Özet Güneş enerjisiyle çalışan ısı değiştirici boru bileşenlerinin aşınma direncini ve korozyon performansını iyileştirmek amacıyla, bu çalışmada ısı değiştirici bileşenlerinde yaygın olarak kullanılan 321 ostenitik paslanmaz çelik üzerinde yüzey güçlendirme işlemi gerçekleştirilerek, şiddetli aşınma ve korozyondan kaynaklanan bileşen arızası sorunu çözülmüştür. Ni60/WC alaşım kaplama Yüksek hızlı lazer kaplama teknolojisi kullanılarak 321 paslanmaz çelik alt tabakanın yüzeyine hazırlandı. Lazer gücü, tarama hızı ve toz besleme hızı etki eden faktörler olarak, sertlik ve seyreltme hızı ise karakterizasyon değişkenleri olarak kullanıldı. İşlem parametreleri tek faktörlü deneyler kullanılarak optimize edildi. Optimal işlem parametreleri ile hazırlanan kaplama seçildi ve faz bileşimi X-ışını difraktometresi ile analiz edildi ve kaplama morfolojisi ve element dağılımı taramalı elektron mikroskobu ile incelendi. Son olarak, makroskobik morfoloji, XRD ve SEM'in ortak analizi ile bir dizi optimum işlem parametresi kombinasyonu elde edildi. Sonuç: Optimal işlem parametreleri şunlardır: lazer gücü 1000W, tarama hızı 10mm/s, toz besleme hızı 3.5g·min-1. Kaplama fazı esas olarak katı çözeltiden (γ-Fe, Ni), M7C3 ve M23C6 karbürlerinden vb. oluşur. Kaplamanın aşınma direnci büyük ölçüde iyileştirilir. Kaplama tabakasının ortalama sürtünme katsayısı yaklaşık 0.4'tür, bu da alt tabakanın ortalama sürtünme katsayısı olan 0.8'den düşüktür; kaplamanın aşınma kaybı 2.75 mg'dır, bu da alt tabakanın aşınma kaybı olan 64 mg'ın yaklaşık %4.24'üdür. Kaplamanın kendi kendini korozyon potansiyeli -0.674 V'dur, bu da alt tabakanın kendi kendini korozyon potansiyelinden -0.754 V daha büyüktür. Kaplamanın yay yarıçapı, alt tabakanınkinden önemli ölçüde daha yüksektir, bu da kaplamanın alt tabakanın korozyon oranını azaltabileceğini gösterir; kaplamanın maksimum sertlik değeri, alt tabakanın sertliğinin yaklaşık 608 katı olan 0.2HV1.91'ye ulaşır, bu da alt tabakanınkinden önemli ölçüde daha yüksektir, bu da Ni60 / WC alaşımlı kaplamanın iyi korozyon direncine sahip olduğunu gösterir. Özetle, Ni60 / WC alaşımlı kaplama, 321 paslanmaz çelik yüzeyin aşınma direncini ve korozyon direncini önemli ölçüde iyileştirir.
Anahtar Kelimeler lazer kaplama; Ni60/WC; mikro yapı; mikro sertlik; sürtünme ve aşınma; elektrokimyasal korozyon

1 Giriş

321 ostenitik paslanmaz çelik, titanyum stabilizasyon özellikleri, mükemmel korozyon direnci ve yüksek mukavemeti nedeniyle güneş enerjisiyle çalışan ısı değiştirici boru bileşenlerinde yaygın olarak kullanılır [1][2]. 321 ostenitik paslanmaz çelik, özellikle otomobil, uçak, kimya tesisleri ve nükleer santrallerin üretimi için uygun bir alaşımdır. Üretim endüstrisinde, özel yapısal uygulamalar için malzeme seçimi birçok durumda mukavemet etkilerine dayanır, ancak bazı durumlarda korozyon direnci etkilerine dayanır. Çeşitli mekanik yükleme koşulları altında mükemmel korozyon direnci gerektiren uygulamalarda kullanılan 321 ostenitik paslanmaz çelik (ASS) gibi alaşımların deformasyon davranışı iyi incelenmemiştir. Bu alaşımlar üzerindeki araştırmaların çoğu, aşındırıcı ve yüksek sıcaklık ortamlarındaki davranışlarına daha fazla odaklanmaktadır [3][4].

Günümüzde, geleneksel yüzey kaplama işlemleri arasında alevli termal püskürtme, plazma kaplama, biriktirme kaynağı vb. yer almaktadır. Paslanmaz çelik yüzey kaplamalarını hazırlamak için termal püskürtme teknolojisi kullanıldığında, alt tabakanın yüzey ön işlem süreci zahmetlidir; biriktirme kaynağı teknolojisi, 321 paslanmaz çeliğin yüzeyinde ciddi aşırı yanmaya neden olarak alt tabakanın yapısında belirli değişikliklere yol açacaktır. Bu geleneksel kaplama işlemlerinin, büyük ısıdan etkilenen bölge ve büyük deformasyon, düşük geometrik doğruluk ve zayıf yüzey kalitesi gibi belirli sınırlamaları vardır. Geleneksel kaplama işlemleri artık parça yüzeylerinin gereksinimlerini karşılayamaz [5].

