Tribological behaviour of HVAF-sprayed WC-based coatings: : Role of process variables and binder chemistry

Autor: Torkashvand, Kaveh
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2021
Předmět:
Druh dokumentu: Text
Popis: Tungsten carbide (WC) based metallic matrix coatings sprayed using high velocity air fuel (HVAF) technique have attracted increasing attention as they show excellent tribological performance in various wear conditions. In the HVAF method, particles’ in-flight temperature and velocity can be influenced by the process variables including nozzle configuration as well as feedstock particle size range. On the other hand, the chemistry of metallic binder can also play a key role in determining both properties and performance of these coatings. In this thesis, characteristics and tribological behaviour of HVAF-sprayed WC-based coatings were investigated employing four different nozzle configurations (4L2, 4L4, 5L2and 5L4), and three different feedstock particle sizes of WC-CoCr feedstock powder (5/20, 5/30 and 15/45 μm). Also, characteristics and performance of coatings processed with four different WC-based feedstocks comprising alternative binders to traditionally used CoCr (namely CoCr, NiMoCrFeCo,FeNiCrMoCu and FeCrAl) were investigated. Characteristics of the coatings were explored by conducting scanning electron microscopy observations, microindentation testing and X-ray diffraction analysis. Performance of the coatings was evaluated by conducting sliding wear, dry jet erosion wear and sand rubber wheel abrasion wear testing. Moreover, material removal mechanisms in the coatings subjected to the above tests were investigated through post wear analysis. X-ray diffraction analysis showed that no considerable phase change compared to the starting feedstock was observed in any of the coatings sprayed by HVAF technique. It was revealed that decrease in powder particle size range can result in an improvement in microstructural characteristics, such as homogeneity and density, as well as hardness of the coatings. Besides, it can lead to a substantial improvement in wear performance of the coatings. It was shown that using various nozzle configurations does not result in any considerable change in characteristics or performance of the HVAF-sprayed WC-CoCr coatings. It was further shown that, by decreasing particle sizes from coarse to medium or fine, a significant difference can be observed. While wear mechanisms for medium and fine feedstock coatings were dominated by ploughing and fracture of individual carbide grains, for the coarse feedstock coatings ploughing and grooving along with the local removal of coating material were observed. Hardness values for all the four coatings with different binder chemistries were in a narrow range of 1100 – 1300 HV0.3. WC-NiMoCrFeCo and WC-FeNiCrMoCu coatings showed better or comparable sliding wear performance compared to WC-CoCr coating (as reference). WC-FeNiCrMoCu and WC-FeCrAl coatings showed comparable performance under erosion conditions while all the three binder alternatives yielded slightly inferior coating performance under abrasion wear, compared to the reference coating. While ploughing was the common wear mechanism in all the four coatings, pitting was noted in coatings with CoCr and FeNiCrMoCu binders in case of sliding wear.
Populärvetenskaplig Sammanfattning Cermet-beläggningar består av WC-partiklar inbäddade i ett metallbindemedel,sprutat med High Velocity Air Fuel (HVAF) uppvisar utmärkt tribologiskprestanda under olika slitage förhållanden. Med HVAF-tekniken kan partiklarnasflygtemperatur och hastighet påverkas av konfigurationen av den utrustning somanvänds såväl som partikelstorleksintervallet för råmaterialet. Därtill kan kemin hos det metalliska bindemedlet spela en nyckelroll för beläggningarnas egenskaper och prestanda. I denna avhandling undersöktes egenskaper och tribologiskt beteende hos HVAF-besprutade WC-baserade beläggningar. Undersökningen gjordes genom att använda fyra olika uppsättningar av ändra sprutparametrar förHVAF-processen där fyra olika munstyckskonfigurationer (4L2, 4L4, 5L2 och5L4) och tre olika partikelstorleksintervaller av WC-CoCr råvarupulver (5/20,5/30 och 15/45 μm). Studieegenskaper och prestanda för alla deponerade beläggningar, påverkan av processvariabler (olika munstyckskonfigurationer och olika partikelstorlekar) undersöktes. Dessutom undersöktes egenskaper och prestanda för tre olika WC-baserade råvaror med alternativa bindemedel till CoCr (NiMoCrFeCo, FeNiCrMoCu och FeCrAl) och jämfördes med WC-CoCrbeläggningsom referens. Beläggningens egenskaper undersöktes genom att genomföra SEM-analys, mikroindragningstest och röntgenanalys. Beläggningens prestanda utvärderades genom att utföra glidförslitning, erosionsslitage under torra förhållanden och test med torr sand/gummihjulanordning. Vidare undersöktes mekanismer för materialavlägsning i beläggningarna med ovanstående tester genom analys efter slitage. Ingen avsevärd fasförändring observerades för alla beläggningar som besprutades med HVAF-teknik. Det avslöjades att minskning av pulvrets genomsnittliga partikelstorlek resulterade i en förbättring av mikrostrukturella egenskaper, såsom homogenitet och densitet, samt beläggningarnas hårdhetsvärde. Dessutom leder det till en avsevärd förbättring av beläggningens slitageförmåga. Det visades att användning av olika munstycken till HVAF-processen inte resulterar i en avsevärd förändring i egenskaper eller prestanda hos WC-CoCr-beläggningarna. När det gäller förslitningsmekanismer visades det att genom att minska partikelstorleken från grov till medium eller fin sågs en avsevärd skillnad. För beläggningar besprutade med fina och medelstora partiklar dominerades förslitningsmekanismer av plöjningsslitage och sprickor av enskilda hårdmetallkorn. För grova beläggningar observerades plöjningsslitage och spårning tillsammans med avlägsnande av material. Ingen signifikant skillnad i mikrostruktur eller fasförändring observerades i alla beläggningar med alternativa bindemedel såväl som WC-CoCr som referensbeläggning. Hårdhetsvärdet för alla de fyra beläggningarna låg inom x intervallet 1100 - 1300 HV0.3. NiMoCrFeCo och FeNiCrMoCu visade bättre eller jämförbar glidförmåga med referensbeläggningen. FeNiCrMoCu och FeCrAl visade jämförbara prestanda under erosionsförhållanden och alla de tre undersökta beläggningsmaterialen visade något sämre prestanda under nötningsslitage jämfört med referensbeläggningen. Medan plöjningsslitage var den vanliga förslitningsmekanismen i alla de fyra beläggningarna noterades gropning i beläggningarna CoCr och FeNiCrMoCu vid glidförslitning.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz: