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Mar 19, 2024

Eine vergleichende Studie zu den Eigenschaften von Verbundwerkstoffen (Cr3C2

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 10778 (2023) Diesen Artikel zitieren 356 Zugriffe auf Metrikdetails Ein typischer ferritisch/martensitischer hitzebeständiger Stahl (T91) wird häufig in Nacherhitzern verwendet.

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Details zu den Metriken

Ein typischer ferritisch/martensitischer hitzebeständiger Stahl (T91) wird häufig in Nacherhitzern, Überhitzern und Kraftwerken verwendet. Cr3C2-NiCr-basierte Verbundbeschichtungen sind für verschleißfeste Beschichtungen bei Anwendungen mit erhöhten Temperaturen bekannt. Die aktuelle Arbeit vergleicht die Mikrostrukturstudien von Verbundplattierungen auf Basis von 75 Gew.-% Cr3C2 und 25 Gew.-% NiCr, die durch Laser- und Mikrowellenenergie auf einem T91-Stahlsubstrat entwickelt wurden. Die entwickelten Hüllen beider Prozesse wurden durch ein Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FE-SEM) charakterisiert, das mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS), Röntgenbeugung (XRD) und der Bewertung der Vickers-Mikrohärte ausgestattet war. Die auf Cr3C2-NiCr basierenden Plattierungen beider Prozesse zeigten eine bessere metallurgische Bindung mit dem gewählten Substrat. Die Mikrostruktur des entwickelten Lasermantels zeigt eine ausgeprägte dichte Erstarrungsstruktur mit einer reichen Ni-Phase, die interdendritische Räume einnimmt. Bei der Mikrowellenplattierung sind die harten Chromkarbidpartikel gleichmäßig in der weichen Nickelmatrix verteilt. Die EDS-Studie hat gezeigt, dass die Zellgrenzen mit Chrom ausgekleidet sind, wo Fe und Ni in den Zellen gefunden wurden. Die Röntgenphasenanalyse beider Prozesse zeigte das gemeinsame Vorhandensein von Phasen wie Chromkarbiden (Cr7C3, Cr3C2, Cr23C6), Eisen-Nickel (FeNi3) und Chrom-Nickel (Cr3Ni2, CrNi), obwohl diese Phasen Eisenkarbide (Fe7C3) sind. werden in den entwickelten Mikrowellenhüllen beobachtet. Die homogene Verteilung solcher Karbide in der entwickelten Mantelstruktur beider Prozesse deutete auf eine höhere Härte hin. Die typische Mikrohärte des Lasermantels (1142 ± 65 HV) war etwa 22 % höher als die des Mikrowellenmantels (940 ± 42 HV). Mithilfe eines Ball-on-Plate-Tests analysierte die Studie das Verschleißverhalten von mikrowellen- und laserbeschichteten Proben. Laserbeschichtete Proben zeigten aufgrund harter Karbidelemente eine überlegene Verschleißfestigkeit. Gleichzeitig kam es bei mikrowellenbeschichteten Proben zu mehr Oberflächenschäden und Materialverlusten aufgrund von Mikroschnitten, Lockerungen und ermüdungsbedingten Brüchen.

Oberflächenmodifikationstechniken sind entscheidend für die Verbesserung der Leistung und Haltbarkeit technischer Komponenten, die starkem Verschleiß und Korrosion ausgesetzt sind. Aufgrund ihrer hohen Verschleißfestigkeit und Korrosion haben Verbundplattierungen, insbesondere das Cr3C2-NiCr-System, große Aufmerksamkeit erhalten. Die im Verkleidungsprozess verwendete Energiequelle hat jedoch erheblichen Einfluss auf die endgültigen Eigenschaften und die Gesamtleistung der Verkleidungen1. Keramik-/Metall-Verbundwerkstoffe wie Cermets gelten seit langem als hervorragende Lösung zur Verbesserung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit mechanischer Komponenten in industriellen Anwendungen. Konventionelle Ansätze wie Barren- oder Pulvermetallurgie stellen jedoch erhebliche Herausforderungen bei der Herstellung von Cermet-Verbundwerkstoffen dar. Alternativ bieten Oberflächentechniktechnologien wie thermisches Spritzen, Laserauftragschweißen und Mikrowellenauftragschweißen praktische Ansätze für die Entwicklung funktionaler Beschichtungen auf Industriekomponenten, die Zieloberflächen wirksam vor Verschleiß und korrosionsbedingten Problemen schützen2,3. Unter diesen Techniken ist das Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-Brennstoffspritzen (HVOF) eine wirtschaftlich sinnvolle Wahl für die Herstellung verschiedener Cermet-Beschichtungen. Die durch das HVOF-Verfahren entwickelten Beschichtungen weisen eine erhebliche Haftfestigkeit bei minimaler Porosität auf. Die Beseitigung von Beschichtungsporen während der HVOF-Beschichtung stellt jedoch eine Herausforderung dar und führt zu einer geringeren Bindungsfestigkeit als bei der metallurgischen Bindung4. Diese Nachteile schränken die industriellen Anwendungen des HVOF-Verfahrens erheblich ein, da das Vorhandensein von Poren in den Beschichtungen als beschleunigte Diffusionspfade für korrosive Umgebungen dienen kann, was eine kritische Bedrohung für die Lebensdauer der Komponente darstellt5,6.

Das Laserauftragsverfahren stellt eine alternative Technik für Beschichtungsanwendungen dar und bietet eine präzise Kontrolle über die Verdünnung und metallurgische Bindung, was die Entwicklung raffinierter Mikrostrukturen erleichtert. Diese Technik bietet verschiedene Vorteile, darunter eine geringe Porosität mit einer vollständig dichten Struktur, eine minimale Beschädigung des Zielsubstrats an der Grenzfläche und eine robuste metallurgische Bindung. Das Laserauftragschweißverfahren hat in jüngster Zeit große Aufmerksamkeit bei verschleißfesten Hochtemperaturbeschichtungen erlangt und ist damit ein wichtiges Thema bei der Oberflächenmodifizierung von Werkstoffen. Beispielsweise untersuchen Jayaprakash et al.7 die Eigenschaften von laserlegierten WC-12 %Co- und Cr3C2-25 %NiCr-Pulvern gegenüber Kugelgraphitguss und ihre Auswirkungen auf Mikrostruktur, Mikrohärte und Verschleißfestigkeitseigenschaften. Der Beitrag dieser Arbeit besteht darin, Einblicke in die Mikrostruktur und die tribologische Entwicklung beim Laserlegieren von WC-12 %Co- und Cr3C2-25 %NiCr-Pulvern auf Sphärogussoberflächen zu liefern, die für die Entwicklung verschleißfester Beschichtungen für industrielle Anwendungen von Vorteil sein können. In einer anderen Studie wurde berichtet, dass das Laserauftragschweißen einer NiCr/Cr3C2-30%WS2-Verbundbeschichtung die Reibungs- und Verschleißeigenschaften bei Temperaturen bis zu 3000 °C wirksam minimieren kann8. Das Laserumschmelzen von thermisch gespritzten Beschichtungen wurde auch ausführlich für verschiedene Materialsysteme untersucht, beispielsweise für selbstfließende Legierungen auf Ni-Basis, WC-Co oder Cr3C2-NiCr-Cermets, wobei In-situ-Laserbestrahlung zum Einsatz kam. Es wurde beobachtet, dass die Schmelztiefe mit höherer Eingangslaserenergiedichte zunimmt5,9.