Lazer kaplama teknolojisi, kaplama malzemesini eritmek ve onu alt tabaka yüzeyiyle kaynaştırmak için yüksek enerji yoğunluklu bir lazer ışını kullanan ve böylece alt tabaka yüzeyinde belirli özelliklere sahip bir kaplama tabakası oluşturan bir yüzey modifikasyon teknolojisidir [6]. Yüksek enerji yoğunluklu lazer ışını, alt tabaka malzemesinin yüzeyine odaklanır ve yerel alanın hızla ısınmasına neden olur. Alt tabaka yüzeyi ve kaplama malzemesi aynı anda erime noktasına ulaşarak eşit şekilde dağılır, yüksek aşınma direncine ve korozyon direncine sahip bir kaplama oluşturur ve alt tabaka ile iyi bir bağlanma mukavemeti sağlar. Bu teknoloji, parça performansını iyileştirmede ve hizmet ömrünü uzatmada önemli avantajlar göstermiştir.

Son yıllarda, LI ve ark. [7], alt tabaka malzemesinin yüzeyinde aşınma direnci, korozyon direnci ve oksidasyon direncine sahip bir kaplama tabakası oluşturmak için lazer kaplama teknolojisini kullandı. Çalışmalar, Ni bazlı kompozit kaplamaların aşınma oranının düşük olduğunu ve aşınma direncinin önemli ölçüde iyileştirildiğini göstermiştir. QI ve ark. [8], manyetik alan yardımı altında lazerle yüksek aşınma dirençli bir alaşım kaplama hazırlayarak, lazer kaplamanın alt tabakanın performansını önemli ölçüde iyileştirebileceğini kanıtladı. Şu anda, lazer kaplama teknolojisinde yaygın olarak kullanılan kaplama tozları arasında Fe alaşımları [9], Nikel alaşımları [10] ve Kobalt alaşımları [11] [12] yer almaktadır. Zhou Jianbo ve ark. [13], lazer işlem parametrelerinin Ni60/WC kaplama tabakasının iç çatlakları üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu ve tane boyutunun lazer gücünün artmasıyla arttığını göstermiştir. Huang Haibo ve ark. [14], ortogonal deneylerin planlanması ve analizi yoluyla, sonuçların Ni60 kaplamanın maksimum sertliğinin 3.3 çeliğin 45 katına ulaştığını gösterdiğini buldu. Üniform ve yoğun organizasyon yapısı, çatlak oluşumunu etkili bir şekilde engeller ve kaplamanın alt tabaka üzerindeki güçlendirme etkisini artırır. Zhao ve diğerleri [15], kaplamanın mikro yapısının lazer gücünün artırılması ve düşük ısı kaynağı girişinin kontrolü ile optimize edildiğini buldu. Bu düzenleme yalnızca kaplamanın yoğunluğunu iyileştirmeye yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda çatlak oluşumunu azaltır ve kaplamanın alt tabaka üzerindeki güçlendirme etkisini artırır. Bu makalede, Shandong Leishi Şirketi tarafından üretilen beş eksenli lazer biriktirme katkı maddesi/yüksek hızlı çıkarmalı kompozit üretim ekipmanı, kaplama tabakasının mikro yapısını, özelliklerini, aşınma oranını ve korozyonunu analiz etmek için 60 paslanmaz çelik bir alt tabaka üzerinde Ni321 ve WC tozlarını yüksek hızlı lazerle kaplamak için kullanıldı.

2 Deneyler

2.1 Deneysel materyaller ve ekipmanlar

Alaşım 321 (UNS S32100), özellikle yüksek sıcaklık ortamları için uygun olan titanyumla stabilize edilmiş bir ostenitik paslanmaz çeliktir. Korozyon direnci 800-1500°F (427-816°C) aralığında mükemmeldir ve krom karbür çökelmesinin neden olduğu taneler arası korozyona etkili bir şekilde direnebilir. 304 ve 304L paslanmaz çeliklerle karşılaştırıldığında, 321 hala 1500°F'ye (816°C) kadar iyi oksidasyon direncini korur ve daha iyi sürünme ve gerilim kopma özellikleri gösterir. Ayrıca, 321 paslanmaz çeliğin düşük sıcaklık tokluğu da oldukça iyidir. Titanyumun eklenmesi, taneler arası korozyona direnme yeteneğini önemli ölçüde artırır ve krom karbür oluşumunu engellemeye yardımcı olur, bu nedenle yüksek sıcaklık ve yüksek basınç koşullarında kullanım için daha uygundur. 321 paslanmaz çeliğin fiziksel özellikleri Tablo 1'de gösterilmiştir.

Deneysel alt tabaka, güneş enerjisinde yaygın olarak kullanılan bir ısı değiştirici boru tertibatını kullanır. Malzemesi 321 paslanmaz çeliktir ve boyutları 170mm×10mm×70mm'dir. Kimyasal bileşim Tablo 2'de gösterilmiştir. Deneysel sonuçlar üzerinde pas ve yüzey kirliliklerinin etkisini önlemek için, taşlama için 600, 800 ve 1000 amaçlı Sci zımpara kağıdı kullanılır ve alt tabakanın yüzeyini pürüzsüz tutmak ve etki faktörünü en aza indirmek için temizlemek için aqua regia kullanılır. Hazırlanan kaplama kaplama malzemeleri esas olarak Ni60 (partikül boyutu: 50~150μm) ve WC (partikül boyutu: 100-150μm) tozlarıdır ve kimyasal bileşim elementleri Tablo 3'te gösterilmiştir. Kullanılan kaplama tozları Ni60 ve WC'dir ve önce karışık toz deneyi gereklidir.

