Development of Fe3Al-Based HVOF Coatings for Wear-Resistant Applications

Le vieillissement des infrastructures, caractérisé par la détérioration des propriétés de surface, est causé par l'action de l'usure, la corrosion ou la synergie des deux. C'est un problème commun à plusieurs secteurs industriels tels que l'hydroélectricité, l'aérospatiale, l'automobile, etc. Les conséquences de ce phénomène peuvent varier de la perte de l'efficacité du système, de l'augmentation du coût de la réparation, de la maintenance ou du remplacement des pièces. La dégradation des composants commence souvent par la surface. Pour cette raison, l'ingénierie de surface peut être utilisée pour fournir à la surface des propriétés adéquates ou des revêtements protecteurs pour prévenir ou retarder l'enlèvement de la matière. L'usure se produit dans des situations où au moins deux surfaces solides en mouvement relatif interagissent. De telles interactions sont à prévoir lorsqu'une surface est exposée à des contacts tribologiques résultant de l'altération des propriétés de surface. Dans ce contexte, l'enlèvement de la matière est généré par divers modes de dégradation qui comprennent l'abrasion, la fatigue, l'adhésion et l'oxydation. En effet, plusieurs modes de dégradation peuvent avoir lieu simultanément dans un processus d'usure. Lorsque la perte de la matière d'une surface est provoquée par des réactions chimiques ou électrochimiques avec l'environnement (liquide ou gazeux), le processus est appelé corrosion. Afin de répondre à ces préoccupations, l'objectif principal de cette thèse de doctorat vise à développer des matériaux résistants à l'usure à base d'aluminure de fer (Fe3Al) en utilisant le concept de modification structurelle par l'ajout de particules dures et en contrôlant la microstructure. Les principaux résultats de cette recherche sont présentés sous forme d'articles dans des revues à comité de lecture. Dans le premier article, l'influence de l'ajout du BN, du traitement thermique et du temps de broyage sur les propriétés mécaniques et tribologiques des revêtements composites à base de Fe3Al ont été étudiées. Dans ce contexte, le broyage à boulets a été appliqué sur le mélange de poudres de Fe3Al et de BN à différentes énergies. Ensuite, les revêtements ont été déposés à partir de poudres broyées en utilisant la technique HVOF (High Velocity Oxy-Fuel), et leurs propriétés mécaniques et tribologiques ont été évaluées. Il a été montré que les revêtements avec les grandes inclusions céramiques réparties aléatoirement dans la matrice Fe3Al présentent une performance d'usure plutôt médiocre.

Abstract

Aging infrastructure characterized by the deterioration of surface properties of components is caused by the action of wear, corrosion or a synergy of both. It is a problem common to many industrial sectors such as hydroelectric power, aerospace, automotive, etc. Consequences of this process can vary from the loss of the system efficiency, the increase of the cost of repairs, maintenance or replacement of components. The degradation of components often starts from the surface. For that reason, surface engineering can be used to provide surfaces with adequate properties or protective coatings to prevent and/or to delay material removal and deterioration. Wear occurs in situations where at least two solid bodies in relative motion interact. Such interactions are expected when a surface is exposed to tribological contacts resulting in the alteration of surface properties. In this context, material removal is generated via various degradation modes that include abrasion, fatigue, adhesion and oxidation or corrosion. Indeed, several degradation modes can take place simultaneously in a wear process. When material loss from a surface is prompted by chemical or electrochemical reactions with the environment, the process is referred to as corrosion. Here, the environment can be liquid or gaseous containing corrosive species. In order to address these concerns, the principal objective of this Ph.D. thesis is to develop wear resistant materials based on iron aluminide (Fe3Al) using the concept of structural modification by adding hard particles and controlling the microstructure. The main results of this research are presented in the form of articles in refereed journals. In the first article, the effect of BN addition, heat-treatment, and ball-milling on the mechanical and tribological properties of Fe3Al-based composite coatings were investigated. In this context, the ball-milling was applied on a mixture of Fe3Al and BN powders at different energies. Then, coatings were deposited from milled powders using the high velocity oxy-fuel (HVOF) technique, and their mechanical and tribological properties were evaluated. It was shown that the microstructure of the composite powders was preserved in the HVOF coatings. Moreover, the addition of BN significantly enhances the hardness and wear resistance of the Fe3Al matrix. To further improve the tribo-mechanical properties of the composite coating, heattreatment was applied on milled powders in order to precipitate Fe2B and AlN phases into the Fe3Al matrix.