Evaluation of Residual Stresses and Their Influence on Cavitation Erosion Resistance of High Kinetic HVOF and HVAF-Sprayed WC-CoCr Coatings

Thermal spray processes have been developing toward lower particle temperature and higher velocity. Latest generation high-velocity oxygen-fuel (HVOF) and high-velocity air-fuel (HVAF) can produce very dense coating structures due to the higher kinetic energy typical for these thermal spray processes. Thermally sprayed coatings usually contain residual stresses, which are formed by a superposition of thermal mismatch, quenching and, in case of high kinetic energy technologies, peening stresses. These stresses may have a significant role on the mechanical response and fatigue behavior of the coating. Understanding these effects is mandatory for damage tolerant coating design and wear performance. For instance, wear-resistant WC-CoCr coatings having high compressive stresses show improved cavitation erosion performance. In this study, comparison of residual stresses in coatings sprayed by various thermal spray systems HVOF (Thermico CJS and Oerlikon Metco DJ Hybrid) and HVAF (Kermetico AcuKote) was made. Residual stresses were determined through thickness by utilizing Tsui and Clyne analytical model. The real temperature and deposition stress data were collected in the coating process by in situ technique. That data were used for the model to represent realistic residual stress state of the coating. The cavitation erosion and abrasion wear resistance of the coatings were tested, and relationships between residual stresses and wear resistance were discussed.publishedVersionPeer reviewe

Integrity of APS, HVOF and HVAF sprayed NiCr and NiCrBSi coatings based on the tensile stress-strain response

The interlamellar cohesion of thermal spray coatings influences greatly their mechanical properties and ability to use coatings in different loading conditions and wear/erosion resistance. In the present study, micro-tensile testing of free-standing coatings was utilized to evaluate the mechanical response of thermally sprayed coatings. In addition, the longitudinal uniaxial fracture strength of free-standing coatings could be determined by a tensile test. The coating materials studied were NiCr and NiCrBSi coatings sprayed by atmospheric plasma spraying (APS), high velocity oxy-fuel (HVOF), and high velocity air-fuel (HVAF) processes. The different materials used for the coatings sprayed by different methods yield different microstructures, different stress-strain relation in tensile testing. Different tensile test response was found to be related to cohesion strength between lamellas, and thus was affecting the cavitation erosion wear. The effect of other factors such as hardness and residual stresses on cavitation resistance were also discussed. Such results are crucial to understand the suitability of microstructures obtained by TS processes for different wear conditions.publishedVersionPeer reviewe

Evolution of alumina phase structure in thermal plasma processing

Alumina (Al2O3) remains one the most important engineering ceramic for industrial applications. In addition to the α phase, transition alumina phases have interesting characteristics. Controlling the obtained phase structure from alumina melt requires processes with extreme cooling rates and therefore limits the tailoring capabilities. This study investigates how the cooling rate of pure alumina affects its microstructural properties and phase structure in plasma-based processing. The paper reports phase changes in micron sized granulated alumina particles in high-temperature plasma spheroidization and compares the results to plasma sprayed alumina coatings. Both plasma processes involve melting of the material followed by subsequent rapid cooling. Direct comparison on the alumina phase transitions is obtained for the two methodically distinct processing routes, creating unique microstructures due to difference in their cooling rates.</p

Tribological properties of plasma sprayed Cr2O3, Cr2O3–TiO2, Cr2O3–Al2O3 and Cr2O3–ZrO2 coatings