2.2 Toz karıştırma deneysel yöntemi

Yatay bir karıştırıcı kullanarak tozu yatay bir kaba koyun ve kütle kesri 60 olan Ni0.75 tozunu ve kütle kesri 0.25 olan WC tozunu karıştırın ve tozları bir karıştırma bıçağıyla karıştırın. Toz işlemi tamamlandıktan sonra, toz kuruyana kadar kurutma fırını sıcaklığı 120-1.5 saat boyunca 3℃'ye ayarlanır. Amaç, kaplamanın kalitesini etkileyen sıvı buharlaşmasının neden olduğu tozun ve gözeneklerin eşit olmayan dağılımını önlemektir. Karıştırma işleminden sonra toz, 0.75 Ni60 ve 0.25 WC'den oluşan karışık bir toz elde etmek için karıştırma bıçağından ayrılır. Ni60+25%WC kompozit tozunun morfolojisi Şekil 1'de gösterilmiştir.

2.3 Lazer kaplama deneysel yöntemi

Şekil 2, eklemeli ve çıkarmalı lazer kaplama deneyi için HMC-320A ekipmanını göstermektedir. Bu, Shandong Leishi Intelligent Manufacturing Co., Ltd. tarafından üretilen, gelişmiş bir üretim teknolojisi olan beş eksenli lazer biriktirme eklemeli/yüksek hızlı çıkarmalı kompozit üretim ekipmanıdır. Ekipmanın ana parametreleri Tablo 4'te gösterilmiştir. Lazer kaplama eklemeli üretimini, yüksek hızlı kesme malzemesi üretimiyle birleştirerek karmaşık parçaların verimli ve yüksek hassasiyetli üretimini gerçekleştirebilir ve ayrıca yüksek hızlı lazer kaplama teknolojisini de gerçekleştirebilir. Ekipman, bir fiber lazer, çift namlulu gaz taşıyan toz besleyici, bir kontrol kabini, bir soğutucu, bir kaplama kafası vb.'den oluşur.

Ni60/WC toz kaplama kaplama deneyi gerçekleştirildi. Lazer gücü A1'den A5'e, tarama hızı B1'den B5'e ve toz besleme hızı C1'den C5'e değiştirildi. Makroskobik morfoloji ve seyreltme oranının etkisi, optimum deneysel işlem parametrelerini seçmek için analiz edildi. Belirli deneysel parametreler aşağıdaki Şekil 5'te gösterilmiştir.

Kaplama deneyinden sonra, numune elektrikli kıvılcım teli kesme cihazı kullanılarak dikey tarama yönü boyunca 10mm×10mm×10mm küpler halinde kesildi. Daha sonra, kaplama tabakasının faz bileşimi bir X-ışını difraktometresi ile analiz edildi [16]. Mikro yapı ve element bileşimi taramalı elektron mikroskobu ve enerji dağılımlı spektrometre ile analiz edildi. Cilalı numune kesitinin sertlik testi, 1000 N yük ve 0.2 saniye tutma süresi koşulları altında bir TMHV-10Z mikro Vickers sertlik test cihazı kullanılarak gerçekleştirildi. Son olarak, sürtünme ve aşınma testi bir MFT-5000 aşınma test cihazı kullanılarak gerçekleştirildi. Deneysel parametreler arasında 60 N'luk bir yük, 25 dakikalık bir test süresi, saniyede 2 kez bir frekans ve sürtünme çifti olarak bir silikon nitrür bilyesi vardı.

Elektrokimyasal korozyon deneyinin amacı, belirli çevre koşulları altında metallerin korozyon direncini değerlendirmektir[17]. Bu çalışmada, deney için çok kanallı bir elektrokimyasal iş istasyonu cihazı kullanıldı. İlk olarak, 10mm×10mm×10mm boyutlarında bir metal numune, test edilecek 1cm²'lik bir alanı açığa çıkarmak için epoksi reçinesine soğuk gömüldü. Numune, bir bakır tel aracılığıyla elektrokimyasal iş istasyonuna bağlandı. Numune çalışma elektrodu olarak, doymuş kalomel elektrodu referans elektrot olarak ve platin elektrot karşı elektrot olarak kullanıldı. Deneyde elektrolit olarak %3.5'lik bir NaCl çözeltisi kullanıldı.

AC empedans testi 10 mV'luk bir AC genliğine ayarlandı ve test frekans aralığı 100 Hz ila 100 kHz idi. Dinamik potansiyodinamik polarizasyon eğrisi testinin tarama hızı 4 mV/s'ye ayarlandı ve potansiyel aralığı -0.5 V ila -1.5 V idi. Bu deneyler aracılığıyla, 321 paslanmaz çeliğin empedans frekansı ve dinamik potansiyodinamik tarama verileri ölçüldü ve aşındırıcı bir ortamda mekanik parçaların karmaşık çalışma koşullarını simüle etmek için analiz edildi ve 321 paslanmaz çeliğin korozyon direnci için bilimsel bir temel sağlandı.

