Study of the structure-properties relationship of Fe-Al, Nb-Al and Ni-Ti intermetallic coatings obtained by thermal spray technologies

Abstract

Due to the current interest on intermetallic compounds (IMCs), specially for their use at high temperatures being capable to substitute superalloys and, for the lately improvement of their lack of ductility, this work evaluates the use of intermetallics as coatings by using Thermal Spray technologies, thus providing improved surface component properties. <br/>The IMCs chosen for this study have been the following: FeAl, NiTi and NbAl3. Regarding their high Al contents, the aluminides present low densities and the possibility to form protective alumina compact layers against hostile environments. NiTi was selected as an interesting intermetallic for its shape memory properties and excellent corrosion resistance.<br/>FeAl and NbAl3 coatings were produced by means of High Velocity Oxygen Fuel process trying to optimize the spraying conditions in order to achieve the lowest oxidation and porosity content as possible. On the other hand, Air Plasma Spraying and Vaccum Plasma Spraying were also evaluated for the production of NiTi coatings; in that case, the main purpose was the prevention of titanium oxidation and retention of autenitic NiTi phase, so that its shape memory properties could be preserved. The coatings were properly characterized by Scanning and Transmission Electron Microscopies and X-ray diffraction analysis. Afterwards, they were tested in laboratory conditions in order to study the mechanical properties such as hardness, sliding and abrasion wear and, corrosion and oxidation resistance.<br/>FeAl coatings (obtained from a mechanically alloyed and a mechanically milled powders) were compared in terms of oxidation and wear resistance. A higher hardness was found to be correlated with a higher abrasion resistance. Iron aluminide coatings showed to have a fairly good oxidation resistance up to 900ºC. The uniform oxide scale without significantly spallation guarantees a reliable performance at such temperature. <br/>The NbAl3 coating was about 20% harder than the hardest nitinol and iron aluminide coatings. Nb-Al based deposits displayed more wear damage than iron aluminides. <br/>When these coatings were oxidized, they followed a logarithmic behaviour but with a much more rapid kinetics than the iron aluminide coatings. At 900ºC, whereas the steady state is reached for a weight increase below 10% in the different Fe-Al coatings, the corresponding to the Nb-Al coatings increases up to 40% due to the pesting phenomenon.<br/>With regard to the NiTi coatings, those obtained from HVOF presented the highest retention of original austenitic phase. The hardness of such coatings is much higher than that of the iron aluminide coatings and a correlation was also found with their abrasion resistance. Finally, the as-sprayed VPS and HVOF coatings exhibitted superior corrosion resistance than APS in terms of corrosion potentials and current densities.

Els compostos intermetàl.lics han anat adquirint al llarg de les últimes dècades una gran importància en el món metaal·lúrgic, en especial per l'interès de reduir-ne la seva fragilitat i fer viable el seu ús estructural. <br/>De tots els compostos intermetàl.lics que es coneixen, ens hem centrat com ha estudi dins de la present tesi en els aluminurs i en el nitinol (Ni-Ti). El grup dels aluminurs és bastant estudiat actualment a nivell de materials en volum degut a les expectatives que suposa poder disposar d'unes aleacions amb alta resistència, baixa densitat (degut a la presència de l'alumini) i la possibilitat d'oferir bones prestacions a alta temperatura (degut a la formació d'una capa compacta d'alúmina). Com a representació dins d'aquest grup, bàsicament cal fer menció als sistemes Fe-Al, Ni-Al i Ti-Al. Els seus elevats punts de fusió, claus per aquestes aplicacions deriven de la naturalesa del seu enllaç. Es coneixen, fins i tot, intermetàl.lics, anomenats refractaris amb punts de fusió per sobre dels 1600ºC; dos exemples en són el MoSi2 i el NbAl3. Per això, a fi de comparar dos tipus d'aluminurs, es va escollir el FeAl, com a representant del primer gruo i, el NbAl3, com a representant del segon grup.<br/>Pel que fa al nitinol, aquest es va escollir com a compost interessant en el món dels materials ja que té el què es coneix com a efecte memòria de forma i pseudoelasticitat a través d'una transformació martensítica. També presenten una bona resistència a la corrosió.<br/>Perquè s'han aplicat tots aquests compostos com a recobriments? Pel que fa als aluminurs degut a problemes en els mètodes de processat convencionals i, perque dóna l'opció de disposar d'un substrat amb les prestacions mecàniques desitjades protegit amb un recobriment que pugui proporcionar-li una bona resistència a l'oxidació a alta temperatura.<br/>En el cas del nitinol, un dels principals impediments és l'econòmic ja que fabricar peces en volum d'aquest material pot resultar molt car. Algunes de les prestacions que es tenen en ment per l'ús dels recobriments obtinguts a partir d'aquesta aliatge són la resistència a la corrosió i, si es pot aconseguir, un bon comportament també a desgast.<br/>S'ha emprat doncs la Projecció Tèrmica per l'obtenció de recobriments, principalment les tècniques: projecció per Alta Velocitat (HVOF, High-Velocity Oxy-Fuel), projecció per Plasma Atmosfèric (APS, Atmospheric Plasma Spraying) i projecció per Plasma al Buit, (VPS, Vacuum Plasma Spraying). <br/>L'obtenció i estudi dels recobriments d'HVOF de FeAl ha permès estudiar la influència del grau d'ordre-desordre en l'estructura i el tamany de gra amb les propietats caracteritzades. Per una banda, optimitzant els paràmetres s'han aconseguit recobriments menys porosos i amb menys oxidació. La projecció de partícules de major tamany permet retenir l'estructura nanocristal.lina inicial de la pols.<br/>S'observà en general, que els recobriments de major duresa mostraren millor resistència al desgast abrasiu, mentre que la duresa no semblà ser una variable clau en el comportament a desgast per lliscament. <br/>La resistència a l'oxidació a alta temperatura dels recobriments de FeAl presentà resultats acceptables a 900ºC però quan es pujà a temperatures més altes, l'atac fou més accelerat.<br/>S'han obtingut per primera vegada recobriments de Nb-Al per Projecció Tèrmica, tot i que les dificultats associades a la pròpia naturalesa de la pols i la seva irregular distribució de tamanys de partícules, han fet que els recobriments resultessin bastant oxidats, fet que suposa un empobriment d'alumini.<br/>En respecte al NiTi, es van comparar els recobriments obtinguts per APS, VPS i HVOF. Aquests estaven formats per una varietat de zones amorfes, nanocristal.lines amb alternança de fase austenítica i martensítica. <br/>El desgast de dits recobriments semblà ser més acusat que l'observat en el sistema FeAl. La resistència a la corrosió dels recobriments de NiTi fou major pel VPS i HVOF que no pas el d'APS ja que el mecanisme de corrosió d'aquest últim ve donat per la facilitat de penetració de la solució de clorur sòdic a través de les esquerdes del recobriment.