Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Tribological wear of Fe-Al coatings applied by gas detonation spraying

Chrostek Tomasz

Technical Sciences / University of Warmia and Mazury in Olsztyn

|

2021

|

nr 24(1)

245--256

EN

Comparative tests of gas detonation (GDS) coatings were carried out in order to investigate the influence of spraying parameters on abrasive wear under dry friction conditions. The tests were carried out using the pin-on-disc (PoD) method at room temperature. The microstructure of the coatings was analysed by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM/EDS) methods. The results showed that with certain parameters of the GDS process, the main phase of the produced coatings is the FeAl phase with the participation of thin oxide layers, mainly Al2O3. The tribological tests proved that the coatings sprayed with the shorter barrel of the GDS gun showed higher wear resistance. The coefficient of friction was slightly lower in the case of coatings sprayed with the longer barrel of the GDS gun. During dry friction, oxide layers form on the surface, which act as a solid lubricant. The load applied to the samples during the tests causes shear stresses, thus increasing the wear of the coatings. During friction, the surface of the coatings is subjected to alternating tensile and compressive stresses, which lead to delamination and is the main wear mechanism of the coatings.

2

Structural analysis of Fe-Al coatings applied by gas detonation spraying

Chrostek Tomasz

Technical Sciences / University of Warmia and Mazury in Olsztyn

|

2020

|

nr 23(3)

221--232

EN

The article analyzes the formation of oxide phases in the structure of intermetallic FeAl coatings applied by gas detonation spraying (GDS). The structural properties of powder charge particles and FeAl coating formed during GDS were determined. The effect of the GDS process on phase changes in FeAl coating applied under controlled conditions was examined. The results indicate that at specific process parameters, FeAl powder particles are strongly oxidized in a hot stream of gases produced during supersonic combustion. Powder particles undergo very strong plastic deformation during the process, and the resulting multiphase coating contains oxide phases that form thin membranes along grain boundaries. The results of structural analyses and microanalyses of chemical composition (SEM/EDS) and phase composition (XRD) indicate that strongly heated FeAl particles undergo surface oxidation during GDS and are transformed into grains (splats) when they collide with a steel substrate. The produced FeAl coating has a multi-layered and multi-phase structure characteristic of the sprayed material, and it contains thin oxide layers, mainly Al2O3.

3

Ocena stopnia ogrzania cząstek proszku FeAl w procesie natryskiwania gazodetonacyjnego (GDS)

Senderowski C., Panas A., Paszula J., Bojar Z.

Inżynieria Materiałowa

|

2013

|

Vol. 34, nr 6

849--853

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań modelowych nagrzewania się cząstek proszku FeAl w warunkach wymuszenia cieplnego gazowym strumieniem detonacyjnym, wygenerowanym podczas jednostkowego cyklu pracy działa „Perun-S” użytego do natryskiwania intermetalicznych powłok ochronnych typu Fe-Al. Parametry fazy gazowej w płaszczyźnie Chapmana-Jougeta (C-J) wyznaczono za pomocą kodu termochemicznego TIGER z uwzględnieniem założenia miejscowej równowagi chemicznej dla warunków spalania detonacyjnego mieszaniny wybuchowej propanu z tlenem i powietrzem, jaką zastosowano w rzeczywistym procesie GDS natryskiwania powłok FeAl. Analizę jakościową przejmowania ciepła przez cząstki proszku FeAl oparto na wynikach obliczeń czasów charakterystycznych przyspieszania cząstek (τv), ich konwekcyjnego nagrzewania (τT) oraz dyfuzji ciepła (τa), w odniesieniu do orientacyjnego czasu przekraczania strefy spalania detonacyjnego oraz czasu przebywania w strefie oddziaływania produktów detonacji. Stwierdzono, że czas wyrównania temperatury (τa) jest o około dwa rzędy wielkości mniejszy od czasu (τv) i (τT) – zarówno dla cząstek w stanie stałym, jak i ciekłym. Oznacza to, że dyfuzja ciepła w cząstkach wsadu proszkowego, uwarunkowana głównie właściwościami termofizycznymi fazy FeAl, zachodzi na tyle szybko, iż temperatura w objętości cząstki nadąża za zmianami temperatury jej powierzchni, przez co cząstki proszku nagrzewają się w całej objętości prawie równomiernie niezależnie od ich rozmiaru. Stwierdzono, że ze względu na specyficzne sprzężenie zjawisk wymiany ciepła oraz wymiany pędu w przepływie dwufazowym, dla każdych warunków analizowanego przepływu istnieje graniczna wartość średnicy cząstki, która gwarantuje utrzymanie stanu stałego wsadu proszkowego. Mechanizmy zachodzących procesów wymiany ciepła i masy rozpoznano na podstawie wyników identyfikacji czasów charakterystycznych (τv, τT i τa) oraz wyników oszacowania energii przejmowanej przez cząstki FeAl od gazowych produktów detonacji. Wstępne analizy pozwalają stwierdzić, iż cząstki o średnicy powyżej ok. 5 μm nie będą w stanie przejąć wystarczającej ilości ciepła do przetopienia materiału FeAl w określonych warunkach wymuszenia cieplnego podczas przejścia FD w czasie rzędu ok. 10–6 s. Z drugiej jednak strony cząstki o średnicy mniejszej niż 5 μm mogą ulec przetopieniu, a nawet odparowaniu. Generalnie cząstki proszku FeAl z zakresu od 20 do 140 μm, pomimo oddziaływania FD i podążających za nią gazowych produktów detonacji, zachowają stan stały. Co więcej, przez odpowiedni dobór rozkładu granulometrycznego wsadu proszkowego można uzyskać warunki silnego zmiękczenia natryskiwanego materiału.