3 Tek geçişli kaplama katmanının analizi

3.1 Tek geçişin makromorfolojisi lazer kaplama

Şekil 3'te gösterildiği gibi, deneyin on beş geçişli tek geçişli kaplama karakterizasyonu aşağıdaki gibidir. Kaplama yüzeyi bir bütün olarak iyi oluşturulmuştur. Karakterizasyon, özellikle belirgin çatlaklar ve gözenekler olmadan yüzeyin pürüzsüzlüğünü açıkça gösterebilir, bu da alt tabaka ve toz için kullanılan lazer gücünün uygun olduğunu, toz besleme hızının düzgün olduğunu ve tarama hızının orta düzeyde olduğunu gösterir.

Lazer kaplama işlemi parametrelerinin seçimi, son kaplama kalitesi için çok önemlidir ve kaplama tabakasının mikro yapısını, mekanik özelliklerini ve yüzey karakteristiklerini doğrudan etkiler. Uygun işlem parametreleri, kaplamanın alt tabaka ile düzgünlüğünü, yoğunluğunu ve metalurjik bağlanmasını sağlayabilir ve çatlaklar ve gözenekler gibi kusurların oluşmasını önleyebilir. Lazer gücü, tarama hızı ve toz besleme hızı, kaplama işleminde üç kritik parametredir ve bu parametreler ile enerji arasında belirli bir ilişki vardır. Aşağıdaki formülde (1) gösterildiği gibi: Şekildeki formül (1)'e bakın. Formül (1)'de, ε özgül enerjiyi, Q lazer gücünü (W), D nokta çapını (mm) temsil eder; v tarama hızını (mm.s-1) temsil eder. Özgül enerjinin lazer gücüyle orantılı, nokta çapı ve tarama hızının ise bununla ters orantılı olduğu görülebilir.
Kaplama tabakası, kaplama tabakasının erime genişliği Q, erime yüksekliği L ve erime derinliği l'yi kalibre etmek için bir verniye kumpası gibi bir mesafe ölçer yardımıyla kalibre edilir ve seyreltme oranı değeri seyreltme oranı formülüne göre analiz edilir. Formül (2), seyreltme oranı için hesaplama formülüdür, burada δ seyreltme oranı, l kaplama derinliği ve L kaplama yüksekliğidir.
Kalibrasyon yöntemi Şekil 4'te gösterilmiştir. Yüksek seyreltme oranı genellikle kaplama katmanının sertliğinde ve mukavemetinde bir azalmaya yol açar, çünkü taban malzemesinin bileşenleri kaplamaya dahil edilir ve bu da kaplamanın aşınma direncini ve korozyon direncini zayıflatabilir. Aksine, uygun bir seyreltme oranı kaplamanın mükemmel performansını korumaya yardımcı olur.

3.2 Tek faktörlü üç seviyeli deneyin lazer kaplama kaplama kalitesine etkisi

Şekil 5(a) ve 5(b), lazer gücünün A1'den A5'e değiştirilmesinin kaplama aralığı ve seyreltme oranı üzerindeki etkisini göstermektedir. Lazer gücünün seyreltme oranı üzerindeki etkisi, lazer kaplama işleminde çok önemlidir. Lazer gücünün artması, erimiş havuzun sıcaklığını artırarak taban malzemesinin ve kaplama malzemesinin daha derin erimesine neden olur. Bu genellikle kaplama katmanına daha fazla taban malzemesinin dahil edilmesine neden olur ve böylece seyreltme oranı artar. Lazer gücünü kontrol etmek, ideal bir seyreltme oranı elde etmek için çok önemlidir. Kaplama kalitesini sağlarken seyreltme oranını makul bir aralıkta kontrol etmek için güç ayarının deneyde optimize edilmesi gerekir [18]. Şekil 5(b), lazer gücü 1000W'a ayarlandığında seyreltme oranının en düşük değere ulaştığını göstermektedir.

Şekil 6(a) ve 6(b), B1'den B5'e tarama hızındaki değişimin kaplama aralığı ve seyreltme oranı üzerindeki etkisini göstermektedir. Tarama hızı azaltıldığında, lazer ışını aynı pozisyonda daha uzun süre kalır, bu da erimiş havuz ısıtma süresinin uzamasına neden olur, böylece kaplama malzemesi daha iyice erir ve daha geniş bir kaplama alanı oluşturur. Aksine, tarama hızı artırıldığında, lazer ışını her noktada daha kısa süre kalır, erimiş havuz sıcaklığı yetersizdir, bu da kaplama malzemesinin daha düşük bir erime derecesine neden olur, bu da kaplama aralığını daha küçük hale getirir. Daha düşük tarama hızları, erimiş havuz sıcaklığının artmasına ve eritilen alt tabaka malzemesinin miktarının artmasına neden olur, bu da kaplamanın seyreltme oranını artırabilir. Bu durumda, kaplama katmanındaki alt tabaka malzemesinin oranı daha yüksektir. Tarama hızının artırılması genellikle erimiş havuz sıcaklığını düşürür, alt tabaka malzemesinin erime ve karışma derecesini azaltır ve böylece seyreltme oranını azaltarak kaplama bileşimini kaplama malzemesinin kendisine daha yakın hale getirir [19]. Şekil 6(b), tarama hızı 10 mm/s olduğunda seyreltme oranının minimum değere ulaştığını göstermektedir.

