بهبود چقرمگي شكست و مقاومت سايشي پوشش پلاسمايي اكسيد كروم از طريق افزودن نانوذرات YSZ

Improvement in fracture toughness and wear resistance of plasma-sprayed chromia coating by addition of YSZ nanoparticles

در پژوهش حاضر، رفتار سايشي پوشش‌هاي Cr2O3-20YSZ (CZ) و Cr2O3 (C) ايجادشده به روش پاشش پلاسمايي اتمسفري (APS) بررسي شده است. بدين منظور در ابتدا نانوپودرهاي اكسيد كروم و YSZ پس از 5 ساعت آسياكاري در آسياب با انرژي بالا توليد شده و متعاقباً پاشش پلاسمايي مخلوط‌هاي پودري آگلومره بر سطح زيرلايه فولادي ضدزنگ 304L انجام گرفت. ارزيابي‌هاي ريزساختار اين پوشش هاي سراميكي از طريق پراش اشعه ايكس (XRD)، ميكروسكوپ الكتروني گسيل مغناطيسي (FE-SEM) و ميكروسكوپ نوري انجام شد. خواص مكانيكي پوشش‌ها شامل سختي، استحكام چسبندگي و چقرمگي شكست به‌منظور توجيه رفتار سايشي پوشش‌ها ارزيابي گرديد. آزمون سايش گلوله بر ديسك، با به‌كارگيري گلوله آلومينا و در دماي محيط انجام شد. افزودن نانوذرات YSZ به زمينه اكسيدكروم، از طريق مكانيزم استحاله زيركونيا موجب افزايش چقرمگي شكست پوشش توليدي گرديد كه البته كاهش جزئي در سختي پوشش را نيز به همراه داشت. نتايج آزمون سايش نشان داد كه هر دو پوشش داراي ضريب اصطكاك در بازه مناسب 0/15 -0/11 بودند. پوشش كامپوزيتي CZ در مقايسه با پوشش C مقاومت سايشي بالاتري نشان داد به گونه‌اي كه كاهش وزن‌ پوشش‌ها به ترتيب برابر با 11 و 31 ميلي‌گرم به دست آمد. بررسي‌هاي صورت گرفته در شيار ناشي از سايش پوشش CZ نشان داد كه نرخ سايش پايين‌تر اين پوشش مربوط به چقرمگي بالاتر پوشش و در نتيجه پر شدن تخلخل‌هاي پوشش از طريق تغيير شكل پلاستيكي براده هاي سايش بود.

In the present research, wear behavior of Cr2O3-20YSZ (CZ) and Cr2O3 (C) coatings created using atmospheric plasma spray (APS) process was evaluated. For this purpose, Cr2O3 and YSZ nanopowders were produced after milling for 5h in a high-energy ball mill and subsequently plasma spraying of the agglomerated powders was carried out on 304L substrates. Microstructural characterization of these ceramic coatings was performed using X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) equipped with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and optical microscope. Mechanical tests including adhesive strength, fracture toughness, and micro-hardness were used so as to explain the coatings wear behavior. Sliding wear test was conducted using a ball-on-disk configuration against an alumina counterpart at room temperature. Addition of YSZ particles to the Cr2O3 matrix due to the phase transformation toughening mechanism associated with tetragonal zirconia resulted in an increase in the fracture toughness while decreased the micro-hardness. It was found that the composite coatings had the friction coefficients of the proper order of 0.11-0.15. The CZ composite coating compared to the C coating showed the higher wear resistance so that the weight loss was obtained as 11 and 31 mg, respectively. Observation of the wear tracks of the coatings indicated that the lower wear rate of the CZ coating was attributed to its higher toughness and therefore filling the pores due to the higher plastic deformation of its wear debris.