Darüber hinaus untersuchten Chenggang et al.10 die Laserbeschichtung von Ni60-Cr3C2-Pulver auf der Legierung W6Mo5Cr4V2 und zeigten einen deutlichen Anstieg der Härte, der auf die Bildung einer festen Lösung von Cr3C7-Karbiden zurückzuführen ist. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass das Laserauftragschweißverfahren Einschränkungen aufweist, einschließlich einer hohen thermischen Belastung aufgrund des steilen Temperaturgradienten, der Eigenspannung und der Porosität. Diese Einschränkungen erfordern innovative Beschichtungsmethoden, um diese Herausforderungen zu bewältigen, da Laserbeschichtungen für die Bearbeitung großer Oberflächen kosteneffektiv sind und Lösungen zur Lösung dieser Probleme erfordern.

Die steigende Nachfrage nach Energieeffizienz, Zeiteffektivität und umweltfreundlichen Ansätzen hat die Entwicklung neuartiger Oberflächenmodifikationstechniken vorangetrieben, um globale Industriestandards zu erfüllen. In den letzten Jahren hat sich die Nutzung von Mikrowellenenergie für die Materialverarbeitung als vielversprechender Weg herausgestellt, der diesen Anforderungen entspricht und eine Alternative zu umweltfreundlichen und energieeffizienten Methoden bietet11. Der Mikrowellen-Cladding-Prozess hat in letzter Zeit ein deutliches Wachstum erfahren. Diese Technik nutzt die volumetrische Erwärmungscharakteristik von Mikrowellen, die einen gleichmäßigen Wärmegradienten in der gesamten Mantelstruktur gewährleistet und eine hervorragende metallurgische Verbindung mit dem Substrat ermöglicht. Darüber hinaus zeichnet sich das Mikrowellenauftragschweißen durch seine Energieeffizienz, Wirtschaftlichkeit und verkürzte Verarbeitungszeit aus. Erste Studien von Guptha und Sharma12 haben die Anwendung von Mikrowellenenergie zum Aufbringen metallischer Materialien auf Edelstahl untersucht. Anschließend haben Untersuchungen verschiedener Autoren umfangreiche Arbeiten zum Mikrowellen-Cladding-Prozess gezeigt. Die entwickelten Mikrowellenplattierungen zeigten eine verbesserte metallurgische Bindung mit dem Substrat, ohne Risse oder Porenbildung12,13,14,15,16. Darüber hinaus wurden positive Ergebnisse bei der Herstellung von Verbundplattierungen auf Ni-SiC-, Ni-Cr3C2- und Ni-WC-Basis unter Verwendung von Mikrowellenenergie auf verschiedenen Edelstahlsorten erzielt17,18.

In der modernen Industrie sind Hartchrombeschichtungen weit verbreitet, um das Verschleißverhalten technischer Komponenten wie Kolben und Ventile zu verbessern. Aufgrund der schädlichen Umweltauswirkungen und Gesundheitsrisiken, die mit Chromverbindungen einhergehen, gab es jedoch zahlreiche Bemühungen, alternative Beschichtungen zu finden19. Darüber hinaus kommt es bei herkömmlichen Hartchrombeschichtungen bei Temperaturen über 350 °C zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften. Daher scheint die Suche nach Alternativen wie Cr3C2- und WC-haltigen Beschichtungen eine sinnvolle Lösung zur Bewältigung dieser Herausforderungen zu sein. Diese Karbide besitzen eine hervorragende Verschleißfestigkeit, Härte und Oxidationseigenschaften4. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Kombination von Ni (Cr) mit Hartchromkarbiden die Zähigkeit und Oxidationsbeständigkeit der Beschichtung verbessern kann. Ni-basierte Legierungen werden aufgrund ihrer hohen Verschleißfestigkeit bei erhöhten Kontaktdrücken häufig in verschiedenen industriellen Anwendungen eingesetzt20. Ein plattiertes Pulver auf Basis von 75Cr3C2 + 25(NiCr) wird bevorzugt, um die Verschleißfestigkeitseigenschaften von Stahllegierungen und Ni-basierten Superlegierungen bei hohen Temperaturen zu verbessern21. Die Cr3C2-NiCr-Cermet-Beschichtung hat aufgrund ihrer hervorragenden Kombination aus Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit eine breite industrielle Anwendung gefunden. Obwohl die Korrosionsbeständigkeit stärker von der Porosität als von der chemischen Zusammensetzung beeinflusst wird, ist das Erreichen eines vollständig dichten Zustands und eine metallurgische Bindung mit dem Substrat von entscheidender Bedeutung22.

Trotz der zahlreichen Studien, die zu Laser- und Mikrowellen-Auftragsplatten durchgeführt wurden, mangelt es immer noch an verfügbaren Daten zur Materialbearbeitung von Auflagen, die sowohl mit Laser- als auch mit Mikrowellenenergie unter identischen Materialbedingungen entwickelt wurden. Diese Wissenslücke wirkt sich direkt und erheblich auf die Qualität und die Engineeringkosten aus. Um diese Lücke zu schließen, nutzt die aktuelle Forschung Laser- und Mikrowellenenergie, um Verbundplattierungen mit einer Zusammensetzung von 75 Gew.-% Cr3C2 und 25 Gew.-% NiCr auf T91-Stahl zu entwickeln. Es werden vergleichende Beobachtungen zur Phasenbildung, zu den mikrostrukturellen Eigenschaften und zur Vickers-Mikrohärte sowie zur Beurteilung von Reibverschleiß/Ermüdungsverschleiß beider entwickelten Plattierungsarten berichtet.

Die in der aktuellen Arbeit verwendeten Materialdetails, experimentellen Vorgehensweisen und Charakterisierungstechniken wurden in den folgenden Abschnitten kurz besprochen.

In der aktuellen Arbeit wurde kommerziell erhältliches Verbundpulver aus 75 Gew.-% Chromkarbid und 25 Gew.-% Nickel-Chrom (75Cr3C2-25NiCr) (Hersteller: Oerlikon metco (Woka 7202)) mit einer Partikelgröße von 45 µm verwendet, um Plattierungen auf T91-Ferrit zu entwickeln legierter Stahl. Eine Mikrostruktur des Substrats T91 ist in Abb. 1a dargestellt. Die Partikel des umhüllten Pulvers hatten eine Kugelform. Abbildung 1b zeigt die typische Form des unverarbeiteten Mantelpulvers, das zur Abscheidung verwendet wird. Das XRD-Muster des Cr3C2-NiCr-Verbundpulvers ist in Abb. 1d dargestellt. Dies zeigt das überwiegende Vorkommen von Cr3C2 neben NiCr. Die Cr3C2-Partikel sorgen für eine höhere Härte, während NiCr als Bindemittel fungiert, das durch seine hervorragenden Haftungseigenschaften und die Karbidbenetzung für eine höhere Matrixfestigkeit sorgt. Die Substrate wurden aus der T91-Stahlplatte auf die gewünschten Abmessungen bearbeitet. Die chemische Zusammensetzung des ausgewählten plattierten Pulvers (Cr3C2-NiCr) und des T91-Substrats ist in Tabelle 1 dargestellt. Das XRD-Spektrum des Substrats T91 zeigt die Hauptdominanz von Ferriteisen, Abb. 1c.