Plasma sprayed Cr2O3 is widely used to protect industrial components against wear. The present study seeks to clarify how its properties can be modified by alloying with other oxides. Therefore, pure Cr2O3 and Cr2O3–25%TiO2, Cr2O3–16%Al2O3, Cr2O3–35%Al2O3, Cr2O3–10%ZrO2 and Cr2O3–20%ZrO2 coatings were studied. All samples were obtained from pre-alloyed feedstock, resulting in rather homogeneous solid solutions. Compared with pure Cr2O3 and Cr2O3–Al2O3 coatings, the Cr2O3–25%TiO2 and Cr2O3–ZrO2 ones exhibit lower indentation hardness (HIT) but higher toughness, qualitatively assessed by scratch testing. Cr2O3 and Cr2O3–16%Al2O3 also exhibit higher hardness/elastic modulus ratios (HIT/E*, HIT3/E*2) than all other samples. The sliding wear resistance of the coatings against Al2O3 and ZrO2 balls is most closely correlated to indentation hardness and, secondarily, to the hardness/modulus ratios. Pure Cr2O3 is therefore the most sliding wear resistant of all samples, whilst Cr2O3–25%TiO2 suffers very severe wear. However, ZrO2 counterparts cause systematically more severe wear than do Al2O3 ones. Dry particles' abrasion, which proceeds through flake formation, is controlled by toughness. The resistance to abrasive wear is, therefore, predicted by scratch testing. The various coatings rank almost the opposite as they did in sliding wear tests, with comparatively lower wear losses for Cr2O3–25%TiO2 and (most of all) Cr2O3–ZrO2 samples.acceptedVersionPeer reviewe

On the Applicability of Iron-Based Coatings Against Abrasion and Cavitation Erosion Wear

Iron-based coatings are often considered as replacement of hard chromium and WC-Co, as they pose lower health and environmental impact. In many cases, the combination of mechanical and chemical properties of iron-based alloys may be satisfactory and their relatively low cost makes these coatings an interesting candidate for many applications. This study is inspired by opportunities to harden the iron-base materials by strain hardening, solid solution strengthening, and precipitation hardening. Already commercially available Fe-based coating materials with precipitates of mixed carbides and borides in the metastable austenitic matrix achieve a high hardness. In this study, the cavitation erosion and abrasion resistance of various Fe-based coatings produced by HVAF and HVOF processes were investigated. Four experimental precipitates containing materials were prepared, and the sprayed coatings were tested for abrasive wear and cavitation erosion. In addition to precipitates, the contributions of martensite and retained austenite phases were investigated by influencing the microstructure through heat treatments, as the ability of these phases to influence ductility and toughness can be crucial to achieve the desired material properties. The properties of experimental and two commercial Fe-based alloys are compared with WC-Co and Cr3C2-NiCr coatings by property mapping.publishedVersionPeer reviewe

Enhancing the cavitation erosion resistance of AISI 420-type stainless steel with quenching and partitioning

Stainless steels are commonly used in hydraulic components where they may be sus-ceptible to cavitation erosion. In this study the cavitation erosion resistance of AISI 420-type stainless steel is examined after quenching and partitioning (Q&P) heat treatment. Q&P-samples were prepared with varying heat treatment parameters, and their initial properties were examined with X-ray diffraction and hardness measurements. Reference samples were also prepared with quenching and tempering and quenching without parti-tioning. The samples were eroded for 6 h with an ultrasonic cavitation erosion device, and their mass losses were measured. The eroded areas were examined with scanning electron microscopy, optical profilometry, and magnetic induction measurements. The results suggest that the cavitation erosion resistance of the examined stainless steel can be significantly enhanced with Q&P. This enhancement of cavitation erosion resistance results from high initial hardness and retained austenite fraction of the steel. During cavi-tation erosion the retained austenite can absorb cavitation bubble collapse energy by transforming into strain induced martensite, which increases the hardness of the steel and generates expansion of the lattice. This expansion additionally hinders crack propa-gation at grain boundaries, which reduces the formation of initial cavitation damage.publishedVersionPeer reviewe

The effect of mechanical and thermal stresses on the performance of lubricated icephobic coatings during cyclic icing/deicing tests

