MICROSTRUCTURAL ASPECTS RELATED TO THE QUALITY OF THERMALLY SPRAYED CERAMIC COATINGS

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Submitted on 1 Jan 1986

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MICROSTRUCTURAL ASPECTS RELATED TO THE QUALITY OF THERMALLY SPRAYED CERAMIC

COATINGS

C. Zografou, G. Dhupia, W. Krönert, M. Protogerakis

To cite this version:

C. Zografou, G. Dhupia, W. Krönert, M. Protogerakis. MICROSTRUCTURAL ASPECTS RE-

LATED TO THE QUALITY OF THERMALLY SPRAYED CERAMIC COATINGS. Journal de

Physique Colloques, 1986, 47 (C1), pp.C1-171-C1-175. �10.1051/jphyscol:1986125�. �jpa-00225554�

JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque Cl, supplément au n°2. Tome 47, février 1986 page ci-171

MICROSTRUCTURAL ASPECTS RELATED TO THE QUALITY OF THERMALLY SPRAYED CERAMIC COATINGS

C. ZOGRAFOU, G.S. DHUPIA, W. KRONERT and M. PROTOGERAKIS*

instltut fiir Gesteinshiitterikunde der RWTH, Mauerstrasse 5, D-5100 Aachen, F.R.G.

'Bayer AG, D-5090 Leverkusen, F.R.G.

R é s u m é : Les paramètres du procédé ainsi que les matériaux em- ployés sont déterminants pour la qualité des revêtements obtenus par projection thermique appliquée à* la protection contre la corrosion et l'usure des pièces m é t a l l i q u e s .

Pour obtenir les critères de classification concernant le pou- voir a d h é r e n t , on a étudié la structure du plasma et de la f l a m m e . Les matériaux étudiés se composent d ' o x y d e s , de carbones et d'alliages N i - C r .

A b s t r a c t : The q u a l i t y of t h e r m a l l y s p r a y e d c o a t i n g s for c o r r o - sion and w e a r p r o t e c t i o n of m e t a l l i c c o m p o n e n t s d e p e n d s on t h e p r o c e s s p a r a m e t e r s and of c o u r s e on t h e c o a t i n g m a t e r i a l s e m - p l o y e d . The m i c r o s t r u c t u r e of p l a s m a and f l a m e s p r a y e d c e r a m i c and a l l o y c o a t i n g s is i n v e s t i g a t e d to obtain a s s e s s m e n t c r i t e r i a for c o a t i n g s t r u c t u r e , a d h e s i v e b o n d i n g , d e n s e n e s s and h a r d n e s s . The i n v e s t i g a t e d m a t e r i a l s c o n s i s t e d of o x i d e s , c a r b i d e s and N i - C r a l l o y s .

Introducti o n : W i t h i n t h e broad field of s u r f a c e t e c h n o l o g y , thermal s p r a y i n g t e c h n i q u e s are b e c o m i n g i n c r e a s i n g l y i m p o r t a n t for t h e p r o - t e c t i o n of m e t a l l i c c o m p o n e n t s a g a i n s t w e a r and c o r r o s i o n . In t h e past y e a r s a large number of c e r a m i c and alloy based m a t e r i a l s have b e c o m e a v a i l a b l e . They are g e n e r a l l y d e p o s i t e d t h r o u g h plasma and f l a m e s p r a y i n g t e c h n i q u e s for t h e p r o t e c t i o n of c e r a m i c as well as m e t a l l i c s u b s t r a t e s of h i g h l y s t r e s s e d l a r g e - s c a l e c o m p o n e n t s / 1 - 3 / . T h e scope of this study w a s to i n v e s t i g a t e the s u i t a b i l i t y of a s e r i e s of c o m - plex c e r a m i c and a l l o y m a t e r i a l s coated u n d e r i n d u s t r i a l c o n d i t i o n s on steel w o r k - p i e c e s (St 3 7 ) .

E x p e r i m e n t a l C o n d i t i o n s : The f o l l o w i n g m a t e r i a l s ^ w e r e c o a t e d by t h e f l a m e t e c h n i q u e : (1)67 N i / 1 6 Cr and ( 2 ) 5 0 W C / 3 3 N i / 9 Cr with s u b - s e q u e n t d e n s i f i c a t i o n ( 1 0 5 0 ) and t h e f o l l o w i n g p l a s m a s p r a y e d (weight f r a c t i o n s ) : ( 3 ) 8 3 W C / 1 2 C o , ( 4 ) 9 4 A l - 0 , / 2 , 5 T i 0

, ( 5 ) 6 0 A l

0 . / 4 0 T i 0 „ , (6)96 C r „ 0

/ 2 T i 0

, ( 7 ) 8 0 IrOy/ZOYio,, ( 8 ) 9 0 N i / 5 A t / 5 Mo The c h e m i c a l , m i n e r a l o g f c a l and m i c r o s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s a t i o n of t h e s p r a y i n g m a t e r i a l s in p o w d e r form w a s d o n e t h r o u g h X R D , SEM and X R F . A m i x t u r e of a c e t y l e n e and o x y g e n w a s used for f l a m e s p r a y i n g and a m i x t u r e of argon and h y d r o g e n for p l a s m a s p r a y i n g . T h e s p r a y i n g

§ M e t c o I n c . N . Y . : (1) 16 C, ( 2 ) 34 F, ( 3 ) 71 V F , ( 4 ) 8 3 / 2 0 , (5) 131 V F , ( 6 ) 106 N S , (7) 2 0 2 N S , (8) 4 4 7

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1986125

c l - 1 7 2

JOURNAL DE PHYSIQUE

d i s t a n c e v a r i e d b e t w e e n 6 5 - 1 5 0 mm a n d t h e s p r a y i n g r a t e b e t w e e n 2 . 7 - 1 1 . 3 k g / h ( 5 0 0 A175 V ) . T h e p h a s e c o m p o s i t i o n s o f t h e d e p o s i t s w e r e d e t e r m i n e d b y XRD. B e f o r e s p r a y i n g t h e r o u g h n e s s p r o f i l e s o f t h e s u b s t r a t e s w e r e d e t e r m i n e d a f t e r t h e w o r k - p i e c e s h a d b e e n r o u g h e n e d u n d e r a s a n d - s t r e a m . I n some c a s e s a n i n t e r m e d i a t e N i - b a s e d a d h e s i v e l a y e r was a p p l i e d t o t h e s u b s t r a t e b e f o r e s p r a y i n g . T h e f o l l o w i n g p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e c o m p o s i t e s w e r e m e a s u r e d : m i c r o h a r d n e s s ( v i c k e r s , b r i n e l l , r o c k w e l l ) , a d h e s i o n t e n s i l e s t r e n g t h ( D I N 5 0 1 6 0 ) , m o d u l u s o f r u p t u r e a n d w e a r r e s i s t a n c e . C h e m i c a l c o r r o s i o n t e s t s a r e p r e s e n t l y b e i n g c a r r i e d o u t . T h e s e p h y s i c a l p r o p e r t i e s w e r e c o r r e l a t e d t o e x t e n d e d m i c r o s t r u c t u r a l s t u d i e s o f t h e c o a t i n g s .

R e s u l t s : Due t o t h e l i m i t a t i o n s i m p o s e d b y t h e p u b l i s h e r s , o n l y some s e l e c t e d p r o p e r t i e s a n d m i c r o s t r u c t u r a l e x a m p l e s a r e d i s c u s s e d h e r e . XRD a n a l y s e s o f t h e d e p o s i t e d m a t e r i a l s s h o w a q u i t e d i f f e r e n t p h a s e c o m p o s i t i o n , e x c e p t f o r m a t e r i a l 6 , a s c o m p a r e d t o a s - r e c e i v e d p o w d e r s . T h e p o w d e r s c a n b e d i v i d e d i n t o t w o m o r p h o l o g i c a l g r o u p s : l o o s e s p l i n t e r y , c o m p a c t g r a i n s a n d s p r a y - d r i e d g r a n u l e s w i t h v a r y i n g m i c r o p o r o s i t y : S p r a y - d r i e d , d e n s e g r a n u l e s w i t h a n a r r o w g r a n u l e s i z e d i s t r i b u t i o n , s i m i l a r g r a n u l e s h o w e v e r p a r t l y h 0 1 l o w w i t h a w i d e r a n g e o f g r a n u l e s i z e d i s t r i b u t i o n , w h e r e b y t h e a v e r a g e g r a n u l e s i z e i s m u c h s m a l l e r . A n o t h e r e x a m p l e o f * s p r a y - d r i e d g r a n u l e s c o n s i s t s o f c o m p a c t , d e n s e g r a n u l e s o f u n i f o r m s i z e w i t h c o a r s e p r i m a r y p a r t i c l e s . T h e m i c r o s t r u c t u r e o f t h e s e c o n d g r o u p e x h i b i t s i r r e g u l a r , a l m o s t d e n s e g r a i n s o f v a r y i n g s i z e s w i t h v e r y s m o o t h s u r f a c e s .