EN

The paper presents the results of modelling research of FeAl particles heating during a single work cycle of the „Perun-S” detonation gun used for deposition of intermetallic FeAl protective coatings. The forced heating conditions were taken to accommodate both the extreme conditions of the ChapmanaJouget (C-J) plane and the averaged conditions of the following exhaust gas flow. Thermal parameters of the gaseous phase were determined using TIGER thermochemical code with assumption of the local chemical equilibrium for the detonation combustion of propane-oxygen and air mixture used in the actual gas detonation spraying (GDS) of FeAl coating. The identification of the main heat and mass transfer phenomena and the ongoing qualitative analysis of heat accumulation by FeAl powder particles were based on the results of calculations of three characteristic times: particle acceleration, i.e. velocity response time (τv), convection heating, i.e. thermal response time (τT) and heat diffusion (τa). The investigated phenomena were referred to the estimated time of crossing the detonation combustion zone by FeAl particles and to the time of the particle exposition to gas detonation products. It was found that the temperature equilibration characteristic time (τa) is about two orders of magnitude smaller than the time (τv) and (τT) – both for the solid and liquid state particles. This means that the heat conduction allows for almost immediate accommodation of the bulk temperature to the surface temperature of the particle. Therefore, it could be concluded that powder particles are heated up evenly in their whole volume – irrespectively of the size. However, due to specific coupling of the momentum exchange and heat transfer phenomena there is a dimensional limit for particles that can be heated up to melting. Starting from a certain model particle diameter the convection can not supply enough energy to completely melt the particle material. The mechanisms for such a behaviour were revealed both by identification of characteristic times (τv, τT and τa) and by evaluation of the heat exchange between the gaseous and solid phases. Concluding, particles of diameter greater than approximately 5 μm will not be able to absorb heat sufficient for melting of the FeAl material under defined conditions of forced heating during the FD pass at the time of approximately 10–6 s. However, particles of diameter smaller than approximately 5 μm can be melted and even partially evaporated. Generally FeAl particles of diameter within the range from 20 to 140 μm can withstand exposition to FD conditions and the following gas detonation products thermal impact in a solid state. Moreover, applying certain powder feedstock size particle distribution conditions close to melting temperature can be achieved.