Evaluating the performance of icephobic coatings interests various industries, such as aviation, maritime, energy, and transportation. Recent developments on icephobic coatings have consistently highlighted the need for durable icephobic surfaces in cold conditions. This study investigates the icing performance and durability of lubricated polymer coatings under cyclic icing/deicing tests. Coatings were made of polyethylene and a solid lubricant and manufactured using flame spray technology. Icing was performed by accreting ice in an icing wind tunnel. Deicing was conducted by removing ice with a centrifugal ice adhesion tester. Surface properties, such as surface morphology, roughness, wettability and chemical composition, were measured before and after the cyclic tests. The results showed stable icephobic behaviour for some coatings, while the performance of others decreased over the cycles. The cyclic tests caused mechanical damage to the surfaces, producing erosion, scratches and, for some coatings, surface cracks. These defects resulted in increased surface roughness and reduced hydrophobicity. However, no chemical changes were revealed for any of the surfaces. Moreover, the causes of cracks were attributed to the difference in thermal expansion behaviour of substrate and coating materials. This result highlights the importance of materials and process parameters selection in flame sprayed coatings designed for cold applications.publishedVersionPeer reviewe

Ahvenanmaan merenkulkumuseon laajennus

Ahvenanmaan merenkulkumuseon on suunnitellut Jonas Cedercreutz vuonna 1942. Museo avattiin yleisölle vuonna 1954 tarkoituksenaan perehdyttää kävijät erityisesti suurten purjelaivojen aikakauteen vuosisatamme alkuvuosikymmeniä, olihan kyseinen epookki ainutlaatuinen Ahvenanmaan historiassa. Museorakennus, jonka arkkitehtuuri sisältää piirteitä sekä funktionalismista, että pohjoismaisesta klassismista, on kokenut joitakin muutoksia vuosien varrella. Nykyinen rakennus on käynyt ahtaaksi, eikä se pysty vastaamaan kaikilta osiltaan tämän päivän näyttelyteknisiin vaatimuksiin. Myös henkilökunnan työskentelytilat ovat puutteelliset. Museon laajentamista puoltaa odotukset kasvavista turistimääristä Ahvenanmaalla laivaliikenteen kasvun myötä. Museo sijaitsee puistomaisella tontilla sataman ja autolauttojen läheisyydessä, puistokadun muodostaman akselin päätteenä. Maisemaa hallitsevat autolautat, museolaiva Pommern ja Ahvenanmaan saaristolle tyypilliset kalliomuodostelmat. Suunniteltu uudisrakennus sijoittuu vannan museorakennuksen pohjoispuolelle. Pyrkimyksenä on ollut korostaa julkisen rakennuksen leimaa vastapainona ympäröivälle huvilamaiselle rakennuskannalle. Rakennus samaistuu mittakaavaltaan enemmänkin sataman autolauttoihin kuin muuhun ympäröivään rakennuskantaan. Suunnitelmassa museota ympäröiviä alueita on käsitelty siten, että ne korostavat rakennuksen julkista luonnetta. Ranta-alue on porrastettu ja valaistu museolaiva Pommernin pituudelta, käyntisillat laivaan on uusittu. Rakennuksen muuta ympäristöä on porrastettu luonnonkivimuurein. Eteläpuolelle, puistoesplanadin päätteeksi sijoitettu kasvihuone toimii sekä majakkana autolauttojen matkustajille, että näyttelytilana kasvilajeille, jotka ovat kulkeutuneet Ahvenanmaalle purjealusten mukana en puolilta maailmaa. Huoltoliikenne rakennukseen toimii sille varatun erillisen huoltorampin kautta. Rakennusta on avattu ulkopuolisille sijoittamalla kahvila siten, että sitä voivat käyttää muutkin kuin museon näyttelyssä kävijät. Auditorio ja kahvila ovat vuokrattavissa erillisinä yksikköinä. Museo on pääosin pilari-laattarakenteinen. Julkisivumateriaaleina on käytetty betonia, lasia kirkkaana ja silkkipainettuna sekä ruostumatonta terästä. Vesiallas rakennuksen edustalla toimii valonlähteenä näyttelytilaan. Vanhan museorakennuksen julkisivut on jätetty lähestulkoon ennalleen, lukuun ottamatta 70-luvulla sisätiloiksi muutettuja ulkoterasseja. Ne on palautettu alkuperäiseen 1940 luvun asuunsa. Sisäänkäynti museorakennukseen tapahtuu ainoastaan uudisosan puolelta. Museon vastaanottotilat oheistoimintoineen sijaitsevat samassa tasossa sijoiteltuna siten, että yksi henkilö pystyy valvomaan samanaikaisesti lipunmyyntiä, myymälää ja vaatteiden säilytystä. Vaihtuvien näyttelyiden tila on sijoitettu erilleen varsinaisesta näyttelytilasta näyttelyiden purkamisen ia kokoamisen helpottamiseksi. Tavarahissi sijaitsee siten, että näyttely on mahdollista koota ja purkaa muita toimintoja häiritsemättä. Terassia voidaan tarvittaessa käyttää ulkonäyttelytilana. Näyttelytila sijaitsee sisääntulotason alapuolella, näin saadaan aikaan korkea tila, joka mahdollistaa muunneltavuuden. Uusi tekniikka on huomioitu siten, että erilaisia audiovisuaalisia ja multimediaesityksiä on mahdollisuus järjestää museon tiloissa. Asennuslattia ia ilmastointitekniikan huomaamaton sijoittaminen antavat enemmän mahdollisuuksia näyttelyjärjestelyille. Valaistus on epäsuora, luonnonvaloa tuodaan tilaan eri tavoin. Katonrajasta saapuva luonnonvalo suodatetaan diffusoivan lasielementin läpi. Sivuvalo on vesialtaan suodattama. Osaan näyttelykalusteita on integroitu valaisimet. Näyttely on ryhmitelty siten, että uudisosan teemat muodostavat ahvenanmaalainen veneenrakennustaito siinä tarvittavine välineineen ja pienoismalleineen, navigointi ja sen kehitys vuosisatojen kuluessa, sekä laivanvarustustoiminnan merkitys saariryhmälle. Vanhan osan näyttelytilat on jätetty kertomaan suurten purjelaivojen aikakaudesta, tähän tarkoitukseenhan museo alun perin perustettiinkin

