Plasma
sprayed Titanium- Nanodiamond composite coatings with enhanced mechanical
properties
Abstract
Penelitian
ini bertujuan untuk menyelidiki sifat mekanik pelapis komposit Ti-nanodiamond
(Ti-NDs) yang disemprotkan plasma, memanfaatkan struktur dimensi nol, sifat
mekanik yang luar biasa, dan stabilitas kimia dan termal yang luar biasa dari
nanodiamond (ND) sebagai pilihan yang bijaksana untuk meningkatkan sifat
mekanik pelapis Ti. Pelapis yang diendapkan diuji untuk sifat mekaniknya,
termasuk Kekuatan Tarik Utama (UTS), Kekuatan Luluh (YS), Kekerasan, dan
Modulus Elastis. Kepadatan relatif pelapis mengalami peningkatan substansial
dengan penambahan ND, dari 82,31% menjadi 94,79% untuk 1 wt%. Peningkatan
kepadatan relatif ini dikaitkan dengan peleburan bubuk yang efektif di bawah
gumpalan plasma yang difasilitasi oleh keberadaan ND yang memiliki konduktivitas
termal yang lebih tinggi. Akibatnya, peningkatan yang luar biasa sebesar 22,7%
pada UTS dan 20,5% pada YS, disertai dengan peningkatan kekerasan yang cukup
besar (20%) dan modulus elastis (26,7%). Peningkatan ini
Graphical
abstract
Introduction
Karena
keunggulannya yang luar biasa, seperti high specific strength (287 kNm/Kg), low
density (4,5 g/cm3), dan high specific elastic modulus (110 GPa/g/cm3) [1],
titanium coatings memiliki tingkat corrosion resistance yang tinggi, terutama
di lingkungan yang keras seperti sea-water atau chemical processing.
Ini memiliki
resistensi korosi yang tinggi dan rasio kekuatan yang tinggi, yang dapat
memberikan keuntungan tambahan melalui peningkatan efisiensi fuel. Titanium
coatings with lower hardness (314HV) and lower yield strength can impose
several limitations, particularly in applications where mechanical properties
are critical [5]. Oleh karena itu, masalah utama untuk Titanium coatings with
lower hardness and yield strength is to improve their alloy mechanical
properties. Ini akan memungkinkan coating seperti ini untuk
digunakan di beberapa industri khusus yang membutuhkan tingkat modulus dan
specific strength yang lebih tinggi tanpa mengeluarkan biaya yang signifikan
[6], [7]. Untuk memecahkan masalah ini, peneliti telah menggunakan ceramics
yang terdiri dari titanium matrix untuk memperkuatnya, yang menghasilkan
peningkatan signifikan dalam properti seperti specific strength dan elastic
modulus [8], [9], seperti yang ditunjukkan oleh penelitian terbaru [10].
Misalnya,
Lee et al. [11] memasukkan TiC dalam jumlah yang bervariasi (0-20 wt.%) ke
dalam Titanium, yang menghasilkan peningkatan kekerasan hingga ~67 HV. Studi
lain menggunakan bubuk B4C sebagai penguat dalam pelapis Titanium melalui spark
plasma sintering (SPS), yang meningkatkan kepadatan relatif dan kekuatan tarik
akhir [12]. Akan tetapi, keramik yang diperkuat dengan Titanium dapat
menunjukkan kerapuhan dan keuletan yang berkurang, sehingga membatasi
penggunaan praktisnya dan memerlukan eksplorasi penguat alternatif.
Selama
beberapa dekade terakhir, ada minat yang meningkat untuk meningkatkan sifat
berbagai pelapis berbasis logam menggunakan berbagai nanofiller [13], [14].
Nanofiller ini mencakup berbagai bahan, termasuk oksida logam, nitrida logam,
dan berbagai nanostruktur karbon seperti karbon nanotube, graphene, graphene
oksida, dan nanodiamond [15]. Nanostruktur karbon telah memperoleh perhatian
yang signifikan karena atributnya yang luar biasa. Kombinasi unik berbagai
fitur seperti kepadatan rendah, kekuatan mekanis luar biasa, dan sifat
fungsional yang menonjol menjadikannya pilihan yang sangat disukai untuk
meningkatkan karakteristiknya. Nanodiamond (ND) telah menarik perhatian lebih karena sifat mekaniknya
yang luar biasa, termasuk kekerasan berkisar antara 110 hingga 140 GPa dan
modulus elastisitas sekitar 606,8 GPa [16]. Mereka juga memiliki konduktivitas
termal yang sangat tinggi (sekitar 1000 W/m-k), membantu meningkatkan peleburan
matriks logam [17], [18], [19], [20Selain itu, ND, biasanya bulat atau elips
dan berukuran antara 4 hingga 5 nm [21], menunjukkan dispersi yang lebih baik
dalam matriks logam dibandingkan dengan graphene nanoplatelet (GNPs) dan carbon
nanotubes (CNTs) [22], [23], [24]. Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa
menggabungkan partikel ND ke dalam berbagai matriks dapat meningkatkan sifat
mekanik secara signifikan. Misalnya, Huang et al. menemukan bahwa menambahkan 1
wt% ND ke matriks besi meningkatkan kekerasan hingga 51,5% dan mengurangi
keausan [25]. Woo et al. menyelidiki paduan ND-aluminium 10 wt%, melaporkan
peningkatan kekerasan sebesar 201% dan peningkatan modulus elastisitas sebesar
51% [22]. Lebih jauh lagi, penelitian kami sebelumnya pada lapisan semprotan
plasma NiAl yang diperkuat ND menunjukkan peningkatan sifat mekanik [26] dan
mendukung potensi penguatan ND yang diharapkan dalam meningkatkan sifat bahan
paduan.
