مقايسه خواص مكانيكي پوشش‌هاي پلاسمايي نانو ساختار Cr2O3 و Cr2O3-20YSZ

Comparison of Mechanical Properties of Nanostructured Cr2O3 and Cr2O3-20YSZ Plasma-sprayed Coatings

در اين پژوهش پوشش‌هاي نانو ساختار Cr2O3 و Cr2O3-20YSZ از طريق فرآيند پاشش پلاسمايي اتمسفري(APS) پاشش داده شد و متعاقب آن خواص مكانيكي آن‌ها نظير چقرمگي شكست، سختي و استحكام چسبندگي ارزيابي و با يكديگر مقايسه گرديدند. بدين منظور، ابتدا نانو پودرهاي Cr2O3 و YSZ از طريق 5 ساعت آسياكاري در آسياب سياره‌اي با انرژي بالا توليد شده و سپس به نسبت حجمي مشخص با يكديگر مخلوط شدند. جهت استفاده مخلوط پودري در فرآيند پاشش پلاسمايي، پودرها به‌صورت آگلومره درآمده و بر زيرلايه فولادي 304L پاشش داده شدند. مطالعه ريزساختار پودرها و پوشش‌ها از طريق ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل مغناطيسي(FE-SEM) مجهز به آناليز عنصري(EDS) و همچنين آناليزهاي پراش پرتوايكس(XRD) انجام گرفت. آناليزهاي اشعه ايكس از پودرهاي آسياب شده و پوشش‌ها نشان داد كه هيچ فاز جديدي در حين آسياكاري و پاشش پلاسمايي ايجاد نگرديده است. تخلخل پوشش‌ها از طريق آناليز تصاوير ميكروسكوپ نوري از سطح مقطع پوشش‌ها انجام گرفت. ارزيابي خواص مكانيكي پوشش‌ها نشان داد كه هر دو پوشش داراي استحكام چسبندگي بالا در محدوده 49-43 مگاپاسكال بودند. اگرچه با اضافه كردن نانو ذرات YSZ به پوشش اكسيد كروم، سختي پوشش كاهش جزيي يافت، اما چقرمگي آن بواسطه استحاله زيركونياي تتراگونال به ميزان عمده‌اي افزايش پيدا كرد.

In this research, nanostructured Cr2O3 (C) and Cr2O3-20YSZ (CZ) coatings were deposited using Atmospheric Plasma Spray (APS) process and subsequently their mechanical properties including fracture toughness, hardness and bonding strength were evaluated and compared with each other. For this purpose, Cr2O3 and YSZ nano-powders were firstly prepared by high-energy planetary ball milling and then mixed in the given volume. To use the powder mixture in the plasma spraying, the powders were agglomerated and sprayed onto a 304L steel substrate. Microstructural studies of the powders and coatings were carried out through Filed Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM) equipped with Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) and X-ray Diffraction (XRD) analysis. XRD patterns of the milled powders and the coatings indicated there was no newly-appeared phase during the milling and plasma spraying process. Porosity of the coatings was measured using an optical microscope by image analysis of their cross-sectional images. Mechanical properties evaluation showed that both coatings have high adhesive strength in the range of 43-49 Mpa. Although the addition of YSZ nanoparticles to the chromia coating slightly decreased the coating hardness, it caused a considerable increase in the coating toughness due to the zirconia transformation toughening mechanism.