Direct current plasma spraying of mechanofused alumina-steel particles

Stainless steel particles (60 $\mu$m in mean diameter) cladded with an alumina shell (2 $\mu$m thick and manufactured by mechanofusion) were sprayed with an Ar-H2 (53-7 slm) d.c. plasma jet (I = 500 A, P = 28 kW, \rho_th = 56 %). Two main types of particles were collected in flight, as close as 50 mm downstream of the nozzle exit: particles with a steel core with pieces of alumina unevenly distributed at their surface and those consisting of a spherical stainless steel particle with an alumina cap. The plasma flow was modeled by a 2D steady parabolic model and a single particle trajectory by using the 3D Boussinesq-Oseen-Basset equation. The heat transfer, within the two-layer, stainless steel cladded by alumina, particle, considered the heat propagation phenomena including phase changes. The models allowed determining the positions, along the particle trajectory, where the convective movement could occur as well as the entrainment of the liquid oxide to the leading edge of the in-flight particles. The heat transfer calculations showed the importance of the thermal contact resistance TCR between alumina and steel

Evaluation of the Mechanical Behaviour of Al2o3 and Al2o3 -Tio2 Coatings Using a Bench Drill

RESUMEN: Las propiedades mecánicas de recubrimientos cerámicos medidas por micro-indentación Vickers y Knoop a partir de las huellas residuales fueron relacionadas con los resultados de perforación usando una broca sin rotación. Tres polvos micrométricos fueron utilizados para elaborar los recubrimientos: el primero de ellos fue de Al2O3 Sulzer-Metco 105 SPFTM , el segundo fue de Al2O3 -13 % en peso de TiO2 Saint Gobain 107TM , y el último fue de Al2O3 -43 % en peso de TiO2 Saint Gobain 109TM. Los recubrimientos fueron elaborados por proyección térmica con llama de oxi-combustible sobre sustratos de acero AISI-SAE 1020, usando una torcha Terodyn 2000 modificada. Los ensayos de perforación fueron realizados con una broca con punta piramidal de carburo de tungsteno montada en un taladro, que aplicó lentamente una fuerza gradual hasta una carga máxima de aproximadamente 100 N y luego la fuerza fue reducida hasta cero, para obtener una curva de hystéresis (fuerza versus profundidad deindentación), siendo la velocidad de carga y descarga de 0.15 mm/s. Los resultados muestran una buena correlación entre las propiedades mecánicas medidas por ensayos de micro-indentación Knoop y los obtenidos a partir de la curva de hystéresis, permitiendo concluir que la dureza y el módulo de Young de los recubrimientos cerámicos elaborados por proyección térmica podrían ser determinados a partir de ensayos de perforación.ABSTRACT: The mechanical properties of ceramic coatings measured by Vickers and Knoop microindentation from residual tracks were correlated with the results of indentation depth measured using a non-rotary drill bit. Three micrometric feedstock powders were used to manufacture coatings: the first one was Al2O3 Sulzer-Metco 105 SPFTM, the second one was Al2O3 -13 wt.% TiO2 Saint Gobain 107TM and the last one was Al2O3 -43 wt.% TiO2 Saint Gobain 109TM. Coatings were elaborated by oxy-fuel flame spraying process onto AISI-SAE 1020 steel substrates using a modified Terodyn 2000 torch. The drill tests were realized with a pyramidal tungsten carbide drill bit using a instrumented bench drill, which applied slowly an incremental force to a maximal load (approximately 100 N) and then the force was decreased to zero (being the load and unload speed 0.15 mm/s), in order to obtain the hysteresis graphics (Force Vs Indentation Depth). The results show a good relationship between mechanical properties measured by Knoop micro indentation tests and the force vs indentation depth ratio, obtained from hysteresis graphics, allowing to conclude that the hardness and Young’s modulus of thermal sprayed ceramic coatings can be predicted from drilling tests

The Influence of Dry Particle Coating Parameters on Thermal Coatings Properties

International audienceThe physical properties of coatings elaborated by plasma spraying, especially the mechanical properties are strongly influenced by some fifty operating parameters of the spraying process. Several studies have been conducted to correlate these operating parameters with the coating microstructure, via the behavior of molten particles in flight to be impacted against the surface substrate, well known as splats. Then, it is expected to build coatings with tailored properties for mechanical and even thermal applications (Fauchais & Vardelle, 2000). Simultaneously to the operating parameters of plasma spraying, characteristics of raw powder play an important role in the coating elaboration (Vaidya et al, 2001). Depending on the production process, particles feature different characteristics concerning shape, size, specific density, purity, etc. This has a significant influence on the resulting coating properties (Sampath et al, 1996). Consequently, it becomes mandatory to have an intensive knowledge about the powder characteristics in order to better control the behavior of inflight particles and, thus obtaining coatings with the expected performance. For the elaboration of composite coatings, it is commonly to use composite powders. However, different characteristics of powders are obtained from the variety of processes nowadays available for powder production, even for powders with the same chemical composition! (Kubel, 2000) Kubel has compared powders produced from different techniques for plasma spraying (atomization, agglomeration by spray-drying, melting and grinding, wet particle coating; sintering). A variety of powder characteristics is found for which the operating parameters for plasma spraying must be adapted to obtain deposits featuring the desired properties. From this, certain components or materials are fabricated by some of these methods or exclusively just one