Şekil 7(a) ve 7(b), toz besleme hızının C1'den C5'e değiştirilmesinin kaplama boyutu ve seyreltme oranı üzerindeki etkisini göstermektedir. Toz besleme hızındaki artış, erimiş havuz derinliğinde bir azalmaya ve kaplama tabakası yüksekliğinde bir artışa neden olur. Toz besleme hızı arttığında, erimiş havuza daha fazla kaplama malzemesi beslenir. Bu, kaplama kalınlığında bir artışa ve dolayısıyla kaplama boyutunda bir artışa yol açabilir. Yüksek bir toz besleme hızı, özellikle artan malzeme miktarının erimiş havuzu etkili bir şekilde doldurabildiği lazer kaplama işleminde daha kalın bir kaplama oluşturmaya yardımcı olur. Buna karşılık, daha düşük bir toz besleme hızı, kaplama malzemesinin yetersiz tedarikine neden olur ve bu da azaltılmış bir kaplama kalınlığı ve nispeten küçük bir kaplama boyutu ile sonuçlanır. Toz besleme hızının artırılması, kaplama malzemesinin erimiş havuzda daha büyük bir oran kaplamasına neden olur, bu da alt tabaka malzemesinin karışma derecesini azaltabilir ve böylece genellikle kaplama seyreltme oranını azaltır. Bu şekilde, kaplamanın bileşimi kaplama malzemesinin kendisine daha yakın olacak ve kaplama performansını iyileştirecektir. Daha düşük bir toz besleme oranı, alt tabaka malzemesinin erimiş havuzda daha büyük bir oranı kaplamasına ve dolayısıyla seyreltme oranının artmasına neden olabilir. Bu, alt tabaka malzemesinin bileşiminin kaplama tabakasının özelliklerini zayıflatabilmesi nedeniyle kaplama performansında bir düşüşe neden olabilir. Şekil 7(b), seyreltme oranının toz besleme oranı 3.5 g·dak-1 olduğunda minimuma ulaştığını göstermektedir.

Özetle, seyreltme oranını etkileyen lazer gücü, tarama hızı ve toz besleme hızı olmak üzere üç faktör birleştirildiğinde, 2w lazer gücü, 3mm/s tarama hızı ve 4 g·dak-1 toz besleme hızı ile A5-C1000 on beş yüksek hızlı lazer kaplama işlemi için A10, B3.5 ve C1'ün optimum işlem parametreleri olduğu sonucuna varılabilir.

3.3 Mikrosertlik analizi

Şekil 8, A2'nin optimum işlem parametreleri altında alt tabaka bölümünün katman derinliği yönündeki mikro sertlik dağılımını göstermektedir. Kusurların etkisini önlemek için, iki girinti arasındaki mesafe 100 μm olarak ayarlanmıştır. Isıdan etkilenen bölgenin (HAZ) sertliği genellikle kaplama katmanının sertliğinden daha düşüktür çünkü alt tabaka malzemesi yüksek sıcaklıkta faz dönüşümüne veya tane irileşmesine uğrar ve bunun sonucunda mikro sertliğinde bir azalma meydana gelir. Isıdan etkilenen bölgenin sertliği, alt tabaka malzemesinin bileşimi, ısıl işlem durumu ve soğuma hızı ile ilişkilidir. Isıdan etkilenen bölgenin mikro yapısı, tane büyümesi, faz dönüşümü ve çökelti oluşumu gibi yüksek sıcaklık nedeniyle değişebilir. Bu değişiklikler, sertlik de dahil olmak üzere malzemenin mekanik özelliklerini doğrudan etkileyecektir. Lazer kaplama sırasındaki termal döngüler, ısıdan etkilenen bölgede kalıntı gerilime neden olabilir ve bu da malzemenin mikro sertliği üzerinde dolaylı bir etkiye sahip olabilir. Yüksek kalıntı gerilim, malzemede mikro ölçekte sertlik değişikliklerine neden olabilir. Kaplamanın en yüksek sertlik değeri, alt tabakanın sertliğinin yaklaşık 608 katı olan 0.2HV1.91'ye ulaştı[20].

3.4 Mikroyapı

Lazer kaplama kaplamalarının mikro yapısı genellikle çoklu fazlardan oluşur ve ince bir dendritik kristal yapı sergiler. Kaplama işlemi sırasında, hızlı soğutma hızı kaplama işlemi sırasında eşit olarak dağıtılan ince tanelerin oluşumuna yol açar. Kaplamada, kaplamanın mekanik özelliklerini artıran takviye fazı ve matris fazı gibi farklı fazlar da görünebilir. Ek olarak, arayüz alanının mikro yapısı genellikle iyi bağlanma gösterir, kaplama ile alt tabaka arasındaki kusurları azaltır ve böylece aşınma direncini ve korozyon direncini iyileştirir. Şekil 9'daki kaplama tabakası tipik bir dendrit yapısını göstermektedir. Lazer kafasının alt kısmındaki geniş temas yüzeyi nedeniyle, kristal tercihen ısı akış yönü boyunca büyür ve kaba ve düzenli bir yapı oluşturur. Orta alanda, dendritler daha belirgindir ve morfoloji daha belirgindir, bu da ortadaki aşırı soğumanın düşük ve sıcaklık gradyanının orta olduğunu gösterir, bu da dendritlerin iyi büyümesine elverişlidir. Üst bölgedeki daha küçük sıcaklık gradyanı ve daha büyük alt soğuma, dendritlerin daha fazla büyümesini sınırlar, ancak yine de düzgün ve kompakt bir morfolojiyi korur [21].

