Analysis of the Tribological Properties of Cu-aTiO2 Composite Coatings Applied by the Cold Spray Method

• Autorzy: Rutkowska-Gorczyca Małgorzata , Ptak Anita , Winnicki Marcin

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0014.5907

Warianty tytułu

PL

Analiza właściwości tribologicznych powłok kompozytowych Cu-aTiO2 nanoszonych metodą cold spray

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The properties of copper have been known and used for a very long time, and research has also been carried out for a long time to expand the applications of this material. One of the methods increasing the bactericidal and bacteriostatic effect of copper is modification by means of the TiO₂ phase. The research was conducted in order to determine the impact of modification of copper coatings with TiO₂ titanium dioxide on their tribological properties. The paper presents the results of studies on tribological wear of composite coatings applied on steel using the method of low-pressure cold gas spraying (LPCS). The tests of resistance to abrasive wear were carried out in a ball-disc combination in reciprocating motion. The analysis of the resistance to abrasive wear of the tested coatings included the determination of the impact of the pressure force on the intensity of wear and the kinetic friction coefficient of the tested friction pairs. It was found that the samples covered only with copper coatings were characterized by a higher value of friction coefficient in relation to the substrate made of AISI 316l steel. The modification of copper with the submicron particles TiO₂ fraction does not increase the value of friction coefficient. The value of this parameter is maintained at a similar level regardless of the applied counterspecimen.

PL

Właściwości miedzi są znane i wykorzystywane od bardzo dawna, od dawna również są prowadzone badania nad zwiększeniem możliwości zastosowania tego materiału. Jedną z metod zwiększających działanie bakteriobójcze i bakteriostatyczne miedzi jest modyfikacja fazą TiO₂ . Badania przeprowadzono w celu określenia wpływu modyfikacji powłok miedzianych ditlenkiem tytanu TiO₂ na ich właściwości tribologiczne. W pracy zaprezentowano wyniki badań zużycia tribologicznego powłok kompozytowych nanoszonych na stal metodą niskociśnieniowego natrysku zimnym gazem (LPCS). Badania odporności na zużycie ścierne wykonano w skojarzeniu kula–tarcza, w ruchu posuwisto-zwrotnym. Analiza odporności na zużycie ścierne badanych powłok obejmowała określenie wpływu siły nacisku na intensywność zużywania i współczynnik tarcia kinetycznego badanych par trących. Stwierdzono, że próbki pokryte wyłącznie powłoką miedzianą charakteryzują się wyższą wartością współczynnika tarcia, w stosunku do podłoża ze stali AISI 316l. Modyfikacja miedzi frakcją submikronowych cząstek TiO₂ nie powoduje zwiększenia wartości współczynnika tarcia. Wartość tego parametru zostaje zachowana na podobnym poziomie niezależnie od zastosowanego obciążenia przeciwpróbki.

Słowa kluczowe

EN

composite coatings; LPCS; friction; abrasive wear

PL

powłoki kompozytowe; LPCS; tarcie; zużycie ścierne

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2020
• Tom: nr 4
• Strony: 51--57
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Rutkowska-Gorczyca Małgorzata

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Vehicle Engineering, Łukasiewicza 5 Street, 50-370 Wrocław, Poland

autor

Ptak Anita

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Fundamentals of Machine Design and Mechatronic Systems, Łukasiewicza 5 Street, 50-370 Wrocław, Poland

autor

Winnicki Marcin

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Metal Forming, Welding and Metrology, Łukasiewicza 5 Street, 50-370 Wrocław, Poland

