Development and Evaluation of Cathodic Arc Physical Vapor Deposition (PVD) Coated Friction Stir Welding (FSW) Tools. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (PhD Dissertation A.Y. Adesina_g201101750) PhD_Dissertation_AY_Adesina_g201101750.pdf - Submitted Version Download (10MB) | Preview

Arabic Abstract

بسبب التأثير المشترك للحرارة العالية الناتجة عن الاحتكاك والتشوه البلاستيكي الكبير اللازم لإجراء عملية اللحام بطريقة الاحتكاك التحركي (FSW)، فإن الأدوات المستخدمة تخضع للتآكل الشديد والتشوه مما يؤدي إلى تدهور قدرتها لصنع وصلات اللحام وارتفاع تكاليف الإنتاج. بذلت جهود عديدة لتطوير أدوات من مواد ذات خصائص معززة خاصة لتطبيقات اللحام بالاحتكاك والتحريك من السبائك الصلبة والمواد المركبة ولكن اهتراء الأداة وتحللها الكيميائي في وصلات اللحام والكلفة العالية قد حد من استخدامها على نطاق واسع. هناك محاولات معدودة لاستخدام طلاءات شديدة القساوة لحماية أدوات اللحام بالاحتكاك والتحريك مما يعتبر خياراً أكثر اقتصادياً. تهدف هذه الأطروحة إلى تطوير وتقييم أداء طلاءات الغاز الفيزيائي الكاثودي الرسوبي (PVD) على مقاومة التآكل لأداة اللحام بالاحتكاك والتحريك أثناء لحام سبائك الألومنيوم المركبة. تم استخدام آلة PVD القوسية الكاثودية الحديثة لتغليف طلاءات من مركبات النيترايد (TiN، CrN، AlCrN، TiAlN). تم استخدام عدة طرق تحليلية، مثل حيود الأشعة السينية ، ومجهر المسح الإلكتروني ، والتحليل الطيفي المشتت للطاقة ، والاختبارات الميكانيكية ، والاحتكاك ، والتآكل ، لتقييم ودراسة خصائص هذه الطلاءات. تم استخدام الأدوات المغلفة في لحام سبائك الألومنيوم 6061-T6 ومركب A 2124-17% SiC باستخدام آلة اللحام بالاحتكاك و التحريك RM-1 . أظهرت نتائج الاختبارات أن جميع الطلاءات عززت خصائص سطوح العينات كما أظهرت الطلاءات الثلاثية (AlCrN و TiAlN) خصائص ميكانيكية وخصائص محسّنة مقارنةً بالطلاءات الثنائية (TiN و CrN). كما أظهر اختبار الأكسدة الحرارية عند درجات حرارة مختلفة أن الطلاء الثلاثي يمتلك ثباتًا حراريًا أعلى وأن معدل الأكسدة يكون في الترتيب التالي من الأقل الى الاعلى . TiN> CrN> TiAlN> AlCrN. تم اختيار الطلاءات الثلاثية على أدوات اللحام بالاحتكاك و التحريك في لحام سبائك الألومنيوم 6061-T6 بسماكة 6 مم و كشفت أن الأداة المغلفة ب AlCrN تمتلك مقاومة معززة للتشوه والاهتراء بسبب الخصائص السطحية المحسنة. تم تحقيق انخفاض حوالي 55 ٪ في التآكل والتشوه مع استخدام الأداة المغلفة بالمقارنة مع الأداة غير المطلية والمصنوعة من سبائك الفولاذ 4140. علاوة على ذلك ، أظهرت الأدوات المصنوعة من سبائك الفولاذ H13 والمغلفة ب AlCrN و TiAlN انخفاض في معدل التآكل حوالي 92 ٪ و 80 ٪ ، على التوالي عند لحام سبائك الالمنيوم المدعمة ب جزئيات كربيد السليكون A2124 / SiC / 17p MM بسمك 8 مم بالمقارنة بالأداة الغير مطلية. ان آليات التآكل المهيمنة على أدوات المغلفة ب AlCrN و TiAlN هي التآكل الكاشطة والتقطيع و ذلك بسبب جسيمات صلبة حادة من SiC، في حين الاهتراء الحاد للأداة الغير مغلفة ظهر بشكل أخاديد. أظهرت هذه الدراسة مساهمة الطلاء الثلاثي في تعزيز أداء أدوات FSW وجودة اللحام لسبائك الألومنيوم ومولف الألومنيوم باستخدام عملية FSW تجريبية. هناك حاجة إلى مزيد من الدراسة للتحقيق في الفوائد الاقتصادية من طلاء أدوات FSW المستخدمة على نطاق تجاري.

English Abstract

Because of the combined effect of high frictional heat generated and extensive plastic deformation required to create the weld during friction stir welding (FSW) process, the tool is subjected to severe wear and deformation. This often leads to severe wear and tool failure and thus high production cost. Efforts have been exerted to develop tools with enhanced properties especially for FSW of engineering alloys and composites where the tool wear and deformation are extremely high. However, wear and chemical dissolution of the tool into the joint as well as the high cost have limited their use. Coating of FSW tool has been considered as a viable and more economical approach. This dissertation aimed to develop and to evaluate the performance of nitride-based cathodic arc physical vapor deposited (PVD) coatings on the wear resistance of FSW tool during welding of a commercial aluminum alloy and a particulate-reinforced aluminum composite. State-of-the-art cathodic arc PVD machine was employed to deposit micro-alloyed nitride-based (TiN, CrN, AlCrN, TiAlN) coatings. Characterization techniques including X-ray diffraction, scanning electron microscope, energy dispersive spectroscopy, mechanical, tribological and corrosion analysis tests were used to evaluate and study the properties of these coatings. Promising cathodic-arc PVD coatings were then selected for coating FSW tools. The coated tools were employed in RM-1 friction stir welder for joining 6061-T6 aluminum alloy and AA 2124-17% SiC composite. Characterization and test results showed that all applied coatings enhanced the surface properties of their respective substrate. However, ternary coatings (AlCrN and TiAlN) exhibited markedly improved mechanical and tribological properties compared to the binary (TiN and CrN) coatings. In-situ isothermal oxidation test in air at different temperatures (800 – 1000 oC) revealed that the ternary coatings displayed higher thermal stability and the oxidation rates were in the order of TiN > CrN > TiAlN > AlCrN. The ternary coatings were applied on specially designed and fabricated FSW tools using 4140 steel alloy for the welding process of 6 mm thick 6061-T6 aluminum alloy. The results revealed that the AlCrN coated FSW tool improved the dimension stability of the pin due to improved surface properties. About 10% variation in pin length was observed for the uncoated FSW tool as compared to the coated tool with negligible pin length variation. Furthermore, AlCrN and TiAlN cathodic arc PVD coatings were deposited on hardened H13 tool steel for FSW of 8 mm thick A2124/SiC/17p MMC. Significant improvement in the wear resistance of coated FSW tools was observed. AlCrN and TiAlN coated H13 tools demonstrated about 92% and 80% reduction in the wear rate, respectively, compared to bare H13 tool. The dominant wear mechanisms observed in AlCrN and TiAlN coated tools were abrasive erosion and chipping-off of the coating by sharp hard SiC particles. Severe striation characterized the wear mechanism of the bare H13 tool. This study has shown the contribution of the use of ternary nitride coatings in enhancing the performance of FSW tools, weld quality, and tool life in joining an aluminum alloy and an aluminum composite using an experimental scale FSW process. Further study is needed to investigate the economic benefits of coating FSW tools employed at a commercial scale.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Gasem, Zuhair M.
Committee Co-Advisor:	Al Badour, Fadi A.
Committee Members:	Merah, Necar and Sheikh, Anwar K. and Ul Hamid, Anwar
Depositing User:	ADESINA YU AKEEM (g201101750)
Date Deposited:	20 Sep 2018 05:21
Last Modified:	30 Dec 2020 12:16
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140811