Samenvatting In technologische toepassingen wordt het oppervlak vaak het meeste belast. Dit heeft geleid tot het ontstaan van een nieuw vakgebied, de oppervlakte technologie. Constructie-onderdelen falen door hoge periodieke vermoeiing, corrosie, wrijving en slijten, met ander woorden het falen wordt beïnvloed en veroorzaakt door de toestand van het oppervlak. Het modificeren van de oppervlaktelaag van het basismateriaal is een geschikte manier om de prestaties van het materiaal te verbeteren. Er bestaan vele verschillende vormen van oppervlaktebehandelingen, echter deze moet zo gekozen worden dat de eigenschappen van het substraat niet worden beïnvloed. Met ander woorden het vermogen van het bulkmateriaal om belasting te verdragen mag niet te veel worden aangetast door de behandeling zelf. Aan het oppervlak en de bulk van constructie-onderdelen worden vaak verschillende eisen gesteld. De bulk moet bijvoorbeeld licht zijn, terwijl het oppervlak slijtvast moet zijn. Helaas zijn de oppervlakte-eigenschappen van lichte metalen vaak niet toereikend. Door het versterken van de oppervlakteeigenschappen van lichte metalen kan echter aan beide eisen worden voldaan. Het doel van het onderzoek, dat beschreven is in dit proefschrift, is de mogelijkheden van het zogenaamde laser-smelt-injectieproces te bestuderen voor het verbeteren van de oppervlakte-eigenschappen, met name de hardheid en slijtvastheid, van lichte metalen. In het laser-smelt-injectieproces creëert de energie van een hoogvermogen-laser lokaal een smeltbad in een metalen substraat. Tegelijkertijd worden harde keramische deeltjes geïnjecteerd. Als de laserbundel is gepasseerd stolt het smeltbad en zijn de keramische deeltjes opgesloten in de toplaag van het metalen substraat. Op deze manier kunnen metalen substraten worden voorzien van een zogenaamde Metalen-Matrix Composiet (MMC) laag, zonder dat de bulk van het substraat wordt aangetast. De hardheid en slijtvastheid van een MMC zijn vaak beter. De eigenschappen van een MMC hangen sterk af van de binding tussen de keramische deeltjes en de metalen matrix. Helaas is de bevochtiging tussen vloeibare metalen en keramische materialen vaak slecht. Een goede bevochtiging is noodzakelijk voor het creëren van een goede hechting tussen materialen. Om toch een goede binding tussen de deeltjes en de
129
Samenvatting matrix te krijgen zijn de materialen zo gekozen dat een chemische reactie tussen het metaal en keramiek optreedt. Hierdoor ontstaat er een reactielaag tussen het deeltje en de matrix, die ervoor zorgt dat de deeltjes gekoppeld worden aan de matrix. Het laser-smelt-injectieproces en de resulterende microstructuur van twee materiaalsystemen werden onderzocht, namelijk silicium carbide (SiC) deeltjes in aluminium (Al) en wolfraam carbide (WC) deeltjes in een commerciële titanium legering (Ti-6Al-4V). De microstructuur is uitvoerig onderzocht met behulp van raster electronen microscopie, transmissie electronen microscopie en oriëntatie afbeeldende microscopie. De mechanische eigenschappen van de lagen werden getest, onder andere door middel van in-situ trekproeven in een raster electronen microscoop. Injectie van SiC deeltjes in Al Het laser-smelt-injectieproces van SiC deeltjes in Al is uitdagend, maar niet eenvoudig. De procesparameters moeten, voor een succesvol gefabriceerde MMC laag, nauwkeurig worden ingesteld omdat geen variatie in de parameters, zoals laservermogen, laserbundelsnelheid, geometrie van het injectiesysteem en hoeveelheid geïnjecteerde deeltjes per seconde, is geoorloofd. De moeilijkheden worden enerzijds veroorzaakt door een groot verschil tussen de absorptie van laserenergie door Al en SiC. De absorptie van laserenergie door SiC is