Nanocompositi come rivestimento protettivo contro l’usura erosiva

Le problematiche relative agli effetti dell’usura per erosione colpiscono da sempre un vasto numero di settori industriali, come petrolio e gas, energia, estrazione mineraria, movimento del suolo, lavorazione dei metalli, aerospaziale o automobilistica. I relativi guasti dei componenti possono causare perdite notevoli in termini finanziari, ma anche problemi ambientali. Pertanto, negli ultimi anni sono stati condotti numerosi studi su soluzioni tecniche, materiali e rivestimenti resistenti all’usura al fine di aumentare la durata di servizio dei componenti.

NiCr + WCCoCr

Nell’industria petrolifera, ad esempio, l’usura erosiva è causata in prevalenza dalla presenza di particelle solide come la sabbia. L’impatto continuo di queste particelle contro tubazioni, valvole e altre apparecchiature può provocare danni ingenti. Lo scenario peggiore si verifica nel caso di una coesistenza tra fenomeni di erosione e di ossidazione, aggravati magari da temperature elevate.

Tanto il carburo di tungsteno-cobalto (WCCo) e i rivestimenti a base di carburo di nichel-cromo (NiCr) sono materiali che si dimostrati utili per migliorare la resistenza all’usura. Questi ceramici-metallici (cermet) sono costituiti da particelle di ceramica incorporate in una matrice metallica. Le particelle in ceramica offrono un’elevata resistenza all’erosione, mentre la matrice metallica rende il rivestimento più duttile e funzionale rispetto a un rivestimento ceramico puro. In particolare, i sistemi NiCr si distinguono perché possono essere utilizzati a temperature più elevate sotto usura e corrosione. Inoltre, sono considerati un eccellente sostituto del cromo duro elettrolitico nella realizzazione di rivestimenti spessi e resistenti all’usura.

Entrambi questi cermet possono essere depositati mediante processi di spruzzatura termica come spray a detonazione e spray ad ossigeno ad alta velocità (HVOF). In questo secondo caso, l’alta velocità delle particelle e le basse temperature della fiamma del metodo HVOF producono rivestimenti con proprietà quali: alta densificazione, forte adesione tra rivestimento e substrato, basso stress residuo, bassa porosità (tipicamente <1%) e bassa decomposizione chimica delle particelle del WC.

Molti studi sui rivestimenti WCCo utilizzano materiale da polveri spray commerciali convenzionali, ma è anche evidente come l’utilizzo di materiali nanostrutturati possa aumentare di molto le prestazioni di questi rivestimenti. Le proprietà fisiche e meccaniche diventano migliori grazie alla ridotta dimensione del grano e all’elevata frazione volumetrica degli atomi nel bordo del grano. Il perfezionamento delle dimensioni dei grani fino alla gamma dei nanometri può essere ottenuto mediante mechanical alloys (MA), una tecnica di macinazione a sfere ad alta energia utilizzata per produrre una varietà di materiali, come boruri, carburi, nitruri, ossidi e nanocompositi. Le polveri nanostrutturate prodotte tramite MA possiedono proprietà fisiche e meccaniche diverse da quelle dei materiali preparati con tecniche convenzionali.

Sono stati condotti numerosi studi sui nanocompositi WCCo ottenuti dalla macinazione ad alta energia. Questa ricerca indaga nello specifico il processo di sintesi di un rivestimento nanocomposito WCCoCr-NiCr, consentito da tale tecnica e valuta gli effetti della sua applicazione mediante spray ad alta velocità di ossigeno combustibile (HVOF) in termini di protezione contro l’usura dell’erosione.

Il materiale macinato è stato aggiunto al NiCr nella frazione del 5% in peso. Le polveri sono state studiate mediante la diffrazione dei raggi X e la microscopia elettronica a scansione, analizzando la distribuzione delle dimensioni delle particelle e l’area della superficie. Gli strati protettivi sono stati depositati da HVOF e valutati per la loro microdurezza, microstruttura, porosità ed usura erosiva. La loro microstruttura mostrava carattere lamellare, con un basso livello di ossidi e porosità tra lo 0,5% e l’1%. Il rivestimento formato da NiCr e WCCoCr macinato per 3 ore presentava microdurezza di 635 HV e tassi di erosione inferiori del 50% rispetto al rivestimento commerciale.

 

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