Alhayki, Ahmed (2026) Adhesion Characteristics and Mechanical Properties of Petcoke Metal Cold Spray Coatings for Carbon Steel. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis Draft Final v11 compressed.pdf Restricted to Repository staff only until 20 August 2027. Download (30MB)

Arabic Abstract

يُستخدم الفولاذ الكربوني على نطاق واسع في بيئات التشغيل القاسية، إلا أنه يظل عرضةً للتدهور الناتج عن الاهتراء، والتعرية، والتآكل، مما يستدعي تطوير طلاءات واقية قادرة على تحسين أدائه وإطالة عمره التشغيلي. وتُعد تقنية الرش البارد إحدى تقنيات هندسة الأسطح بالحالة الصلبة لإنتاج الطلاءات الواقية، إلا أن المصفوفات المعدنية المدعمة بالسيراميك قد تُظهر مفاضلة بين زيادة الصلادة وانخفاض تماسك الطلاء وسلامته البنيوية، في حين أن استخدام المواد الكربونية وحدها بوصفها مواد تشحيم صلبة قد تؤدي إلى انخفاض كثافة الطلاء وقوة ترابطه. ومن هذا المنطلق، تبحث هذه الدراسة، ولأول مرة، في إمكانية دمج الفحم النفطي المشتق من المخلفات النفطية، بوصفه مادة منخفضة التكلفة وغنية بالكربون، ضمن طلاءات النحاس والألومينا التي تم ترسيبها على الفولاذ الكربوني باستخدام تقنية الرش البارد منخفض الضغط. اعتمدت الدراسة منهجية متكاملة تجمع بين النمذجة العددية والعمل التجريبي. فقد استُخدمت محاكاة تسمى حركية الرش لتقييم ظروف اصطدام الجسيمات وتحديد نافذة تشغيل مناسبة عند ضغط قدره ستة بار ودرجة حرارة أربعمائة وخمسين درجة مئوية. ثم استُخدمت قيم سرعات الجسيمات ودرجات حرارتها المتوقعة كمدخلات في نموذج العناصر المحدودة المقترن بين الوصف الأويلري-اللاغرانجي لمحاكاة سلوك الجسيمات أثناء الاصطدام والترسيب. وقد حُدِّدت دقة الشبكة الحسابية لهذا النموذج مسبقًا من خلال دراسة تقارب شبكي أُجريت على خمس عشرة شبكة، أدّت إلى اعتماد دقة تشغيلية مقدارها D/40. وعلى الجانب التجريبي، جرى تحضير المساحيق المحتوية على خمسة، عشرة، وخمسة عشر في المائة وزنًا من الفحم النفطي باستخدام المعالجة الجافة والرطبة، من خلال طريقتي الطحن المنفصل والطحن المشترك، ثم أُجريت عمليات الترسيب والتوصيف البنيوي والميكانيكي. أظهر الفحص باستخدام برنامج Kinetic Spray Solutions أن النحاس هو المكوّن القادر على الترسيب المباشر بالتشوه اللدن ضمن الظروف المدروسة. وقد أظهر نموذج العناصر المحدودة تراكم انفعالات لدنة مكافئة تصل إلى 7.27 في النحاس مقابل 1.77 في القاعدة الفولاذية، ودرجة حرارة قصوى عند السطح البيني مقدارها 482 درجة مئوية، وهي أدنى بكثير من درجة الانصهار، مما يؤكد أن الترسيب يحدث في الحالة الصلبة، وأن الألومينا والفحم النفطي لا يُحتجزان إلا في المواضع التي يغلق عليها النحاس المتدفق لدنًا. تجريبياً، تكوّنت طلاءات مستمرة غنية بالنحاس تضم مناطق مرتبطة بالألومينا والكربون. أكد حيود الأشعة السينية وجود الألومينا البلورية، لكنه لم يكن دليلاً مستقلاً على احتجاز فحم الكوك بسبب هيمنة قمم النحاس؛ لذا استُخدمت مطيافية رامان وتحليل الكربون/الكبريت وEDS كأدلة متكاملة على الطور الكربوني المحتجز. زادت المعالجة الرطبة سماكة الطلاء، إلا أن الخشونة لم تتحسن بصورة منتظمة. سجلت العينة R1-10W أعلى صلادة انغراز (305.376 ± 0.625 HVIT) وأعلى معامل مرونة (157.395 ± 1.210 جيجا باسكال)، بينما سجلت R2-5D أقل معامل احتكاك (0.291 ± 0.007) مقارنةً بالعينة المرجعية (0.471 ± 0.084). وكانت أعلى قراءة منفردة للكربون 1.09% وزناً، ويلزم تكرار القياس قبل إسناد هذا الفرق سببياً إلى الطحن المشترك. وبوجه عام، تُثبت هذه الدراسة جدوى دمج الفحم النفطي ضمن طلاءات النحاس والألومينا المُنتَجة بتقنية الرش البارد، كما تُبرَز العلاقة بين طريقة تحضير المسحوق في معدل احتجاز الفحم النفطي، والبنية المجهرية للطلاء، وخواصه الميكانيكية، في حين يوضّح نموذج العناصر المحدودة سبب إمكانية حدوث الترسيب في ظروف الضغط المنخفض، مما يفتح المجال أمام الاستفادة من هذه المادة المشتقة من المخلفات بوصفها إضافة منخفضة التكلفة لتطوير طلاءات واقية ذات أداء محسَّن.