veel hoger dan die voor Al. Hierdoor is het noodzakelijk het laservermogen te limiteren omdat een hoog laservermogen, wat nodig is om Al te smelten, de SiC deeltjes beschadigd. Anderzijds is de aanwezigheid van een oxydelaagje op het Al smeltbad een serieuze hindernis voor het injecteren van deeltjes. Wanneer de kinetische energie van de deeltjes lager is dan de energie die het kost om door het geoxideerde Al oppervlak te penetreren blokkeert deze oxydelaag de deeltjes. Als de temperatuur van het smeltbad boven de 850 °C komt, begint de oxydelaag op te lossen, zodat ongeoxideerde Al eilandjes aan het oppervlak verschijnen. Als de temperatuur van het smeltbad ongeveer 1100 °C is, is de oxydelaag verdwenen. Om de invloed van de oxydelaag op de injectiediepte van de deeltjes te analyseren is een fysisch model ontwikkeld. Dit model bestaat uit twee delen. In het eerste deel wordt het energieverlies berekend van een deeltje dat door een oppervlak penetreert, afhankelijk van hoeveelheid geoxideerd oppervlak. De berekeningen zijn gebaseerd op de grensvlak-energieën. In het tweede deel van het model worden de snelheid en diepte berekend van een bewegend deeltje in vloeibaar Al. Wanneer ongeveer 130
Samenvatting 50% of minder van het oppervlak geoxideerd is, worden injectiecondities gehaald voor de grootte en injectiesnelheid van de deeltjes die gebruikt worden in het laserproces. De uiteindelijke injectiediepte wordt voornamelijk bepaald door het percentage van het oppervlak dat geoxideerd is, en daardoor door de temperatuur van het smeltbad. Daarom hebben, in het genoemde temperatuurinterval, kleine temperatuursveranderingen een groot effect op de injectiediepte van de deeltjes. Het voorverwarmen tot boven 300 °C van het substraat tijdens het laserproces is een effectieve manier om de SiC deeltjes te injecteren. De gefabriceerde MMC lagen hebben een deeltjes-volumefraktie van 35% en zijn vrij van gaten en scheuren. Tijdens het laserproces, als de SiC deeltjes reageren met vloeibaar Al, worden Al4C3 en Si gevormd. Al4C3 komt voor in de vorm van platen, zowel in de smeltbadmatrix als aan het SiC/Al grensvlak, de zogenaamde reactielaag. Si wordt gevonden in Al-Si eutectische gebieden tussen de Al4C3 platen. De Al4C3 platen in de reactielaag preferen parallel te groeien, aan de basale vlakken van SiC. Dit geeft aan dat er een interactie is tussen SiC en Al4C3. Injectie van WC deeltjes in Ti-6Al-4V Het laser-smelt-injectieproces is een geschikte techniek voor het creëren van een WCp/Ti-6Al-4V MMC-laag in de toplaag van Ti-6Al-4V. Het relatieve gemak om een smeltbad in de Ti-legering te creëren maakt het mogelijk om te variëren in de grootte en volumefracties van de MMC lagen. Ook is het mogelijk om grotere oppervlakken te voorzien van een MMC laag door naast elkaar liggende lasersporen met een overlap van ongeveer 10% te produceren. Tijdens het laserproces worden nieuwe fasen gevormd: TiC, W en W2C. In de top van het gestolde smeltbad zijn hoge concentraties van TiC en W dendrieten aanwezig. Dit komt doordat door een reactie tussen vloeibaar Ti en vloeibaar of opgelost WC dat van de WC deeltjes is afgevallen tijdens penetratie in het smeltbad. Het vloeibare of opgeloste WC dat op of bij het WC deeltje blijft, reageert met de Ti smelt zodat er W2C en TiC reactielagen rond het WC deeltje worden gevormd. De W2C lagen groeien in de [0001] richting. Als het oppervlak van de WC deeltjes een (0001) vlak is kunnen de atomaire misfits tussen WC en W2C geminimaliseerd worden door te groeien in een oriëntatierelatie (de kristallografische oriëntatie van W2C is dan gecorreleerd aan de kristallografische oriëntatie van WC), terwijl tegelijkertijd de [0001]
131
