Investigating The Effect of Heat Treatment On The Corrosion Performance Of Additively Manufactured CoCr Alloys. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Thesis of Investigating The Effect of Heat Treatment On The Corrosion Performance Of Additively Manufactured CoCr Alloys) ALI ARAB-G202006440 - 08252025 last .pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 26 August 2026. Available under License Creative Commons Attribution No Derivatives. Download (5MB)

Arabic Abstract

باستخدام التصنيع الإضافي (AM)، وخاصة تقنية الصهر بالليزر الانتقائي (SLM)، يمكن تصنيع سبائك الكوبالت-الكروم (CoCr) بنجاح بتكوين يتكون من 55% وزناً من الكوبالت، 24% وزناً من الكروم، 10% وزناً من النيكل، 8% وزناً من الموليبدينوم، 4% وزناً من التنتالوم، و0.2% وزناً من التيتانيوم. تمثل سبائك CoCr واحدة من مجموعات السبائك التي تجد تطبيقات واسعة في العديد من المجالات الصناعية بسبب توافقها البيولوجي الممتاز وقوتها العالية، مقاومتها للتآكل، ومقاومتها للتآكل في التطبيقات الطبية والسنّية. يهدف هذا العمل إلى دراسة خصائص سبائك CoCr المصنعة بواسطة عملية SLM، مع التركيز على كيفية تأثير المعالجة الحرارية على مقاومتها للتآكل والجوانب الميكروهيكلية. تم تحليل الميكروهيكل باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، مما أعطى فكرة عن أبعاد وحدود الحبوب الفردية. كما أن دمج SEM مع التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة سمح بتحليل التركيب الكيميائي داخل وخارج الحبوب. في العمل الحالي، تم تقديم 12 عينة من سبائك CoCr تحت ظروف معالجة حرارية مختلفة لدراسة تأثيرها على خصائص المواد. شملت المعالجات الحرارية المختلفة معالجة عند درجات حرارة عالية حتى خطوات الشيخوخة، بالإضافة إلى محاكاة المعالجة بالضغط الساخن (HIP). تم تطبيق المعالجة الحرارية على العينات من A1 إلى A4 عند درجات حرارة بين 1246°C و1260°C لمدة 12 ساعة، بينما تم تعتيق بعض العينات عند 1079°C لمدة 4 ساعات. تم معالجة مجموعة أخرى تسمى B1-B3 عند 1246°C و1260°C و1290°C على التوالي، لمدة قصيرة بلغت 4 ساعات لعزل تأثير درجة الحرارة. تم إخضاع العينات C1 إلى C3 لمحاكاة HIP مع دورات تسخين وتثبيت متنوعة لتحسين الكثافة وخصائص المواد الميكانيكية. تشمل العينات المقارنة الأخرى عينة "مسبوكة" تم صبها عند درجة حرارة تفوق 1750°C دون معالجة إضافية، وعينة "مصنوعة" تم إنتاجها مباشرة بواسطة SLM عند درجة حرارة تزيد عن 1800°C دون معالجة ما بعد التصنيع. تم فحص تأثير هذه المعالجات الحرارية المختلفة في هذا العمل على سلوك التآكل باستخدام تقنيات كهروكيميائية مختلفة: الاستقطاب الديناميكي القوي، مقاومة التآكل المحلية (LPR)، التحليل الطيفي للمقاومة الكهربائية (EIS)، والجهد المفتوح (OCP). أظهرت النتائج أن العينة "المصنوعة" بواسطة SLM دون معالجة حرارية إضافية أظهرت مقاومة تآكل أفضل مقارنة بالعينات الأخرى. وبالتالي، فإن التبريد السريع الذي يحدث في عملية SLM يعزز تكوين الطور α، مما يتيح الحصول على هيكل ميكروهيكلي متوازن يوفر صلابة عالية وتحسين مقاومة التآكل. كما أظهرت أطياف EIS مقاومة عالية للعينة "المصنوعة"، مما يشير إلى حماية فعالة ضد التآكل. بشكل متزامن، اقترحت كثافة التيار المنخفضة كما تم قياسها بواسطة PDP وجود طبقة أكسيد الكروم السلبية المستقرة. وأكد التحليل باستخدام SEM التوزيع المتجانس للأوكسجين، مما يعزز السلبية ويوفر حماية إضافية ضد التآكل. تمثل هذه النتائج، لأول مرة، أن عملية SLM دون أي معالجة ما بعد التصنيع هي وسيلة قابلة للتطبيق للحصول على مقاومة عالية للتآكل في سبائك الكوبالت-الكروم وتوفر معلومات قيمة تتعلق بتحسين طرق التصنيع في التطبيقات التي تتطلب متانة وطول عمر عاليين

English Abstract

By using AM, especially SLM, CoCr alloys can be successfully fabricated with Co 55wt%, Cr 24wt%, Ni 10wt%, Mo 8wt%, Ta 4wt%, and Ti 0.2wt%. CoCr alloys represent one family of alloys that find wide applications in several industrial fields due to their excellent biocompatibility with high strength, corrosion resistance, and wear resistance in both medical and dental applications. This work aims to study the properties of Co-Cr alloys fabricated by the SLM process, focusing on how heat treatment can affect their corrosion resistance and microstructural aspects. The microstructure was analyzed by Scanning Electron Microscopy (SEM), which gave an idea about the dimension and boundary of the individual grains. Also, the combination of SEM with Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy permitted the analysis of chemical composition inside and outside the grains. In the present work, 12 CoCr samples have been submitted to various heat treatment conditions in order to study the effects on material properties. The applied different heat treatments included high-temperature treatment up to aging steps and further HIP simulation. Samples A1 to A4 were then given HT at temperatures between 1246°C and 1260°C for 12 hours, while some of them were aged at 1079°C for 4 hours. The other set labeled B1-B3 was treated at 1246°C, 1260°C, and 1290°C, respectively, for a shorter duration of 4 hours to isolate the effect of temperature. Samples C1 to C3 were subjected to HIP simulations with varied heating and holding cycles toward improvement in both density and mechanical property enhancement. Other comparison samples included an "As Cast" sample cast at a temperature over 1750°C without further treatment, and an "As Fabricated" sample produced directly by SLM at a temperature over 1800°C without post-treatment. These various heat treatments have been examined in this work for their influence on corrosion behavior by different electrochemical techniques: potentio-dynamic polarization, LPR, EIS, and OCP. The results showed that the AS FAB sample fabricated by SLM without additional heat treatment demonstrated better corrosion resistance compared to the other samples. Accordingly, the rapid cooling intrinsic to the SLM process promoted α-phase formation, therefore enabling the attainment of a well-balanced microstructure possessing superior hardness and improved corrosion resistance. EIS spectra have also shown high impedance for the AS FAB sample, indicating effective corrosion protection. Correspondingly, low current density as measured by PDP suggested the presence of a stable chromium oxide passive layer. The SEM analysis confirmed the homogeneous distribution of oxygen, improving its passivity and giving further protection against corrosion. These findings represent, for the first time, that SLM processing without any post-processing treatment is a viable means of obtaining high corrosion resistance in cobalt-chromium alloys and provide valuable information concerning the optimization of fabrication methods in applications that demand high durability and longevity.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Toor, Ihsan Ulhaq
Committee Members:	Al Malki, Muath and Kumar, Arumugam
Depositing User:	ALI ARAB (g202006440)
Date Deposited:	02 Sep 2025 06:45
Last Modified:	02 Sep 2025 06:45
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143683