High temperature wear performance of alloyed and carbide reinforced stellite 12 coatings

Adhesif, abrazif veya korozif ortamlar ile temas halinde olan yüzeylerin aşınma direnci ve sertliklerini arttırmak konusunda artan ilgi, koruyucu kaplamalar oluşturmak için çeşitli yöntemlerin gelişimine ilham kaynağı olmuştur. Plasma Transferred Arc (PTA) kaynak işlemi yüksek enerji yoğunluğu, yüksek çökelme hızı ve düşük ısı girişi sayesinde, çok çeşitli metal tabanlı malzemelerin üzerine erimiş bağlantı ile kalın metalik kaplamalar üretilmesine olanak sağlayan yeni bir kaplama yöntemidir. PTA kaynak yönteminde, çok-bileşenli sert dolgu alaşımları (Co-, Ni- veya Fe-esaslı alaşımlar) nispeten yumuşak malzemelerin yüzeyleri üzerinde kaplana bilir. Diğer Ni- ve Fe- esaslı sert kaplama alaşımları ile karşılaştırıldığında, Co-esaslı sert kaplama alaşımları havacılık, gaz türbinleri, enerji santralleri, kimya ve petrokimya sanayinde kullanılan parçaların aşınma, korozyon ve ısı direnci özelliklerinin iyi bir kombinasyonunu gerektiren bileşenlerin korunması için uygundur. Stellite alaşımı, en popüler kobalt esaslı sert kaplama grubu, yüksek sertlik ve mukavemet, üstün adhesif ve abrasif aşınma direnci ve mükemmel kavitasyon-erozyon direnci gibi mekanik ve tribolojik özelliklerin benzersiz bir bileşimini gösterir. Stellite alaşımında temel unsur olan krom ağırlıkça %20-30 aralığında korozyon direncini arttırmak, Cr-zengin karbürleri oluşturmak ve katı çözelti güçlendirmesi için ilave edilir. Ayrıca, tungsten veya molibden ve bir miktar (ağırlıkça < %3) karbon da ihtiva edebilir. Stellite alaşımlarının mekanik ve tribolojik özelliklerinin çoğu, kobaltın doğal kristalografisinden, krom, tungsten ve molibdenin katı çözelti sertleştirme etkisinden ve karbür veya intermetalik bileşenlerin oluşmasından ortaya çıkmaktadır. Stellite sert kaplama alaşımları arasında, nominal bileşimi ağırlıkça % Co–29.5Cr–8.5W–1.65C olan Stellite 12, yağlanmamış çalışma koşulları altında 700 °C'ye kadar iyi bir aşınma ve oksidasyon direncine sahip olduğundan farklı uygulamalar için oldukça çekicidir. Stellite alaşımların başarısına rağmen, servis ömrünün ve yüksek yükler ve/veya sıcaklıklar altında performansının daha da artması amacıyla özelliklerini daha da geliştirmek için bazı girişimlerde bulunulmuştur. Bu bağlamda, alaşım elementleri ve takviye parçacıkların eklenmesinin Stellite 6 ve düşük karbonlu Stellite alaşımının sürtünme ve abrasif aşınma davranışı üzerindeki etkisi oda sıcaklığında incelenmiş ve ümit verici gelişmeler bildirilmiştir. Fakat eklenen alaşımların ve sert parçacıklarla güçlendirilmiş Stellite 12 kaplamaların yüksek sıcaklıklardaki tribolojik davranışı hakkında bilgi eksikliği bulunmaktadır. Bu çalışmanın amacı, oda sıcaklığında ve yüksek sıcaklıkta Stellite 12 kaplamaların aşınma davranışına molibden ve nikel alaşım elementlerinin ve ayrıca WC/W2C, TiC ve Cr7C3 takviye sert parçacıkların ilave etkisini araştırmaktır. Stellite 12 tozu Mo, Ni tozları ve WC/W2C, TiC ve Cr7C3 parçacıklar ile besleme malzemeleri yapmak için ayrı ayrı karıştırılmıştır ve daha sonra tek bir tabaka halinde ve sabit kaplama şartlarında PTA kaynak makinesi kullanılarak AISI 4140 çelik üzerine kaplanmıştır. Mo, Ni ağırlıkça % 2, 6 ve 10, WC/W2C, TiC ve Cr7C3 hacimce %2, 6 ve 10 oranlarında eklenmiştir. Kaplamaların mikroyapı ve faz analizleri X-ışınları kırınımı ve alan-emisyonlu taramalı elektron mikroskobu ve ona bağlı enerji dağılımlı X-ışınları spektrometresi ile incelenmiştir. Vickers sertlik ölçümleri incelenen kaplama yüzeyi üzerinde gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, derinlik algılama girinti testi Mo ve Ni ekli numunelerin matrisleri üzerinde yapılmıştır. Kaplamaların kuru ortamda sürtünmeli aşınma davranışı ball-on-disc tipi tribometre ile alümina top sürtünmesi kullanılarak 3 N'luk yük altında sırasıyla oda sıcaklığında, 300, 500 ve 700 ºC'de incelenmiştir. Sürtünme hızı ve mesafesi sırasıyla 0,1 m/s ve 500 m' de sabit tutulmuştur. Test numunelerinin aşınma mekanizmasını anlamak için aşınmış yüzeyler EDS donanımlı SFEG SEM ve Raman spektrometresi ile incelenmiştir. PTA yöntemi ile kaplanan Stellite 12'nin mikroyapısal analizi, primer α-Co katı çözelti dentritik matriks içine gömülü kromca zengin karbürler, Co/W zengin kompleks karbürler ve intermetaliklerin oluşturduğu bir kaplamayı göstermiştir. Ağırlıkça %10' a kadar Mo eklenmesiyle PTA yöntemi ile yüzeyde oluşturulan Stellite 12 kaplamaların farklı katılaşma karakteristikleri mikro yapıda değişikliğe neden olurken Co/Mo-zengin kompleks karbür ve intermetalik bileşenlerin hacimsel oranı artmış ve Cr7C3 oluşması önlenmiştir. Tungsten'e göre atomik ağırlığı daha hafif ve atomik boyutu daha küçük olan molibden ayrıca ergime havuzundaki karbon içeriğinin tükenmesi ve Mo içeriğinin artması mikroyapı içinde Cr7C3 yerine Co/Mo-zengin bileşikler ve Cr23C6' nın oluşumunu teşvik eden kritik bir rol oynamaktadır. Co/Mo-zengin kompleks karbür ve intermetalik bileşiklerin hacimsel oranının artması ve matrix içinde çözünen Mo'nin katı çözelti sertleştirme etkisi, Stellite 12 kaplamaların sertlik değerlerinin ağırlıkça %10' a kadar Mo ilavesi ile 490 ± 10 HV2'den 621±8 HV2'ye artmasına katkı sağlamıştır. Mikro yapısal analizler göstermiştir ki, Stellite 12 içine eklenen Ni, Co-zengin katı çözelti matrix içinde mikro yapısal bileşenlerin türünü değiştirmeden tamamen çözünmüştür. Ni elementinin eklenmesi ile α-Co fazının kararlılığı artmış ve oda sıcaklığında mikro yapıdaki hacimsel oranı yükselmiştir ki bu durum incelenen kaplamanın sertliğinde bir azalmaya sebep olmuştur. Ni içeriğinin ağırlıkça %10'a kadar yükselmesi ile sertlik değerleri 490±10 HV2'den 458±5 HV2' ye düşmüştür. Stellite 12 kaplamaların nikel ilavesi ile dayanımının zayıflaması nedeni katı çözelti matrisinin mekanik yükler altındaki matriks deformasyonu FCC→HCP martensitik faz dönüşümü yerine ikizlenme veya kayma ile gerçekleşmesi olabilir. Ayrıca Ni eklenmiş kaplamalarda geliştirilen Cr zengin karbürler ve Co/W zengin intermetalik bileşiklerin düşük hacimsel oranı, sertliğin düşmesine yol açar. PTA kaplama işlemi sırasında WC/W2C parçacıkların tamamen veya kısmen ergimesi ve ergitme havuzu içindeki W ve C zenginleştirmesi yapı içinde daha fazla Co/W zengin kompleks karbürlerin (Co3W3C ve Co6W6C) ve intermetalik (Co3W) bileşiklerin geliştirilmesi hem de Co zengin katı çözelti matriks içinde W' ın çözünmesi ile sonuçlanmıştır. Buna ek olarak, eriyik havuzu içinde kısmen ergimiş WC/W2C parçacıkları dentritik matrisin çekirdeklenme ve katılaşma patternlerindeki değişikliklerden dolayı ötektik bileşiklerin gelişimine katkı sağlar. Stellite 12+WC/W2C kaplamaların mikroyapısında bulunan Cr zengin karbürlere ek oarak Co/W bakımından daha zengin bileşiğin üretimi sertliğin yükselerek hacimce %10 WC/W2C içeren Stellite 12 kaplamalarda 642±5 HV2'ye kadar ulaşmasına katkıda bulunmuştur. Mikroyapısal araştırmalar, Stellite 12 içerisine TiC eklendiğinde kaplamanın temel dendritik matris ve ötektik katılaşma özelliklerinin hemen hemen aynı şekilde korunduğunu fakat katılaşma sırasında oluşan bileşenlerin hacimsel