Approaches for Linking the High Kinetic Thermal Spray Process, Residual Stresses and Coating Performance by Utilizing In-situ Monitoring

Termisesti ruiskutettuja kovametallipinnoitteita on käytetty menestyksekkäästi monissa kriittisissä sovelluksissa, kuten hydraulisylinterit, laskutelineet, paperikoneen telat, pallo- ja porttiventtiilit sekä useat muut kulumiskestävyyttä vaativat osat. Nykyisin ruiskutusprosessien, pinnoitusjauheiden ja ruiskutusparametrien vaihtelusta johtuen samalle pinnoitemateriaalille voidaan aikaansaada erilaisia ominaisuuksia. Ehkä tärkein tekijä pinnoiteominaisuuksien kannalta on jauhe ja sen laatu. Jauheen kokojakauman on oltava sopiva prosessille ja tämän lisäksi tiiveys, karbidikoko ja jauheen homogeenisuus vaikuttavat pinnoitteen ominaisuuksiin. Lisäksi valitulla jauheella saavutettuihin pinnoiteominaisuuksiin vaikuttaa ruiskutettavien partikkeleiden tila. Tarkemmin ottaen partikkeleiden lämpöenergia ja kineettinen energia törmäyshetkellä. Partikkeleiden tilaa voidaan tarkkailla suoraan partikkelivirrasta mittaamalla niiden lämpötilaa (T) ja nopeutta (v) lennon aikana ja linkittää prosessin olosuhteet pinnoiteominaisuuksiin ns. “process mapping”menetelmää hyödyntämällä. Nykyisin on käytössä useita eri termisen ruiskutuksen prosesseja, joista jokainen voi tuottaa partikkeleille hieman erilaisen lämpötilan ja nopeuden. Tämän takia samalla pinnoitusmateriaalille voidaan saada eri prosesseilla suhteellisen laaja kirjo erilaisia ominaisuuksia. Esimerkiksi uusimmat termisen ruiskutuksen prosessit, kuten HVAF, tarjoaa noin 1000 °C matalamman liekin lämpötilan ja 30 – 40 % suuremman partikkelinopeuden tavanomaisempiin HVOF ruiskutusprosesseihin verrattuna. Tämän takia ne tuottavat erittäin tiiviitä pinnoiterakenteita, joilla ei kuitenkaan ole partikkeleiden liiallisesta kuumenemisesta aiheutuvia negatiivisia ominaisuuksia kuten haurautta. Pinnoitteen muodostumisprosessi saa aina aikaan pinnoitteeseen jännityksiä, jotka ovat seurausta partikkeleiden nopeasta jäähtymisestä ja mahdollisesta alustan ja pinnoitemateriaalin lämpölaajenemiserosta. Partikkeleiden ja alustan lämpöhistoria vaikuttaa merkittävästi jäännösjännityksiin mikä voi vaikuttaa myös pinnoitteen suorituskykyyn ja pinnoitteen mekaanisiin ominaisuuksiin. Esimerkiksi korkean partikkeleiden kineettisen energian omaavilla termisen ruiskutuksen prosesseilla kuten HVOF, HVAF ja kylmäruiskutus saadaan valmistusprosessin aikana syntymään partikkeleiden iskeytymisestä johtuva puristusjännitystila. Partikkeleiden iskeytymisestä syntyvä iskuenergia aiheuttaa puristusjännityksiä joko alustaan tai aiemmin ruiskutettuun kerrokseen. Usein valmistusprosessista johtuvien tekijöiden hallintaan on kiinnitetty riittämätöntä huomiota, joten lämpöhistorian ja jäännösjännitysten vaikutusta pinnoitteiden ominaisuuksiin ei suurelta osin tunneta. Lisäksi eri laitteilla samasta materiaalista valmistettujen pinnoitteiden ominaisuuksien vaihtelusta ei ole systemaattisesti kerättyä tietoa. Pinnoitteiden ominaisuuksia hallitaan suurelta osin yritys ja erehdys -lähestymistavalla, minkä vuoksi ei saada riittävää ymmärrystä valmistusprosessin ja pinnoiteominaisuuksien välisestä riippuvuussuhteesta. Tämä voi jopa haitata merkittävästi eri sovelluksille asetettavia riittävän tarkkoja ominaisuusvaatimuksia. Tässä työssä hyödynnetään prosessin aikaisia