Modern HVAF Spray Process and Cr3C2 -Based Coatings : Exploring the process, structure, properties and performance

Abstract

Useilla teollisuuden aloilla, mm. energiateollisuudessa, paperi- ja selluteollisuudessa ja vesivoiman tuotannossa, kuluminen ja korroosio jossakin muodossa rajoittaa tuotantoprosessien tehokkuutta ja ajoaikaa. Termisesti ruiskutetut kovametallipinnoitteet ovat yleinen ratkaisu kulumisen estämiseksi ja ne mahdollistavat kappaleen pintaominaisuuksien räätälöinnin käyttökohteen vaatimusten mukaisesti. Yleisimmät kovametallipinnoitteiden koostumukset ovat WC-Co(Cr) ja Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-25NiCr, jotka on ruiskutettu HVOF-suurnopeusliekkiruiskutusmenetelmällä. WC-pohjaisilla pinnoitteilla on tyypillisesti korkeampi mikrokovuus ja abraasiokestävyys verrattuna Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-pohjaisiin pinnotteisiin, mutta toisaalta niillä on matalampi korroosion ja hapettumisen kestävyys rajoittaen niiden käyttöä korkeammissa lämpötiloissa. Lisäksi, volframi ja koboltti on listattu EU:n toimesta kriittisiksi raaka-aineiksi ja volframi on yksi neljästä konfliktimineraaleista. Vaihtoehtoisia pinnoiteratkaisuja tarvitaan raaka-aineiden hankintaan liittyvien riskien pienentämiseen. Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-pohjaisten pinnoitteiden laadun ja kulumiskestävyyden parantaminen mahdollistaisi niiden laajemman käytön kustannustehokkaina vaihtoehtoina WC-pohjaisille koostumuksille ja kovakromaukselle lukuisissa sovelluksissa.

Viimeisten vuosikymmenten aikana kovametallien pinnoituksessa on tavoiteltu korkeampia partikkelinopeuksia ja matalampia lämpötiloja ruiskutuksen aikana tapahtuvan hiilenkadon ehkäisemiseksi ja pinnoitteiden tiiveyden ja koheesion parantamiseksi. Moderni HVAF-suurnopeusliekkiruiskutusmenetelmä edustaa tämän suuntauksen viimeisintä kehitysaskelta. Korkealaatuiset HVAF-ruiskutetut Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-pohjaiset pinnoitteet laajentaisivat niiden käyttökohteiden määrää vaihtoehtona WC-pohjaisille pinnoitteille. HVAF-ruiskutettujen Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-pohjaisten pinnoitteiden muodostumista, etenkin karbidipitoisuutta ja karbidien liukenemista, ja rakennetta ei ole aiemmin tutkittu. Nämä ovat kriittisiä tekijöitä, jotka määrittävät pinnoitteen ominaisuudet, suorituskyvyn ja potentiaalin vaihtoehtoisena ratkaisuna.

Tässä työssä tutkittiin HVOF- ja HVAF -ruiskutettuja Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-25NiCr -materiaaleja ja kahta vaihtoehtoista Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-pohjaista koostumusta, Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-50NiCrMoNb ja Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-37WC-18NiCoCr. Pinnoitteiden muodostumisen, rakenteen ja karbidien säilymisen tutkimiseksi luotiin EDS- ja kuva-analyysiä hyödyntävä analyysimenetelmä. Lisäksi materiaalien ruiskutuksessa hyödynnettiin online-diagnostiikkaa partikkelinopeuksien ja -lämpötilojen mittaamiseksi. Tutkimuksissa todettiin korkean partikkelinopeuden ja karkean karbidikoon (5 µm) yhdessä aiheuttavan merkittävää karbidimäärän vähenemistä HVAF-ruiskutetuissa pinnoitteissa. Toisaalta, pinnoitteen koheesio ja tiiveys paranivat, ja karbidien liukenema väheni HVOF-ruiskutettuihin pintoihin verattuna. Ruiskutuksenaikainen karbidikato väheni merkittävästi kun lähtöaineena käytettiin plasmatiivistettyä jauhetta, jonka karbidikoko oli hienompi (2.5 µm). Tämän tuloksena pinnoitteen karbidipitoisuus säilyi merkittävästi korkeampana nostaen abraasio-, eroosio- ja liete-eroosiokulumisen kestävyyttä.

Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-50NiCrMoNb -materiaalin korkeampi matriisipitoisuus vähensi karbidien liuekenemista, jättäen suurempia metallisia alueita sitkeään ja muokkautuvaan tilaan. Tämä paransi kavitaatiokestävyyttä, kun taas pinnoitteen abraasio- ja eroosiokestävyys heikkenivät. Molempia karbideja sisältävästä Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-37WC-18NiCoCr -koostumuksesta valmistetut pinnoitteet olivat tiiviitä ja mekaanisilta ominaisuuksiltaan parempia. Tämän ansiosta abraasio-, eroosio-, kavitaatio- ja liukukuluminen vähenivät, tehden koostumuksesta erittäin mieleenkiintoisen vaihtoehdon HVOF-ruiskutetuille WC-10Co4Cr -pinnoitteille.

