Vlastnosti materiálů s povrchovými vrstvami nanášenými kinetickou depozicí
Loading...
Date
Authors
Doubrava, Marek
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Práce se zabývala depozicí slitiny Inconel 713LC pomocí technologie Cold Spray, při použití dusíku jako pracovního plynu a měla za cíl posoudit vhodnost této kombinace materiálu a technologie jako nástroje pro opravu opotřebovaných součástí. Analýza prášku odhalila problémy s jeho deponovatelností, a to především vysoké tvrdosti (450 ± 31 HV0,02) a přítomnosti aglomerátů. Ty byly pomocí optimalizace procesních parametrů z velké části odstraněny, což rezultovalo v možnost tvorby nástřiků s tloušťkou až 900 µm, disponující tvrdostí ~800 HV1, porozitou 0,04 % v as-sprayed stavu a 0,01 % ve stavu po tepelném zpracování. V průběhu optimalizace depozičních parametrů rostla také kohezní pevnost samotných nástřiků, která byla studována pomocí měření nano i makro tvrdosti a Scratch testu. Nástřiky byly schopné odolat iniciaci trhlin při tvorbě vtisku se zatížením 5 kg (HV5). V rámci zkoušek adhezní pevnosti bylo dosaženo maximální hodnoty 65,5 MPa při tloušťce nástřiku 300 µm, který byl deponován na leštěný substrát. S rostoucí tloušťkou nástřiku však adhezní pevnost klesala. Jednou z vhodných povrchových úprav substrátu pro zisk kvalitního rozhraní bylo broušení s výslednou hodnotou drsnosti povrchu Ra 0,2 µm. Nástřik o tloušťce 876 µm na substrátu IN713LC vykazoval minimální adhezní pevnost 18,8 MPa. V případě kvalitního rozhraní substrát/nástřik je právě toto rozhraní nejslabším článkem systému a dochází zde k iniciaci únavových trhlin. Pokud rozhraní kvalitní není, k iniciaci dochází na vadách pod povrchem substrátu. V žádném z případů nebylo dosaženo stavu, kdy by se poškození iniciovalo na povrchu nástřiku nebo na vadách pod jeho povrchem. Ve specifických případech bylo možné pozorovat pozitivní vliv tlakových napětí, které se indukovaly během depozice v systému substrát/nástřik. Fraktografická analýza dále odhalila a pomohla popsat oblast šíření únavových trhlin v nástřicích.
The study focused on the deposition of Inconel 713LC alloy using Cold Spray technology, with nitrogen as the working gas, aimed to assess the suitability of this material and technology for repairing worn components. Initial power analysis identified potential problems with sprayability, primarily due to high hardness (450 ± 31 HV0,02) and the presence of agglomerates. These issues were largely mitigated through optimization of deposition parameters, resulting in the ability to create coatings with a thickness of up to 900 µm, exhibiting a hardness of ~800 HV1, porosity of 0,04 % in the as-sprayed state, and 0,01 % after heat treatment. During the optimization of deposition parameters, the cohesive strength of the coatings also improved, as studied through measurements of nano- and macro-hardness and Scratch tests. Notably, the coatings were capable of resisting crack initiation under a load of 5 kg (HV5). Maximum value of adhesion strength (65,5 MPa) was achieved with a coating thickness of 300 µm deposited onto polished substrate. However, adhesion strength decreased with increasing coating thickness. Grinding, resulting in a substrate surface roughness of Ra 0,2 µm, was identified as one of the suitable surface treatments for achieving a high-quality interface. A coating of 876 µm in thickness on an IN713LC substrate exhibited a minimum adhesion strength of 18,8 MPa. Regarding fatigue properties, in cases where the substrate/coating interface was of high quality, this interface was the weakest link of the system, and fatigue cracks initiated there. Conversely, if the interface was not of high quality, initiation occurred at defects beneath the substrate surface because the system acted like there is no interface. In no case did damage initiate on the coating surface or within subsurface defects. In specific instances, the positive influence of compressive stresses induced during deposition in the substrate/coating system was observed. Fractographic analysis further identified and described the region of fatigue crack propagation within the coatings.
The study focused on the deposition of Inconel 713LC alloy using Cold Spray technology, with nitrogen as the working gas, aimed to assess the suitability of this material and technology for repairing worn components. Initial power analysis identified potential problems with sprayability, primarily due to high hardness (450 ± 31 HV0,02) and the presence of agglomerates. These issues were largely mitigated through optimization of deposition parameters, resulting in the ability to create coatings with a thickness of up to 900 µm, exhibiting a hardness of ~800 HV1, porosity of 0,04 % in the as-sprayed state, and 0,01 % after heat treatment. During the optimization of deposition parameters, the cohesive strength of the coatings also improved, as studied through measurements of nano- and macro-hardness and Scratch tests. Notably, the coatings were capable of resisting crack initiation under a load of 5 kg (HV5). Maximum value of adhesion strength (65,5 MPa) was achieved with a coating thickness of 300 µm deposited onto polished substrate. However, adhesion strength decreased with increasing coating thickness. Grinding, resulting in a substrate surface roughness of Ra 0,2 µm, was identified as one of the suitable surface treatments for achieving a high-quality interface. A coating of 876 µm in thickness on an IN713LC substrate exhibited a minimum adhesion strength of 18,8 MPa. Regarding fatigue properties, in cases where the substrate/coating interface was of high quality, this interface was the weakest link of the system, and fatigue cracks initiated there. Conversely, if the interface was not of high quality, initiation occurred at defects beneath the substrate surface because the system acted like there is no interface. In no case did damage initiate on the coating surface or within subsurface defects. In specific instances, the positive influence of compressive stresses induced during deposition in the substrate/coating system was observed. Fractographic analysis further identified and described the region of fatigue crack propagation within the coatings.
Description
Citation
DOUBRAVA, M. Vlastnosti materiálů s povrchovými vrstvami nanášenými kinetickou depozicí [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2024.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Fyzikální a materiálové inženýrství
Comittee
prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Klára Částková, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Vít Jan, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Martin Trunec, Dr. (předseda)
Date of acceptance
2024-12-04
Defence
Přínos disertační práce je teoretické a exprimentální zkoumání nanášení povrchové vrstvy žárupevných slitin metodou kinetické depozice. Výsledky práce pomohou pro uvedení metody do praxe. Byly stanoveny kritické parametry povlakování pro úspěšné povlakování a definovány směry pro zlepšení depozice.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení