Onderzoeksproject PA/28 (Onderzoeksactie PA)
De ontwikkeling van betrouwbare meetmethodes voor de kwantitatieve bepaling van hechting en scheurgevoeligheid van dikke deklagen op metalen substraten vraagt heel wat innovatie. Het voorkomen van schade (scheuren doorheen de deklaag en loshechten aan het grensvlak met delaminatie of afschilferen tot gevolg) staat centraal in de ontwikkeling en het ontwerp van deklagen. Aangezien de werking van een deklaag vaak staat of valt met de bindingssterkte tussen laag en substraat, is het van het grootste belang de adhesieve sterkte van een coating te kunnen kwantificeren om zo de kwaliteit en betrouwbaarheid van het eindproduct te vrijwaren.
De meeste bestaande hechtingstesten zijn op zijn best semi-kwantitatief en niet genormeerd. Slechts enkele testen zijn bruikbaar op dikke deklagen, zoals bijvoorbeeld de trektest loodrecht op deklaag waarbij een kleefmiddel moet worden gebruikt. Deze zijn enkel geschikt voor slecht hechtende lagen. Moderne slijtagebestendige lagen hebben echter een veel beter hechtingsniveau dat niet meer met deze methode kan gemeten worden.
Hier wordt een eenvoudige en kostenefficiënte methode voorgesteld, nl. de geïnstrumenteerde rektest waarbij het progressief scheuren en fragmenteren van de laag optisch en met behulp van akoestische emissie wordt gevolgd. Het uiteindelijke doel is te komen tot een kwantitatieve, toegankelijke en genormeerde meetmethode voor de bepaling van scheurgevoeligheid en hechting van dikke harde deklagen op metalen.
Het project wordt toegespitst op laser claddings, een opkomende innovatieve technologie. De meetmethode is echter breed inzetbaar voor andere dikke deklagen zoals thermisch gespoten lagen of thermische barrièrelagen. Laser claddings hebben een uitstekende hechting dank zij de metallurgische binding met het substraat. Het is een aantrekkelijke methode aangezien het mogelijk is in één laag de gewenste samenstelling en dikte te bekomen en complexe componenten heel lokaal kunnen bedekt worden.
Voorbeelden van het succesvol toepassen van laser claddings zijn motoronderdelen voor de automotive en de luchtvaartsector. Het toepassen van harde laser claddings verhoogt de levensduur van componenten en heeft dus een verminderd materiaalverbuik tot gevolg. Om deze doelstellingen waar te maken, worden verscheidene laser claddings aangemaakt, met een verschillende hechting, substraat en samenstelling. Enkele thermisch gespoten lagen worden tevens geproduceerd voor vergelijkingen. De karakterisering van de lagen is essentieel voor een accurate implementatie van de rektests. Daarbij zijn vooral het bepalen van de inwendige spanningen en de meting van de mechanische eigenschappen van de deklaag van belang. De geïnstrumenteerde rektest zelf wordt op verschillende wijzen uitgevoerd: als vierpuntsbuigproef en als uniaxiale trektest. De testparameters worden gevarieerd en zo de gevoeligheid van de tests geëvalueerd. Het scheuren en fragmenteren van de coating wordt optisch en met behulp van akoestische emissie gevolgd. De bekomen data moeten statistisch bewerkt worden en dienen als invoer voor de berekening van de hechting en breuktaaiheid van de deklaag. Post mortem analyse van de proefmonsters moeten bevestigen of de waarnemingen tijdens de test een juiste weergave zijn van de schade. De geldigheid van verschillende modellen wordt geëvalueerd door middel van theoretische beschouwingen en met behulp van eindige elementen modellering.
De aanbevolen methode die naar voor komt uit het voorgestelde onderzoek wordt verder gevalideerd door een interlaboratoriumtest. Een verkennende vergelijking met enkele andere meetmethodes wordt uitgevoerd ter controle (kwalitatief weliswaar) van het hechtingsniveau. De procedure voor de geïnstrumenteerde rektest wordt klaargemaakt voor normering. Dit onderzoek loopt over een periode van 3 jaar. Het wordt uitgevoerd in 5 met elkaar verbonden werkpakketten.
Het voorstel valt onder het domein “normering” van het programma “technologische attractiepolen”, maar verwijst ook naar de ruimtesector door de toenemende toepassing van thermisch gespoten lagen en laser claddings en oppervlaktebehandelingen voor diverse onderdelen.
Controlled straining tests for the adhesion and damage resistance of laser claddings (COSTA) : final report
Brussels : Federal Science Policy, 2007 (SP1832)
[Om te downloaden]