oranlarının değiştiğini göstermiştir. Kobalt esaslı alaşımlar içindeki TiC' ün yüksek termal kararlılığı ve çok sınırlı çözünürlüğü nedeniyle, PTA işlemi sırasında eriyik havuzu içinde kolayca ayrışmaz ve çözünmez. Eriyik havuzu içinde çözünmeyen TiC parçacıkları katılaşma sırasında ötektik bileşenlerin çekirdeklenmesi için uygun bir yer görevi görür, bu nedenle, dentritik matrisin arıtılmasına ve yapı içerisinde daha fazla ötektik bileşenin gelişimine katkı sağlayarak TiC içeren kaplamaların sertlik değerlerinin artmasına sebep olur. Stellite 12+Cr7C3 kaplamalara ait mikroyapısal araştırmalar göstermektedir ki, düşük ergime sıcaklığı nedeniyle Stellite 12 eriyik havuzu içerisinde bütün Cr7C3 parçacıkları tamamen eriyerek çözünmüştür. Cr ve C ile zenginleştirilen eriyik havuzu mikroyapı içindeki Cr7C3 ve Cr23C6 oluşumuna katkı sağlamaktadır. Cr bakımından daha zengin karbürlerin oluşumu Stellite 12+Cr7C3 kaplamaların sertliğini arttırmaktadır ve hacimce %10' luk Cr7C3 eklenmesiyle sertlik 636±6 HV2' ye ulaşmaktadır. Oda sıcaklığında ve 300 °C' de aşınmış kaplama yüzeylerinden alınan SEM mikrograflarında aşınma ilerleyişinde plastik deformasyonun dominant olduğu belirlenmiştir. Oda sıcaklığında aşınan kaplama yüzeyi, periyodik sürtünme sonucunda biriken plastik deformasyon ile karakterize edilmiştir. 300°C' de kayma hareketi yapan Al2O3 bilye kaplamalar üzerindeki aşınmış yüzey üzerinde hareket yönünde hizalanan çizgiler boyunca plastik deformasyona maruz kalmıştır. Sertlik, oda sıcaklığında ve orta dereceli sıcaklıklarda Stellite alaşımlarının tribolojik performansı üzerinde kritik bir rol oynadığından, oda sıcaklığında ve 300 °C'deki Stellite 12+Mo, Stellite 12+WC/W2C, Stellite 12+TiC ve Stellite 12+Cr7C3 kaplamaların aşınma direncinin artışı, güçlendirici parçacıkların veya alaşım elementlerinin eklenmesi ile ötektik karbürlerin ve/veya intermetalik bileşenlerin oluşması ve hacimsel oranındaki artış şeklinde açıklanabilir. Ayrıca aşınma testi sırasında temas yüzeyinde kobalt zengin katı çözelti matrisinin işleme esnasında sertleşmesi oda sıcaklığındaki aşınma direncine katkıda bulunur. Uygulama sıcaklığının oda sıcaklığından 300 °C' ye yükselmesi ile incelenen kaplamanın aşınma direncinde dikkat çekici bir düşüş gözlemlenmiştir Bu durum, işleme sertleşmesi hızı ve mekanik sertliğin azalması ve/veya aşınma yüzeyi üzerindeki ince oksit tabakasının kolay tahribatı ile bağlantılı olabilir. Stellite 12'ye Ni'in eklenmesi oda sıcaklığında ve 300 °C'de incelenen kaplamaların aşınma kayıplarını arttırmıştır. Ni içeren numunelerdeki aşınma direncindeki azalma, işleme sertleşmesi hızı, sertlik ve mikroyapı içindeki sert ötektik karbürler veya intermetalik bileşenlerin hacimsel oranının azalması ile açıklanabilir. Oksidasyon mekanizması, kaplamaların temel aşınma mekanizması olarak 500 ve 700 °C'de tanımlanmıştır. SEM analizleri göstermiştir ki yüksek sıcaklıkta aşınma yüzeyleri üzerinde sürekli ve koruyucu oksit film oluşumu alümina bilye ve sürtünme yüzeyinin direkt temasını azaltarak 300 °C'deki aşınma direncini iyileştirmiştir. 