3.5 Faz analizi

Şekil 10, Ni60+25% kaplama tabakasının XRD kırınım desenini göstermektedir. Lazer kaplama işlemi sırasında WC'nin eriyip W ve C elementlerine ayrıştığı görülebilir. Erimiş havuzdaki çözünme ve karbonizasyon reaksiyonlarındaki değişimler aşağıdaki gibidir: Şekildeki formüllere (3) ve (4) bakın.

XRD spektrumunda, WC'nin karakteristik kırınım tepe noktası genellikle 2° ila 35° civarında belirli bir 40θ açısında görünmelidir. Şekilde WC'nin kırınım tepe noktaları işaretlenmiştir (▲ ile gösterilmiştir) ve 40° ve 70° yakınında gösterilmiştir. Şekildeki ▲, WC'nin kırınım tepe noktalarını işaretler, ancak bazı kırınım tepe noktaları konum değiştirebilir veya yoğunlukları zayıflayabilir, bu da WC'nin ayrışması ve yeniden kristalleşmesi nedeniyle yeni tungsten ve karbon bazlı bileşiklerin oluşması nedeniyledir.

Erimiş havuzdaki WC'nin erimesi ve karbürizasyon reaksiyonu, matris performans artışının ana kaynağı haline gelen WC, W2C, W2B5, M7C3 ve M23C6 gibi sert fazlar üretir. Her bir kaplama tabakası esas olarak sembol λ (Fe, Ni) katı çözeltisinden oluşur ve yüz merkezli kübik yapısı korozyon direncini artırmaya yardımcı olur. Parçacık takviye fazları olarak WC ve W2C, kaplama tabakasının mikro yapısını etkili bir şekilde iyileştirebilir, çıkık kaymasını ve tane sınırı hareketini engelleyebilir ve böylece ince tane güçlendirmesi elde edebilir. M7C3 ve M23C6 karbürlerinin çökelmesi, tane sınırlarının aktivitesini sınırlamak ve tane sınırı enerjisini azaltmak için bir engel görevi görür, böylece tane sınırı korozyon riskini etkili bir şekilde azaltır ve kaplama tabakasının sertliğini ve korozyon direncini artırır [22].

Şekil 11, kaplama tabakasının optimum parametreleri altında kaplamanın EDS eleman yüzey tarama sonuçlarını göstermektedir. Şekilden açıkça görülebileceği gibi, Fe, Co, Mo ve Cr olmak üzere dört element, belirgin bir ayrışma olmaksızın eşit olarak dağılmıştır. Bunun nedeni, lazer kaplama enerji yoğunluğunun yüksek olması ve elemanların kaplama işlemi sırasında dağılmak için yeterli zamana sahip olmamasıdır; Ni, Si, Mn, Al ve Wc belirgin ayrışmaya sahiptir. Bir yandan, bunun nedeni lazer kaplama işlemi sırasında yüksek enerji yoğunluğunun elementlerin hızla erimesine ve katılaşmasına neden olması ve elementlerin düşük içeriğinin kısa sürede etkili bir şekilde dağılmalarını zorlaştırması ve düzgün dağılım etkisinin elde edilememesi olabilir. Öte yandan, Ni, Si, Mn, Al ve Wc'nin karışım entropisi oldukça farklıdır ve yüksek sıcaklıklarda reaksiyona girmeleri kolaydır, bu da ayrışma olasılıklarını artırır. Çok sayıda literatür de bu sonuca ulaşmıştır [23][24].

4 Kaplamanın aşınma direnci ve korozyon performansının analizi

4.1 Sürtünme ve aşınma performansının analizi

Sanayi ve imalatta, parçaların aşınma direnci son derece önemlidir. Sürtünme ve aşınma performans analizi, esas olarak malzemelerin sürtünme sırasında aşınmaya direnme yeteneğini içerir. Genellikle sürtünme katsayısı, aşınma hacmi ve aşınma mekanizması gibi parametrelerle değerlendirilir. Sürtünme katsayısının büyüklüğü, malzemenin sürtünme temas yüzeyindeki direncini doğrudan etkiler. Daha düşük sürtünme katsayısı genellikle daha iyi yağlama ve daha az enerji kaybı anlamına gelir. Şekil 12(a)'da görülebileceği gibi, 321 paslanmaz çelik alt tabaka ile Ni60/WC kaplama arasındaki sürtünme ve aşınma performansındaki fark zamanla değişir. 321 paslanmaz çelik için, 400 saniye içinde önemli dalgalanmalar gösterir ve bu da aşındırıcı aşınmanın rodaj süresi boyunca daha ciddi olduğunu, bunun sonucunda düzensiz ve pürüzlü bir yüzey ve sürekli değişen dirençle sonuçlandığını gösterir. Kararlı aşınma aşamasına girdikten sonra, sürtünme katsayısı yaklaşık 0.7~0.8'de sabitlenir; bu da paslanmaz çelik alt tabakanın aşınmasının daha ciddi olduğunu ve yüzeyin düz tutulmasının zor olduğunu gösterir.
Ni60/WC kaplamanın sürtünme katsayısı ilk 0.2 saniyede yaklaşık 0.3'den yaklaşık 0.4~200'e yavaşça artmıştır; bu, çalışma süresi boyunca yüzeyinin nispeten kararlı bir duruma ulaşmasının daha kolay olduğunu ve başlangıçtaki şiddetli aşınmayı azalttığını göstermektedir. Kararlı aşamaya girdikten sonra, kaplamanın sürtünme katsayısı küçük bir dalgalanma aralığı ile yaklaşık 0.4'te kalmıştır; bu, Ni60/WC kaplamanın aşınma direncinin 321 paslanmaz çeliğe göre önemli ölçüde daha iyi olduğunu ve sürtünme direncini ve aşınmayı daha etkili bir şekilde azaltabileceğini göstermektedir. Bu olgu, esas olarak kaplamanın mükemmel metalurjik bağlanmasına, mikro yapıdaki daha az kusura ve sert faz bileşenlerinin düzgün dağılımına atfedilir; bu da sürtünme katsayısının erken aşamada hızla stabilize olmasını zorlaştırır. Şekil 12(b), 30 dakikalık aşınma testinden sonra Ni60/WC kaplamanın kütle kaybının 2.75 mg olduğunu, bunun da alt tabakanın kütle kaybının (64 mg) yalnızca %4.24'ü olduğunu ve kaplamanın daha iyi aşınma direncine sahip olduğunu göstermektedir.