English Abstract

Carbon steel is widely used in extreme service environments which remain susceptible to wear, erosion, and corrosion-related degradation. Cold spray provides a solid-state surface engineering method for producing protective coatings; however, ceramic-reinforced metal matrices can exhibit a trade-off between increased hardness and reduced coating integrity, while conventional carbon-enriched solid lubricants may decrease coating density and bonding. This study investigates, to the best of the author’s knowledge for the first time, the incorporation of waste-derived petroleum coke (petcoke) as a low-cost, carbon-enriched material in Cu–Al₂O₃ coatings deposited on mild steel by low-pressure cold spray. A combined numerical and experimental methodology was employed. KSS simulations were used to screen particle-impact conditions and identify a model-screened deposition condition of 6 bar and 450 °C. The predicted particle velocities and temperatures were then applied in a coupled Eulerian–Lagrangian finite element model. The spatial resolution of this model was established by a grid-convergence study on fifteen meshes, which fixed the production resolution at D/40. Experimentally, feedstocks containing 5, 10, and 15 wt.% petcoke were prepared using dry and wet processing through separate-milling and co-milling methods, followed by deposition and characterization. The numerical results identified Cu as the plastically deforming matrix, where Al₂O₃ and petcoke were incorporated through mechanical entrapment within the Cu matrix. The model resolved equivalent plastic strains of up to 7.27 in the Cu against 1.77 in the substrate and a peak interfacial temperature of 482 °C, which indicates below melting and therefore confirmed solid-state deposition, with the secondary phases retained only where the plastically jetting Cu closed over them. This mechanism was supported experimentally by the formation of continuous Cu-rich coatings containing embedded alumina and carbon rich regions. X-ray diffraction confirmed the retention of crystalline Al₂O₃, whereas the coating patterns were Cu-dominated and were not sufficiently sensitive to establish petcoke retention independently; the retention of the carbonaceous phase was therefore evidenced by Raman spectroscopy together with carbon/sulfur analysis and EDS. Wet processing improved particle distribution and increased coating thickness, although the surface roughness did not improve consistently across all compositions. R1-10W exhibited the highest indentation hardness of 305.376 ± 0.625 HVIT and elastic modulus of 157.395 ± 1.210 GPa, whereas R2-5D produced the lowest COF at 0.291 ± 0.007, with the Reference at 0.471. Co-milling increased the measured carbon content to a maximum of 1.09 wt.%. Overall, this study demonstrates the feasibility of incorporating petcoke into Cu–Al₂O₃ cold-sprayed coatings and establishes the relationships between feedstock milling methods, petcoke retention, coating structure, and mechanical response, while the finite element model explains why deposition proceeds under a low-pressure condition.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Abul Fazal Arif,
Thesis Committee Members:	Ahmad Sorour, Abba Abubakar,
Depositing User:	AHMED ALHAYKI
Date Deposited:	23 Aug 2026 07:25
Last Modified:	23 Aug 2026 07:25
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144725