Surface layer of austenitic stainless steel formed by alloying with REE using high intense pulsed plasma beams (HIPPB)

• Autorzy: Sartowska B. , Barlak M. , Waliś L. , Starosta W. , Senatorski J.

Warianty tytułu

PL

Warstwa wierzchnia stali austenitycznej wytworzona metodą stopowania pierwiastkami ziem rzadkich (REE) za pomocą intensywnych impulsów plazmowych (HIPPB)

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of this work was to investigate the changes of stainless steel surface properties (morphology, REE concentration, presence of identified phases) and functional properties (wear and high temperature oxidation resistance) after REE addition with remelting of the surface layer. Modification of the near surface layer of AISI 316L steel was based on the incorporation of rare earth elements (REE) using high intensity pulsed plasma beams (HIPPB) as DPE – Deposition by Pulsed Erosion. DPE is unique technique because melting and doping of the near surface layer occurs in a single step. Samples of AISI 316L steel were irradiated with short (μs scale), intense (energy density 3 J/cm2) pulses. The pulse energy density was sufficient to melt the near surface layer of steel. Heating and cooling processes were of non-equilibrium type. The plasma pulses contain both ions/atoms of (Ce + La) from electrodes material and the working gas – nitrogen. Scanning electron microscopy (SEM), energy dispersion spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction analysis were used for initial and modified surface characterization. The wear tests and high temperature oxidation processes were carried out. An improvement of tribological properties and increasing of high temperature oxidation resistance of modified surface layer was observed as compared with initial material.

PL

Celem pracy było zbadanie zmian właściwości powierzchniowych (morfologia powierzchni, koncentracja REE, obecność zidentyfikowanych faz) i właściwości użytkowych (odporność na zużycie przez tarcie i wysokotemperaturowe utlenianie) po domieszkowaniu REE z jednoczesnym przetopieniem warstwy wierzchniej stali austenitycznej. Modyfikacja warstwy wierzchniej stali AISI 316L polegała na wprowadzeniu do jej warstwy powierzchniowej pierwiastków ziem rzadkich (REE) za pomocą intensywnych impulsów plazmowych (HIPPB) metodą DPE – Depozycja przez Impulsową Erozję (Deposition by Pulse Erosion). Metoda DPE jest unikatową techniką, ponieważ stopienie i domieszkowanie warstwy wierzchniej materiału przebiega jednocześnie. Próbki stali AISI 316L zostały naświetlone krótkimi (skala μs), intensywnymi (gęstość energii 3,0 J/cm2) impulsami. Gęstość energii pojedynczego impulsu była wystarczająca do stopienia warstwy wierzchniej stali. Procesy grzania i chłodzenia miały charakter nierównowagowy. Plasma zawierała jony/atomy pochodzące z materiału elektrod (Ce + La) i azotu jako użytego gazu roboczego. Materiały wyjściowy i modyfikowane scharakteryzowano za pomocą: skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), mikroanalizy rentgenowskiej (EDS) i dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego (XRD). Zostały przeprowadzone badania odporności na zużycie przez tarcie oraz odporności na wysokotemperaturowe utlenianie. Uzyskano poprawę właściwości tribologicznych oraz zwiększenie odporności na wysokotemperaturowe utlenianie warstw modyfikowanych w porównaniu z materiałem niemodyfikowanym.

Słowa kluczowe

EN

alloying; austenitic stainless steel; pulsed plasma beams (HIPPB); rare earth elements (REE)

PL

impulsy plazmowe (HIPPB); pierwiastki ziem rzadkich (REE); stal austenityczna; odporność na korozję; stopowanie

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 6
• Strony: 837--840
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys.

Twórcy

autor

Sartowska B.

• Institute of Nuclear Chemistry and Technology, Warsaw

autor

Barlak M.

• National Centre for Nuclear Research, Otwock/ Swierk

autor

Waliś L.

• Institute of Nuclear Chemistry and Technology, Warsaw

autor

Starosta W.