4.2 Korozyon performans analizi

Şekil 13(a)'da, %3.5 ağırlıkça NaCl çözeltisindeki alt tabaka ve kaplamanın açık devre potansiyeli (OCP) eğrileri gösterilmektedir. 1200 saniyelik deney sırasında, alt tabaka ve kaplamanın OCP değerleri sabit olma eğilimindeydi. OCP'nin negatif değeri ne kadar büyükse, kaplamanın elektron kaybetmesi ve aşınması o kadar kolaydır; nispeten konuşursak, negatif değer ne kadar küçükse, korozyon eğilimi o kadar düşüktür. OCP'nin pozitif hareketi, numunenin yüzeyinde koruyucu bir filmin oluştuğunu gösterirken, koruyucu filmin kopması OCP'nin negatif hareketine karşılık gelir. Alt tabakanın OCP'si -0.47 V iken, kaplamanın OCP'si -0.38 V'dur. Kaplamanın daha yüksek OCP değeri, yüzeyinde daha sıkı bir koruyucu filmin oluştuğunu gösterir. Şekil 13(b), alt tabakanın ve kaplamanın polarizasyon eğrilerini göstermektedir. Anodik polarizasyon alanı, korozyon direncinde önemli bir iyileşme göstermektedir. Bunun başlıca nedeni, aktif metal iyonlarının adsorpsiyon yoluyla ortam gazıyla reaksiyona girerek yoğun bir koruyucu film oluşturması ve bunun da korozyon hızını önemli ölçüde azaltmasıdır.

Tablo 6, Tafel doğrusallaştırma elektrokimyasal veri analizi ile elde edilen içsel korozyon potansiyeli (Ecorr) ve içsel korozyon akım yoğunluğu (Icorr) verilerini göstermektedir. 321 paslanmaz çelik alt tabakanın içsel korozyon potansiyeli -0.754 V ve içsel korozyon akım yoğunluğu 6.77×10-7A.cm-2'dir; Ni60/WC kaplamanın içsel korozyon potansiyeli -0.674 V ve içsel korozyon akım yoğunluğu 4.76×10-8 A.cm-2'dir. Kaplamanın korozyon direncinin alt tabakanınkinden önemli ölçüde daha iyi olduğu ve korozyon hızının da alt tabakanınkinden önemli ölçüde daha düşük olduğu görülebilir. Bu, Ni60/WC kaplamanın alt tabakanın korozyon direncini etkili bir şekilde iyileştirebileceğini göstermektedir. Şekil 13(c), alt tabakanın ve kaplama tabakasının empedans ark diyagramıdır. Empedans ark yarıçapı ne kadar büyükse, malzemenin korozyon direncinin o kadar iyi olduğu görülebilir. Gösterilen frekans aralığında, kaplama tabakasının empedans ark yarıçapı, alt tabakanın empedans ark yarıçapından çok daha büyüktür, bu da kaplama tabakasının daha iyi korozyon direncine sahip olduğunu gösterir.

Şekil 13(d), alt tabakanın ve kaplama tabakasının empedans radyasyon frekans diyagramını göstermektedir. Empedans frekans diyagramında, lg|Z| ve lg (Frekans) arasında yaklaşık olarak doğrusal bir fonksiyonel ilişki vardır. |Z| ne kadar büyükse, kaplama tabakası o kadar az aşınmış ve çukurlaşma direnci o kadar iyi olur. Bode'den, kaplama tabakasının empedans modülünün alt tabakanın empedans modülünün üzerinde olduğu görülebilir; bu, kaplamanın daha iyi korozyon direncine sahip olduğunu gösterir. Kaplama tabakasının faz açısı, 100-102'lik orta frekans aralığında maksimum değerine ulaşır ve kaplama tabakasının faz açısı, alt tabakanın faz açısına göre önemli ölçüde daha büyüktür; bu, kaplama tabakasının korozyon hızının azaldığını gösterir. Bunun nedeni, Fe ve Ni içeriğinin yüksek olması ve Fe ve Ni elementlerinin güçlü korozyon direncine sahip olmasıdır; bu da aşındırıcı sıvıdaki iyonların kaplamaya nüfuz etmesini önleyebilir. Bu frekans aralığında, kaplamanın empedans modülü her zaman alt tabakanın empedans modülünden daha yüksektir, bu da korozyon hızının önemli ölçüde azalması ve aşındırıcı sıvıdaki aşındırıcı iyonların pasifleştirme filminden kaplamaya nüfuz etmesinin zorlaşması anlamına gelir.