Bibliografia

• 1. Park, Y.J.; Song, Y.H.; An, J.H.; Song, H.J.; Anusavice, K.J.: Cytocompatibility of pure metals and experimental binary titanium alloys for implant materials. J. Dent. 2013, 41, pp. 1251–1258.
• 2. Wilks, S.A.; Michels, H.; Keevil, C.W.: The survival of Escherichia coli O157 on a range of metal surfaces. Int. J. Food Microbiol. 2005, 105, pp. 445–454.
• 3. Wojcieszak, D.; Mazur, M.; Kalisz, M.; Grobelny, M.: Influence of Cu, Au and Ag on structural and Surface properties of bioactive coatings based on titanium. Mater. Sci. Eng. C 2017, 71, pp. 1115–1121.
• 4. Grass, G.; Rensing, C.; Solioz, M. Metallic copper as an antimicrobial surface. Appl. Environ. Microbiol. 2011, 77, pp. 1541–1547.
• 5. Chen, S.; Guo, Y.; Zhong, H.; Chen, S.; Li, J.; Ge, Z.; Tang, J.: Synergistic antibacterial mechanism and coating application of copper/titanium dioxide nanoparticles. Chem. Eng. J. 2014, 256, pp. 238–246.
• 6. El-Eskandrany, M.S.; Al-Azmi, A.: Potential applications of cold sprayed Cu50 Ti20 Ni30 metallic glassy alloy powders for antibacterial protective coating in medical and food sectors. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2016, 56, pp. 183–194.
• 7. Yamada, M.; Isago, H.; Nakano, H.; Fukumoto, M.: Cold spraying of TiO2 photocatalyst coating with nitrogen process gas. J. Therm. Spray Technol. 2010, 19, pp. 1218–1223.
• 8. Huang, T.; Sui, M.; Li, J.: Inactivation of E. coli by nano-Cu/MWCNTs combined with hydrogen peroxide. Sci.Total Environ. 2017, 574, pp. 818–828.
• 9. Mohajeri, S.; Dolati, A.; Ghorbani, M.: The influence of pulse plating parameters on the electrocodeposition of Ni-TiO2 nanocomposite single layer and multilayer structures on copper substrates. Surf. Coatings Technol. 2015, 262, pp. 173–183.
• 10. Ramalingam, S.; Muralidharan, V.S.; Subramania, A.: Electrodeposition and characterization of Cu-TiO2 nanocomposite coatings. In Proceedings of the Journal of Solid State Electrochemistry; 2009; Vol. 13, pp. 1777–1783.
• 11. Rutkowska-Gorczyca, M.: X-ray diffraction and microstructural analysis of Cu–TiO2 layers deposited by cold spray. Mater. Sci. Technol. (United Kingdom) 2020.
• 12. Sanjabi, S.; Shirani, A.: The morphology and corrosion resistance of electrodeposited Co-TiO2 nanocomposite coatings. Mater. Corros. 2011, p. 63.
• 13. Vilardell, A.M.; Cinca, N.; Dosta, S.; Cano, I.G.; Guilemany, J.M.: Feasibility of using low pressure cold gas spray for the spraying of thick ceramic hydroxyapatite coatings. Int. J. Appl. Ceram. Technol. 2019, 16, pp. 221–229.
• 14. Winnicki, M.; Baszczuk, A.; Jasiorski, M.; Borak, B.; Małachowska, A.: Preliminary studies of TiO2 nanopowder deposition onto metallic substrate by low pressure cold spraying. Surf. Coatings Technol. 2019, 371, pp. 194–202.
• 15. Wojcieszak, D.; Kaczmarek, D.; Antosiak, A.; Mazur, M.; Rybak, Z.; Rusak, A.; Osekowska, M.; Poniedzialek, A.; Gamian, A.; Szponar, B.: Influence of Cu-Ti thin film surface properties on antimicrobial activity and viability of living cells. Mater. Sci. Eng. C 2015, 56, pp. 48–56.
• 16. Chung, C.J.; Chiang, C.C.; Chen, C.H.; Hsiao, C.H.; Lin, H.I.; Hsieh, P.Y.; He, J.L.: Photocatalytic TiO2 on copper alloy for antimicrobial purposes. Appl. Catal. B Environ. 2008, 85, pp. 103–108.
• 17. Mungkalasiri, J.; Bedel, L.; Emieux, F.; Doré, J.; Renaud, F.N.R.; Maury, F.: DLI-CVD of TiO2-Cu antibacterial thin films: Growth and characterization. Surf. Coatings Technol. 2009, 204, pp. 887–892.
