On the investigation of coating characteristics within the experimental domain imposed by inner-diameter HVOF process

Prudnikov, Cassandra (2023). On the investigation of coating characteristics within the experimental domain imposed by inner-diameter HVOF process. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Widely used in multiple industries, hard chrome plated coatings are proven to exhibit good properties. Yet, the process of hard chrome plating is extremely toxic. Therefore, High Velocity Oxyfuel (HVOF) spraying is gradually replacing hard chrome plating in many industries. Yet, HVOF is not adapted for complex geometries and inner diameters smaller than six inches due to the size of the spraying apparatus. The aim of this project is to establish process-properties relations between the spraying parameters inherent to ID-HVOF (inner diameter high velocity oxyfuel) and the resulting WCCoCr coating characteristics.

For this project, two WCCoCr powder compositions were used. To highlight any possible differences, powder characterization tests included phase composition analysis by X-Ray Diffraction (XRD), morphology analysis and granulometry. It was found that the particle size distribution has an effect on the decarburization phenomena within the coating during the deposition process.

For each produced set of samples, the goal was to establish relations between the highest temperature reached during the deposition process and the sample’s properties. Coating characterization tests included morphology analysis, porosity quantification, phase composition analysis by X-Ray Diffraction (XRD), microhardness measurements and abrasion tests. A first set of flat samples of 4340 AISI steel and a WCCoCr coating were produced. By imposing a shorter spraying distance, it was possible to simulate ID-HVOF conditions. After rectification of the decarburization zone on the 4340 AISI steel substrates, a second set of WCCoCr coatings was produced. The third set of WCCoCr coatings was deposited onto mild steel substrates, in order to extend the characterization tests led on set 2. For the last set of WCCoCr coatings, two types of 4340 AISI steel coupons were employed. Each substrate type received two different surface treatments. For these experiments, the goal was to compare the effect of substrate surface treatment on the overall performance of the samples.

In summary, the influence of the maximum temperature on the coating’s properties and behavior was studied. It was found that the spraying parameters affected the deposited thickness per pass. Porosity and abrasion were nonetheless not correlated to temperature variation. In addition, a close correlation between temperature, hardness loss and decarburization was established.

Titre traduit

Investigation des caractéristiques des revêtements dans le domaine expérimental imposé par le processus de HVOF intra-diamétral

Résumé traduit

Souvent utilisés dans de nombreuses industries, les revêtements de chrome dur présentent de bonnes propriétés. En revanche, le processus de chromage dur est extrêmement toxique. C'est pourquoi la projection High Velocity Oxy Fuel (HVOF) remplace progressivement le chromage dur dans de nombreuses industries. Cependant, la projection HVOF n'est pas adaptée aux géométries complexes et aux diamètres internes inférieurs à six pouces en raison de la taille de l'appareil de projection. L'objectif de ce projet est d'établir des liens processuspropriétés entre les paramètres de projection inhérents au ID-HVOF (inner diameter high velocity oxyfuel) et les caractéristiques du revêtement WCCoCr qui en résulte.

Pour ce projet, deux nuances de poudre WCCoCr ont été utilisées. Pour mettre en évidence d'éventuelles différences, les tests de caractérisation des poudres comprennent une analyse de composition des phases par diffraction des rayons X (XRD), une analyse morphologique et une étude de la granulométrie. Il a été constaté que la distribution de la taille des particules a un effet sur les phénomènes de décarburation à l'intérieur du revêtement.

L'objectif est d'établir des relations entre la température la plus élevée atteinte au cours du processus de dépôt et les propriétés de l'échantillon. Les tests de caractérisation des revêtements comprenaient une analyse de la morphologie, une quantification de la porosité, une analyse de la composition chimique par diffraction des rayons X (XRD), des mesures de microdureté et une série de tests d'abrasion. Une première série d'échantillons plats en acier 4340 AISI revêtus de WCCoCr ont été produits. En imposant une distance de projection plus courte que celle préconisée par le HVOF standard, il a été possible de simuler les conditions ID-HVOF. Après rectification de la zone de décarburation sur les substrats en acier 4340 AISI, une deuxième série de revêtements WCCoCr a été produite. La troisième série de revêtements WCCoCr a été déposée sur des substrats en acier doux, afin d'étendre les tests de caractérisation menés sur la série 2. Pour la quatrième série de revêtements WCCoCr, deux types de coupons en acier 4340 AISI ont été utilisés. Les deux types de substrats ont reçu deux traitements de surface différents. Cette fois-ci, l'objectif était de comparer l'effet du traitement de surface du substrat sur la performance globale des échantillons.

L'influence de la température maximale sur les propriétés du revêtement a été étudiée. Il a été constaté que les paramètres de projection ont un effet sur l’épaisseur déposée par passe. La porosité et l'abrasion ne sont cependant pas affectées par la variation de la température. Une corrélation étroite entre la température, la perte de dureté et la décarburation a pu être établie.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented at the École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 109-112).
Mots-clés libres:	high velocity oxyfuel, WC-Co-Cr, caractérisation, relation processus-propriétés, sur-revenu
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Hof, Lucas
Codirecteur:	Codirecteur Bocher, Philippe
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	12 févr. 2024 16:41
Dernière modification:	12 févr. 2024 16:41
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3406

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