Tribological Properties of Al2O3 + TiO2 Coatings Manufactured by Plasma Spraying

• Autorzy: Łatka Leszek , Niemiec Aneta , Michalak Monika , Sokołowski Paweł

Warianty tytułu

PL

Właściwości tribologiczne powłok Al2O3 + TiO2 wytworzonych metodą natryskiwania plazmowego proszkowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the paper the results of tribological, microscopic, and mechanical research of Al₂O₃ + TiO₂ coatings manufactured by plasma spraying are presented. The feeding material was a powder Al₂O₃ + 13 wt.% TiO₂ (Metco 6221, OerlikonMetco) with grain size – 45 ± 15 μm. The cylinder substrates made from stainless steel (X5CrNi18-10) had a diameter equal to 25 mm and 2 mm of thickness. The variable spray parameters were plasma torch velocity in terms of substrate and spray distance. The morphology of obtained coatings was tested by scanning electron microscope (SEM), and the microstructure was investigated by light optical microscopy (LOM) and SEM. The results of mechanical properties examinations revealed the dependence of the microhardness and fracture toughness on the spray parameters. Tribological examinations were made in the ball-on-disc mode in technical dry friction conditions. Two loads were used, 5 N and 10 N. Based on the carried out tests, it could be concluded that a shorter spray distance and a reduction of the torch velocity allows one to achieve a more compact structure, which is characterized by good adhesion at the coating-substrate interface (in range from 11 to 14 MPa) and good wear resistance.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań tribologicznych, mikroskopowych oraz mechanicznych powłok Al₂O₃ + TiO₂ natryskanych cieplnie metodą plazmową. Materiałem na powłoki był proszek Al₂O₃ + 13% wag. TiO₂ (Metco 6221, OerlikonMetco) o rozkładzie wielkości cząstek -45 ±15 μm. Jako podłoże zostały użyte krążki ze stali austenitycznej X5CrNi18-10. Zmiennymi parametrami procesu była prędkość przesuwania palnika plazmowego względem podłoża oraz odległość palnika od natryskiwanej powierzchni. Morfologię otrzymanych powłok badano przy pomocy skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM), natomiast badania mikrostruktury przeprowadzono przy użyciu mikroskopu świetlnego oraz SEM. Badania właściwości mechanicznych wykazały zależność twardości oraz odporności na kruche pękanie (KC) od zastosowanych parametrów natryskiwania. Badania tribologiczne wykonano w styku kula–tarcza w warunkach tarcia suchego (technicznie). Zastosowano obciążenie 5 N oraz 10 N. Na podstawie przeprowadzonych badań można wnioskować, że skrócenie odległości natryskiwania oraz zmniejszenie prędkości przesuwu palnika względem podłoża pozwala uzyskać zwartą strukturę, która charakteryzuje się dobrą przyczepnością na styku powłoka–podłoże (w zakresie od 11 do 14 MPa) oraz dobrą odpornością na zużycie ścierne.

Słowa kluczowe

EN

plasma spraying; coating; microstructure; wear resistance; friction coefficient

PL

natryskiwanie plazmowe; powłoka; mikrostruktura; odporność na zużycie ścierne; współczynnik tarcia

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2019
• Tom: nr 1
• Strony: 19--24
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys.

Twórcy

autor

Łatka Leszek

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, ul. Ignacego Łukasiewicza 5, 50-371 Wrocław, Poland

autor

Niemiec Aneta

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, ul. Ignacego Łukasiewicza 5, 50-371 Wrocław, Poland

autor

Michalak Monika

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, ul. Ignacego Łukasiewicza 5, 50-371 Wrocław, Poland

autor

Sokołowski Paweł

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, ul. Ignacego Łukasiewicza 5, 50-371 Wrocław, Poland