SEM-Bilder von (a) der Mikrostruktur des Substrats (T91), (b) der Morphologie des Cr3C2-NiCr-Pulvers, (c) dem XRD-Spektrum des Substrats T91 und (d) dem XRD-Spektrum des Cr3C2-25 NiCr-Pulvers.

Auch das Beschichtungspulver und die Substratvorbereitung sind im Entwicklungsprozess wichtig. Daher wurde das Substrat mit einem standardmäßigen metallurgischen Verfahren poliert und vor der Pulverabscheidung mit Aceton gereinigt. Das umhüllte Pulver wurde 24 Stunden lang in einem normalen Muffelofen auf 200 °C erwärmt, um möglichen Feuchtigkeitsgehalt zu beseitigen. Cr3C2-NiCr-basierte Verbundplattierungen werden durch zwei verschiedene Prozesse entwickelt, die im Folgenden beschrieben werden.

Cr3C2-NiCr-basierte Verbundplattierungen wurden durch Laserenergie auf dem T91-Substrat entwickelt. Der mit einem 10-kW-Diodenlaser ausgestattete Laserauftragsversuchsaufbau besteht aus einer Faserzuführung und einem optischen Kopfsystem, das auf einem 6-Achsen-Roboter mit einer quadratischen Punktgröße von 6 mm platziert ist. Eine außeraxiale Pulverzufuhrdüsenanordnung wurde verwendet, um das Pulver während der Laserinteraktion mit Argongas auf das Substrat zu transportieren. Ein vertikaler Abstand zwischen dem Substrat und einem Laserstrahl wurde von 14 mm eingehalten. Zur Optimierung der Prozessparameter wurden zahlreiche experimentelle Tests durchgeführt. Schließlich wurden Laserbeschichtungen mit einer Leistung von 2000 W entwickelt, wobei eine Scangeschwindigkeit von 5 mm/s und eine Pulverzufuhrrate von 8 g/min beibehalten wurden. Ein typisches verwendetes laserbeschichtetes Versuchssystem ist in Abb. 2 dargestellt.

Zur Entwicklung von Cr3C2-NiCr-basierten Verbundlaserplattierungen wurde ein Diodenlaser-Versuchsaufbau verwendet.

In diesem Prozess entwickelten sich durch Mikrowellenenergie Cr3C2-NiCr-basierte Beschichtungen auf dem Substrat T91. Vor der Abscheidung des Mantelpulvers wurde das flache T91-Substrat gründlich mit Alkohol gereinigt, um seine Sauberkeit sicherzustellen. Zunächst wurde das plattierte Pulver mit Araldite-Bindemittel vermischt, um eine Aufschlämmung herzustellen; Die vorbereitete Aufschlämmung aus plattiertem Pulver wurde gleichmäßig auf ein Substrat mit einer Dicke von etwa 1 mm aufgetragen. Experimentelle Versuche wurden unter Verwendung eines herkömmlichen Mikrowellenofens durchgeführt, wobei eine 99 % reine Aluminiumoxidplatte (Isolierung) mit einer Dicke von etwa 0,5 mm auf der auf das Substrat aufgetragenen Aufschlämmung aus plattiertem Pulver gehalten wurde. Die Aluminiumoxidplatte fungiert als Separator zwischen dem umhüllten Pulver und dem Suszeptor. Das Holzkohlepulver wurde als Suszeptor verwendet, der die Erwärmung einleitet und dazu beiträgt, die Temperatur der umhüllten Pulverpartikel über ihren kritischen Wert hinaus zu erhöhen. Sobald das plattierte Pulver seine kritische Temperatur erreicht, verbinden sich diese Partikel mit der einfallenden Mikrowellenstrahlung, was zu einer weiteren Erhitzung und einem Schmelzen führt. Das metallische Substrat wurde auf die feuerfeste Unterlage gelegt. Um die Temperatur der Pulverpartikel zu erhöhen, wurde ein stark mikrowellenabsorbierendes Material namens Suszeptor eingesetzt. Dann wurde eine Mikrowellen-Hybridheizung verwendet, um das vorab platzierte Pulver zu schmelzen. Sobald die Versuchskonfiguration fertig war, wurde die Anordnung des Hybridheizaufbaus auf den Drehtisch gestellt und im heimischen Mikrowellenherd der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt. Das Schema des Versuchsaufbaus ist in Abb. 3 dargestellt. Schließlich wurden Mikrowellenverkleidungen in einem Haushaltsmikrowellenofen entwickelt (Hersteller: LG 28 L Charcoal Convection Microwave Oven, Modell: MJ2886BFUM, Schwarz). Die Mikrowellenbestrahlung erfolgte mit einer Leistung von 900 W bei 2,45 GHz. Die Prozessparameter wurden basierend auf Trial-and-Error-Methoden optimiert, ähnlich wie bei unserer vorherigen Arbeit3,16,23. Darüber hinaus wird an anderer Stelle über weitere Informationen zur Entwicklung von Mantelschichten mittels Mikrowellen-Hybridheizung (MHH) berichtet12,24,25,26.

Mikrowellenherd und Schema des Hybridheizaufbaus.

Die durch die oben genannten Prozesse entwickelten Cr3C2-NiCr-basierten Plattierungen wurden über die Dicke geschnitten und in Epoxidharz heiß montiert. Die montierten Proben wurden dann mit standardmäßigen metallografischen Techniken poliert. Die XRD-Phasenanalyse wurde mit einem Rigaku-Diffraktometer unter Verwendung von Cu-Kα-Röntgenstrahlen bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Scanrate betrug 1°/min, während der Scanbereich von 10°–120° beibehalten wurde. Mikrostruktur- und EDS-Untersuchungen wurden mit einem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop durchgeführt. Die Mikrohärte der Plattierungen wurde bei einer Belastung von 500 g und einer Verweilzeit von 15 s mit einem Vickers-Mikrohärteprüfgerät (VMHT Micro Hardness Tester) ermittelt. Für alle Mikrohärteeindrücke wurde ein einheitlicher Abstand von 100 µm verwendet.

Der Verschleißtest wurde mit linearen reziproken Kugel-auf-Platte-Tribometern (THT1000 und TRB3, Anton Paar, Österreich, ASTM G133) durchgeführt, um das Verschleißverhalten von grob polierten, drahtgeschnittenen, mikrowellen- und laserbeschichteten Proben zu bewerten. Die Abmessungen der Proben betrugen 10 mm × 10 mm × 6 mm (Länge × Breite × Höhe). Tabelle 2 enthält Einzelheiten zu den während des Tests verwendeten Verschleißparametern. Um das Fretting-/Ermüdungsverschleißverhalten beider plattierter Oberflächen unter verschiedenen Belastungsbedingungen zu untersuchen, wurde ein statischer Kugeleindringkörper aus Aluminiumoxid mit einem Radius von 3 mm eingesetzt. Der Eindringkörper führte eine lineare Hin- und Herbewegung mit einer Amplitude von 4 mm aus. Die verschlissenen Verkleidungen wurden einer REM-Analyse unterzogen, um die damit verbundenen Verschleißmechanismen nach dem Verschleißtest zu untersuchen und zu identifizieren.