Simple modeling of the thermal history of d.c. plasma sprayed agglomerated nanosized zirconia particles

International audienceIn this work, are presented the results of a model coupling both dynamic and thermal histories of a single zirconia particle injected into a d.c plasma jet. The model developed calculates the heat transfer and phase changes within the particle along its trajectory. It is based on the Stefan problem with an explicit determination of the position of the interface solid/liquid. The evaporation is described according to the approach “Back pressure” The model is adapted to the calculation of thermal and dynamic behaviors of agglomerated particles

Efecto de la microestructura y de la microdureza sobre la resistencia al desgaste de recubrimientos elaborados por proyección térmica por plasma atmosférico a partir de circona-alúmina, circona-itria y circona-ceria

ResumenEn este trabajo se ha estudiado el efecto de la microestructura y de la microdureza sobre la resistencia al desgaste de recubrimientos de circona-alúmina (ATZ), circona-itria (YSZ) y circona-ceria (CSZ) elaborados mediante proyección térmica por plasma atmosférico. La microestructura y la fractura de la sección transversal de los recubrimientos han sido evaluadas mediante microscopia electrónica de barrido (MEB), sus fases han sido analizadas a partir de espectros de difracción de rayosX (DRX), su microdureza ha sido determinada mediante microindentación Vickers y su resistencia al desgaste ha sido evaluada mediante el ensayo de bola-disco. Los resultados mostraron que el recubrimiento que presentó el mejor desempeño tribológico fue el de ATZ, a pesar de tener una cantidad importante de la fase circona monoclínica, la cual es de menor dureza que la tetragonal presente en mayores cantidades en los otros 2 recubrimientos y este comportamiento ha estado muy relacionado con su microestructura y su alta microdureza. La menor resistencia al desgaste de los recubrimientos de YSZ y CSZ ha estado relacionada con la estructura columnar presente dentro de sus lamelas, lo que puede ocasionar un mayor desprendimiento de partículas en la superficie de contacto durante el ensayo bola-disco, aumentando así su desgaste.AbstractThe effect of the structure and microhardness on the wear resistance of zirconia-alumina (ATZ), zirconia-yttria (YSZ) and zirconia-ceria (CSZ) coatings manufactured by atmospheric plasma spraying was studied. The microstructure and the fracture on the cross section of the coatings were analyzed using Scanning Electron Microscopy, the phases were identified using X-Ray Diffraction, the microhardness was measured by Vickers indentation and the wear resistance was evaluated by ball on disc test. The results showed that zirconia-alumina coating exhibits the best performance in the wear test. This behavior is closely related to their microstructure and higher microhardness, despite of its significant quantity of the monoclinic zirconia phase, which has lower mechanical properties than tetragonal zirconia phase. Tetragonal zirconia phase was predominant in the zirconia-yttria and zirconia-ceria coatings and despite this behavior; they did not have a good performance in the wear tests. This low wear resistance was mainly influenced by the columnar structure within their lamellae, which caused a greater detachment of particles in the contact surface during the ball-disc tests, increasing its wear

Estudio de los parámetros de proyección térmica por plasma de blancos de TiO2 usados en magnetrón sputtering