• 18. Utu, I.D.; Marginean, G.; Hulka, I.; Serban, V.A.; Cristea, D.: Properties of the thermally sprayed Al2O3-TiO2 coatings deposited on titanium substrate. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2015, 51, pp. 118–123.
• 19. Winnicki, M.; Rutkowska-Gorczyca, M.; Małachowska, A.; Piwowarczyk, T.; Ambroziak, A.: Microstructure and Corrosion Resistance of Aluminium and Copper Composite Coatings Deposited by LPCS Method. Arch.Metall. Mater. 2016, 61, pp. 1945–1952.
• 20. Winnicki, M.; Baszczuk, A.; Rutkowska-Gorczyca, M.; Ambroziak, A.: Corrosion resistance of tin coatings deposited by cold spraying. Taylor Fr. 2016, 32, pp. 691–700.
• 21. Zheng, X.; Shi-Peng, S.; Cheng, C.; Shi, L.; Cheng, R.; Dong-Hai, D.: Photocatalytic disinfection performance in virus and virus/bacteria system by Cu-TiO2 nanofibers under visible light. Environ. Pollut. 2018, 237, pp. 452–459.
• 22. AlMangour, B.: Fundamentals of cold spray processing: Evolution and future perspectives. In Cold-Spray Coatings: Recent Trends and Future perspectives; Springer International Publishing, 2017; pp. 3–24.
• 23. Vargas, M.A.; Rodríguez-Páez, J.E.: Amorphous TiO2 nanoparticles: Synthesis and antibacterial capacity. J. Non. Cryst. Solids 2017, 459, pp. 192–205.
• 24. Baszczuk, A.; Jasiorski, M.; Winnicki, M.: Low-Temperature Transformation of Amorphous Sol–Gel TiO2 Powder to Anatase During Cold Spray Deposition. J. Therm. Spray Technol. 2018, 27, pp. 1551–1562.
• 25. Kaur, K.; Singh, C.V. Amorphous TiO 2 as a photocatalyst for hydrogen production: a DFT study of structural and electronic properties. Energy Procedia 2012, 29, 291–299.
• 26. Kowalewski, P.; Leśniewski, T.; Wieleba, W.: Stanowisko do badań tribologicznych w złożonym ruchu cyklicznym toczno-ślizgowym. Tribologia 2007, pp. 303–311.
• 27. Łęcka, K.M.; Antończak, A.J.; Kowalewski, P.; Trzciński, M.: Wear resistance of laser-induced annealing of AISI 316 (EN 1.4401) stainless steel. Laser Phys. 2018, 28, pp. 1–8.
• 28. Berman, D.; Erdemir, A.; Sumant, A.V.: Few layer graphene to reduce wear and friction on sliding steel surfaces. Carbon N. Y. 2013, 54, pp. 454–459.
• 29. Fernández, E.; Cadenas, M.; González, R.; Navas, C.; Fernández, R.; Damborenea, J. De Wear behaviour of laser clad NiCrBSi coating. Wear 2005, 259, pp. 870–875.
• 30. Haseeb, A.S.M.A.; Albers, U.; Bade, K.: Friction and wear characteristics of electrodeposited nanocrystalline nickel-tungsten alloy films. Wear 2008, 264, pp. 106–112.
• 31. Bolelli, G.; Cannillo, V.; Lusvarghi, L.; Manfredini, T.: Wear behaviour of thermally sprayed ceramic oxide coatings. Wear 2006, 261, pp. 1298–1315.
• 32. Chao, W.L.; Wan, Y.; Wang, Y.X.; Liu, C.S.: Tribological properties of Cu-doped Ti0 2 films. Wuli Huaxue Xuebao/ Acta Phys. – Chim. Sin. 2010, 26, pp. 2317–2322.
• 33. Ramesh, C.S.; Ahmed, R.N.; Mujeebu, M.A.; Abdullah, M.: Fabrication and study on tribological characteristics of cast copper–TiO2–boric acid hybrid composites. Mater. Des. 2009, 30, pp. 1632–1637.
• 34. Vencl, A.; Rajkovic, V.; Zivic, F.; Mitrović, S.; Cvijović-Alagić, I.; Jovanovic, M.T.: The effect of processing techniques on microstructural and tribological properties of copper-based alloys. Appl. Surf. Sci. 2013, 280, pp. 646–654.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).