Bibliografia

• 1. Pawłowski L.: The science and engineering of thermal spray coatings, 2nd ed. Willey, Chichester, England, 2008.
• 2. Toma F.-L., Berger L.-M., Stahr C. C., Naumann T., Langner S.: Microstructures and functional properties of suspension-sprayed Al2O3 and TiO2 Coatings: an overview, Journal of Thermal Spray Technology 19, 2010, 262–274.
• 3. Góral A., Żórawski W.: Charakterystyka mikrostruktury powłok Ni-Al2O3 natryskanych zimnym gazem, Przegląd Spawalnictwa, R. 87, 2015, 34–37.
• 4. Szala M., Hejwowski T.: Cavitation erosion resistance and wear mechanism model of flame-sprayed Al2O3-40%TiO2/NiMoAl cermet coatings, Coatings, 8, 254, 2018.
• 5. Sert Y., Toplan N.: Tribological bahavior of a plasma sprayed Al2O3-TiO2-Cr2O3 coatings, Materials and Technology, 47, 2013, 181–183.
• 6. Ibrahim A., Hamdy A. S.: Microstructure, corrosion and fatigue properties of alumina-titania nanostructured coatings, Journal of Surfaced Engineered Materials and Advanced Technology, 1, 2011, 101–106.
• 7. Geaman V., Pop M. A., Motoc D. L., Radomir I.: Tribological properties of thermal spray coatings, European Scientific Journal, 3, 2013, 154–159.
• 8. Steeper T. J., Varacalle D. J., Wilson G. C., Riggs W. L., Rotolico A. J., Nerz J.: A design of experiment study of plasma-sprayed alumina-titania coatings, J. Therm. Spray Technol. 2 (1993), 251–256.
• 9. Bernecki T. F., A.I.T.S. Division, H.T.S. of Japan, Thermal spray coatings: properties, processes, and applications: proceedings of the Fourth National Thermal Spray Conference, 4–10 May 1991, Pittsburgh, Pennsylvania, USA, ASM International, 1992.
• 10. Wang M., Shaw L. L.: Effects of the powder manufacturing method on microstructure and wear performance of plasma sprayed alumina–titania coatings, Surf. Coat. Technol. 202 (2007), 34–44.
• 11. Singh V. P., Sil A., R. Jayaganthan: Tribological behavior of plasma sprayed Cr2O3–3%TiO2 coatings, Wear. 272 (2011), 149–158.
• 12. Aruna S. T., Balaji N., Shedthi J., Grips V. K. W.: Effect of critical plasma spray parameters on the microstructure, microhardness and wear and corrosion resistance of plasma sprayed alumina coatings, Surf. Coat. Technol. 208 (2012), 92–100.
• 13. Song E. P., Ahn J., Lee S., Kim N. J.: Effects of critical plasma spray parameter and spray distance on wear resistance of Al2O3–8 wt.%TiO2 coatings plasma-sprayed with nanopowders, Surf. Coat. Technol. 202 (2008), 3625–3632.
• 14. Wahab J. A., Ghazali M. J., Baharin A. F. S.: Microstructure and mechanical properties of plasma sprayed Al2O3 – 13%TiO2 Ceramic Coating, MATEC Web Conf. 87 (2017) 02027.
• 15. Zavareh M. A., Sarhan A. A. D. M., Razak B. B. A., Basirun W. J.: Plasma thermal spray of ceramic oxide coating on carbon steel with enhanced wear and corrosion resistance for oil and gas applications, Ceram. Int. 40 (2014), pp. 14267–14277.
• 16. Bannier E., Vicent M., Rayón E., Benavente R., Salvador M. D., Sánchez E.: Effect of TiO2 addition on the microstructure and nanomechanical properties of Al2O3 Suspension Plasma Sprayed coatings, Appl. Surf. Sci. 316 (2014), 141–146.
• 17. Tian W., Wang Y., Yang Y.: Three body abrasive wear characteristics of plasma sprayed conventional and nanostructured Al2O3-13%TiO2 coatings, Tribol. Int. 43 (2010), 876–881.
• 18. ASTM E2109-01(2014) Standard Test Methods for Determining Area Percentage Porosity in Thermal Sprayed Coatings, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014.
• 19. Pędzich Z., Piekarczyk J., Stobieralski L., Szutkowska M., Walat E.: Twardość Vickersa i odporność na kruche pękanie wybranych kompozytów ceramicznych, Kompozyty, 3, 2003, 296–300.
• 20. PN-87 H-04335: Metoda badania odporności na pękanie w płaskim stanie odkształcenia, 1987.
• 21. Pampuch R.: Materiały ceramiczne, PWN, Warszawa 1988.
• 22. Palmqvist S.: Occurrence of crack formation during Vickers indentation as a measure of the toughness of hard metals, Arch. Eisenhuttenwes., 33, 1962, 629–633.
• 23. Blicharski M.: Inżynieria materiałowa, WNT, Warszawa 2014.
• 24. Munz D., Felt T.: Ceramicy: mechanical properties, failure behaviour, materials selection, Berlin, Heidelberg, Springer Yerlag, New York 1999.
• 25. Niihara K.: A fracture mechanics analysis of indentation-induced Palmqvist crack in ceramics, Journal of Materials Science Letters, 2, 1983, 221–223.
• 26. Anstis G. R., Chantikul P., Lawn B. R., Marshall D. B.: A critical evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness: I, Direct crack measurements, Journal of the American Ceramic Society, 64, 1981, 533–538.
• 27. ASTM G99-17 – Standard test method for wear testing with pin-on-disk apparatus.
• 28. Yugeswaran S., Selvarajan V., Vijay M., Ananthapadmanabhan P. V. , Sreekumar K. P.: Influence of critical plasma spraying parameter (CPSP) on plasma sprayed Alumina–Titania composite coatings, Ceramics International, 36, 2010, 141–149.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).