Karena ND
memiliki potensi substansial dalam meningkatkan sifat mekanis, [27], [28]
penggabungannya melalui rute penyemprotan plasma yang ramah industri memerlukan
penyelidikan khusus untuk pelapis komposit matriks logam Titanium (Ti MMC).
Dalam
penelitian kami sebelumnya, potensi penggabungan 0,5 wt% ND dalam matriks Ti
menunjukkan peningkatan ketahanan terhadap korosi [4]. Lebih jauh lagi,
penelitian ini bertujuan untuk mengevaluasi sifat mekanis dengan variasi ND
dalam pelapis komposit matriks Ti melalui penyemprotan plasma dan dampaknya
pada evolusi mikrostruktur dan, akibatnya, menetapkan korelasi sifat struktur.
Lebih jauh, menyelidiki mekanisme yang mendasari di balik peningkatan kekuatan
akan menjadi tujuan akhir dari penelitian ini.Cuplikan bagian
Pelapisan
yang disemprotkan Plasma
Bubuk Ti
diperoleh dari Oerlikon Metco, dengan ukuran partikel berkisar antara 10 hingga
50 μm. Partikel ND dengan ukuran partikel rata-rata 3–5 nm, diperoleh dari
Plasma Chem GmbH diultrasonikasi dalam ultrasonikator rendaman aseton selama 30
menit untuk mengurangi penggumpalan. Bubuk Ti selanjutnya dicampur dengan ND
(0,5–1 wt. %) menggunakan planetary wet ball mill selama 4 jam pada 500 rpm
menggunakan bola zirkonia. Setelah ini, pengeringan oven dilakukan pada suhu
120 ℃ selama 7 jam.
Serbuk
komposit yang telah disiapkan
Hasil dan
Pembahasan
Setelah
pelapis dibuat, struktur mikro pelapis awalnya dinilai dengan memeriksa
penampang melintangnya. Gambar 3 menampilkan penampang melintang dari pelapis
induk (Ti) dan Ti+1ND. Semua pelapis memiliki ketebalan sekitar 150-250 μm dan
melekat dengan baik pada substrat seperti yang terlihat pada Gambar 3 dan b.
Pelapis induk Ti (Gambar 3a) menunjukkan berbagai cacat seperti pori-pori dan
retakan pada struktur mikronya. Sebaliknya, pelapis Ti+1ND (Gambar 3b) dengan
Kesimpulan.
ringkasan, lapisan komposit
Ti+1.0ND telah meningkatkan sifat mekanis secara signifikan. Secara khusus,
UTS, YS, kekerasan, dan modulus elastisitas lapisan Ti+1.0ND telah meningkat
masing-masing sebesar 22,7%, 20,5%, 20%, dan 26,7%. Peningkatan sifat mekanis
lapisan dapat dikaitkan dengan beberapa faktor, termasuk karakteristik mekanis
ND yang luar biasa, pembentukan TiC, dan pengurangan retakan mikro dan ukuran
pori dalam lapisan. Khususnya, ND yang lebih tinggi
Pernyataan
Penulis
Penulis
menyatakan bahwa naskah ini asli, belum pernah dipublikasikan sebelumnya, dan
saat ini tidak sedang dipertimbangkan untuk dipublikasikan di tempat lain.
Penulis telah membaca makalah dan menyetujui pernyataan orisinalitas.
Pernyataan
kontribusi kepenulisan CRediT
Atirek Gaur:
Metodologi, Investigasi, Kurasi data. Akash M Nair: Metodologi, Kurasi data.
Rahul Kumar: Metodologi, Kurasi data, Konseptualisasi. Shubhendra Shivam
Maurya: Penulisan – draf asli, Metodologi, Investigasi, Kurasi data. Anup Kr.
Keshri: Supervisi, Sumber daya, Administrasi proyek, Investigasi, Akuisisi
pendanaan, Konseptualisasi. Swati Sharma: Supervisi, Sumber daya, Administrasi
proyek, Investigasi, Akuisisi pendanaan, Konseptualisasi.
Deklarasi
Kepentingan yang Bersaing
Penulis
menyatakan bahwa mereka tidak memiliki kepentingan finansial atau hubungan
pribadi yang bersaing yang dapat memengaruhi pekerjaan yang dilaporkan dalam
makalah ini.
Ucapan
Terima Kasih. Penulis
makalah ini mengucapkan terima kasih kepada Malaviya National Institute of
Technology Jaipur dan Indian Institute of Technology Patna atas dukungan
finansial dan perluasan fasilitas penelitiannya untuk menyelesaikan pekerjaan
penelitian saat ini. Rahul Kumar mengucapkan terima kasih kepada Aeronautics
Research and Development Board (ARDB/GTMAP/01/2031995/M/I) atas beasiswa yang
diberikannya. Shubhendra Shivam Maurya juga mengucapkan terima kasih kepada
Central Power Research Institute (CPRI) atas dukungan beasiswa yang
diberikannya.
Pernyataan
tentang konflik kepentingan
Penulis
mengatakan bahwa telah terjadi