diagnostiikkatyökaluja, joita käyttämällä voidaan linkittää korkeakineettisten ruiskutuprosessien prosessiolosuhteet pinnoiterakenteeseen ja pinnoiterakenne pinnoiteominaisuuksiin. Näihin työkaluihin kuuluvat partikkeleiden lämpötilan ja nopeuden mittaukseen käytettävät diagnostiikkalaitteet sekä ruiskutuksen aikainen pinnoiteominaisuuksien mittauslaite (ICP), joka tarkkailee substraatin käyristymistä mahdollistaen pinnoitteen muodostumisprosessin monitoroinnin ja jäännösjännitysten määrittämisen. Hyödyntämällä prosessin aikaista monitorointia saadaan pinnoitteiden valmistusprosessista tietoa, joka auttaa ymmärtämään prosessin ja pinnoiteominaisuuksien välistä vuorovaikutusta. Kaasuvirtausten ja prosessiolosuhteiden vaikutusta partikkeleiden tilaan arvioitiin kartoittamalla hiukkasten lämpötilaa ja nopeutta erilaisilla prosessisäädöillä, minkä jälkeen selvitettiin millaisia pinnoiteominaisuuksia ja erityisesti jännitystiloja eri prosessiolosuhteet tuottivat. Jännitysten määrittämiseen käytettiin Tsuin ja Clynen analyyttista laskentamallia ja selvitettiin kuinka HVOF–, HP-HVOF–, HVAF– ja kylmäruiskutusprosessit ja niiden ruiskutusparametrit vaikuttavat pinnoitteiden jäännösjännityksiin. HVOF– ja HVAF– prosessissa tutkittiin WCCoCr - ja Cr3C2-NiCr –pinnoitteita ja kylmäruiskutuksessa Al, Ti ja Cu pinnoitteita. Tutkimukset osoittavat, että korkeakineettisillä termisen ruiskutuksen prosesseilla saadaan partikkeleiden sulamisastetta, nopeutta ja substraatin lämpötilaa säätämällä merkittäviä puristusjännityksiä omaavia karbidipinnoitteita. Puristusjännitysten merkitys osoittautui tärkeäksi pinnoitteiden kavitaatioeroosionkestävyyttä ja väsymiskestävyyttä parantavaksi tekijäksi. Osoitettiin myös, että kylmäruiskutuspinnoitteiden jäännösjännitykset, joihin tyypillisesti vaikuttaa iskuenergian määrä ja sen vaikutuksesta muodostuva puristusjännitys, voivat kehittyä myös vetojännityksiksi olosuhteissa, joissa on alhainen iskuenergia ja suhteellisen korkea prosessilämpötila.Thermally sprayed hardmetal coatings have been successfully used in many critical applications including hydraulic cylinders, landing gear, paper machine rolls, ball and gate valves, and several other parts, which require wear resistance. Currently, due to variations in the spray processes, feedstock material, and spray parameters, there might exist a wide range of properties for the same coating material. Perhaps the most important factor for the coating properties is the feedstock powder and its quality. The size distribution of the powder needs to be suitable for the process; in addition to this the particle density, carbide size, and powder homogeneity affect the properties of the coating. Furthermore, the coating properties for a selected powder are related to the particle state, more precisely the particle thermal and kinetic energy at the impact. Today, the particle state can be monitored by in-situ diagnostics with devices that measure the temperature (T) and velocity (v) of the particles during flight. The particle state can be further linked to the coating properties and performance by so-called process mapping methodology. At present, many thermal spray processes and equipment exist, each having their own specific characteristics of particle temperature and velocity. For example, the newest thermal spray processes, such as High