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Development of Electrodeposited Nickel-Tungsten Composite Materials with Effective Additives for Tribological and Corrosion Resistance Applications

Mina Dadvand

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

The development of high wear and corrosion performance coatings is very crucial to save energy in many industrial applications, extend the lifetimes of various engineering components, and also to protect the parts against various failures such as wear, corrosion, oxidation, and fatigue under a wide variety of circumstances. Among the different coating fabrication techniques such as chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), and electrodeposition, the latter has received widespread acceptance for engineering the surface to impart desirable wear and corrosion properties owing to its less complexity and relatively low cost. The unique advantage of the electrodeposition technique over the other fabrication methods is improved interfacial bonding between the coating material–substrate and precise controlling of the thickness and chemical composition of the coatings by suitably altering the deposition parameters such as potential or current. Electrodeposited chromium, especially hard chrome (HCr) has been used in various industries such as automobile, aerospace, and mining industries due to its excellent hardness, wear performance, anticorrosion properties, and low coefficient of friction. However, during the electrodeposition process, hexavalent chromium (Cr6+) fumes are generated which are extremely toxic and hazardous to the environment. The electrodeposited nickel tungsten (NiW), on the contrary, was found to be the best possible replacement for the existing HCr coatings due to its outstanding hardness, corrosion, and wear performance. In recent years, metal matrix composites (MMCs) with excellent performance, have been widely used in aerospace, automotive, and electronics, applications. It is also noteworthy to mention that the incorporation of insoluble ceramic particulates (such as silicon carbide (SiC), cerium dioxide (CeO2), and hexagonal boron nitride (hBN)) into NiW matrix could further improve the mechanical, tribological, and corrosion performance of the NiW coatings owing to the extremely high hardness of SiC, the very low friction coefficient of hBN, along with anticorrosion properties of SiC, CeO2, and hBN. In this research work, a special electrodeposition process utilizing a well–designed pulsed reverse current (PRC) waveform and specially formulated bath chemistry was used to produce a nanostructured coating of nickel–tungsten (NiW).

Résumé

Le développement de revêtements à haute performance contre l'usure et la corrosion est très important pour économiser de l'énergie dans de nombreuses applications industrielles, prolonger la durée de vie de divers composants d'ingénierie et également pour protéger les pièces contre diverses défaillances telles que l'usure, la corrosion, l'oxydation et la fatigue sous une grande variété de circonstances. Parmi les différentes techniques de fabrication de revêtements telles que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), le dépôt physique en phase vapeur (PVD) et l'électrodéposition, cette dernière a été largement acceptée pour l'ingénierie de la surface. En effet, celle–ci confère des propriétés d'usure et de corrosion souhaitables en raison de sa moindre complexité et de son coût relativement faible. . L'avantage unique de la technique d'électrodéposition par rapport aux autres méthodes de fabrication est une meilleure liaison interfaciale entre le matériau de revêtement et le substrat, et un contrôle précis de l'épaisseur et de la composition chimique des revêtements en modifiant de manière appropriée les paramètres de dépôt tels que le potentiel ou le courant. Le chrome électrodéposé, en particulier le chrome dur (HCr), a été utilisé dans diverses industries telles que l'automobile, l'aérospatiale et les industries minières en raison de son excellente dureté, de ses performances d'usure, de ses propriétés anticorrosion et de son faible coefficient de frottement. Cependant, pendant le processus d'électrodéposition, de la fumée de chrome hexavalent (Cr6+) est générée, qui est extrêmement toxique et dangereuse pour l'environnement. Le tungstène–nickel électrodéposé (NiW), au contraire, s'est avéré être le meilleur remplacement possible des revêtements HCr existants en raison de ses performances exceptionnelles en matière de dureté, de corrosion et d'usure. Ces dernières années, les composites à matrice métallique (MMC) avec d'excellentes performances, ont été largement utilisés dans les applications aérospatiales, automobiles et électroniques. Il convient également de mentionner que l'incorporation de particules céramiques insolubles (telles que le carbure de silicium (SiC), le dioxyde de cérium (CeO2) et le nitrure de bore hexagonal (hBN) dans la matrice NiW pourrait encore améliorer les performances mécaniques, tribologiques et de corrosion du Revêtements NiW en raison de la dureté extrêmement élevée du SiC, du très faible coefficient de frottement du hBN, ainsi que des propriétés anticorrosion du SiC, du CeO2 et du hBN.

Department: Department of Chemical Engineering
Program: Génie des matériaux
Academic/Research Directors: Oumarou Savadogo
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10565/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 13 Feb 2023 08:22
Last Modified: 08 Apr 2024 10:21
Cite in APA 7: Dadvand, M. (2022). Development of Electrodeposited Nickel-Tungsten Composite Materials with Effective Additives for Tribological and Corrosion Resistance Applications [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10565/

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