Uno studio comparativo sulle caratteristiche del composito (Cr3C2

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10778 (2023) Citare questo articolo

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Un tipico acciaio resistente al calore ferrite/martensitico (T91) è ampiamente utilizzato nei riscaldatori, nei surriscaldatori e nelle centrali elettriche. I rivestimenti compositi a base di Cr3C2-NiCr sono noti per i rivestimenti resistenti all'usura in applicazioni a temperature elevate. Il presente lavoro confronta gli studi microstrutturali di rivestimenti compositi a base di NiCr al 75% in peso e al 25% in peso di NiCr sviluppati mediante energia laser e microonde su un substrato di acciaio T91. I rivestimenti sviluppati di entrambi i processi sono stati caratterizzati mediante un microscopio elettronico a scansione a emissione di campo (FE-SEM) collegato con spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS), diffrazione di raggi X (XRD) e valutazione della microdurezza Vickers. I rivestimenti a base Cr3C2-NiCr di entrambi i processi hanno rivelato un migliore legame metallurgico con il substrato scelto. La microstruttura del rivestimento laser sviluppato mostra una caratteristica struttura densa solidificata, con una ricca fase Ni che occupa spazi interdendritici. Nel caso del rivestimento a microonde, le particelle di carburo di cromo duro sono costantemente disperse all'interno della matrice di nichel tenero. Lo studio EDS ha evidenziato che i confini cellulari sono rivestiti di cromo dove all'interno delle cellule sono stati trovati Fe e Ni. L'analisi di fase ai raggi X di entrambi i processi ha evidenziato la presenza comune di fasi come carburi di cromo (Cr7C3, Cr3C2, Cr23C6), ferro nichel (FeNi3) e cromo-nichel (Cr3Ni2, CrNi), nonostante queste fasi carburi di ferro (Fe7C3) sono osservati nei rivestimenti per microonde sviluppati. Le distribuzioni omogenee di tali carburi nella struttura placcata sviluppata di entrambi i processi indicavano una maggiore durezza. La microdurezza tipica del rivestimento laser (1142 ± 65 HV) era superiore di circa il 22% rispetto al rivestimento a microonde (940 ± 42 HV). Utilizzando un test palla su piastra, lo studio ha analizzato il comportamento di usura dei campioni rivestiti con microonde e laser. I campioni sottoposti a rivestimento laser hanno mostrato una resistenza all'usura superiore grazie agli elementi in carburo duro. Allo stesso tempo, i campioni rivestiti a microonde hanno subito maggiori danni superficiali e perdite di materiale a causa di microtagli, allentamenti e fratture indotte dalla fatica.

Le tecniche di modifica superficiale sono fondamentali per migliorare le prestazioni e la durata dei componenti tecnici soggetti a grave usura e corrosione. A causa della sua elevata resistenza all’usura e alla corrosione, il rivestimento composito, in particolare il sistema Cr3C2-NiCr, ha ricevuto molta attenzione. Tuttavia, la fonte di energia utilizzata nel processo di rivestimento influisce in modo significativo sulle proprietà finali dei rivestimenti e sulle prestazioni complessive1. I materiali compositi ceramica/metallo, come i cermet, sono da tempo riconosciuti come una soluzione importante per migliorare la resistenza all'usura e alla corrosione dei componenti meccanici nelle applicazioni industriali. Tuttavia, gli approcci convenzionali come la metallurgia dei lingotti o delle polveri presentano sfide significative nella produzione di compositi cermet. In alternativa, le tecnologie di ingegneria delle superfici come la spruzzatura termica, il rivestimento laser e il rivestimento a microonde offrono approcci pratici per sviluppare rivestimenti funzionali su componenti industriali, salvaguardando efficacemente le superfici target da problemi legati all’usura e alla corrosione2,3. Tra queste tecniche, la spruzzatura di combustibile ad ossigeno ad alta velocità (HVOF) è una scelta commercialmente valida per la creazione di vari rivestimenti cermet. I rivestimenti sviluppati attraverso il processo HVOF mostrano una notevole forza di adesione con una porosità minima. Tuttavia, eliminare i pori del rivestimento durante il rivestimento HVOF è impegnativo, poiché porta a una forza di adesione inferiore rispetto al legame metallurgico4. Questi inconvenienti limitano in modo significativo le applicazioni industriali del processo HVOF, poiché la presenza di pori all'interno dei rivestimenti può fungere da percorsi di diffusione accelerata per ambienti corrosivi, rappresentando una minaccia critica per la durata di servizio del componente5,6.

Il processo di rivestimento laser presenta una tecnica alternativa per le applicazioni di rivestimento, offrendo un controllo preciso sulla diluizione e sul legame metallurgico, che facilita lo sviluppo di microstrutture raffinate. Questa tecnica vanta vari vantaggi, tra cui bassa porosità con una struttura completamente densa, danno minimo al substrato target all'interfaccia e robusto legame metallurgico. Il processo di rivestimento laser ha recentemente guadagnato una notevole attenzione nei rivestimenti resistenti all'usura ad alta temperatura, rendendolo un argomento importante nella modifica della superficie dei materiali. Ad esempio, Jayaprakash et al.7 esaminano le caratteristiche delle polveri WC-12%Co e Cr3C2-25%NiCr legate al laser sulla ghisa nodulare e i loro risultati sulla microstruttura, microdurezza e proprietà di resistenza all'usura. Il contributo di questo articolo è quello di fornire approfondimenti sulla microstruttura e sull'evoluzione tribologica durante la legatura laser di polveri WC-12%Co e Cr3C2-25%NiCr su superfici di ferro nodulare, che possono essere utili per lo sviluppo di rivestimenti resistenti all'usura per applicazioni industriali. Un altro studio ha riportato che il rivestimento laser del rivestimento composito NiCr/Cr3C2-30%WS2 può ridurre efficacemente le caratteristiche di attrito e usura a temperature fino a 3000 °C8. Anche la rifusione laser di rivestimenti spruzzati termicamente è stata ampiamente studiata per vari sistemi di materiali, come le leghe autofluenti a base di Ni, WC-Co o cermet Cr3C2-NiCr, utilizzando l'irradiazione laser in situ. È stato osservato che la profondità di fusione aumenta con una maggiore densità di energia laser in ingresso5,9.