Das veränderte Oberflächenverhalten technischer Komponenten bei diesen beiden wichtigen Beschichtungsmethoden lässt sich gut verstehen, indem man es auf ihre Formationsstruktur zurückführt. Die Prinzipien der Oberflächenentwicklung werden in Abb. 4 anhand eines Konzepts der „Einzelpartikelbearbeitung“ schematisch dargestellt. Eine Laserbeschichtung und aufgesprühtes Pulver erzeugen eine hochwertige Beschichtungsschicht mit minimaler Verdünnung. Die Pulverpartikel werden durch ein Trägergas in das Schmelzbad transportiert und in einem Winkel von 38°–45° auf das Zielsubstrat fokussiert. Durch vollständiges Aufschmelzen und Erstarren entsteht das dichte Gefüge. Allerdings muss beim Laserauftragschweißen die Energie hoch genug sein, um die Pulverpartikel zu schmelzen, und niedrig, um ein Schmelzen der Substrate zu verhindern. Die außerhalb des Schmelzbades auftreffenden Pulverpartikel prallen ab, die auf das Schmelzbad auftreffenden Partikel führen jedoch zum vollständigen Aufschmelzen. Bei Laserplattierungen gibt es einige Bedenken hinsichtlich der Entwicklung von Eigenspannungen aufgrund schneller Erstarrungsrisse, hohem Wärmegradienten und Porosität27. Daher führen Mikrorisse und Porosität (Abb. 5a) unter schwierigen Arbeitsbedingungen zu Abplatzungen der Laserbeschichtungen. Beim Mikrowellen-Beschichtungsprozess wird aufgrund dielektrischer Verluste in den Pulverpartikeln Wärme erzeugt, die zusätzlich zu der volumetrischen Natur der Erwärmung und dem anschließenden Schmelzen führt. Die geschmolzenen umhüllten Pulverpartikel führen außerdem dazu, dass die Temperatur des Substrats bis zum Schmelzpunkt ansteigt und verschmilzt (Abb. 4). Nach der Erstarrung ist eine besser entwickelte Mantelstruktur mit gleichmäßiger und dichter Mikrostruktur ohne Erstarrungsrisse und vernachlässigbarer Porosität zu erkennen (Abb. 5b).

Ein schematisches Diagramm zeigt die Einzelpartikelverarbeitung durch Laser- und Mikrowellenenergie während der Mantelentwicklung.

Das typische optische Bild zeigt Cr3C2-NiCr-basierte Flächenbeschichtungen, die durch (a) Laserenergie und (b) Mikrowellenenergie entwickelt wurden.

Cr3C2-NiCr-basierte Verbundplattierungen werden durch Laser- und Mikrowellenenergie entwickelt und durch verschiedene Techniken charakterisiert. Die Ergebnisse werden in den folgenden Abschnitten diskutiert.

Ein XRD-Spektrum von durch Laserenergie und Mikrowellenenergie entwickelten Hüllschichten ist in Abb. 6 dargestellt. Das Hüllspektrum beider Prozesse zeigte das gemeinsame Vorhandensein von Phasen wie Chromkarbiden (Cr7C3 Cr3C2, Cr23C6), Eisen-Nickel (FeNi3) und Chrom- Nickel (Cr3Ni2, CrNi). Diese Eisenkarbidphasen (Fe7C3) werden jedoch in durch Mikrowellenenergie entwickelten Hüllschichten beobachtet. Das XRD-Spektrum der laserbeschichteten Oberfläche (Abb. 6a) zeigt, dass es sich bei den meisten Peaks um Chromkarbide handelt und dass kleinere Peaks wie Eisen-Nickel und Chrom-Nickel beobachtet werden. Es ist klar, dass die Entkohlung von Cr3C2 zur Bildung von Chromkarbiden wie Cr7C3 und Cr23C6 führt. Cr7C3 entsteht hauptsächlich durch die Entkohlung von Cr3C2 aufgrund des massiven Schmelzzustands beim Erhitzen beim Laserauftragschweißen. Dies wird durch die Tatsache bestätigt, dass sich viele Cr7C3 in der Nähe der Cr3C2-Partikel befinden28. Somit wird ein Teil des Kohlenstoffs im Idealfall als Cr23C6 ausgeschieden. Das Hochtemperaturschmelzen des Laserauftragprozesses führt zur teilweisen Auflösung des primären Cr3C2, und dies könnte eine der Hauptmöglichkeiten für die Bildung verschiedener Arten von Chromkarbiden sein. Ein solches Verhalten erhöht den Kohlenstoff- und Chromgehalt des Schmelzbads, was die Bildung vieler anderer Karbidphasen während des größten Teils des Nichtgleichgewichtsabkühlungsprozesses stimuliert. Die Bildung verschiedener Chromkarbide (Cr3C2 und Cr23C6) wurde bereits früher auch für das Laserauftragschweißen von Ni60-Cr3C210 beobachtet. Kleinere Spitzen wie Chrom-Nickel (Cr3Ni2, CrNi) werden durch den NiCr-Binder gebildet.

Ein typisches XRD-Spektrum von Cr3C2-NiCr-basierten Plattierungen von (a) Laserenergie, (b) Mikrowellenenergie.

Dieser NiCr-Binder schmilzt wahrscheinlich zunächst und kristallisiert etwas Chromkarbid in einer flüssigen Phase (Cr3Ni2), die reich an Cr und C sein kann. Eisen-Nickel (FeNi3) kann auf die Diffusion von Eisenelementen von der Zieloberfläche zum Mantel zurückzuführen sein Dies ist ein klarer Beweis für die metallurgische Verbindung des Substrats mit der Umhüllung. Eine weitere interessante Beobachtung scheint die Entwicklung des ferromagnetischen intermetallischen FeNi3 zu sein, obwohl das ausgewählte plattierte Pulver eisenfrei war (Tabelle 1). Diese Ergebnisse zeigen die Verdünnung von Elementen, in denen Eisen aus dem Substrat verdünnt wurde. Über die Bildung dieser Art intermetallischer Verbindungen wurde bereits früher berichtet12. Die typischen XRD-Spektren von Verbundwerkstoffen (Cr3C2-NiCr), die durch Mikrowellenenergie entwickelt wurden, sind in Abb. 6b dargestellt. Das Vorhandensein verschiedener Phasen wie Chromkarbide (Cr7C3, Cr3C2, Cr23C6), Eisen-Nickel (FeNi3) und Chrom-Nickel (Cr3Ni2, CrNi), Eisenkarbid (Fe7C3) kann im XRD-Test gesehen werden. Durch die Entkohlung von Cr3C2-Partikeln beim Mikrowellen-Hybridheizen entstehen Cr7C3 und Cr23C6. Cr3Ni2- und FeNi3-Phasen könnten auf die Diffusion von Chrom-, Nickel- und Eisenelementen vom Substrat zum Mantel bei erhöhter Temperatur zurückzuführen sein, was ein klarer Hinweis auf eine metallurgische Bindung des Substrats zum Mantel ist. Die Eisenkarbidphase (Fe7C3) könnte auf die Verdünnung von Eisenelementen vom Substrat in den Mantelbereich während der Mikrowellenumhüllung zurückzuführen sein. Diese Phasen wurden auf der laserbeschichteten Oberfläche nicht bemerkt, was möglicherweise darauf zurückzuführen ist, dass die schnelle Erstarrung und die Diffusionsrate geringer sind als beim Mikrowellenbeschichtungsprozess. Wie in der EDS-Analyse erläutert, wurde beobachtet, dass das plattierte Pulver Cr3C2-NiCr vollständig mit dem Substrat vermischt und verschmolzen war. Die entwickelte Verkleidungsoberfläche muss ordnungsgemäß mit dem Grundmaterial vermischt werden. Daher ist eine Diffusionsgeschwindigkeit des Substrats unvermeidbar. Die höhere Diffusionsrate der Mikrowellenbeschichtung führt zu einer allmählichen Wechselwirkung zwischen dem Substrat und dem Beschichtungspulver, wodurch sich weiter Eisenkarbide bilden. Die Bildung dieser Eisenkarbide weist auf die Ursache der hervorragenden metallurgischen Bindung während der Hybrid-Mikrowellenerhitzung hin. Schließlich lässt sich bei beiden Prozessen beobachten, dass auf der entwickelten Plattierungsschicht neben intermetallischen Verbindungen eine gute Menge an Chromkarbiden abgeschieden ist, was weiter dazu beiträgt, die Härte und Verschleißfestigkeit der entwickelten Beschichtungen beider Prozesse zu erhöhen.