• Institute of Nuclear Chemistry and Technology, Warsaw

autor

Senatorski J.

• Institute of Precision Mechanics, Warsaw

Bibliografia

• [1] Vesel A., Mozetic M., Drenik A., Hauptman N., Balat-Pichelin M.: High temperature oxidation of stainless steel AISI316L in air plasma. Applied Surface Science 255 (2008) 1759÷1765.
• [2] Piekoszewski J., Sartowska B., Barlak M., Konarski P., Dąbrowski L., Starosta W., Waliś L., Werner Z., Pochrybniak C., Bocheńska K., Stoch P., Szymczyk W.: Improvement of high temperature oxidation resistance of AISI 316L stainless steel by incorporation of Ce-La elements using in tense pulses plasma beams. Surface and Coatings Technology 206 (2011) 854÷858.
• [3] Sun M., Wu X., Han E.-H., Rao J.: Microstructural characteristics of oxide scales grown on stainless steel exposed to supercritical water. Scripta Materialia 61 (2009) 996÷999.
• [4] Sun M., Wu X., Zhang Z.: Oxidation of 316 stainless steel in supercritical water. Corrosion Science 51 (2009) 1069÷1072.
• [5] Abreu C. M., Cristobal M. J., Novoa X. R., Pena G., Perez M. C., Rodriguez R. J.: Modification of the stainless steels passive film induced by cerium implantation. Surface and Coatings and Technology 158 (1) (2002) 582÷587.
• [6] Cheng X. H., Xie C. Z.: Effect of rare earth elements on the erosion resistance of nitrided 40Cr steel. Wear 254 (2003) 415÷420.
• [7] Riffard F., Buscail H., Caudron E., Cueff R., Issartel C., Perrir S.: Effect of yttrium addition by sol-gel coating and ion implantation on high temperature oxidation behaviour of the 304 steel. Applied Surface Science 199 (2002) 107÷122.
• [8] Cleugh D., Blawert C., Steinbach J., Ferkel H., Mordike B. L., Bell T.: Effects of rare earth additions on nitriding of EN40B by plasma immersion ion implantation. Surface and Coatings Technology 142-144 (2001) 392÷ 396.
• [9] Piekoszewski J., Werner Z., Szymczyk W.: Application of high intensity pulsed ion and plasma beams in modification of materials. Vacuum 63 (2001) 475÷581.
• [10] Sartowska B., Piekoszewski J., Waliś L., Senatorski J., Stanisławski J., Ratajczak R., Nowicki L., Kopcewicz M., Prokert F., Barlak M.: Structural and tribological properties of carbon steels modified by plasma pulses containing the inert and active ions. Surface and Coatings Technology 201 (2007) 8295÷8298.
• [11] Pereira A., Delaporte P., Sentis M., Marine W., Basillais A., Thomann A. L., Leborgne C., Semmar N., Andreazza P., Sauvage T.: Laser treatment of a steel surface in ambient air. Thin Solid Films 453-454 (2004) 16÷21.
• [12] Werner Z., Piekoszewski J., Szymczyk W.: Generation of high intensity pulsed ion and plasma beams for material processing. Vacuum 63 (2001) 701÷708.
• [13] Langner J., Piekoszewski J., Werner Z., Tereshin V. I., Chebotarev V. V., Garkusha I., Waliś L., Sartowska B., Starosta W., Szymczyk W., Kopcewicz M., Grabias A.: Surface modification of constructional steels by irradiation with high intensity pulsed nitrogen plasma beams. Surface and Coatings Technology 128-129 (2000) 105÷111.
• [14] Feng G., Qin L.: Existing forms of lanthanum in purity steels. Journal of Rare Earths 24 (1) Suppl. 1 (2006) 405÷408.
• [15] Wang X.,. Lei M. K, Zhang J. S.: Surface modification of 316L stainless steel with high-intensity pulsed ion beams. Surface and Coatings Technology 201 (2007) 5884÷5890.