複合材（Cr3C2）の特性比較検討

Scientific Reports volume 13、記事番号: 10778 (2023) この記事を引用

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典型的なフェライト/マルテンサイト系耐熱鋼 (T91) は、再熱器、過熱器、発電所で広く使用されています。 Cr3C2-NiCr ベースの複合コーティングは、高温用途における耐摩耗性コーティングとして知られています。 現在の研究では、T91 鋼基板上にレーザーとマイクロ波エネルギーによって開発された 75 wt% Cr3C2 - 25 wt% NiCr ベースの複合クラッドの微細構造研究を比較しています。 両方のプロセスで開発されたクラッドは、エネルギー分散型 X 線分光法 (EDS)、X 線回折 (XRD) およびビッカース微小硬度の評価を備えた電界放出型走査電子顕微鏡 (FE-SEM) によって特性評価されました。 両方のプロセスの Cr3C2-NiCr ベースのクラッドは、選択した基板とのより良好な冶金的結合を示しました。 開発されたレーザークラッドの微細構造は、樹枝状結晶間の空間を占める豊富なNi相を含む、独特の緻密な凝固構造を示しています。 マイクロ波クラッドの場合、硬質炭化クロム粒子は軟質ニッケルマトリックス内に一貫して分散しました。 EDS 研究では、セルの境界がクロムで覆われており、セル内に Fe と Ni が存在することが証明されました。 両方のプロセスの X 線相分析により、炭化鉄 (Fe7C3) の相にもかかわらず、炭化クロム (Cr7C3、Cr3C2、Cr23C6)、鉄ニッケル (FeNi3)、クロムニッケル (Cr3Ni2、CrNi) などの相が共通して存在することが証明されました。開発されたマイクロ波クラッドで観察されます。 両方のプロセスで発達したクラッド構造におけるそのような炭化物の均一な分布は、より高い硬度を示しました。 レーザークラッドの典型的な微小硬度 (1142 ± 65HV) は、マイクロ波クラッド (940 ± 42 HV) よりも約 22% 高かった。 この研究では、ボールオンプレートテストを使用して、マイクロ波およびレーザーで被覆されたサンプルの摩耗挙動を分析しました。 レーザークラッディングサンプルは、硬質炭化物要素により優れた耐摩耗性を示しました。 同時に、マイクロ波クラッドサンプルでは、​​微細な切断、緩み、疲労による破壊により、より多くの表面損傷と材料損失が発生しました。

表面改質技術は、激しい磨耗や腐食にさらされるエンジニアリングコンポーネントの性能と耐久性を向上させるために重要です。 高い耐摩耗性と腐食性のため、複合被覆材、特に Cr3C2-NiCr システムは大きな注目を集めています。 ただし、クラッディングプロセスで使用されるエネルギー源は、クラッドの最終特性と全体的な性能に大きな影響を与えます1。 サーメットなどのセラミック/金属複合材料は、産業用途において機械部品の耐摩耗性と耐食性を向上させるための優れたソリューションとして長い間認識されてきました。 しかし、インゴットや粉末冶金などの従来のアプローチでは、サーメット複合材料を製造する際に大きな課題が生じます。 あるいは、溶射、レーザー被覆、マイクロ波被覆などの表面工学技術は、工業用部品の機能性コーティングを開発する実用的なアプローチを提供し、対象表面を摩耗や腐食関連の問題から効果的に保護します2、3。 これらの技術の中でも、高速酸素燃料 (HVOF) 溶射は、さまざまなサーメット コーティングを作成するための商業的に実行可能な選択肢です。 HVOF プロセスを通じて開発されたコーティングは、最小限の気孔率で実質的な結合強度を示します。 ただし、HVOF コーティング中にコーティングの細孔を除去することは困難であり、冶金的接合よりも接合強度が低くなります4。 これらの欠点は、コーティング内の細孔の存在が腐食環境の加速拡散経路として機能し、コンポーネントの耐用年数に重大な脅威をもたらす可能性があるため、HVOF プロセスの産業用途を大幅に制限します5、6。

レーザークラッディングプロセスは、コーティング用途に代替技術を提供し、希釈と冶金的結合を正確に制御し、微細構造の開発を促進します。 この技術には、完全に緻密な構造による低気孔率、界面でのターゲット基板への最小限の損傷、堅牢な冶金的結合など、さまざまな利点があります。 レーザークラッディングプロセスは、最近、高温耐摩耗性コーティングにおいて大きな注目を集めており、材料表面改質における重要なトピックとなっています。 例えば、Jayaprakash et al.7 は、球状鋳鉄上でレーザー合金化された WC-12%Co および Cr3C2-25%NiCr 粉末の特性と、それらの微細構造、微小硬度、および耐摩耗特性に関する結果を調べています。 この論文の貢献は、球状鉄表面上の WC-12%Co および Cr3C2-25%NiCr 粉末のレーザー合金化中の微細構造とトライボロジーの進化についての洞察を提供することであり、これは工業用途向けの耐摩耗性コーティングの開発に有益となる可能性があります。 別の研究では、NiCr/Cr3C2-30%WS2 複合コーティングのレーザークラッドが、最大 3000 °C の温度で摩擦と摩耗特性を効果的に最小限に抑えることができると報告しています8。 溶射コーティングのレーザー再溶解も、その場レーザー照射を使用した、Ni ベースの自己流動合金、WC-Co、または Cr3C2-NiCr サーメットなどのさまざまな材料系に対して広く研究されています。 入力レーザーエネルギー密度が高くなると、溶融の深さが増加することが観察されました5,9。