EFFECT OF THERMAL SPRAY COATING PROCESS PARAMETERS ON THE DEVELOPMENT OF RESIDUAL STRESSES IN CERAMIC COATINGS

EFFECT OF THERMAL SPRAY COATING PROCESS PARAMETERS ON THE DEVELOPMENT OF RESIDUAL STRESSES IN CERAMIC COATINGS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (MSc Thesis)
MS Thesis Ali Gadelmoula.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 31 August 2021.

Download (7MB)

Arabic Abstract

في هذا العمل ، يتم استخدام نموذج عشوائي ثلاثي الأبعاد مقرونًا بنموذج العناصر المتناهية (FE) لدراسة تطور الإجهادات المتبقية في طلاءات الرش الحرارية. تم اختيار الإجهادات المتبقية في طلاء زركونيا الإيتريا المستقرة (YSZ) والمثبت حراريا على ركائز الفولاذ المقاوم للصدأ لهذا العمل. تمت تشكيل طبقات الطلاء باستخدام (سمكوت) وهو برنامج مطور لنمذجة الطلاء الحراري. تم إنشاء أربعة نماذج طلاء من الزركونيا. تم بناء النماذج الثلاثة الأولى بمتوسط سماكة متشابه تقريبا ، ولكنها تخلتف فى اعداد طبقات الطلاء ( نموذج ذي طبقة واحدة وذي طبقتين وذي ثلاث طبقات) ، تم الحصول عليها عن طريق تغيير ثلاث معاملات لعملية الرش: معدل تغذية المواد وسرعة الرشاش والعدد الكلي للاشواط. تم أخذ شريحتين ثنائيي الأبعاد لكل نموذج وتحويلها إلى نماذج FE باستخدام رمز تم انشاؤه بواسطة Python. ثم تم استخدام نموذج العناصر المتناهية FE لدراسة التأثير المشترك لمعاملات هذه العملية على تطور الإجهادات المتبقية. تم الحصول على تغير الاجهادات عبر سمك كل نموذج ، وتم إجراء مقارنة بين هذه الاجهادات. أظهرت النتائج أن كل طبقة طلاء تتعرض لإجهاد انضغاطي على سطحها العلوي وإجهاد شد على سطحها السفلي أثناء الترسيب. أظهرت منحيات الإجهاد الترسيبي - الإجهاد الناشئ اثناء الرش- أن تقليل عدد طبقات الطلاء أفضل من حيث تقليل التقلبات في معدلات التمدد / الانكماش. بعد الترسيب ، يكون الإجهاد انضغاطياً في الطلاء الخزفي (YSZ) بسبب معامل التمدد الحراري المنخفض لمادة الطلاء ، بينما تعرضت ألواح الفولاذ لإجهاد شد. تكشف منحيات الإجهاد المتبقي النهائي أن الإجهاد الناشئ نتيجة عدم التوافق في الخصائص الحرارية هو المصدر المهيمن ويشكل الجزء الرئيسي. يسمح هذا النموذج بالتنبؤ بالتفاعل بين مصادر الإجهاد المتبقي التي لا يمكن التنبؤ بها معمليا. تم تحويل نموذج الطلاء العشوائي الرابع إلى نموذج العناصر المتناهية ثلاثي الأبعاد FE ، ثم تم نمذجة الإجهادات المتبقية المتوازية والمتعامدة مع حركة الرشاش. تتبع منحيات الإجهاد التي تم الحصول عليها في التحليل ثلاثي الأبعاد نفس النمط كما في التحليل ثنائي الأبعاد الذي يشير إلى صحة افتراض الإجهاد المستوي. قورنت النتائج مع قراءات الإجهاد المتبقية الفعلية المقاسة بطريقة حفر الثقب. كانت المنهجية التي تم تطويرها فعالة لفهم تأثير معاملات عملية الطلاء على تطور الإجهادات المتبقية ويمكن استخدامها لتحسين معاملات عملية الطلاء للحصول على الإجهادات المتبقية المطلوبة.

English Abstract

In this work, a 3D stochastic model coupled with a finite element (FE) code is used to investigate the development of residual stresses in thermal spray coatings. The residual stresses of a thermally sprayed yttria-stabilized zirconia (YSZ) coating applied on stainless steel substrates are used for this work. The formation of the coating layers was simulated with a 3D stochastic model, SIMCOAT. Four YSZ coating models were developed. The first three models were built with a similar average thickness, but different layers (one-, two-, and three-layer coatings) were obtained by changing three process parameters: the material feed rate, the gun velocity, and the total number of passes. Two 2D slices of each 3D model were taken and converted into FE models using an in-house Python code. An FE simulation was then used to study the combined effect of these process parameters on the development of residual stresses. The variation of in-plane stresses through the thickness for each model was obtained, and a comparison between the developed stresses was conducted. The results show that each coating layer is subjected to compressive stress at its top surface and tensile stress at its bottom surface during the deposition. The deposition stress profiles show that reducing the number of coating layers is better in terms of reducing the fluctuations in expansion/contraction rates. After the deposition, the permanent stress is compressive in ceramic coatings (YSZ) due to its low thermal expansion coefficient and tensile in the stainless steel substrate. The profiles of the final residual stress reveal that the thermal mismatch stress is the dominant source and constitutes the major part. This model allows the prediction of the interaction between the sources of residual stress which cannot be predicted experimentally. The fourth stochastic model was converted into a 3D FE model, then the residual stress profiles parallel and perpendicular to the gun movement were predicted. The stress profiles obtained in the 3D analysis are following the same pattern as in the 2D analysis indicating the validity of plane stress assumption. The results were compared with actual residual stress readings measured by the hole drilling method. The developed methodology was effective for understanding the effect of the coating process parameters on the development of residual stresses and can be used to optimize the coating process parameters to obtain the desired residual stresses.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Mechanical
Department: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: Al-Athel, Khaled
Committee Members: Merah, Neçar and Akhtar, Syed Sohail
Depositing User: ALI GADELMOULA (g201704510)
Date Deposited: 31 Aug 2020 11:39
Last Modified: 31 Aug 2020 11:39
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141711