Die Mikrostrukturstudie unterstützt das Verständnis der verschiedenen vorhandenen Phasen, ihrer Zusammensetzung, Korngrenze, Einschlüsse, Porosität usw., die in der untersuchten Substanz auftreten. Es hilft, den Einfluss der Mikrostruktur auf die verschiedenen Eigenschaften von Plattierungen zu untersuchen. Infolgedessen wurden Studien zu den Mikrostrukturen der entwickelten Umhüllung durchgeführt.

Die Mikrostrukturen des Cr3C2-NiCr-basierten Komposit-Lasermantels sind in Abb. 7 dargestellt. Die Struktur ist vollständig dicht interdendritisch mit einer nickelreichen Legierungsphase und Dendriten mit Chromcarbid-Zwischenräumen. Die entwickelte Mikrostruktur ist typischerweise verfestigt, mit Karbiden als Dendriten und einer reichen Ni-Phase, die die interdendritischen Räume dominiert. Es ist auch zu erkennen, dass verschiedene säulenförmige Dendriten senkrecht zur Grenzflächenschicht und der interdendritischen Struktur im unteren Teil der Karbidschicht wachsen und dass im mittleren Teil der Mantelschicht nur wenige Dendriten zu erkennen sind. Es wird berichtet, dass die Eigenschaften dieser typischen Struktur in direktem Zusammenhang mit der Erstarrungsgeschwindigkeit (R) und dem Temperaturgradienten (G) der flüssigen Legierung im Laserschmelzbad stehen. Zu Beginn der Erstarrung gab es im unteren Teil der Mantelschicht einen größeren G-Wert und einen kleinen R-Wert. Dieser Wert von G/R verringert sich mit dem Erstarrungsprozess näher an der Oberfläche allmählich auf Null, was weiter zur Ursache für das oben genannte Kristallwachstum führt29. Einige grobe säulenförmige Dendriten wurden durch winzige Dendriten ersetzt, die von einem hellen Eutektikum bedeckt waren. Dies wurde durch den extrem hohen Schmelzpunkt der Cr3C2-Partikel verursacht, die im Schmelzbad reichlich vorhanden waren und die Temperaturfelder vor den Flüssig-Fest-Grenzen veränderten, was sich auf die Erstarrungsstruktur auswirkte (Abb. 7c). Das Fehlen von Mikrorissen und Porosität hat gezeigt, dass die für diese Studie berücksichtigten technischen Parameter eine hohe Qualität des Laserauftragschweißprozesses gewährleistet haben. Über eine ähnlich dicke planare Kristallzone zwischen Bindung und HAZ wurde auch an anderer Stelle berichtet30.

Mikrostruktur eines Cr3C2-NiCr-basierten laserbeschichteten Querschnitts: (a) ein typisches FE-SEM-Bild eines Querschnitts einer Cr3C2-NiCr-laserbeschichteten Struktur, (b) eine vergrößerte Ansicht der dichten laserbeschichteten Struktur, (c) vergrößerte Ansicht des Schnittstellenbereichs.

Ein typischer Querschnitt des entwickelten Mikrowellen-Ummantelungsquerschnitts ist in Abb. 8 dargestellt. Der Mikrowellen-Ummantelungsprozess bietet eine präzise Steuerung der Heizparameter wie Leistungsniveau und Heizzeit und ermöglicht so eine Optimierung des Mantelprozesses. Diese Kontrolle ermöglicht die Bildung einer gewünschten Mikrostruktur und erleichtert die Beseitigung von Porosität, was zu einer porenfreien Struktur mit erhöhter Bindungsstärke führt. Im Vergleich zu anderen Beschichtungstechniken wie Laser- oder thermischem Spritzen kann durch die Mikrowellenbeschichtung eine bessere metallurgische Bindung erzielt werden. Die einzigartigen Eigenschaften der volumetrischen Erwärmung, der schnellen Erwärmungs- und Abkühlungsraten und der präzisen Steuerung der Erwärmungsparameter tragen zur überlegenen Leistung des Mikrowellenmantels bei und heben ihn von den alternativen Mantelmethoden ab. Es wurde beobachtet, dass der entwickelte Mikrowellenmantel durch teilweise gegenseitige Diffusion von Elementen eine gute Bindung mit dem Substrat zeigt. Eine substratumhüllte Grenzfläche ist frei von erkennbaren Diskontinuitäten. Die beobachtete wellenförmige Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Mantelstruktur ist aufgrund des lokalisierten Schmelzbadstroms während der Mikrowellenerwärmung zu erkennen (Abb. 8a). Die Schmelzgeschwindigkeit von plattiertem Pulver und Substrat hängt direkt von der Schmelzbadströmung ab. Es wurde außerdem festgestellt, dass die entwickelten Mikrowellenhüllen frei von sichtbaren Poren sind und Grenzflächenrisse und plattierte Bereiche fehlerfrei erscheinen. Die vergrößerte Ansicht des plattierten Abschnitts ist in Abb. 8b dargestellt. Sie zeigt, dass harte Chromkarbidpartikel gleichmäßig in der weichen Nickelmatrix verteilt bleiben. Die Nickelpartikel des plattierten Pulvers beginnen zuerst zu schmelzen, wenn Mikrowellen während der Mikrowellenerwärmung eine Wechselwirkung einleiten, und harte Karbidpartikel bleiben weiterhin gleichmäßig in der weichen Matrix verteilt, Abb. 8b. Die fehlerfreie Mantelstruktur ist an der langsameren Erstarrungsgeschwindigkeit des Schmelzbades zu erkennen. Verschiedene Karbide, zunächst Chromkarbid und andere komplexe Metallkarbide, werden durch die Schmelzbadströmung teilweise agglomeriert und bleiben gleichmäßig verteilt. Diese Karbide könnten die entwickelte Mantelstruktur weiter verstärken und als Verstärkung im entwickelten Verbundwerkstoff wirken. Die Art der volumetrischen Erwärmung steht in direktem Zusammenhang mit der hybriden Mikrowellenerwärmung, die durch einen minimalen Wärmegrad in der freiliegenden Oberfläche der Mikrowelle beeinflusst wird. Die Karbide sind gleichmäßig in der Mantelstruktur verteilt, was möglicherweise auf die langsame Erstarrungsgeschwindigkeit des Schmelzbades zurückzuführen ist. Über ähnliche Arten gleichmäßig verteilter Metallkarbide wird an anderer Stelle berichtet17,31. Die Bildung zellulärer Dendriten wurde nirgends in der entwickelten mikrowellenumhüllten Struktur beobachtet. Dies könnte auf einen gleichmäßigen Wärmegradienten zurückzuführen sein, der es der Zelle nicht ermöglicht, in Dendriten überzugehen32.

Mikrostruktur eines Mikrowellenmantels auf Cr3C2-NiCr-Basis, Querschnitt: (a) ein typisches FE-SEM-Bild eines Querschnitts eines Mikrowellenmantels aus Cr3C2-NiCr, (b) Vergrößerte Ansicht der Mikrowellenmantelstruktur.

An verschiedenen Standorten wurde eine EDS-Analyse durchgeführt. Die entsprechenden Ergebnisse sind in den Abbildungen dargestellt. 9 und 10 entsprechend. Wie aus der Mikrostruktur des Lasermantels in Abb. 9a hervorgeht, sind drei Phasen in der Mikrostruktur zu erkennen – grau, hellweiß und hellgrau, entsprechend als 1, 2 und 3 bezeichnet. Punkt Nummer 1 zeigt Metallkarbide der entwickelten Mantelmatrix, während die Punkte 2 und 3 die Positionen im Grenzflächenbereich bezeichnen. EDS-Studien zum ersten Punkt (Abb. 9b) zeigen, dass das Vorkommen von Cr und C die Grauphase mit Auswirkungen von etwa 76,86 % bzw. 9,87 % beeinflusst. Das Vorhandensein solcher harter metallischer Karbide (CrxCY) in den Lasermänteln, wie im Abschnitt „XRD-Phasenanalyse“ erläutert, weist auf die Aussicht auf eine bessere Verschleißfestigkeit hin.

Typische EDS-Studien der Laserummantelung: (a) FE-SEM-Bild, das die Standorte zeigt (EDS-Studien), (b) EDS-Studien der Standorte (Punkt 1) auf der entwickelten Ummantelung, (c) EDS-Spektrum an der Grenzfläche (Punkt 2), (d) EDS-Studien zur Grauphase (Punkt 3).

Typisches EDS-Spektrum der Mikrowellenhüllen (a) FE-SEM-Bild, das Orte von EDS-Studien zeigt, (b) EDS-Studien einer Stelle auf der Hülle (Punkt 1), (c) EDS-Studien an der Korngrenze der Hüllenmatrix (Punkt 2). ).

Unterdessen weist die EDS-Untersuchung von Punkt 2 (weiße Phase) im Grenzflächenbereich auf die Existenz von Elementen wie Cr, C und Fe hin (Abb. 9c). Punkt Nummer 3 der EDS-Studie (hellgraue Phase) der Grenzfläche, der Bereich weist auf das Vorhandensein der Hauptelemente wie Fe, Cr, C und Ni hin (Abb. 9d). Die Mantelschicht eines geschmolzenen Hüllpulvers kann zu einer Verdünnung von Fe und Mo führen, was zu deren Vorhandensein führt. Daher besteht die Umhüllung aus einer relativ starken Matrix (auf Fe-Cr-Ni-Basis). Daher wirkt die gleichmäßige Verteilung der Karbide als Verstärkung, was weiter dazu beiträgt, die Verschleißfestigkeit der zähen Metallmatrizen des laserplattierten Verbundwerkstoffs auf Cr3C2-NiCr-Basis zu erhöhen. Es ist zu beobachten, dass die feine dendritische Struktur der Grenzflächenregion zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften beiträgt. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass eine solche Struktur die tribologischen Eigenschaften des Zielbauteils verbessert. Der Hauptgrund für dieses Vorkommnis ist voraussichtlich die Verdünnung der Fe-Elemente des plattierten Pulvers und die metallurgische Bindung. Basierend auf der EDS-Analyse wurde der Fe-Gehalt in umgeschmolzenen Beschichtungen festgestellt33.

Wie aus der entwickelten Mantelmikrostruktur hervorgeht (Abb. 10a), werden zwei einzigartige Phasen beobachtet – Korn und Korngrenze, die als 1 bzw. 2 angezeigt werden. Punkt Nummer 1 bezeichnet das Korn und die entwickelte Mantelmatrix, die durch das Vorkommen von Fe, Ni und Cr mit Verteilungen von etwa 56 %, 10 % bzw. 23 % beeinflusst werden, wie in Abb. 10b dargestellt. Es wird beobachtet, dass ein höherer Prozentsatz an Eisen dem Schmelzbad von geschmolzenem plattiertem Pulver zuzuschreiben ist, das durch lokalisierte Konvektionsströme verursacht wird, was weiter zu elementaren Wechselwirkungen zwischen plattiertem Pulver und dem Zielsubstrat führt. Dies verdeutlicht, dass die gebildete Umhüllung eine harte Matrix (Fe-Ni-Cr) enthält. Darüber hinaus hatten Fe, Ni und Cr die intermetallischen Verbindungen wie Cr3Ni2 gebildet, FeNi3 wird in den XRD-Untersuchungen von Mikrowellenplattierungen beobachtet (Abb. 6b). Die EDS-Studien von Punkt 2 (Abb. 10c), die auf mit Cr und C angereicherten Korngrenzen markiert sind, tragen etwa 83 % bzw. 10 % bei. Dies weist darauf hin, dass die Korngrenze der entwickelten Umhüllung metallische Karbide aufweist, die in der entwickelten Umhüllungsmatrix verstärkt sind. Das Vorkommen von Metallkarbiden in entwickelten Mikrowellenplattierungen weist auf die Wahrscheinlichkeit einer überlegenen Härte und Erosionsbeständigkeit hin. Daher ist die EDS-Analyse ein klares Zeichen dafür, dass die gleichmäßige Verteilung harter Metallkarbide (Cr3C2, Cr7C3, Cr23C6) als Verstärkung in der zähen Matrix aus mikrowellenplattiertem Material (Cr3C2-NiCr) wirkt, von dem erwartet wird, dass es Widerstand bietet Tragen Sie es bei erhöhter Temperatur.

