Relationship between processing, structure and tribological behaviour of carbide reinforced plasma sprayed coatings

Abstract

Tungsten carbide cobalt (WC-CO) thermal sprayed coatings are used as wear resistant coatings but show disadvantages due to:i.Decomposition and oxidation of WC at temperatures above 450 °C; andii.Limited corrosion resistance of the WC-Co systemThe objective of the current Ph.D. thesis is the design and development of wear resistant coatings based on titanium carbides (TiC), in order to replace WC-Co coatings. For this reason, TiC-based coatings have been designed, sprayed in atmospheric and low pressure conditions and were evaluated with tribological tests at room temperature and at 550 °C.NiCr alloy has been selected as the metal matrix and two approaches were followed for the development of the new materials:i.Mo and Fe-Al-Ti have been added in the NiCr metal matrix in order to increase its wear resistance, but also to increase its wetting capability for the carbides.ii.Solid solutions of titanium-tantalum carbides [(Ti,Ta)C] were used to reinforce the matrix, in order to increase the wetting of the carbides by the matrix, but also to increase the wear resistance of the carbide phase.The coatings have been classified based on the results of the tribological tests. NiCr-TiC and WC-Co coatings have been used as reference materials. Coatings with NiCrMo or NiCrFeAlTi as metal matrix showed better structure and higher wear resistance than the NiCr-TiC coatings. This was also the case for the coatings that have been reinforced with (Ti,Ta)C. Especially the NiCrFeAlTi-TiC coatings showed very good wear resistance due to the formation and matrix strengthening with the [(Ti-Ni-Cr)C] and Ni3(Al,Ti) phases. It was presented in the thesis that the contribution of the active wear mechanisms (abrasion, adhesion and surface fatigue-induced fracture wear) is influenced by the carbide-matrix interface strength.At a second stage, the coatings have been evaluated under fretting wear conditions at room temperature and at 550 °C. The results showed that the modifications of the initial NiCr-TiC material had again a positive influence on the systems’ tribological behavior. The NiCrFeAl-TiC coating showed the best fretting wear results, while the WC-Co reference material fragmented at high temperature with no detrimental result, however, under the testing conditions used.The structure of the coatings has been studied thoroughly and the presence of oxides in the atmospheric sprayed coatings influenced negatively the coatings’ wear resistance.The crucial parameters that should be considered for developing high wear resistant TiC-based coatings have been indicated in this Ph.D. thesis and new ideas have been presented for the development of future wear resistant thermal sprayed coatings as alternatives to WC-Co.

Επιστρώματα θερμικού ψεκασμού καρβιδίων του βολφραμίου με μήτρα κοβαλτίου (WC-Co) χρησιμοποιούνται για προστασία από την φθορά τριβής, αλλά παρουσιάζουν μειονεκτήματα λόγω:i.διάσπασης και οξείδωσης των καρβιδίων βολφραμίου άνω των 450 °C; καιii.περιορισμένης αντιδιαβρωτικής ικανότητας του συστήματος WC-Co.Ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι ο σχεδιασμός αντιτριβικών επιστρωμάτων θερμικού ψεκασμού με βάση καρβίδια του τιτανίου (TiC) προς αντικατάσταση των επιστρωμάτων WC-Co. Για το λόγο αυτό σχεδιάστηκαν επιστρώματα με βάση καρβίδια του τιτανίου, εναποτέθηκαν σε συνθήκες περιβάλλοντος και σε χαμηλή πίεση και αξιολογήθηκαν με δοκιμές φθοράς τριβής σε χαμηλή θερμοκρασία και στους 550 °C.Ως υλικό μεταλλικής μήτρας επιλέχθηκε το κράμα νικελίου-χρωμίου (NiCr) και έγιναν οι εξής προσεγγίσεις για την ανάπτυξη των νέων υλικών:i.Προστέθηκαν κραματικά στοιχεία (Mo και Fe-Al-Ti) στην μεταλλική μήτρα NiCr με σκοπό την αύξηση της αντοχή της στην φθορά τριβής, αλλά και της ικανότητάς της διαβροχής των καρβιδίων.ii.Χρησιμοποιήθηκαν καρβίδια στερεού διαλύματος τιτανίου και ταντάλου [(Ti,Ta)C], με σκοπό την καλύτερη διαβροχή τους από τη μεταλλική μήτρα, αλλά και την αύξηση της αντοχής των καρβιδίων στην φθορά τριβής.Τα επιστρώματα ταξινομήθηκαν με βάση τα αποτελέσματα των πειραμάτων φθοράς τριβής. Επιστρώματα NiCr-TiC και WC-Co coatings χρησιμοποιήθηκαν ως υλικά αναφοράς. Επιστρώματα με μεταλλική μήτρα NiCrMo ή NiCrFeAlTi παρουσίασαν υψηλότερη αντοχή στην φθορά τριβής και καλύτερη δομή, όπως επίσης και τα επιστρώματα που είχαν ενισχυθεί με (Ti,Ta)C. Ειδικά τα επιστρώματα NiCrFeAlTi-TiC παρουσίασαν καλή αντοχή στην φθορά τριβής λόγω ενίσχυσης της μεταλλικής μήτρας με τις ενώσεις [(Ti-Ni-Cr)C] και Ni3(Al,Ti). Παρουσιάσθηκε ότι η συνεισφορά των μηχανισμών τριβής που λαμβάνουν χώρα (abrasion, adhesion and surface fatigue-induced fracture wear) επηρεάζεται από την αντοχή της διεπιφάνειας καρβιδίων-μεταλλικής μήτρας.Σε δεύτερο στάδιο, τα επιστρώματα αξιολογήθηκαν με δοκιμές αντοχής στην φορά τριβής σε παλινδρομική κίνηση, σε θερμοκρασία δωματίου και στους 550 °C. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι τροποποιήσεις του αρχικού υλικού NiCr-TiC επηρέασαν ξανά θετικά την τριβολογική συμπεριφορά του επιστρώματος. Τo επίστρωμα NiCrFeAl-TiC παρουσιάζει τα καλύτερα αποτελέσματα, ενώ το υλικό αναφοράς WC-Co στις δοκιμές υψηλής θερμοκρασίας παρουσιάζει ρωγμές, χωρίς όμως την άμεση αστοχία του στις επιλεγμένες συνθήκες των δοκιμών. Η δομή των επιστρωμάτων αξιολογήθηκε μεθοδικά και διαπιστώθηκε ότι η παρουσία οξειδίων στα επιστρώματα που ψεκάσθηκαν σε ατμοσφαιρική πίεση επιδρά αρνητικά στην αντοχή τους στη φθορά τριβής.Οι σημαντικές παράμετροι για την ανάπτυξη επιστρωμάτων με υψηλή αντοχή στη φθορά τριβής επισημαίνονται στη διατριβή και παρουσιάζονται ιδέες για μελλοντική ανάπτυξη αντιτριβικών επιστρωμάτων θερμικού ψεκασμού ως εναλλακτικά του υλικού WC-Co.