Παραγωγή επιστρώσεων ανθεκτικών στη διάβρωση και στην οξείδωση με τεχνικές ηλεκτρικού τόξου

Abstract

Duplex stainless steel 2205 (UNS S31803) is widely used in many engineering applications where a combination of mechanical strength and corrosion resistance is required. In this thesis, surface treatments of DSS 2205 were performed using the Plasma Transferred Arc (PTA) technique in order to expand the field of applications of this steel and to improve its performance in current applications. The hardness and the wear resistance of DSS 2205 was improved by introducing hard ceramic particles, namely TiC, TiB2, TiN and Al2O3, on its surface and thus producing a metal matrix composite (MMC) coating. The coatings produced with the addition of Al2O3 were further improved with the simultaneous addition of a solid lubricant (TiS2). The corrosion resistance of DSS 2205 was improved by introducing a considerable amount of nitrogen in its surface. The plasma and the shielding gas had the same composition, namely Ar+5 % vol. N2 and Ar+10 % vol. N2. The friction coefficient against an Al2O3 counterbody was slightly increased, compared to the as received DSS 2205, but the wear rate was reduced. The corrosion properties in 3.5 % wt. NaCl, 1 N H2SO4 aqueous solutions were improved, compared to DSS 2205, as well as the pitting corrosion resistance in FeCl3.6H2O solution. A combination of TiC and nitrogen introduced on the surface of DSS 2205 resulted in a MMC coating with titanium carbonitride (TiCxNy) as reinforcement and 0.65 % wt. nitrogen. X-ray diffraction measurements and Raman spectroscopy revealed that MMC coatings produced on the surface of DSS 2205 by adding TiC, with or without nitrogen addition, resulted in titanium carbonitride reinforcement. In the latter case, nitrogen was provided by nitrogen contained in the as received DSS 2205 (0.17 % wt. nitrogen). The wear resistance against an Al2O3 counterbody was improved compared to the as received DSS 2205 and to the TiC-reinforced 2205 coatings without nitrogen addition. The corrosion properties were improved relatively to the TiC-reinforced 2205 coatings without nitrogen addition. The addition of Ni powder on the surface of DSS 2205 substrate resulted in a fcc-(Ni,Fe,Cr) microstructure with 43 % wt. Ni, 43 % wt. Fe and 13 % wt. Cr. The corrosion properties in 3.5 % wt. NaCl, 1 N H2SO4 and FeCl3.6H2O aqueous solutions were improved, compared to DSS 2205. The resistance to oxidation in air, at 1000 oC, was also improved.

Στη διδακτορική αυτή διατριβή, πραγματοποιήθηκαν επιφανειακές κατεργασίες του χάλυβα διφασικού ανοξείδωτου χάλυβα 2205, με την τεχνική μεταφερόμενου τόξου πλάσματος ώστε να διευρυνθεί το πεδίο εφαρμογής του χάλυβα αυτού και να βελτιωθούν οι επιδόσεις του στις τρέχουσες εφαρμογές. Η σκληρότητα και η αντοχή στην τριβή του χάλυβα 2205 βελτιώθηκαν με την εισαγωγή σκληρών κεραμικών σωματιδίων (TiC, TiB2, TiN και Al2O3) στην επιφάνειά του, με σκοπό την παρασκευή σύνθετων επιστρωμάτων μεταλλικής μήτρας. Το επίστρωμα που παρασκευάστηκε με τη χρήση Al2O3 βελτιώθηκε περαιτέρω με την ταυτόχρονη προσθήκη ενός στερεού λιπαντικού, του TiS2. Η αντοχή στη διάβρωση του χάλυβα 2205 βελτιώθηκε με την εισαγωγή σημαντικής ποσότητας αζώτου στην επιφάνειά του. Το πλασμογόνο και το προστατευτικό αέριο είχαν την ίδια σύσταση, συγκεκριμένα, Ar+5 % κ.ο. N2 και Ar+10 % κ.ο. N2. Ο συντελεστής τριβής έναντι ακίδας Al2O3 αυξήθηκε ελαφρώς, σε σχέση με τις αντίστοιχες τιμές του χάλυβα 2205 ενώ ο ρυθμός φθοράς μειώθηκε. Η αντοχή στη διάβρωση σε υδατικά διαλύματα 3,5 % κ.β. NaCl και 1 N H2SO4, καθώς και η αντοχή στη διάβρωση με βελονισμούς σε διάλυμα FeCl3.6H2O, βελτιώθηκαν σε σχέση με το χάλυβα 2205. Η ταυτόχρονη προσθήκη TiC και αζώτου στην επιφάνεια του χάλυβα 2205 οδήγησε στην παρασκευή ενός σύνθετου επιστρώματος μεταλλικής μήτρας με καρβονιτρίδιο του τιτανίου (TiCxNy), ως σωματίδια ενίσχυσης και 0,65 % κ.β. άζωτο. Η χρήση περίθλασης ακτίνων Χ και φασματοσκοπίας Raman έδειξε ότι τα σύνθετα επιστρώματα με προσθήκη TiC, με ή χωρίς ταυτόχρονη προσθήκη αζώτου, έχουν καρβονιτρίδιο του τιτανίου, ως σωματίδια ενίσχυσης. Στη δεύτερη περίπτωση, το άζωτο προέρχεται από το χάλυβα 2205 (0,17 % κ.β. άζωτο). Το επίστρωμα που παρασκευάστηκε με προσθήκη TiC και αζώτου είχε πιο ισορροπημένη αναλογία όγκου ωστενίτη/φερρίτη, σε σχέση με το επίστρωμα χωρίς προσθήκη αζώτου. Η αντοχή στην τριβή έναντι ακίδας Al2O3 ήταν βελτιωμένη σε σχέση με την αντοχή του χάλυβα 2205 και του επιστρώματος που παρασκευάστηκε με την προσθήκη TiC χωρίς άζωτο. Οι αντιδιαβρωτικές ιδιότητες ήταν βελτιωμένες σε σχέση με το επίστρωμα που παρασκευάστηκε χωρίς την προσθήκη αζώτου. Η προσθήκη σκόνης Ni στην επιφάνεια του χάλυβα 2205 οδήγησε στην παρασκευή επιφάνειας fcc-(Ni,Fe,Cr) με 43 % κ.β. Ni, 43 % κ.β. Fe και 13 % κ.β. Cr η οποία είχε βελτιωμένη αντοχή στη διάβρωση, σε υδατικά διαλύματα 3,5 % κ.β. NaCl, 1 N H2SO4 και FeCl3.6H2O και στην οξείδωση, σε περιβάλλον ατμοσφαιρικού αέρα, στους 1000 οC, σε σχέση με το χάλυβα 2205.