Improvement of surface properties of cold-sprayed coating of Ti-6Al-4V by deep cold rolling (DCR) and controlled hammer peening (CHP) processes
Globalizacja stale zachęca firmy do angażowania się we współpracę badawczo-rozwojową w celu zapewnienia konkurencyjności i znacznego wzrostu poprzez położenie silnego nacisku na innowacje, w których kluczowa jest współpraca między specjalistami z różnych środowisk i organizacji.
Jako instytut badawczy prowadzony przez Agencję Nauki, Technologii i Badań (A*STAR), Advanced Remanufacturing and Technology Centre (ARTC) jest współczesną platformą, która opiera się na silnym partnerstwie publiczno-prywatnym. Z ponad 90 członkami branżowymi w konsorcjum, ARTC współpracuje z firmami, od globalnych międzynarodowych korporacji (MNC) po duże lokalne przedsiębiorstwa (LLE), małe i średnie przedsiębiorstwa (MŚP) oraz start-upy. Ekosystem członkowski ożywia współpracę, w której partnerzy przemysłowi z różnych branż, instytuty badawcze sektora publicznego i środowiska akademickie współpracują w celu przyspieszenia wdrażania technologii i zademonstrowania nowych technologii i procesów produkcyjnych jako najlepszych praktyk w celu szybszego wdrożenia w firmach.
Firma ECOROLL AG z Niemiec dołączyła do konsorcjum Advanced Remanufacturing and Technology Centre (ARTC) w 2014 roku, mając na celu wprowadzanie innowacji i stopniową poprawę swojej pozycji na rynku poprzez ciągły rozwój i nowe zastosowania. Od tego czasu ECOROLL AG i ARTC współpracowały nad kilkoma projektami rozwojowymi. W tym artykule kładziemy nacisk na naszą współpracę w zakresie dwóch ugruntowanych procesów mechanicznego ulepszania powierzchni - głębokiego walcowania na zimno (DCR) i kontrolowanego młotkowania (CHP) jako obróbki końcowej natryskiwanej na zimno powłoki Ti-6Al-4V na podłożu Ti-6Al-4V.
Powłoka natryskiwana na zimno jest nową technologią wytwarzania przyrostowego (AM), która może być potencjalnie stosowana w przemyśle lotniczym do naprawy uszkodzonych elementów wykonanych z drogich stopów metali. Warstwy natryskiwane na zimno są jednak podatne na problemy związane z integralnością powierzchni, takie jak wysoka porowatość, obecność naprężeń szczątkowych rozciągających i nieodpowiednie wiązanie między podłożem a powłoką, co prowadzi do przedwczesnych awarii naprawianych elementów.
Wiadomo, że zastosowanie mechanicznych ulepszeń powierzchni po procesie natryskiwania na zimno może poprawić integralność powierzchni komponentów poprzez modyfikację ich właściwości mechanicznych na powierzchni. Aby to zweryfikować, zbadano dwa dobrze znane procesy mechanicznego ulepszania powierzchni - głębokie walcowanie na zimno (DCR) i kontrolowane młotkowanie (CHP) jako metody obróbki końcowej w celu poprawy jakości powierzchni natryskiwanej na zimno powłoki Ti-6Al-4V na podłożu Ti-6Al-4V.
Zastosowano dwa poziomy parametrów procesu zarówno dla DCR, jak i CHP. Próby głębokiego walcowania na zimno (DCR) przeprowadzono w Advanced Remanufacturing and Technology Centre (ARTC) w Singapurze, natomiast próby kontrolowanego młotkowania (CHP) przeprowadzono w ECOROLL AG w Niemczech. Chropowatość powierzchni, twardość, naprężenia szczątkowe, porowatość i siła wiązania osadzania zostały ocenione przed i po obróbce z trzema powtórzeniami.
