Creep and erosion resistance of nitride based nanostructured coatings deposited by cathodic arc. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS_Thesis-Nestor_Kodzo_Ankah.pdf Download (15MB) | Preview

Arabic Abstract

هدفت هذه الرسالة لدراسة خصائص طلاءات مرسبة بطريقة البخار الفيزيائي بواسطة تقنية (cathodic arc) على عينات من الحديد الغير قابل للصدأ. شملت الدراسة طلاءات ثنائية من تفاعل النيتروجين مع الكروم والتايتنيوم (CrN, TiN) وثلاثية من تفاعل النيتروجين والألمنيوم مع الكروم والتايتنيوم (, CrAlN TiAlN). استخدم في عملية الطلاء الثنائي كاثود بدرجة نقاوة 99.99% من Cr ,Ti اما في عملية الطلاء الثلاثيى فقد استخدم (70Cr30Al و 45Ti55Al) كنسب ذرية. استخدم في هذه الدراسة المجهر الإلكتروني (SEM) و الأشعة السينية (XRD) لمعرفة المركب المجهري ومعرفة الطور. العديد من الخصائص الميكانيكية والاحتكاك تم دراستها في هذا البحث مثل مقاومة الخدش، ومعامل الاحتكاك، والصلادة والتآكل الجاف. كان متوسط سمك الطلاءات ما يقرب من 1.8 ميكرون. اما بالنسبة لصلابة الطلاءات فكانت ما بين صلابة (CrN) 1230HV وصلابة (CrAlN ) 2400 HV. أظهرت هذه الدراسة ان طلاءات ( TiN و CrN ) افضل في مقاومة الخدش من الطلاءات الثلاثية (, CrAlN TiAlN). كما أشارت النتائج أن الخدش في طلاءات (CrN, TiN) هو خدش بسبب الشد بينما الخدش في طلاء (CrAlN) هو خدش بسبب الضغط. نتائج اختبارات مقاومة الإنسياب الحراري (creep) عند درجة حرارة 50 ,75, و100 درجة مئوية بينت أن طاقات التنشيط الخاصة بطلاءات CrN و TiN و CrAlN وTiAlN كانت على النحو التالي 10, 16, 21 و 17 kJ/mol. مقاومة التآكل الجاف (Erosion) تم اختبارها بواسطة فقدان الوزن الناتج عن اصطدام حبيبات صلبة مع سطوح الطلاءات عند أربع زوايا هجومية 30 , 45 , 60 و 90 درجة. أظهرت النتائج ان الطلاءات الثلاثية كانت أفضل مقاومة للتآكل مقارنة بالطلاءات الثنائية عند كل الزوايا في ظل ظروف اختبار مماثلة. أظهر أداء التآكل علاقة جيدة مع خصائص الطلاءات (H3 / E2).

English Abstract

CrN, TiN, CrAlN and TiAlN coatings were deposited on AISI 304 stainless steel substrate using cathodic arc deposition technique. Cr and Ti (99.99%) targets were used to deposit the binary coatings while 70Cr-30Al at.% and 45Ti-55Al at.% targets were used to deposit the ternary coatings. Scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) were used to characterize the microstructure and phases present. Several mechanical and tribological properties were evaluated including: scratch resistance, coefficient of friction, microhardness, indentation creep, and erosion. The average thickness of the coatings was approximately 1.8 µm. The hardness of the coatings ranged between 1230 HV for CrN to 2400 HV for CrAlN. TiN and CrN exhibited higher resistance to scratch resistance compared to their counterpart ternary coatings. The predominant failure mechanism during scratch test was tensile cracks for CrN, TiN and CrAlN while it was conformal cracking for TiAlN. The creep parameters of the nitride coatings were evaluated at 50 oC, 75 oC, and 100oC with a 60 second dwell time. The activation energies for CrN, TiN, CrAlN, and TiAlN coatings were 10,16,21,and 17 kJ⁄mol, respectively. Erosion resistance of the coatings was investigated using the incremental mass loss for four impingement angles: 30, 45, 60, and 90. The results indicated that ternary nitride coatings exhibited higher resistance to erosion as compared to the binary counterparts for all attack angles. TiN, CrAlN and TiAlN coatings exhibited relatively low erosion rates whereas CrN coating showed higher erosion rate under similar testing conditions. The predominant erosion mechanism observed in the coatings was plastic deformation with indentation cutting for all attack angles. The erosion performance showed good correlation with coating parameters (hardness and H3/E2).

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Zuhair, M. Gasem
Committee Members:	Yilbas, S. Bekir and Abdul Samad, Mohammed
Depositing User:	NESTOR ANKAH (g201205800)
Date Deposited:	23 Aug 2015 07:08
Last Modified:	01 Nov 2019 16:30
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139715