The synthesis of thin films by sputtering requires the use of targets, which act as materials from which the coatings are made. This work is focused on the implementation of Atmospheric Plasma Spray (APS) for manufacturing TiO2 targets that can later be used in the deposition of TiO2 coatings by magnetron sputtering. Three commercial TiO2 powders, produced by Oerlikon Metco, were sprayed using different spray parameters to evaluate their effect on the microstructure (percentage of pores and cracks on the cross section) of the obtained TiO2 targets. The targets were characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM) and image processing and used in sputtering deposition tests to estimate the deposition rate. The results enabled us to identify the variables with the most significant effect on the targets’ microstructure (in a decreasing order in terms of magnitude of the effect): ratio of plasma generating gases, stand-off distance, carrier gas flow rate, current in the electric arc, and particle size distribution of the raw material. The percentages of microstructural defects found during the tests ranged between 0.41 ± 0.30 % and 6.80 ± 2.03 %, which demonstrates the importance of controlling spray parameters in the manufacture of targets by this technique.La síntesis de películas delgadas por pulverización catódica o sputtering requiere la utilización de blancos o targets, que actúan como los materiales a partir de los cuales se elaboran los recubrimientos. Este trabajo está enfocado en la implementación del proceso de proyección térmica por plasma atmosférico para la fabricación de blancos de TiO2, que posteriormente puedan emplearse en la deposición de recubrimientos de TiO2 por magnetrón sputtering. Se partió de tres polvos de TiO2 comerciales de la marca Oerlikon Metco, los cuales fueron proyectados mediante diferentes parámetros de proyección para evaluar su efecto en la microestructura (porcentaje de poros y grietas en sección transversal) de los blancos de TiO2 obtenidos. Los blancos fueron caracterizados por microscopía electrónica de barrido y procesamiento de imágenes y utilizados en algunas pruebas de deposición sputtering para estimar la tasa de deposición. Los resultados permitieron identificar las variables que tienen un efecto más significativo sobre la microestructura de los blancos. En orden decreciente a la magnitud del efecto, estas variables son: la relación de gases generadores de plasma, la distancia de proyección, el flujo del gas de arrastre, la corriente en el arco eléctrico y la distribución de tamaños de partícula de la materia prima. Los porcentajes de defectos microestructurales encontrados durante la ejecución de las pruebas variaron entre 0.41 ± 0.30 % y 6.80 ± 2.03 %, rango que demuestra la importancia que puede llegar a tener el control de los parámetros de proyección en la fabricación de blancos mediante esta técnica

Mechanical properties of thermally sprayed porous alumina coating by Vickers and Knoop indentation

Depending on the thermal spraying conditions, coatings obtained can present different defects, like pores, cracks and/or unmelted particles, and different surface roughnesses, that can affect the determination of the hardness and elastic modulus. The present work investigates the mechanical properties, determined by means of Knoop and Vickers indentations, of a plasma as-sprayed alumina coating, obtained with a nano-agglomerated powder sprayed using a PTF4 torch, in order to highlight how the surface defects interfere into the indentation process. As a main result, Knoop indentation compared to Vickers one gives less dispersive results (15% and 33%, respectively), that are, in addition, more representative of the coating properties. The mean values obtained are 110 ± 40 GPa for the elastic modulus and 1.75 ± 0.42 GPa for the hardness. In addition, and for the two indenter types used, multicyclic indentation has been performed because it allows a more appropriate characterization of such heterogeneous coatings due to the representation of the mechanical properties as a function of the indentation load and/or the penetration depth, leading to more reliable results according to the depth-variability of the coating microstructure

Evaluation of hot corrosion behavior of yttria-stabilized-zirconia coating elaborated by atmospheric plasma spraying

RESUMEN: En este trabajo se evaluó el comportamiento a la corrosión en caliente en un ambiente de sales de un recubrimiento de circona estabilizada con un 7 % en peso de itria (YSZ), el cual fue elaborado por la técnica de proyección térmica por plasma atmosférico. El recubrimiento de YSZ fue estudiado con dos tipos de espesores de la capa de anclaje NiCrAlCo-Y2O3, el cual fue aplicado sobre una superaleación Inconel 718. La morfología de la materia prima, la microestructura y la fractura de la sección transversal del recubrimiento fueron evaluadas mediante microscopia electrónica de barrido (MEB). Las fases de la materia prima y del recubrimiento de YSZ fueron analizadas a partir de espectros de difracción de rayos X (DRX) y el ensayo de corrosión en sales fue realizado en presencia de V2O5 y Na2SO4 a una temperatura de 1050 ºC durante 40 h. La morfología de la superficie y las fases del recubrimiento después del ensayo de corrosión en caliente fueron evaluadas por MEB y DRX respectivamente. Según análisis de DRX, los ensayos de corrosión en caliente mostraron principalmente la formación de cristales de vanadatos de itrio (YVO4) y circona de fase monoclínica (m-ZrO2) en la superficie del recubrimiento, evidenciando la desestabilización del recubrimiento cerámico y en consecuencia la disminución de sus propiedades mecánicas y térmicas por la presencia de una gran cantidad de m-ZrO2. Los dos espesores de la capa de anclaje resistieron los esfuerzos térmicos generados durante el ensayo de corrosión en caliente, sin generar grietas apreciables ni delaminación en el recubrimiento.ABSTRACT: In this study, hot corrosion behavior in molten salts of 7 wt. % Yttria-Stabilized-Zirconia (YSZ) coatings manufactured by atmospheric plasma spraying was evaluated. YSZ coating was studied with two kind of thickness of NiCrAlCo-Y2O3 bond coat, which was elaborated on the Inconel 718 superalloy. The morphology of the raw material, the microstructure and fracture of the cross section of the coatings were evaluated by Microscopy Scanning Electron (SEM). The phases of the raw material and YSZ coating were analyzed from spectra of X-Ray Diffraction (XRD). Hot corrosion tests was performed in the presence of a mixture V2O5 and Na2SO4 powders at a temperature of 1050 °C for 40 h. The surface morphology and the phases of the coating after the hot corrosion test were evaluated by SEM and XRD respectively. Hot corrosion tests showed mainly the formation of yttrium vanadate crystals (YVO4) and monoclinic zirconia (m-ZrO2) in the top coating surface. These phases showed the destabilization of YSZ coating and therefore the decrease in its mechanical and thermal properties by the presence of a large amount of m-ZrO2 resulting from XRD analysis after hot corrosion test. The two thicknesses of the bond coat resisted the thermal stresses generated during the hot corrosion test without generating appreciable cracks or delamination in the thermal barrier coating