Tutkimuksen kaikissa tapauksissa HVAF-ruiskutetut pinnoitteet olivat kulumiskestävyydeltään parempia verrattuna HVOF-menetelmällä ruiskutettuihin verrokkeihin ja teräsreferensseihin, nimittäin 13-4 (CA6NM) -turbiiniteräkseen ja 316L -ruostumattomaan teräkseen. Matalammasta prosessilämpötilasta johtuen HVAF-pinnoituksessa voidaan käyttää partikkelikooltaan hienompia jauheita lähtöaineina, minkä ansiosta muodostuvat pinnoitteet ovat rakenteeltaan hienojakoisempia ja ominaisuuksiltaan parempia. Korkea partikkelinopeus ja matalampi lämpötila tekevät kuitenkin lähtöaineen valinnasta vielä merkittävämmän tekijän, kun pyritään samanaikaisesti maksimoimaan saanto, karbidimäärä ja kulumiskestävyys. HVAF-prosessin ja hienoa karbidikokoa hyödyntävien lähtöaineiden yhdistäminen mahdollistaa erittäin kulutustakestävien pintojen valmistuksen kustannustehokkaammin muihin suurnopeusliekkiruiskutusmenetelmiin verrattuna. Tämä laajentaa mahdollisten sovellusten määrää kovakromin ja HVOF-ruiskutettujen WC-pohjaisten pinnoitteiden korvaamiseksi HVAF-ruiskutetuilla Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-pohjaisilla pinnoitteilla.

In many industrial fields, e.g. in power generation, pulp and paper and hydro power, wear or corrosion in some form is limiting the efficiency or running time of the processes. Thermally sprayed hardmetal coatings are a standard solution for wear protection and they allow tailoring of the component surface properties based on the design requirements and the operational environment. The most common hardmetal coating compositions are WC-Co(Cr) or Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-NiCr and sprayed with High-Velocity Oxygen-Fuel (HVOF) spray process. The WC-based coatings have generally higher microhardness and abrasion wear resistance compared to Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-based coatings, but in turn, they have lower corrosion and oxidation resistance restricting their use at eleveted temperatures. Also, both tungsten and cobalt have been listed as critical raw materials by EU and in addition tungsten is one of the four conflict minerals. Alternative coating solutions are needed to reduce the risks related to raw materials. Increasing the quality and wear resistance of Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-based coatings would expand their use as a cost-effective alternatives to WC-based compositions and hard chrome plating in numerous applications.

During the last decades, the trend in spray processing of hardmetal compositions has been moving towards higher particle velocities and lower particle temperatures to control the decarburisation of the sprayed material and to increase the coating density and cohesion. Modern High-Velocity Air-Fuel (HVAF) spray process stands for the latest advancement in this trend. The potentially improved quality of HVAF sprayed coatings together with cost-effective Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-based materials could provide alternatives to the WC-based compositions. The effect of modern HVAF spray process on the Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-based coating formation, i.e. dissolution and carbide content, and structure have not been studied before. These are critical factors in defining the coating properties, performance and potential as alternative solution.

In this work, standard Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-25NiCr materials and two alternative Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-based complex alloys, namely Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-50NiCrMoNb and Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB> sprayed with HVOF and HVAF spray processes. Structural analysis method based on image analysis and energy dispersive spectroscopy (EDS) was created to study the coating formation and carbide retention. In addition, online spray diagnostics was used to measure the particle in-flight parameters. It was concluded that the high particle velocity and fine particle size combined with large carbide size ( 5 µm) was detrimental to carbide retention, leading to reduced carbide content in HVAF sprayed coatings. In turn, coating cohesion and density were improved, and carbide dissolution reduced compared to HVOF sprayed coatings. The carbide rebounding was substantially reduced with plasma densified feedstock material with finer carbide size ( 2.5 µm). As a result, higher carbide content was maintained in the coatings, which translated to higher abrasion, erosion and slurry erosion wear resistance.

The higher matrix content of Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-50NiCrMoNb reduced the carbide dissolution, leaving larger volume of the matrix alloy in ductile state. This improved the cavitation erosion resistance while abrasion and erosion resistance was reduced. The mixed carbide composition of Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB>-37WC-18NiCoCr produced dense coatings with improved mechanical properties. This translated into significantly improved abrasion, erosion, room temperature sliding and cavitation erosion wear resistance, making the composition very attractive alternative for HVOF sprayed WC- 10Co4Cr coatings.

In all cases the HVAF sprayed coatings provided significant increases in wear resistance compared to HVOF sprayed counterparts and the bulk steel references, namely 13-4 (CA6NM) turbine steel and 316L stainless steel. Due to the lower combustion temperature of HVAF, finer powder ranges can be used to produce refined coating structures with improved properties. However, the lower temperature makes the selection of feedstock material even more crucial factor in the pursuit of combining high deposition efficiency, high carbide content and high wear resistance. Employing HVAF spray process and feedstock materials with fine carbide size, allow the application of cost-effective coatings with higher wear resistance compared to coatings produced with other high-velocity flame spray processes. This increases the number of potential applications in which hard chrome or HVOF sprayed WC-based coatings could be replaced with HVAF sprayed Cr<SUB>3</SUB>C<SUB>2</SUB> -based coatings.