11000 0C, care duce la o topire bună
a wolframului care are a temperatură de topire de 3600 0C.
La depunerea cu electrod de wolfram durificarea suprafeţei se realizează, o dată
prin călirea superficială datorată încălzirii foarte rapide cu picături de wolfram topit şi o
dată prin microaliere, favorizată de baia metalică care este formată atât din elementele
electrodului cât şi din suprafaţa oţelului inoxidabil pe care se depune.
Depunerile obţinute prin metoda EV sunt alcătuite din multiple picături unice,
care se formează într-o ordine dependentă de mişcarea relativă a electrodului.
Prin metoda PTJP sunt realizate straturi mult mai groase decât prin metoda EV.
Grosimea de strat la depunerea prin metoda PTJP poate varia în funcţie de numărul de
treceri al jetului de plasmă.
Acoperirile cu Deloro 60 prin prin metoda PTJP oferă o aderenţă bună la substrat şi
o duritate mare de aproximativ 59 ÷ 62 HRC a noului ansamblu strat - substrat obţinut.
La depunerea prin metoda PTJP rugozitatea este influenţată de granulaţia
pulberilor. La depunerea cu Deloro, care are o granulaţie mai grosolană, rugozitatea
132
este mai mare (Ra = 7,79 μm) faţă de depunerea cu Metco 71Ns, care are o rugozitate
mai mică (Ra = 3,86 μm), datorită pulberii mai fine.
Rugozităţile medii se întâlnesc la metoda EV lucru datorat, atât tehnologiei de
depunere, cât şi formării băii de topire strat - substrat care aplatizează forma picăturilor ce
constituie stratul de depunere. Cu cât suprafaţa este mai netedă, cu atât rezistenţa la
hidroabraziune şi coroziune este mai mare.
La o suprafaţă rugoasă apar multiple turbulenţe locale ce accentuează hidroabraziunea
pe zona respectivă. În cazul coroziunii o suprafaţă cu rugozitate ridicată este mai mare decât o
suprafaţă netedă crescând zonele de contact între agentul agresiv chimic şi probă.
Depunerile cu Metco 71Ns au wolfram în compoziţie mai mult de 80 %, ceea ce
duce la obţinerea de straturi deosebit de dure. Analiza microdurităţii arată însă o duritate
mai ridicată a depunerii cu Deloro 60 care are ca principal component chimic
nichelul 70 %, care se datorează prezenţei borului. Acest element, chiar în procente mai
mici de 0,2 %, duce la creşterea durităţii, rezistenţei mecanice şi tenacităţii.
Procentul de bor, în cazul depunerii cu Deloro 60, este de 3,1 ÷ 3,5 %, cantitate
suficient de mare să formeze compuşi complecşi, duri de Fe, Cr, Ni şi Mo, chiar după ce a
fost ars parţial în procesul de depunere. Analizând mai atent compoziţia chimică a celor
două tipuri de depunere se observă că Deloro 60 are în compoziţie şi o cantitate
semnificativă de bor, care este şi elementul principal care face ca depunerea cu Deloro 60
să fie mai dură decât cea cu Metco 71Ns.
133
CAPITOLUL VII
UZURA HIDROABRAZIVĂ
7.1. TESTELE DE UZURA HIDROABRAZIVĂ
Testele de uzură hidroabrazivă au fost realizate cu ajutorul instalaţiei concepută şi
prezentată în capitolul IV, folosind ca mediu de testare apa demineralizată cu suspensii de
carborund. Mediul de hidroabraziune şi parametrii de lucru ai instalaţiei sunt
prezentaţi ȋn tabelul 7.1.
Tabelul 7.1. Parametrii de lucru ai instalaţiei
Denumire Simbol Unitate de
masura Valoare
Detalii rezervor Diametrul rezervorului D [mm] 300
Nivelul de umplere H [mm] 150 Nivelul de umplere/diametrului rezervorului H/D [-] 1/2
Tip de agitator Unghi de incidență Ua grade 4x45°
Diametrul agitatorului (axa centrală a probei) D [mm] 120 Proporţie adimensională a diametrului D/D [-] 0.6
Înălţimea medie de instalare a agitatorului Ha [mm] 40 Înălţimea relativă de instalare a agitatorului H/D [-] 0.267
Informaţii testare Numărul de rotaţie Nr [rot/min] 300
Viteza periferică a agitatorului Vp [m/s] 3,1
Durata testului (între două măsurători) t [min] 300 Numărul de probe n [-] 4
Instalația este alcătuită dintr-un rezervor cilindric din inox, în interiorul căruia este
imersat într-un lichid, cu particule abrazive, un ax care este acţionat cu o viteze de un motor.
La celălalt capăt al axului este realizat un sistem de prindere pe care sunt montate probele.
Probele au fost cântărite iniţial cu ajutorul balanţei analitice, apoi după fiecare
testare la uzură hidroabrazivă au fost cântărite din nou pentru a se vedea pierderea de masă
(diferenţa dintre masa iniţială a probei şi masa după testare). Perioada dintre o cântărire şi
cealaltă este de 10 ore pentru primele zece teste, iar pentru următoarele cinci teste
este de 100 de ore.
Toate valorile rezultate în urma cântăririi şi calculării diferenţelor de masă, după
ce probele au fost supuse testelor de uzură hidroabrazivă, au fost înregistrate în tabelul 7.2.
134
Analizând graficele de uzură hidroabrazivă în care sunt reprezentate valorile
obținute până la 100 de ore de testare, se observă că până la această perioadă apare o uzură
hidroabrazivă mai intensă la toate probele testate, lucru datorat uzurii vârfurilor de
rugozitate a probelor.
Rugozitatea probelor este relativ mare, din cauza de metodelor de depunere
(metoda PTJD şi metoda EV) care formează pe suprafaţa probelor aderenţe, suprapuneri de
material de depunere, stropi parţial topiţi şi înglobaţi în microbăile metalice
solidificate, oxizi etc. Aceste proeminenţe de pe suprafaţă în timpul testării în lichidul cu
particule abrazive creează microturbulențe ce erodează puternic zona de exterior smulgând
oxizi şi stropi parţial topiţi, formaţi în urma depunerii prin cele două metode.
După primele 10 teste, adică după primele 100 de ore a avut loc netezirea
suprafeţelor, datorită şlefuirii vârfurilor mari de uzură. Astfel, se observă o scădere a
intensităţii uzurii hidroabrazive, panta curbelor scăzând la jumătate. Comparând rezistenţa
la uzură hidroabrazivă a probelor testate se observă că proba nedepusă are o uzură mai
mare decât probele depuse, pentru cazul în care sunt testate mai mult de 100 de ore. Proba
cu rezultatele cele mai bune la testele de uzură hidroabrazivă au fost cele care au fost
depuse cu Deloro 60 prin metoda EV.
Se observă că depunerile prin metoda PTJP au rezistenţa la hidroabraziune mai
slabă decât probele depuse prin metoda EV pe perioade scurte de funcţionare, însă acest
lucru poate fi remediat printr-o depunere mult mai mare, lucru posibil la acest tip de
depunere şi mai puţin la depunerea prin metoda EV, unde grosimea de strat poate ajunge la
o valoare de la care nu mai poate crește.
Uzura hidroabrazivă mai crescută, pe perioade scurte de timp, a depunerilor prin
metoda PTJP se datorează neuniformităţii stratului depus care prezintă numeroase maxime
de rugozitate. De asemenea, suprafaţa depusă prin metoda PTJP este formată din
numeroase micropicături formate în urma dezintegrării unor picături mai mari.
Dezintegrarea se datorează vitezei foarte mari a jetului de plasmă format şi a forţelor de
contact foarte mari a picăturilor care se lovesc de materialul de bază.
Micropicăturile astfel formate sunt mai mult integrate în suprafaţa materialului
deoarece, datorită dimensiunilor foarte mici, se răcesc foarte repede şi se solidifică aproape
instant când ajung pe suprafaţa de depunere, ele rămânând sub formă sferică. Această
formă sferică duce la zone de contact şi de adeziune foarte mici.
135
Tabelul 7.2. Masa probelor după testele de uzură hidroabrazivă la 100 de ore de testare