MODELING RESIDUAL STRESS EVOLUTION IN THERMAL SPRAY COATINGS USING HYBRID COMPUTATIONAL APPROACH

MODELING RESIDUAL STRESS EVOLUTION IN THERMAL SPRAY COATINGS USING HYBRID COMPUTATIONAL APPROACH. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (PhD Dissertation)
MODELING_RESIDUAL_STRESS_EVOLUTION_IN_THERMAL_SPRAY_COATINGS_USING_HYBRID_COMPUTATIONAL_APPROACH.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 2 May 2020.

Download (17MB)

Arabic Abstract

عادةً ما يتم ترسيب الطلاء بالرش الحراري عن طريق تسخين المواد الأولية (المسحوق) أولاً في سلسلة من القطرات المنصهرة أو شبه المنصهرة قبل تطبيقها على سطح الجسم. نتيجة للتغير الشكلي الكبير والتفاعل المعقد وعدم تطابق المواد التي تحدث أثناء عملية الرش الحراري ، يتولد إجهاد متبقي بعد العملية. الإجهاد المتبقي هو أحد العوامل المساهمة الرئيسية التي تحدد السلوك التأسيسي وعمر الطلاء. في هذه الدراسة ، يتم اقتراح وتنفيذ طريقة مبتكرة للنمذجة العددية لعملية ترسيب طلاء الرش الحراري. المنهج المقترح هجين بطبيعته وقادر على التنبؤ بتطور الإجهاد المتبقي بشكل فعال للغاية. كونه هجين، فإن النهج يجمع بين استخدام طريقتي الغمامة النقطية والعناصر المحدودة، لنمذجة تأثير القطرات وتغيرها شكليا، ولنمذجة التحليلات الحرارية الميكانيكية للطلاء المترسبة، على التوالي. يمثل الإطار النظري الذي تم تطويره في العمل الحالي أول مساهمة يتم فيها استخدام نمذجة عملية قوية (مع أخذ عوامل العملية كمدخلات) للتنبؤ العددي بتطور الإجهاد المتبقي. على الرغم من أن هذا النهج تم تنفيذه بمساعدة بعض الحزم القياسية، فإنه قابل للتنفيذ في أي منصة وبغض النظر عن الطرق العددية المستخدمة للتقدير، أو أنواع مواد طلاء الجسم المستخدمة. يستخدم المنهج الحسابي الهجين للتنبؤ بالجهود المتبقية والعيوب المرتبطة بها والتي تم تطويرها في السيراميك المطلي بالبلازما والطلاء المعدني (نيكل – 20% ألمونيوم) المرشوش على الركيزة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ. تتم مقارنة التنبؤات العددية بالنتائج التجريبية من الدراسات الميكروسكوبية، التجارب الميكانيكية وتجارب ثقب الحفر. النتائج التجريبية تظهر أن الطلاء المعدني (نيكل –%20 ألمونيوم) ينتج إجهاد شد متبقي، بينما الطلاء العلوي ( YSZ ) من ( TBC ) ينتج إجهاد ضغط متبقي. في الحالتين فإن الشكل الناتج للإجهاد المتبقي في عمق طبقات الطلاء غير خطي بدرجة كبيرة ويعتمد على الموقع. بالإضافة إلى ذلك، كمية منخفضة جدا من إجهاد القص وجدت في طبقات الطلاءين ( نيكل – 20% ألمونيوم) و ( YSZ ). أظهرت النتائج العددية التي تم الحصول عليها باستخدام النموذج الحسابي الهجين ، أن استخدام معلمات العملية الواقعية ينتج عنه تقدير أكثر موثوقية للضغوط المتبقية في الطلاء بالرش الحراري. يتنبأ النموذج بمظهر جانبي من الإجهاد المتبقي يعتمد على الموضع وغير خطي بدرجة كبيرة بطول وسمك طبقة الطلاءين ( نيكل – %20 ألمونيوم) و ( YSZ ) .أيضا ، أظهرت النتائج العددية أن ملامح الإجهاد المتبقية التي تم تطويرها في طبقات الطلاءين ( نيكل – %20 ألمونيوم) و ( YSZ ) هي ثنائية المحور وتتميز بإجهاد قص منخفض للغاية. لقد وجد أن طلاء ( نيكل – %20 ألمونيوم) قد طور شكل إجهاد متبقي شدي على طول العمق. في حين طورت الطبقة العلوية YSZ شكل إجهاد ضغطي على طول العمق. كل من ملامح الإجهاد مقارنة بشكل جيد مع النتائج التي تم الحصول عليها تجريبيا. علاوة على ذلك ، فقد وجد أن تصلب بعض الأجزاء ووجود عيوب داخلية في طبقة الطلاء تؤثر بشدة على تطور درجة الحرارة والإجهاد المتبقي في الطلاء بالرش الحراري. في الأعمال المستقبلية ، يمكن أن يكون النهج الجديد بمثابة أداة متعددة الاستخدامات للتنبؤ الفعال بالعلاقة بين عوامل عملية الطلاء والضغط المتبقي وآليات الفشل.