Kluczowe usprawnienia wynikające ze współpracy między ECOROLL AG i ARTC
Zespół zbadał wpływ mechanicznego kulkowania na integralność powierzchni natryskiwanego na zimno stopu Ti-6Al-4V przy użyciu dwóch procesów kulkowania mechanicznego - głębokiego walcowania na zimno (DCR) i kontrolowanego kulkowania młotkowego (CHP), które zostały zbadane w celu oceny ich zdolności do poprawy jakości powłoki natryskiwanej na zimno i wiązania między warstwą powłoki a podłożem. Zarówno DCR, jak i CHP wykazały zmniejszenie porowatości i poprawę wytrzymałości wiązania, gdzie porowatość została zmniejszona z 9% do poniżej 5%, a wytrzymałość wiązania została poprawiona, co widać po przesunięciu uszkodzenia z interfejsu natryskiwanego na zimno do mocowania epoksydowego podczas testu wiązania. Twardość powłoki natryskiwanej na zimno była około 1,28 razy wyższa niż twardość podłoża. Jednakże obróbka mechaniczna nie przyniosła żadnych znaczących zmian w twardości. Wysokie ściskające naprężenia szczątkowe zostały wywołane w powłoce po DCR i HCP, gdzie zarejestrowano naprężenia ściskające do -900 MPa. CHP powodował znacząco różne naprężenia ściskające w różnych kierunkach (wzdłużnym i poprzecznym), co wskazuje na jego anizotropowy charakter. Ponadto nie zaobserwowano znaczącej różnicy w naprężeniach szczątkowych na styku powłoka-podłoże.
Wyniki eksperymentów wskazują, że zarówno procesy DCR, jak i CHP, oprócz wywoływania ściskających naprężeń szczątkowych, były również w stanie zmniejszyć porowatość powierzchni i poprawić wytrzymałość wiązania. Porowatość powierzchni została zredukowana do poniżej 5%, a wytrzymałość wiązania wzrosła powyżej 80 MPa po postpeeningu za pomocą DCR i CHP.
Chropowatość powierzchni
W badaniu wykorzystano stop Ti-6Al-4V (klasa 5). Jako podłoże do natryskiwania na zimno zastosowano kupony o wymiarach 50 mm × 30 mm × 10 mm. Podłoża zostały zszorstkowane przy użyciu stopniowo drobniejszego papieru SiC i oczyszczone przed natryskiwaniem, aby uzyskać średnią chropowatość powierzchni około 0,8 μm. Zastosowanym surowcem proszkowym był atomizowany plazmowo proszek Ti-6Al-4V, składający się głównie z kulistych cząstek o średnicy od 3 μm do 90 μm. Po natryskiwaniu na zimno, osadzona powierzchnia została zeszlifowana do średniej chropowatości Ra 0,5 μm. Nominalna grubość osadzania po szlifowaniu została ustalona na 0,5 mm.
Porowatość
Rysunek 1 przedstawia mikrograf przekroju powłoki natryskiwanej na zimno. Wyraźnie widać, że warstwa powłoki ma liczne pory. Pomiar porowatości za pomocą mikroskopu optycznego wykazał, że średnia porowatość warstw powłoki natryskiwanej na zimno wynosiła od 8,5% do 10%. Rysunek 1(b) pokazuje pory w większym powiększeniu, z kilkoma niestopionymi proszkami zaobserwowanymi wewnątrz niektórych wnęk. Proszki te mogły pozostać niestopione z powodu niewystarczającej energii dostępnej podczas procesu natryskiwania na zimno. Można jednak stwierdzić, że osiągnięto dobre wiązanie między powłoką a podłożem, ponieważ na interfejsie nie było widocznych pęknięć.
Twardość
Twardość natryskiwanej na zimno powłoki okazała się wyższa niż materiału bazowego. Stwierdzono, że średnia twardość natryskiwanego na zimno stopu Ti-6Al-4V wynosiła 450 HV, podczas gdy podłoże miało twardość około 350 HV. Wynika to z szybkiego odkształcenia plastycznego podczas procesu natryskiwania na zimno. Nie zaobserwowano jednak znaczących zmian w twardości warstw natryskiwanych na zimno po obróbce końcowej zarówno metodą DCR, jak i CHP.
Naprężenia szczątkowe
Do pomiaru stanu naprężeń szczątkowych do głębokości 1 mm pod powierzchnią zastosowano metodę wiercenia z przytrzymaniem środka (CHD). Rysunek 2 przedstawia profile naprężeń szczątkowych różnych próbek wzdłuż głębokości przed i po różnych warunkach obróbki powierzchni. Lokalizacja interfejsu między powłoką a podłożem jest oznaczona czerwonymi przerywanymi liniami. W przypadku stanu bez kulkowania, łagodne ściskające naprężenia szczątkowe zostały odzwierciedlone w powłoce. Sugeruje to dominujący wpływ naprężeń kruszących pochodzących z ciągłego bombardowania cząstkami rozpylanymi z dużą prędkością, które mają charakter ściskający. Jednak zarówno DCR, jak i CHP miały znaczący wpływ na rozkład naprężeń w warstwie powłoki, przy czym większość naprężeń ściskających powstała w warstwie powłoki. W porównaniu z warstwą powłoki, naprężenia szczątkowe wywołane w podłożu były dość niskie. Ponadto nie zaobserwowano wyraźnej zmiany stanu naprężeń szczątkowych na styku powłoki i podłoża. Sugeruje to, że interfejs nie wykazuje żadnego wpływu na dyktowanie profilu naprężeń powłoki natryskiwanej na zimno poprzez mechaniczną obróbkę powierzchni, gdy ten sam materiał (stop tytanu Ti-6Al-4V) został użyty zarówno jako podłoże, jak i powłoka.
Rysunek 3 pokazuje zmniejszenie porowatości powłoki natryskiwanej na zimno przed i po różnych warunkach obróbki powierzchni. Przetwarzanie w warunkach wyższego poziomu spowodowało większą redukcję porowatości. Zaobserwowano wyższą redukcję porowatości za pomocą CHP w porównaniu do DCR dla zakresu parametrów zastosowanych w tej pracy. Najwyższą redukcję porowatości uzyskano dzięki CHP w warunkach wyższego poziomu, gdzie porowatość zmniejszyła się z 9,3% do około 2,7%. Zmniejszenie porowatości w wyniku obróbki końcowej może być spowodowane odkształceniem plastycznym warstwy powłoki. Po DCR i CHP zaobserwowano zmniejszenie grubości powłoki o około 20-40 µm. Wskazuje to, że oba procesy mają znaczny wpływ na zagęszczanie powłoki, co może być główną przyczyną zmniejszenia porowatości.
Siła wiązania osadzania
Tabela 1 przedstawia siłę wiązania przed i po różnych warunkach obróbki powierzchni. Klej epoksydowy został użyty do połączenia uchwytów z próbką. Zastosowano trzy tryby obciążenia pęknięciem. Uszkodzenie nieobrobionego kuponu nastąpiło na styku powłoka-podłoże podczas testu wiązania, który wykazał siłę wiązania około ~ 76 MPa. Obróbka DCR wykazała poprawę siły wiązania między powłoką a podłożem. Zarówno dla wysokich, jak i niskich poziomów parametrów DCR, wytrzymałość wiązania powłoki Ti-6Al-4V przekroczyła wytrzymałość żywicy epoksydowej (>80 MPa). W związku z tym na podstawie eksperymentu nie można było określić bezwzględnej siły wiązania po DCR. Podobnie, obróbka CHP również wykazała poprawę wytrzymałości wiązania powłoki. W przypadku procesu CHP uszkodzenie występuje w uchwycie epoksydowym we wszystkich testach, z wyjątkiem jednego kuponu poddanego obróbce na niskim poziomie CHP. Może to być spowodowane wadami początkowej powłoki natryskiwanej na zimno. Ponadto zarówno DCR, jak i CHP mają zdolność do zmniejszania porowatości w warstwie powłoki i indukowania ściskających naprężeń szczątkowych w powłoce. Są to prawdopodobnie przyczyny poprawy wytrzymałości powłoki. Jednak wielkość poprawy nie może być dokładnie określona ilościowo, ponieważ wytrzymałość wiązania epoksydowego jest górną granicą tego testu.
Przedstawiona powyżej praca została opublikowana w czasopiśmie Metals pod tytułem "Post-processing of cold sprayed Ti-6Al-4V coatings by mechanical peening". (Ref. Maharjan, N.; Bhowmik, A.; Kum, C.; Hu, J.; Yang, Y.; Zhou, W. Post-Processing of Cold Sprayed Ti-6Al-4V Coatings by Mechanical Peening. Metals 2021, 11, 1038. https://doi.org/10.3390/met11071038