Efecto del afilado de la broca sobre la resistencia a la perforación de recubrimientos de Al2o3 – Tio2 elaborados mediante proyección térmica por plasma atmosférico

RESUMEN: Se evaluó el efecto de afilado de la broca sobre la resistencia a la perforación de recubrimientos de alúmina – óxido de titanio, obtenidos mediante proyección térmica por plasma atmosférico. Inicialmente se realizaron ensayos de perforación utilizando brocas de acero de alta resistencia (HSS) nuevas de 8,3 mm de diámetro, las cuales operaron a 360 rpm con una carga de 390N. Cada broca se afiló después de cada ensayo utilizando dos ángulos de afilado en su punta (118º y 135º) y se realizaron nuevamente ensayos de perforación a los recubrimientos, encontrándose que el ángulo con el que se obtiene la menor variación en la profundidad de perforación con respecto a los resultados obtenidos con brocas nuevas es el de 118º. Adicionalmente, se evaluó el perfil de micro-dureza Vickers sobre un corte longitudinal de este tipo de brocas, encontrando pocas variaciones en al menos 7mm medidos desde la punta y hacia su interior. Finalmente, se determinó que al realizar hasta 2 reafilados a las brocas, se obtienen pocas variaciones en las profundidades de perforación después de cada reafilado.ABSTRACT: The effect of the drill bit sharp on the drill depth of alumina-titania coatings manufactured by atmospheric plasma spraying was studied. The drilling tests were carried out using High Speed Steel (HSS) drill bits of 8,3 mm in diameter, the applied load and the rotational speed were 390 N and 360 rpm, respectively. In the sharp processes the point drill bit angles were set-off at 118° and 135°. The results indicate that the drill depth produced by a sharpened drill bit with an angle of 118° is similar to that generated using new drill bits. Additionally, the Vickers profile on the axial section of drill bit indicates that its micro-hardness is constant along 7 mm from its point, and then 2 sharps could be realized in each drill bit without affect its drilling ability

Influencia de la técnica de proyección térmica en las propiedades mecánicas y en la bioactividad de recubrimientos de vidrio bioactivo

RESUMEN: Para elaborar los recubrimientos de vidrio bioactivo pertenecientes al sistema 31SiO2-11P2O5- (58-X) CaO –X MgO. (X=0 y 2) sobre acero AISI 316L y Ti6Al4V, se utilizaron las técnicas de proyección térmica por plasma y por llama oxiacetilénica. Se encontró que la dureza y la tenacidad a la fractura son ligeramente superiores en los recubrimientos proyectados por proyección térmica por plasma. El ensayo de bioactividad fue realizado en presencia del fluido biológico simulado propuesto por Kokubo a 37°C, formándose después de 15 días una capa de apatita de aproximadamente 41 µm sobre la superficie de los recubrimientos elaborados por plasma y 59 µm sobre los recubrimientos elaborados por llama.ABSTRACT: To elaborated bioactive glass coatings to the11P2O5 31SiO2-(58-X) X CaO-MgO system. (X = 0 and 2) onto steel AISI 316L and Ti6Al4V were used thermal spray techniques by plasma and oxyacetylene flame. It was found that hardness and fracture toughness are slightly higher in coatings fabricated for plasma spray. Bioactivity assay was performed in the presence of simulated biological fluid proposed by Kokubo to 37 ° C, after 15 days forming an apatite layer of about 41 μm on the surface of the coatings produced by plasma and 59 μm onto the coatings prepared by flame