T h e p u r p o s e o f m i c r o s t r u c t u r a l i n v e s t i g a t i o n s was t o a s c e r t a i n t h e c r y s t a l l i n e c o m p o s i t i o n o f t h e s p r a y e d l a y e r , l a y e r t h i c k n e s s p h a s e c o m p o s i t i o n a n d d e n s e n e s s , m e c h a n i s m o f b o n d i n g w i t h t h e s u b s t r a t e . T h e t h i c k n e s s o f c o a t i n g s v a r i e d f r o m 4 0 0 t o 5 0 0 m i c r o n s .

T h e f o l l o w i n g m i c r o g r a p h s s h o w a n i n t e r e s t i n g c r o s s - s e c t i o n o f t h e w i d e s p e c t r u m o f m i c r o s t r u c t u r a l f o r m a t i o n . I n f i g . 1 a,b t h e m a t r i x o f p o w d e r 2 c o n s i s t s o f i r r e g u l a r WC g r a i n s i m b e d d e d i n N i - m e t a l a n d s m a l l a m o u n t s o f CO W C. F r o m t h e x - r a y maps i n f i g . 1 b i t i s e v i d e n t t h a t d u e t o d i f f u s q o f i o f F e i n t o t h e s p r a y e d l a y e r a n d W i n t o t h e s u b s t r a t e , a n i n t e r m e d i a t e d i f f u s i o n l a y e r i s c r e a t e d r e s u l t i n g i n a n e x c e l l e n t m e t a l 1 u r g i c a l b o n d . T h e a d h e s i o n t e n s i l e s t r e n g t h o f t h i s s p e c i m e n was s o g o o d t h a t i t was n o t m e a s u r a b l e a c c o r d i n g t o D I N 5 0 1 6 0 ( a d h e s i v e : HTK U l t r a b o n d 1 0 0 ) .

F i g . l a / b : P o l i s h e d c r o s s s e c t i o n m i c r o g r a p h a n d c o r r e s p o n d i n g

d i g i t a l E D X maps o f c o m p o s i t e w i t h 5 0 WC133 N i p o w d e r

T h e s u r f a c e o f t h e s p r a y e d l a y e r ( f i g . 2 ) ( p o w d e r 5 ) c o n t a i n s r o u n d e d a l u m i n a a g g r e g a t e s w i t h a l u m i n i u m t i t a n a t e a s t h e s e c o n d p h a s e . Some m i c r o p o r o s i t y a n d m i c r o c r a c k s a r e e v i d e n t . T h e c r o s s - s e c t i o n s h o w s a p r o n o u n c e d l a m e l l a r s t r u c t u r e ( f i g . 3 ) w i t h a s a n d w i c h e d t e x t u r e c o n - s i s t i n g o f a l u m i n i u m t i t a n a t e w i t h v a r y i n g a m o u n t s o f t i t a n i a e x s o l u - t i o n s a n d a l u m i n a i n c l u s i o n s . An i n t e r m e d i a t e N i - r i c h a d h e s i v e l a y e r i s c o a t e d o n t h e s u b s t r a t e i n o r d e r t o e n h a n c e a d h e s i v e p r o p e r t i e s ( f i g . 4 a , b ) .

F i g . 2 : SEM m i g r o g r a p h o f t h e s u r f a c e o f c o a t i n g w i t h 6 0 A 1 2 0 3 / 4 0 T i O p o w d e r

F i g . 3 : C r o s s g e c t i o n m i c r o g r a p h ( r e f l e c t e d l i g h t ) o f c o a t i n g w i t h 6 0 A1 0 / 4 0 T i O p o w d e r