500 ve 700 ° C de Stellite 12 kaplamanın Raman spektroskopisi sinyalleri sırasıyla CoO ve Co3O4 ve Cr2O3'e karşılık gelmiştir. Cr2O3'ün iyi tribolojik karakteristiği uygulama sıcaklığı 500 °C'den 700 °C'ye çıktığında aşınma izinin azalmasına sebep olmaktadır. Dominant oksidasyon mekanizması altında Stellite 12+Mo kaplamalar Stellite 12 kaplamalara göre daha iyi bir aşınma direnci sergilemişlerdir. Stellite 12 kaplamalara Mo eklenmesi ile 500 ve 700 °C'de sırasıyla istenilen Cr2O3 ve CoMoO4 oluşmuştur. Cr2O3 ve CoMoO4 oluşumu, katı çözelti matris içindeki Mo'nun çözünmesine ve mikroyapı içinde daha fazla Cr23C6'nın oluşmasına katkı sağlamış olabilir. Uygulama sıcaklığının 500' den 700 °C' yükselmesi kaplamaların aşınma kaybında bir azalmaya yol açmıştır. Koruyucu ve kaygan bir doğaya sahip olan CoMoO4 kompleks oksidi, molibden içeren Stellite 12 kaplamaların 700 °C'deki aşınma kaybını önemli ölçüde azaltmıştır. Stellite 12 kaplamalara Ni'in eklenmesi, 500 ve 700 °C'de işlem gören kaplamaların aşınma kaybı üzerinde önemli bir değişime sebep olmamıştır. Ayrıca, yüksek sıcaklık uygulamalarında artan Ni içeriğinin aşınma yüzeyi üzerindeki oksit filmlerin gelişmesine yardımcı olsa da sertliğin düşmesine ve buna karşın bilye altındaki zonun plastik deformasyonunun artmasına ve yüzey üzerinde oluşan oksit filmlerin kırılarak kaldırılmasına neden olmaktadır. Stellite 12 içerisine katkılanan WC/W2C'nin 500 and 700 °C' deki aşınma testi sonuçları aşınma direncinin arttığını göstermiştir. 500 °C'de incelenen kaplamaların aşınma yüzeyi üzerinde oluşan oksit film temel olarak Co3O4, Cr2O3 ve ayrıca WO3'ten oluşmaktadır. Cr bakımından zengin katı çözelti matris içinde çözünün W atomu aşınma yüzeyi üzerindeki koruyucu Cr2O3 ve WO3'ün gelişimine katkı sağlamıştır. 500°C'deki uygulama sıcaklığı ile karşılaştırıldığında, 700 °C'de yapılan aşınma testlerine, aşınma kaybının azalmasında önemli bir rol oynayan aşınma yüzeyi üzerindeki CoWO4 kompleks oksidinin oluşumu eşlik etmiştir. 700 °C'de WC/W2C takviye partiküllerin oksidasyon ve buharlaşması sonucu sürtünmeli aşınma boyunca partiküllerin ayrışmasına ve parçalanmasına sebep olduğu unutulmamalıdır. Hacimce %2 ve %6 oranında TiC ekli Stellite 12+TiC 500 °C'deki aşınma direncini arttırmasına karşın, Stellite 12 ve Stellite 12+hac.% 10 TiC kaplamalarla yapılan incelemede kayda değer bir aşınma kaybı gözlemlenmemiştir. Hacimce %10'a kadar TiC eklenmesi Stellite 12 kaplamaların 700 °C'deki aşınma direncini azaltırken aşınma kaybı 2 katına çıkmıştır. 500 and 700 °C' de işlem gören Stellite 12+ hac.% 10 TiC kaplamaların aşınma yüzeyleri üzerinde oluşan oksit film CoO ve Co3O4'ten oluşmuştur. Hacimce %2 ve 6 TiC içeren kaplamaların daha yüksek sertliği, sürtünen bilye altındaki bölgenin plastic deformasyonunu azaltmak ve aşınma yüzeyi üzerinde oluşan oksit filmin kırılarak ayrılmasını engellemekte faydalı olmuştur. Bununla birlikte, Stellite 12+ hac.% 10 TiC durumunda oluşan daha fazla Cr bakımından zengin karbürlerin ve Co bakımından zengin katı çözelti matrisinin hacimsel oranının azalması aşınma yüzeyi üzerindeki sürekli koruyucu CoO filmin gelişimini engellemektedir. Ayrıca, daha fazla Cr bakımından zengin karbürlerin oluşumu yüzünden, krom atomları dentritik katı çözelti matrisinden yüzeye serbest bir şekilde taşınır ve 700°C'de sürekli bir Cr2O3 tabakası oluşturursa, beklenildiği gibi fazla korumacılık sağlamaz. Bu nedenle, Stelite 12 içerisine daha fazla TiC katkılanması 700 °C'deki aşınma direncinin azalmasına sebep olmuştur. 500 ve 700 °C'de yapılan test sonuçlarına göre, hacimce %10'a kadar eklenen Cr7C3 partiküllerin incelenen kaplamaların aşınma kaybını arttırdığı sonucuna varılmıştır. Hac.% 10 Cr7C3' eklenmesi ile 500 °C'deki aşınma kaybı önemli ölçüde artmıştır ve Stellite 12+Cr7C3 kaplamalar Stellite 12 kaplamalara göre 700 °C'de daha kötü bir aşınma performansı sergilemiştir. 500 ve 700 °C aşınma deneylerinde aşınan yüzeylerde yeterli CoO ve Cr2O3 oluşmaması aşınmanın bu derece yüksek olmasının ana sebebi olarak belirlenmiştir.