Kuumakorroosiota kestävät pinnoitteet dieselmoottorissa

Abstract

TAUSTAA: Työ on osa Tampereen teknillisen korkeakoulun Materiaaliopin laitoksella meneillään olevaa tutkimusprojektia "Dieselmoottorin palotilan seinämärakenteen kehittäminen (DIPS)". Kuumakorroosio on korroosiomuoto, jota esiintyy korkeissa lämpötiloissa ja jota aiheuttavat sulatilassa olevat suolayhdisteet. Suolayhdisteet tuhoavat normaalisti korkeissa lämpötiloissa metallin pintaan muodostuvan suojaavan oksidikerroksen. Isoissa dieselmoottoreissa käytetään polttoaineena raskasta polttoöljyä, johon jää jalostusprosessissa epäpuhtauksia, kuten vanadiinia, natriumia ja rikkiä. Epäpuhtaudet eivät poistu kokonaan palotilasta pakokaasujen mukana, vaan hapettuvat oksideiksi ja muodostavat keskenään kuumakorroosiota aiheuttavia suolayhdisteitä, kuten Na2SO4 ja NaVO3.TARKOITUS: Tutkitaan erilaisten metallisten pinnoitteiden kestävyyttä kuumakorroosioolosuhteissa. Pinnoitteilla pyritään parantamaan nuorrutusteräksestä valmistetun dieselmoottorin männän kuumakorroosion kestävyyttä. MENETELMÄT: Työssä tutkittiin seitsemää erilaista metallista pinnoitetta. Pinnoitemateriaaleina käytettiin nikkeli-, koboltti- ja rautapohjaisia pinnoitteita. Pinnoitteet valmistettiin kolmella menetelmällä: HVOF-ruiskuttamalla, lasersulauttamalla HVOFruiskutettuja pinnoitteita ja laserpinnoittamalla. Alusta- ja referenssimateriaalina kokeissa käytettiin nikkelipohjaista superseosta Nimonic 80A. Tutkittaville pinnoitteille tehtiin kuumakorroosiokokeita lämpötiloissa 650, 750 ja 850 °C. Kokeiden kestoajat olivat 100, 400 ja 1000 h. Kokeiden aikana pinnoitteet altistettiin natriumsulfaatista ja vanadiinipentoksidista valmistetulle suolalle. Pinnoitteiden ja Nimonic 80A:n kuumakorroosion kestävyyttä vertailtiin optisen mikroskopian sekä SEM:n ja EDS-analyysien avulla. TULOKSET: Kokeen lämpötilan ollessa 650 °C useimmat pinnoitteet kestivät hyvin Nimonic 80A:han verrattuna. Korkeammat testauslämpötilat olivat liian korkeita useimmille pinnoitteille, sillä osa pinnoitteista tuhoutui kokonaan 750 ja 850 °C:ssa tehdyissä kokeissa. Pääasiassa nikkeliä ja kromia sisältänyt SX-707 -laserpinnoite kesti kuitenkin hyvin kaikissa testauslämpötiloissa. Rauta- ja kobolttipohjaiset pinnoitteet kestivät kokeissa huonommin kuin nikkelipohjaiset pinnoitteet. /Kir10

This work is the part of the project "Design of the new wall structures of diesel engine". The aim of this work was to study the durability of various metallic coatings in hot corrosion environments.The coatings were prepared by the high-velocity oxy-fuel (HVOF) spraying, remelting of HVOF sprayed coatings by laser and by laser cladding. The coating materials were nickel, cobalt and iron based coatings. Substrate and reference material was nickel based alloy Nimonic 80A. Specimens were exposed to salt containing V205 and Na2SO4. The test temperatures were 650, 750 and 850 °C and exposure times 100, 400 and 1000 hours.