F i g . 4 a / b : p 0 1 i s 6 e d c r o s s s g c t i o n m i c r o g r a p h a n d c o r r e s p o n d i n g

d i g i t a l E D X maps o f c o m p o s i t e w i t h 6 0 A 1 2 0 3 / 4 0 T i 0 2 p o w d e r T h e p r o n o u n c e d l a m e l l a r l a y e r e d s t r u c t u r e o f t h e m o n o p h a s e c o a t i n g w i t h p o w d e r 6 i s e v i d e n t i n f i g . 5 a. T h e l a r g e v e r t i c a l c r a c k s a r e d u e t o s p e c i m e n p r e p a r a t i o n o f t h e b r i t t l e c o a t i n g a n d a r e n o t i n - h e r e n t t o t h i s c o m p o s i t e . H e r e t h e N i - r i c h l a y e r ( F i g . 5 b ) r e s u l t s i n a s a t i s f a c t o r y i n t e r f a c e b e t w e e n t h e c o a t i n g a n d t h e s u b s t r a t e l e a d i n g t o v e r y g o o d w e a r r e s i s t a n c e a n d g o o d a d h e s i v e t e n s i l e s t r e n g t h .

F o r p o w d e r 7 , i n s p i t e o f t h e i n t e r m e d i a t e N i - r i c h l a y e r , t h e s p r a y e d

c o a t i n g h a s t h e l o w e s t w e a r r e s i s t a n c e a n d a d h e s i v e t e n s i l e s t r e n g t h .

T h i s i s c a u s e d b y t h e s t r o n g l a m e l l a r s t r u c t u r e o f t h e d e n s e Y - s t a -

b i l i z e d z i r c o n i a d e p o s i t s s e p a r a t e d b y l a r g e e l o n g a t e d p o r e s p a r a l l e l

t o t h e s u b s t r a t e s u r f a c e ( f i g . 6 a , b ) .

JOURNAL DE PHYSIQUE

F i g . 5 a J b : P o l i s h e d c r o s s s e c t i o n m i c r o g r a p h a n d c o r r e s p o n d i n g

d i g i t a l E D X maps o f c o m p o s i t e w i t h 9 6 C r 2 0 3 / 2 T i O p p o w d e r

F i g . 6 a / b : P o l i s h e d c r o s s s e c t i o n m i c r o g r a p h a n d c o r r e s p o n d i n g

d i g i t a l E D X maps o f c o m p o s i t e w i t h 8 0 Z r 0 2 / 2 0 Y 2 0 3 p o w d e r

The c o m p a r i s o n o f m i c r o h a r d n e s s t e s t s r e s u l t s i n t h e d i v i s i o n o f t h e i n v e s t i g a t e d p o w d e r s i n t o 3 g r o u p s . T h e f l a m e s p r a y e d p o w d e r s e x h i b i t t h e h i g h e s t m i c r o h a r d n e s s ( 6 7 . 4 - 7 1 . 3 HRA), f o l l o w e d b y t h e o x i d e s a n d c a r b i d e s e x c e p t z i r c o n i a ( 5 9 . 6 - 6 2 . 8 HRA). Z i r c o n i a a n d N i - a l l o y s ( p o w d e r 8 ) h a d t h e l o w e s t h a r d n e s s v a l u e s o f 42.1 a n d 31.2.

T h e w e a r t e s t s w e r e c a r r i e d o u t o n a ~ a b l e r - A b r a s e r . T h e a b r a s i o n r a t e was m e a s u r e d a s a f u n c t i o n o f t h e n u m b e r o f r e v o l u t i o n s ( f i g . 7 ) . H e r e t o o t h e p o w d e r s c a n b e d i v i d e d i n t o 3 g r o u p s . T h e f l a m e s p r a y e d s p e c i - mens t o g e t h e r w i t h c h r o m i a s h o w t h e h i g h e s t w e a r r e s i s t a n c e . T h e s e c - o n d g r o u p c o m p r i s e s o f WCI a l u m i n i u m t i t a n a t e c o a t i n g s a n d t h e N i / A I / M o c o m p o s i t i o n . T h e h i g h e s t w e a r i s s h o w n b y t h e a l u m i n a a n d z i r c o n i a c o a t i n g s . No c o r r e l a t i o n was f o u n d b e t w e e n m i c r o h a r d n e s s a n d w e a r r e s i s t a n c e o f t h e c o a t i n g s ,