Velocity Air Fuel (HVAF), provides about a 1000 °C lower flame temperature and 30-40% higher particle velocity compared to more conventional High Velocity Oxygen Fuel (HVOF) thermal spray processes. HVAF thus produces very dense coating structures and reduces the brittleness caused by excessive particle heating. Coating formation also induces stresses caused by the rapid solidification of the spray droplets (quenching) and thermal mismatch stresses during cooling. The thermal history will have a major impact on the residual stresses and it may influence the performance of the coating by affecting the mechanical properties of the coating as well. In high-kinetic-energy thermal spray processes, e.g. the HVOF, HighPressure High Velocity Oxygen Fuel (HP-HVOF), HVAF, and cold spray (CS) processes, the compressive stress component also known as peening stress, intensifies during the manufacturing process. Peening stresses act on the substrate or on the previously deposited layer. Insufficient attention has been paid so far to the factors arising from the manufacturing process. Thus the effect of the thermal history and residual stresses on the properties of coatings is largely unknown. Moreover, there is generally a lack of knowledge on the property variation in coatings produced by various devices from the same material, as coating properties are managed largely by the trial and error approach. Consequently, insufficient understanding and/or information on the relationship between the manufacturing process and coating properties makes it significantly more difficult to set property targets for the applications. This work focuses on the approaches to provide a link between processstructureproperty correlations in high kinetic thermal spraying by utilizing in-situ monitoring tools, which enable reliable manufacturing of thermal spray coating. These tools include inflight particle temperature and velocity measurements and an in-situ coating property sensor (ICP). The ICP measures the substrate curvature during spraying, enabling the monitoring of information on the coating formation process and residual stresses. First, the role of gas flows and process conditions on the particle state was evaluated by mapping the particle temperature and velocity resulting from different conditions and how they are linked to coating properties. Further, the in-situ curvature technique and progressive deposition model of Tsui and Clyne [1,2] were used in order to understand how thermal spray processes and parameters affect the residual stresses of coatings made by the HVOF, HP-HVOF, HVAF, and CS processes. Materials focused on in relation to HVOF and HVAF were WC-CoCr and Cr3C2-NiCr, whereas Al, Ti, and Cu were used in the CS case. Studies showed that high compressive residual stresses controlled by the particle molten state, velocity, and substrate temperature can develop in high kinetic thermal sprayed carbide coatings. The role of compressive stresses proved to be significant for the cavitation erosion resistance and fatigue life performance of the coatings. It was shown that the residual stress of cold spray coatings, mostly controlled by impact pressure and thus in most cases developing into compressive stress, may develop into tensile stress in conditions with low impact pressure and relatively high thermal energy