Kaplamanın ve alt tabakanın korozyon performansını daha iyi tanımlamak için, alt tabakanın ve kaplama tabakasının korozyon davranışını ve empedans tepkisi özelliklerini analiz etmek için benzer bir model kullanıldı. Kaplama tabakasının ve alt tabakanın eşdeğer devre yapısı Şekil 14'te gösterilmiştir. Bu modelde, R1 NaCl çözeltisinin direncini, CPE1 koruyucu film ile çözelti arasındaki kapasitansın sabit faz elemanını ve R2 alt tabaka yüzeyindeki koruyucu tabakanın direncini temsil eder. R1'in boyutu elektrolitin iletkenliği ile ilgilidir ve kaplama tabakasının yoğunluğu veya gözenekliliği de bu parçanın empedansını etkiler. R2'deki değişim, kaplama tabakasının alt tabaka üzerindeki koruyucu etkisini gösterir. R2 ne kadar büyükse, yük transfer direnci o kadar büyük olur ve malzemenin korozyon direnci o kadar iyi olur. CPE1'in parametreleri kaplama yüzeyinin pürüzlülüğünü ve mikro yapısal özelliklerini yansıtabilir. Uyumlaştırma ile elde edilen CPE indeksi, elektrot yüzeyinin ideal olmayan kapasitans davranışının derecesini tanımlamak için kullanılabilir.

5 Sonuç

Bu çalışmada, Ni60/WC alaşım kaplaması şu şekilde hazırlanmıştır: yüksek hızlı lazer kaplama teknolojisive XRD, SEM ve EDS gibi karakterizasyon yöntemleri ile detaylı olarak analiz edildi. Aynı zamanda kaplamanın sertliği, aşınma direnci ve korozyon direnci test edildi. Ana sonuçlar şu şekildedir:
1) Tek geçişli kaplama tabakasını incelemek için kontrol değişkeni yöntemi kullanılarak tek faktörlü bir deney gerçekleştirildi. Sonuçlar, kaplama tabakasının yüzeyinin çatlak veya gözenek gibi kusurlar olmadan düzgün erimiş dalgalanmalar gösterdiğini gösterdi. Seyreltme oranı ve sertlik, kaplama tabakasının makroskobik morfolojisiyle birleştirilerek tepki göstergeleri olarak alındığında, optimum işlem parametreleri belirlendi: 1000W lazer gücü, 3.5g·dak-1 toz besleme hızı ve 10mm/s tarama hızı.

2) Ni60/WC alaşım kaplama tipik bir dendritik yapıya sahiptir. Kaplama tabakasının üstündeki tane boyutu küçük ve düzgün yoğundur; ortadaki taneler ikincil büyüme geçirmiştir, orta büyüklüktedir ve eşit olarak dağılmıştır; alttaki taneler nispeten büyük, hücreseldir ve düzenli bir şekilde düzenlenmiştir. Sertlik testi sonuçları, kaplama tabakasının maksimum sertliğinin 608HV0.2 olduğunu, bunun da alt tabakanın sertliğinin yaklaşık 1.91 katı olduğunu ve kaplamanın genel sertliğinin önemli ölçüde iyileştirildiğini göstermektedir. XRD analizi, kaplama tabakasında WC, W2C, W2B5, M7C3 ve M23C6 gibi sert fazların üretildiğini göstermektedir. Bu bileşiklerin varlığı, kaplamanın sertliğini etkili bir şekilde iyileştirir.

3) Sürtünme ve aşınma performans testleri, alt tabakanın sürtünme katsayısının yaklaşık 0.8 olduğunu, kaplama tabakasının sürtünme katsayısının ise yaklaşık 0.4 olduğunu göstermektedir. Kaplama tabakasının aşınma miktarı 2.75 mg'dır, bu da alt tabakanın 64 mg'lık aşınma miktarının yaklaşık %4.24'üne denk gelmektedir ve bu da kaplama tabakasının aşınma direncinin önemli ölçüde iyileştirildiğini göstermektedir. Bu, esas olarak, aşınmayı etkili bir şekilde azaltan kaplama tabakasındaki yoğun dendrit yapısına ve sert faz bileşenlerine atfedilmektedir.

4) Elektrokimyasal test sonuçları, kaplama tabakasının açık devre potansiyelinin (OCP) -0.38 V olduğunu, alt tabakanın OCP'sinin ise alt tabakanınkinden biraz daha yüksek olan -0.47 V olduğunu göstermektedir. Kaplama tabakasının kendi kendine korozyon akım yoğunluğu 4.76×10⁻⁸ A.cm² olup, alt tabakanınkinden (6.77×10⁻⁷ A.cm²) önemli ölçüde düşüktür. Kaplama tabakasının kendi kendine korozyon potansiyeli -0.674 V olup, alt tabakanınkinden (-0.754 V) daha yüksektir. Ayrıca, kaplama tabakasının kapasitans halkası yarıçapı, alt tabakanınkinden önemli ölçüde daha büyüktür ve kaplama tabakasının empedans değeri de aynı frekansta alt tabakanın empedans değerinden daha yüksektir, bu da Ni60/WC alaşımlı kaplamanın korozyon direncinin alt tabakanınkinden daha iyi olduğunu gösterir ve bu da 321 paslanmaz çeliğin korozyon direncini etkili bir şekilde iyileştirir.