Comparison of the oxidation behavior and microstructural evolution of NiCoCrAlY coatings processed via HVOF and APS

Kalush, Ali (2025). Comparison of the oxidation behavior and microstructural evolution of NiCoCrAlY coatings processed via HVOF and APS. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This comprehensive study investigates the high-temperature oxidation behavior of NiCoCrAlY coatings processed via High Velocity Oxy Fuel (HVOF) and Air Plasma Spray (APS) techniques. The research demonstrates how defects from these deposition processes can significantly impair the service life of MCrAlY coatings. The oxidation behavior of two types of NiCoCrAlY coatings, processed with APS and HVOF, was examined at high temperatures for up to 500h. NiCoCrAlY coatings were deposited by HVOF and APS processes on 304 stainless steel plates. Both coatings were deposited by PRAXAIR Surface Technologies for this specific investigation, using NiCoCrAlY powder (NI-191-4) also provided by PRAXAIR©. Both HVOF and APS, as coated and heat-treated coatings were oxidized for periods of up to 500h at 1050 °C and 1150 °C using different interrupted isothermal oxidation method. The study found that the oxidation rate of APS coatings was thickness-insensitive, while that of HVOF coatings increased with thickness due to greater intersplat oxidation. APS specimens thinner than 60 μm experienced intrinsic chemical failure (InCF) due to Al consumption to form Al2O3. After 240h of high-temperature oxidation, the mass gain of the thick sample was nine times that of the cast material. The oxidation rate of both HVOF and APS samples followed a power law with an exponent close to 3. InCF and MICF failures were observed for HVOF samples thicker than 55 μm, while thinner samples were only sensitive to InCF due to the lack of oxide spallation. Therefore, both oxide intrusion and oxide spallation are central to the Al2O3 failure and the service life of NiCoCrAlY products. The HVOF coating experienced poor oxidation resistance compared to the APS coating. The experimental analysis revealed critical findings on phase transformations, mass gain, oxidation kinetics, and mechanisms, as well as the formation and behavior of the TGO layer. The study underscores the importance of optimizing deposition techniques and heat treatment processes to enhance the coatings’ microstructural integrity and performance in high-temperature environments.

Titre traduit

Comparaison du comportement à l'oxydation et de l'évolution microstructurale des revêtements NiCoCrAlY obtenus par HVOF et APS

Résumé traduit

Cette étude approfondie examine le comportement d'oxydation à haute température des revêtements NiCoCrAlY déposés par les techniques de projection par oxycombustion à haute vitesse (HVOF) et de projection plasma atmosphérique (APS). Le comportement à l'oxydation de deux revêtements NiCoCrAlY, traités par APS et HVOF, a été examiné à haute température pendant une durée allant jusqu'à 500 heures. Les revêtements NiCoCrAlY ont été déposés sur des plaques en acier inoxydable 304. Les deux revêtements ont été déposés par PRAXAIR Surface Technologies pour cette enquête spécifique, en utilisant de la poudre NiCoCrAlY également fournie par PRAXAIR©. Les revêtements HVOF et APS, aussi bien à l'état enrobé que traités thermiquement, ont été oxydés pendant des périodes allant jusqu'à 500 heures à 1050 °C et 1150 °C en utilisant différents tests d'isotherme, interrompus et thermogravimétriques. L'étude a révélé que le taux d'oxydation des revêtements APS était indépendant de l'épaisseur, tandis que celui des revêtements HVOF augmentait avec l'épaisseur en raison d'une plus grande oxydation interlamellaire. Les spécimens APS d'une épaisseur inférieure à 60 μm ont subi une défaillance chimique intrinsèque (InCF) en raison de la consommation d'Al pour former Al2O3. Après 240 heures d'oxydation à haute température, le gain de masse de l'échantillon épais était neuf fois supérieur à celui du matériau coulé. Le taux d'oxydation des échantillons HVOF et APS suivait une loi de puissance avec un exposant proche de 3. Les défaillances InCF et MICF ont été observées pour les échantillons HVOF d'une épaisseur supérieure à 55 μm, tandis que les échantillons plus fins n'étaient sensibles qu'à l'InCF en raison de l'absence de décollement de l'oxyde. Par conséquent, l'intrusion d'oxyde et le décollement d'oxyde sont centraux dans la défaillance de l'Al2O3 et la durée de vie des produits NiCoCrAlY. Le revêtement HVOF a montré une résistance à l'oxydation médiocre par rapport au revêtement APS. L'analyse expérimentale a révélé des résultats critiques sur les transformations de phase, le gain de masse, la cinétique et les mécanismes d'oxydation, ainsi que sur la formation et le comportement de la couche TGO. L'étude souligne l'importance d'optimiser les techniques de dépôt et les processus de traitement thermique pour améliorer l'intégrité microstructurale et les performances des revêtements dans des environnements à haute température.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 175-202).
Mots-clés libres:	revêtements NiCoCrAlY, oxydation à haute température, HVOF, APS, défaillance chimique intrinsèque, défaillance chimique induite mécaniquement, effets de l'épaisseur, cinétiques d'oxydation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bocher, Philippe
Codirecteur:	Codirecteur Texier, Damien
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	30 juin 2025 15:22
Dernière modification:	30 juin 2025 15:22
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3650

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