Samenvatting voorkeursgroeirichting van W2C wordt gehandhaafd. Al er een oriëntatierelatie tussen WC en W2C bestaat, is er ook een oriëntatierelatie aanwezig tussen W2C en TiC. De misfits tussen W2C en TiC worden geminimaliseerd als de (111) vlakken van TiC op de (0001) vlakken van W2C liggen. De aanwezigheid van een oriëntatierelatie tussen de reaktielagen geeft aan dat er interactie bestaat tussen de lagen, wat positief is voor de binding. Daarom is het gunstig om WC deeltjes te injecteren die relatief veel (0001) oppervlak hebben. Dit is bijvoorbeeld het geval als de WC deeltjes geproduceerd zijn door splijting, omdat de (0001) vlakken in WC splijtvlakken zijn. Reaktie van de microstructuur op belasting Om informatie over de bindingsterkte tussen de deeltjes en matrix te verschaffen zijn de MMC-lagen aan uitwendig aangelegde trekbelastingen blootgesteld. De MMC-lagen zijn ook onderworpen aan in in-situ trekproeven in een raster elektronen microscoop om de scheurvorming en scheurpropagatie te bestuderen. Op deze manier kunnen de sterkste en zwakste plekken in de microstructuur worden achterhaald, die eventueel gebruikt kunnen worden om de lagen te optimaliseren. De treksterkte van de met het laser-smelt-injectieproces geproduceerde SiCp/Al MMC-lagen is hoger dan de treksterkte van het onbehandelde materiaal. Deze versterking is voornamelijk te danken aan de verandering in de microstructuur door het snelle stollen van Al en de restspanningen geïnduceerd door het laserproces, en niet aan de geïnjecteerde SiC deeltjes. De Al4C3/Al grenslagen van de Al platen in smeltbadmatrix vormen de zwakke punten in de MMClaag. Deze grenslagen decoheren gemakkelijk waardoor ze een dominante rol spelen in de scheurvorming en scheurvoortplanting langs de platen, die willekeurig in de smeltbadmatrix liggen. Onder trekkrachten is splijting van de SiC deeltjes de tweede, meest voorkomende plaats van scheurvorming. Het is opvallend dat decohesie van de SiC/Al grensvlakken nauwelijks voorkomt. Hieruit blijkt dat de Al4C3 reactielagen voor een goede binding tussen de deeltjes en matrix verzorgen. Maar, omdat de Al4C3 platen in de matrix een zwakke plek in de lagen zijn moet de vorming van Al4C3 worden geminimaliseerd. De treksterkte van de met het laser-smelt-injectieproces geproduceerde WCp/Ti-6Al-4V MMC-lagen vermindert ten opzichte van de onbehandelde materialen. De voornaamste oorzaken zijn de twee dominante
132
Samenvatting scheurvormingmechanismen: intergranulaire brosse breukvorming in de granulaire WC deeltjes en decohesie van de WC/W2C grenslagen. Tijdens het aanbrengen van een trekkracht worden al scheuren gevormd bij een lage trekbelasting, of zelfs door spanningen die geïnduceerd zijn tijdens het laserproces. De scheuren planten zich zelf verder voort door splijting van de TiC dendrieten, die in grote getale in de smeltbadmatrix aanwezig zijn. Om de trekeigenschappen van de MMC-lagen te verbeteren moeten de MMC lagen met éénkristal WC deeltjes worden gemaakt, zodat intergranulaire breukvorming niet meer plaatsvindt. Ook moet de vorming van TiC dendrieten in de MMC-lagen worden verminderd. Dit kan bijvoorbeeld door de WC deeltjes achter de laserbundel te injecteren zodat de temperatuur van de deeltjes lager, en dus de TiC vorming wordt teruggedrongen. Conclusies Tot slot kan worden geconcludeerd dat het laser-smelt-injectieprocess een geschikte techniek is voor het maken van MMC lagen op metalen. Reactieproducten in de reactielaag tussen de deeltjes en de matrix kunnen een positieve bijdrage hebben voor de binding tussen de deeltjes en de matrix. Echter, door de hoeveelheid reactieproducten in de matrix van de coating te minimaliseren kunnen de eigenschappen van de lagen worden verbeterd.
133
