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

Abstract

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.