English Abstract

Thermal spray coatings are usually deposited by first heating the feedstock (powder) material into a series of molten or semi-molten droplets before being applied to the substrate surface. As a result of large deformation, complex interaction and material mismatch occurring during the thermal spray process, residual stresses are induced. Residual stress is one of the main contributing factors that determine the constitutive behavior and lifetime of coatings. In the present study, an innovative numerical modeling approach for thermal spray coating deposition process is proposed, implemented and evaluated. The proposed approach is hybrid in nature and able to predict evolution of residual stress very effectively. Being hybrid, the approach combines the use of point cloud and finite elements to model droplets impact/deformation and thermo-mechanical analyses of deposited coating respectively. The theoretical framework developed in the present work is the first contribution where vigorous process modeling (taking process parameters as inputs) is used to numerically predict the evolution of residual stress in thermal spray coatings. Even though the approach was implemented with help of standard packages (i.e. ABAQUS and MeshLab), it is implementable in any platform and regardless of the numerical methods used for discretization or types of coating-substrate materials used. The hybrid computational approach is used to predict residual stresses and associated defects developed in plasma-sprayed ceramic (YSZ) and metallic (Ni-20%Al) coatings deposited on stainless steel substrate. The numerical predictions are validated against experimental results obtained from microscopic studies, mechanical tests and hole drilling experiments. The experimental results show that, the metallic Ni-20%Al coating developed tensile residual stresses, while the YSZ top coat of TBC developed compressive residual stresses. In both cases, the residual stress profiles developed along depth of coating layers are highly non-linear, position-dependent as well as equi-biaxial due to highly inhomogeneous nature of the coating layers. Furthermore, very low shear stresses were measured for the Ni-20%Al and YSZ coating layers. The numerical results obtained with the hybrid computational model show that, the use of realistic process parameters yields more reliable estimation of residual stresses in thermal spray coatings. The model predicts a residual stress profile that is position-dependent and highly non-linear along the length and thickness of the Ni-20%Al and YSZ coating layer. Also, the numerical results show that the residual stress profiles developed in the Ni-20%Al and YSZ coating layers are equi-biaxial and exhibits very low shear stress. It is found that, the Ni-20%Al coating developed a tensile residual stress profile along depth. While, the YSZ top coat developed compressive stress profile along depth. Both stress profiles compare well to the results obtained experimentally. Furthermore, it is found that splat solidification and presence of internal defects in coating layer strongly affect the evolution of temperature and residual stress in thermal spray coatings. In future works, the new approach can serve as a versatile tool for effective prediction of the relationship between coating process parameters, residual stress and failure mechanisms.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Engineering
Mechanical
Divisions: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: ARIF, ABUL FAZAL MUHAMMAD
Committee Members: MERAH, NESAR AMMAR SALAH and AL-AQEELI, NASER MUHAMMAD and ULHAMID, ANWAR
Depositing User: ABBA ABDULHAMID ABUBAKAR (g201201760)
Date Deposited: 05 May 2019 09:01
Last Modified: 01 Nov 2019 21:00
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140947