4

Residual stresses determined by the modified Sachs method within a gas detonation sprayed coatings of the Fe-Al intermetallic

Senderowski C., Bojar Z., Wołczyński W., Roy G., Czujko T.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2007

|

Vol. 52, iss. 4

569-578

EN

A modified Sachs method was applied to determine the residual surface stress in Fe-Al type intermetallic coatings deposited on a surface of carbon 1045 steel substrate by a gas detonation spray technique. The detailed theoretical model with a description of device is presented. Compressive stresses in the entire thickness of created coatings is discussed. The influence of chemical composition of powders (applied for coating deposition) on residual stress related to the structural and phase composition, as well as the degree of chemical heterogeneity of the multilayer composite coating system is analyzed. The maximum amplitude of stress on the surface of coatings is within the range of -900 to -1100 MPa for samples without boron additive and between -500 and -600 MPa for samples with boron only. The composition of the powder blend of the FeAl-intermetallic coatings deposited on the surface of the substrate affects significantly the distribution of residual stresses. The structural inhomogeneity and no repeatability of physical and chemical properties of particular structural elements are the reasons for the development of residual stresses system generation within the coating.

PL

Zastosowano zmodyfikowaną metodę Sachsa, by określić stan rozkładu naprężeń własnych w głąb kolejnych warstw strukturalnych międzymetalicznych powłok typu Fe-Al, naniesionych metodą detonacyjną na stal węglową 45. Szczegółowo przedstawiono teoretyczny model obliczeniowy z opisem urządzenia pomiarowego. Stwierdzono obecność naprężeń ściskających w całej grubości badanych powłok. Analizowano wpływ składu chemicznego proszków (zastosowanych do otrzymania powłok) na naprężenia własne wielowarstwowego kompozytowego systemu powłokowego, określając właściwości strukturalne, skład fazowy, jak również stopień niejednorodności składu chemicznego powłok. Stwierdzono, że maksymalna wartość naprężeń własnych (-900 i -1100 MPa) występuje bezpośrednio w strefie przypowierzchniowej powłok bez udziału boru i nieco mniejsze wartości z przedziału (-500 i -600 MPa) odnotowano dla powłok z dodatkiem boru. Wykazano, że skład chemiczny proszków użytych do natryskiwania detonacyjnego, wpływa na rozkład naprężeń własnych powłok międzymetalicznych typu Fe-Al natryskiwanych na podłoże stalowe. Stwierdzono, że również niejednorodność strukturalna, a w efekcie niepowtarzalność właściwości fizyko-chemicznych poszczególnych składników strukturalnych powłok, są bezpośrednią przyczyną generowania określonego układu naprężeń własnych w badanych powłokach.

5

Factors influencing abrasive wear of gas detonation sprayed FeAl - based intermetallic coatings

Senderowski C., Bojar Z.

International Journal of Applied Mechanics and Engineering

|

2004

|

Vol. 9, no spec.

65-71

EN

Gas detonation sprayed (GDS) intermetallic coatings made of Fe-Al phases are expected to be resistant to abrasive wear and may find tribological use in aggressive environments and / or at elevated temperature. Powder mixtures of Fe-Al type intermetallic phases were gas detonation sprayed on a plain carbon steel substrate to obtain protective coatings. It has been found that layered coatings structure consists of FeAl, Fe3Al and FeAl2 phases mixture with minimal content of pores. Metallographic examination of chemical and phase compositions of GDS coatings were carried out with Philips XL-30 scanning microscope integrated with DX4i - EDAX. The porosity of coatings was measured by quantitative metallography method using SIS image analyser integrated with SEM. Phase analysis of GDS coatings was performed by X-ray diffraction (XRD). Abrasion wear resistance of the GDS coatings was evaluated in tribological tests with plane - backward motion of the intermetallic coating - cast iron counter body couples. It has been found that layered structure of coating based on FeAl solid solution gives a wide range of possibilities of chemical composition changes. It has an influence on a high level of hardening, low porosity and a good adhesion of the coating. A significant difference has been observed between Fe-Al based GDS intermetallic coatings, bulk Fe3Al intermetallic alloy and alloyed cast iron behaviour during abrasion tests. The weight loss of investigated GDS coatings was about twenty five times lower than obtained for a bulk intermetallic sample and much more lower in comparison to alloyed cast iron tested under the same conditions. Finally, it was stated that high mean value of microhardness (700-800HV 0,1), lamellar microstructure, different level of aluminium and oxygen content in intermetallic phases, a small amount of Al2O3 oxide particles, high compressive stress and very low porosity were main factors determining very high abrasive wear resistance of Fe-Al based GDS intermetallic coatings.