T h e a d h e s i v e t e n s i l e s t r e n g t h s o f a l l p l a s m a s p r a y e d m a t e r i a l s e x h i b i t

s i m i l a r v a l u e s ( f i g . 8 ) o f a b o u t 4 0 N/mm2. Z i r c o n i a i s h e r e a n e x -

c e p t i o n w i t h a c o m p a r i t i v e l y v e r y l o w v a l u e . T h e v a l u e s f o r t h e f l a m e

s p r a y e d c o a t i n g s w e r e h i g h e r t h a n t h e a d h e s i v e u s e d s o t h a t n o v a l u e s -

c o u l d b e m e a s u r e d . I n c o m p a r i s o n t o p l a s m a s p r a y e d c o a t i n g s w h e r e t h e

a d h e r e n c e i s b a s e d o n a d h e s i o n a n d c l a s p i n g f o r c e s , t h e f l a m e s p r a y e d m a t e r i a l s u n d e r g o a n i n t i m a t e m e t a l l u r g i c a l b o n d w i t h t h e s u b s t r a t e r e s u l t i n g f r o m d i f f u s i o n a n d d i r e c t b o n d i n g .

g. 7 Ioo0 3000 Revolutions + 7O00

3 4 5 6 7 8

Fig.8 Sample-Nr.

F i g . 7 : Adksion r e s i s t a n c e t e s t o f c o m p o s i t e s F i g . 8 : Adhesion t e n s i l e s t r e n g t h s o f c o m p o s i t e s

C o n c l u s i o n s : I t i s e v i d e n t t h a t t h e f l a m e s p r a y e d c o a t i n g s d o n o t e x h i b i t t h e c h a r a c t e r i s t i c l a m e l l a r s t r u c t u r e o f t h e r m a l l y s p r a y e d c o a t i n g s d u e t o s u b s e q u e n t t h e r m a l d e n s i f i c a t i o n . T h e s e s p e c i m e n s h a v e v e r y l o w p o r o s i t y r e s u l t i n g i n a n i n c r e a s e i n d e n s i t y a n d h a r d n e s s . A l l o t h e r s p e c i m e n s e x h i b i t t h e t y p i c a l l a m e l l a r s t r u c t u r e d u e t o t h e a b s e n c e o f s u b s e q u e n t t h e r m a l d e n s i f i c a t i o n . T h i

h a s a d e t r i m e n t a l e f f e c t o n t h e p h y s i c a l a n d c h e m i c a l ~ p r o p e r t i e s o f t h e s e c o a t i n g s t h a t w o u l d e x h i b i t m u c h h i g h e r v a l u e s a s c o m p a c t m a t e r i a l s . T h i s i s p a r t i - c u l a r l y t r u e f o r t h e z i r c o n i a c o m p o s i t e , w h e r e t h e v e r y h i g h m e l t i n g p o i n t o f t h e p a r t i c l e s l e a d s t o a n u n s a t i s f a c t o r y c o a l e s c e n c e b e t w e e n t h e i n d i v i d u a l g r a i n s . G e n e r a l l y , t h e p r o p e r t i e s o f t h e p l a s m a s p r a y e d c o m p o s i t e s a r e m u c h l o w e r t h o s e o f t h e f l a m e s p r a y e d m a t e r i a l . H o w e v e r , i t m u s t b e c o n s i d e r e d t h a t t h e i n v e s t i g a t i o n s o f t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s w e r e c a r r i e d o u t a t r o o m t e m p e r a t u r e . A t h i g h e r t e m p e r a - t u r e s t h e i n h e r e n t p r o p e r t i e s o f c e r a m i c m a t e r i a l s s h o u l d r e s u l t i n i m p r o v e d p e r f o r m a n c e o f p l a s m a s p r a y e d c o m p o s i t e s .

R e f e r e n c e s :

1. " W e a r P r o t e c t i o n t h r o u g h S u r f a c e C o a t i n g s " , G e r m a n E n g i n e e r s A s s o c . ( V D I ) P u b l i c a t i o n n o , 3 3 3 , S t u t t g a r t 1 9 7 9 , V D I - P u b l . , D u s s e l d o r f 1 9 7 9 2. T h e r m a l S p r a y i n g T e c h n o l o g y 1 9 7 7 , C o n g r e s s o f t h e German W e l d i n g

Soc. (DVS) , DVS-Pub1 . ^, D u s s e l d o r f 1 9 7 9

3. 1 0 t h I n t e r n a t i o n a l T h e r m a l S p r a y i n g C o n f e r e n c e , May 1 9 8 3 , E s s e n ,

DVS-Pub1 . ^, D u s s e l d o r f 1 9 8 3