Die Mikrohärte wurde über die Querschnitte der Laser- und Mikrowellenbeschichtung gemessen. Es wurde versucht, die Mikrohärteschwankung zwischen der entwickelten Mantelschicht und dem Basissubstrat zu ermitteln. Die Mikrohärteverteilungen sind in Abb. 11 dargestellt. Die durchschnittliche Mikrohärte des Substrats (T91) betrug 418 ± 12HV. Die Autoren stellten jedoch fest, dass bei der Mikrowellenumhüllung harte Chromkarbidpartikel gleichmäßig in der weichen Nickelmatrix verteilt waren. Die Röntgenphasenanalyse beider Prozesse zeigte das gemeinsame Vorhandensein von Phasen wie Chromkarbiden (Cr7C3, Cr3C2, Cr23C6), Eisen-Nickel (FeNi3) und Chrom-Nickel (Cr3Ni2, CrNi), obwohl diese Phasen Eisenkarbide (Fe7C3) sind. werden in den entwickelten Mikrowellenhüllen beobachtet. Die homogene Verteilung solcher Karbide in der entwickelten Mantelstruktur beider Prozesse deutete auf eine höhere Härte hin. Die typische Mikrohärte des Laser-Mantels (1142 ± 65 HV) war etwa 22 % höher als die des Mikrowellen-Mantels (940 ± 42 HV). Wie in der EDS-Analyse erläutert, war das plattierte Pulver Cr3C2-NiCr vollständig mit dem Substrat vermischt und verschmolzen (Abschnitt „Mikrostrukturelle Beobachtung“). Eine Diffusion aus dem Untergrund ist unvermeidlich, da die entwickelte Manteloberfläche ordnungsgemäß mit dem Grundmaterial vermischt werden muss. Aufgrund des Fe-Elements im Zielsubstrat können daher geringfügige Abweichungen in den Härteprofilen beider Hüllrohre festgestellt werden. Allerdings wurden in den Mikrohärtewerten in den Abschnitten verschiedene Welligkeitszonen beobachtet; Diese ungleichmäßigen Verteilungen über das Segment sind auf die Veränderung der Härte der zähen Metallmatrix und der Hartkarbid-basierten Verstärkung sowie auf Erwärmungseffekte beider Prozesse zurückzuführen, die zu mikrostrukturellen Veränderungen führen, die durch aufeinanderfolgende Plattierungen verursacht werden, die durch Laser- und Mikrowellenenergie entwickelt werden . Es wurde experimentell berichtet, dass sich die Härte derselben Oberfläche verbesserte, wenn harte Karbidpartikel in eine weichere Oberfläche eingeschmolzen wurden34,35. Auch viele andere Wissenschaftler haben ein ähnliches Verhalten bei der Verschmelzung harter Partikel mit weicheren Oberflächen beobachtet, und die Ergebnisse stimmten mit den Erkenntnissen von Li Pengting et al.36 überein. Es wurde auch beobachtet, dass die Mikrohärte beim Laserauftragen größer ist, was möglicherweise auf die Bildung einer Dendritenstruktur zurückzuführen ist, die die durch den Eindringkörper erzeugte plastische Verformung begrenzt. Daher wurde die entwickelte laserbeschichtete Oberfläche durch die Dendritenstruktur verstärkt. Die Eigenspannungen können auch die Mikrohärte der entwickelten Umhüllung beeinflussen. Beim Laserauftragschweißen entstehen häufig höhere Übergangstemperaturen und Wärmegradienten, die zu höheren Eigenspannungen führen können. Diese Druckeigenspannungen können die Mikrohärte der Laserbeschichtungen erhöhen37,38. Der Laser-Cladding-Prozess erfordert typischerweise eine schnellere Abkühlungsrate als der Mikrowellen-Cladding-Prozess. Beim Laserauftragschweißen kommt es häufig zu einer schnelleren Abkühlung und schnellen Erstarrung, was zu feinen und gleichmäßig verteilten Mikrostrukturen führt, wie z. B. einer feinen dendritischen Struktur, die im Allgemeinen mit einer höheren Mikrohärte verbunden ist39,40. Beim Mikrowellen-Beschichtungsprozess mit seinem einzigartigen Erwärmungsprozess kann eine relativ langsamere Abkühlrate mit unterschiedlichem Erstarrungsverhalten zu unterschiedlichen Eigenspannungsprofilen führen, was möglicherweise zu einer geringeren Mikrohärte als bei den entwickelten Laserbeschichtungen führt. Allerdings hatten die durch beide Prozesse entwickelten Cr3C2-NiCr-basierten Plattierungen eine viel höhere Mikrohärte als das Zielsubstrat, was in erster Linie mit der Bildung von Karbiden (Cr7C3, Cr3C2, Cr23C6, Fe7C3) zusammenhängen könnte.

Zeigt das Mikrohärteprofil von Vickers für Laserbeschichtung (schwarz) und Mikrowellenbeschichtung (rot).

Die Verschleißeigenschaften der mikrowellen- und laserbeschichteten Proben wurden durch einen linear hin- und hergehenden Kugel-auf-Platte-Verschleißtest bewertet. Die Testparameter, einschließlich Lastschwankungen und Gleitweg, sind in Tabelle 3 aufgeführt. Die Untersuchung konzentrierte sich auf das Fretting-/Ermüdungsverschleißverhalten der Proben. Während der ersten Testbedingungen wurde beobachtet, dass die mikrowellenbeschichteten Proben einen Reibungskoeffizienten (COF) von 0,80 µ aufwiesen, verglichen mit dem COF der laserbeschichteten Proben von 0,61 µ. Dies ist auf die geringere Härte der entwickelten Mikrowellenmäntel zurückzuführen.

Mit zunehmenden Testparametern stieg jedoch der COF der mikrowellenbeschichteten Proben aufgrund des Aufreißens der entwickelten Oberflächenschicht drastisch an, wie in Abb. 12c, d dargestellt. Andererseits zeigten die laserbeschichteten Proben einen niedrigeren COF, wenn die Last und der Gleitweg zunahmen, wie in Abb. 12a,b dargestellt. Dies deutet darauf hin, dass Chromkarbide in den Laserbeschichtungen als internes Schmiermittel fungierten, den Reibungskoeffizienten verringerten und die Verschleißfestigkeit verbesserten. Der Vergleich zwischen Mikrowellen- und Laserauftragschweißen hinsichtlich des Verschleißverhaltens zeigte die unterschiedlichen Eigenschaften und Leistungen der beiden Techniken. Während Mikrowellenbeschichtungen anfänglich einen niedrigeren COF aufwiesen, führte das Aufreißen der Oberflächenschicht zu einer erhöhten Reibung. Im Gegensatz dazu zeigte das Laserauftragschweißen einen durchweg niedrigeren COF, was auf die überlegenen Schmier- und Verschleißfestigkeitseigenschaften hinweist, die Chromkarbiden zugeschrieben werden.

Abgenutzte Oberflächenmorphologien von (Cr3C2-NiCr)-basierten Plattierungen: Laserplattierungen (a) 10 N, 250 m (b) 20 N, 500 m; Mikrowellenhüllen (c)10 N, 250 m, (d) 20 N, 500 m.

Abbildung 12a,b zeigt die abgenutzten Bilder der laserbeschichteten Proben. Im Gegensatz zu den mikrowellenbeschichteten Proben zeigte die laserbeschichtete Probe unter den Testbedingungen eine überlegene Verschleißfestigkeit. Harte Karbidelemente wie Cr7C3 und Cr23C6 spielten eine wichtige Rolle dabei, die Ablösung geschmolzener Partikel von der Oberfläche zu verhindern und so die Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Die gleichmäßige und robuste Oberfläche der Laserbeschichtung führte zu einem minimalen Materialverlust während der Tests. Der Einbau von Karbiden in den dendritischen Bereich erhöhte die Härte und Verschleißfestigkeit, verringerte jedoch die mittlere freie Weglänge40,41. Abbildung 12c,d zeigt die abgenutzte Oberfläche der mikrowellenbeschichteten Proben, die mehr Oberflächenschäden und Materialverlust aufwiesen als die laserbeschichteten Proben. Das Mikroschneiden des relativ weichen Bindemittels, gefolgt von der Lockerung und dem Herausziehen des Karbids, trug zum Materialabtrag bei. Darüber hinaus kam es bei höheren Belastungen durch ermüdungsbedingten Hartmetallbruch zu Materialverlusten. Die wichtigsten Verschleißmechanismen, die während des Reibverschleißes beobachtet wurden, waren Matrixabplatzungen, Karbidbrüche und Ausrisse, möglicherweise aufgrund von Hartchromkarbidpartikeln, die gleichmäßig in der Weichnickelmatrix verteilt waren.

Der Vergleich zwischen Laser- und Mikrowellenplattierungen, wie er in den Verschleißbildern in Abb. 12 dargestellt ist, verdeutlicht die Unterschiede im Verschleißverhalten. Laserplattierungen zeigten eine höhere Verschleißfestigkeit aufgrund der effektiven Rückhaltung geschmolzener Partikel und einer gleichmäßigen und haltbaren Oberfläche. Im Gegensatz dazu zeigten Mikrowellenplattierungen größere Oberflächenschäden und Materialverluste, die hauptsächlich auf Mikroschnitte, Karbidlockerungen, ermüdungsbedingte Karbidbrüche und die Bildung einer glatten Schicht zurückzuführen waren. Abbildung 12d zeigt die Entwicklung einer glatten Schicht während des Reibverschleißes, was zur Entstehung einer polierten oder relativ flachen Oberfläche auf dem Mikrowellenmantel unter Reibverschleißbedingungen führt. Diese glatte Schicht wird typischerweise im Bereich der verschlissenen Oberfläche beobachtet und kann auf mehrere Faktoren zurückgeführt werden. Beim Reibverschleiß führen die zyklische Belastung und die Relativbewegung zwischen zwei Kontaktflächen zu wiederholtem Mikroschlupf und Gleiten an der Grenzfläche. Diese Bewegung führt zur Beseitigung von Oberflächenunregelmäßigkeiten auf der Verkleidung und zur Bildung von Verschleißrückständen. Während der Reibprozess anhält, nehmen die anfängliche Rauheit und Unregelmäßigkeiten auf der mikrowellenbeschichteten Oberfläche allmählich ab, was zu einem glatteren Oberflächenerscheinungsbild führt. Verschiedene Faktoren, darunter Materialeigenschaften, Kontaktbedingungen und Schmierung, können die Bildung einer glatten Schicht beeinflussen. In bestimmten Fällen können Schutzfilme oder Oxidschichten auf der Materialoberfläche zur Bildung einer glatten Schicht beitragen, indem sie als Barriere gegen weitere Oberflächenschäden oder Abnutzung wirken42. Diese Erkenntnisse liefern wertvolle Einblicke in die Verschleißmechanismen beim Laser- und Mikrowellenauftragschweißen und unterstreichen die Vorteile des Laserauftragschweißens hinsichtlich Verschleißfestigkeit und Materialschonung.

Die aktuelle Arbeit ermittelt die Wahrscheinlichkeit, Mikrowellenenergie zu verwenden, die der Laserenergie entspricht, um Verbundplattierungen auf der Basis von Cr3C2-NiCr auf dem T91-Stahlsubstrat zu entwickeln. Die wichtigsten Beobachtungen werden wie folgt aus der aktuellen Arbeit gezogen.

Auf dem T91-Stahlsubstrat wurden mittels Laser- und Mikrowellenbestrahlung Verbundplattierungen auf Cr3C2-NiCr-Basis entwickelt. Bei beiden Verfahren wurden Plattierungen entwickelt, die eine hervorragende metallurgische Bindung mit dem Zielsubstrat aufwiesen.

Cr3C2-NiCr-basierter Verbundlaser plattiert dichte interdendritische Strukturen mit nickelreichen Phasen und Dendriten mit Chromcarbid-Zwischenräumen. Bei Mikrowellenplattierungen verteilen sich die harten Chromkarbidpartikel gleichmäßig in der weichen Nickelmatrix.

Das Mantelspektrum beider Prozesse zeigte das gemeinsame Vorhandensein von Phasen wie Chromkarbiden (Cr7C3, Cr3C2, Cr23C6), Eisen-Nickel (FeNi3) und Chrom-Nickel (Cr3Ni2, CrNi); Trotz dieser Phasen werden Eisenkarbide (Fe7C3) in den durch Mikrowellenenergie entwickelten Hüllen beobachtet.

Die durch beide Prozesse entwickelten Verbundplattierungen auf Cr3C2-NiCr-Basis wiesen eine viel höhere Mikrohärte auf als das Zielsubstrat, was möglicherweise hauptsächlich mit der Bildung von Karbiden (Cr7C3, Cr3C2, Cr23C6, Fe7C3) zusammenhängt.

Die durchschnittliche Mikrohärte der entwickelten Schichten aus Laser- und Mikrowellenenergie erhöhte sich im Vergleich zur durchschnittlichen Mikrohärte des Substrats (418 ± 18 HV) um das 2,7-fache bzw. 2,3-fache.

Das Mikrowellen-Beschichtungsverfahren ist eine kostengünstige, umweltfreundliche und energieeffiziente Methode der Materialbearbeitung.

Die Studie analysierte das Verschleißverhalten von Mikrowellen- und Laserbeschichtungsproben mithilfe eines linearen reziproken Kugel-auf-Platte-Tests. Mikrowellenbeschichtete Proben hatten einen etwas niedrigeren Reibungskoeffizienten, der jedoch mit zunehmender Belastung und Gleitstrecke zunahm. Das Laserauftragschweißen zeigte einen niedrigeren Koeffizienten, was möglicherweise auf die interne Schmierung von Chromkarbid zurückzuführen ist.

Die laserbeschichteten Proben zeigten aufgrund harter Karbidelemente eine überlegene Verschleißfestigkeit, die das Ablösen geschmolzener Partikel verhinderte und zu einer gleichmäßigen, haltbaren Oberfläche führte. Mikrowellenbeschichtete Proben zeigten mehr Oberflächenschäden und Materialverlust, verursacht durch Mikroschnitt, Karbidlockerung und ermüdungsbedingten Karbidbruch.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Die Autoren danken der Researchers Supporting Project-Nummer (RSP2023R6), King Saud University, Riad, Saudi-Arabien.

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Manzoore Elahi Mohammad Soudagar

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Manzoore Elahi Mohammad Soudagar

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Akram Alfantazi

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Mohammad Khalid

Abteilung für Forschung und Entwicklung, Lovely Professional University, Phagwara, Punjab, 144411, Indien

Mohammad Khalid

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AMH, MT: Konzeptualisierung, Vorbereitung des Originalentwurfs und Validierung. MEMS: Untersuchung, Software. TA, MAK: Projektverwaltung, Fördermitteleinwerbung und Schreiben – Begutachtung und Bearbeitung. NMM, AA und MK: Schreiben, Überprüfen und Bearbeiten des Manuskripts. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Ajit M. Hebbale, Manzoore Elahi Mohammad Soudagar oder Nabisab Mujawar Mubarak.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hebbale, AM, Kumar, M., Soudagar, MEM et al. Eine vergleichende Studie über die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen (Cr3C2-NiCr), die mit Diodenlaser und Mikrowellenenergie beschichtet wurden. Sci Rep 13, 10778 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37991-4

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Eingegangen: 28. März 2023

Angenommen: 30. Juni 2023

Veröffentlicht: 04. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37991-4

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