Vliv vrstev nanesených technologiemi studeného, středně-teplotního a plazmového nanášení na vysokocyklové únavové vlastnosti ocelových vzorků

Influence of Cold-Sprayed, Warm-Sprayed and Plasma Sprayed Layers Deposition on Fatigue Properties of Steel Specimens

journal article in Web of Science

en

Titanium powder was deposited onto steel specimens using four thermal spray technologies: plasma spray, low-pressure cold spray, portable cold spray, and warm spray. The specimens were then subjected to strain controlled cyclic bending test in a dedicated in-house built device. The crack propagation was monitored by observing the changes in the resonance frequency of the samples. For each series, the number of cycles corresponding to a pre-defined specimen cross-section damage was used as a performance indicator. It was found that the grit-blasting procedure did not alter the fatigue properties of the steel specimens (1% increase as compared to as-received set), while the deposition of coatings via all four thermal spray technologies significantly increased the measured fatigue lives. The three high-velocity technologies led to relative lives increase of 234% (low-pressure cold spray), 210% (portable cold spray), and 355% (warm spray) and the deposition using plasma spray led to an increase of relative lives to 303%. The observed increase of high-velocity technologies (cold and warm spray) could be attributed to a combination of homogeneous fatigue resistant coatings and induction of peening stresses into the substrates via the impingement of the high-kinetic energy particles. Given the intrinsic character of the plasma jet (low-velocity impact of semi/molten particles) and the mostly ceramic character of the coating (oxides, nitrides), a hypothesis based on non-linear coatings behavior is provided in the paper.

Titanový prášek komerční čistoty byl nanesen na ocelové substráty pomocí čtyř technologií: plazmovým nanášením, nízkotlakým a přenosným studeným kinetickým nanášením a středně-teplotním nanášením. Vzorky byly posléze podrobeny únavovému testování cyklickým ohybem s kontrolovanou výchylkou volného konce na vlastnoručně sestaveném zařízení. Pomocí změn v rezonanční frekvenci těles byl sledován průběh šíření trhlin. Počet cyklů při dosažení stanoveného porušení průřezu vzorku byl hodnocen jako ukazatel únavové odolnosti. Bylo zjištěno, že u ocelových substrátů nemá otryskání povrchu významný vliv na únavovou životnost vzorků (zvýšení pouze 1%), zatímco nanesení nástřiků všemi technologiemi způsobilo její významný nárůst. Tři vysokorychlostní technologie vedly ke zvýšení životnosti o 234% (nízkotlaké kinetické nanášení), 210% (přenosné kinetické nanášení) a 355% (středně-teplotní nanášení) a depozice za použití plazmového nanášení vedla ke zvýšení relativní životnosti o 303%. Nárůst životnosti u vysokorychlostních metod (studené a středně-teplotní nanášení) je pravděpodobně způsoben přítomností relativně homogenních únavově odolných vrstev a též vznikem kompresivních napětí v substrátech dopadem vysokoenergetických částic. Vzhledem k typickému charakteru vrstev nanesených plazmovým hořákem (tj. nízkorychlostní dopad částečně nebo zcela natavených částic) a jejich převážně keramickému charakteru (oxidy, nitridy), je v článku navrženo vysvětlení založené na nelineárním chování nástřiků.

Titanium powder was deposited onto steel specimens using four thermal spray technologies: plasma spray, low-pressure cold spray, portable cold spray, and warm spray. The specimens were then subjected to strain controlled cyclic bending test in a dedicated in-house built device. The crack propagation was monitored by observing the changes in the resonance frequency of the samples. For each series, the number of cycles corresponding to a pre-defined specimen cross-section damage was used as a performance indicator. It was found that the grit-blasting procedure did not alter the fatigue properties of the steel specimens (1% increase as compared to as-received set), while the deposition of coatings via all four thermal spray technologies significantly increased the measured fatigue lives. The three high-velocity technologies led to relative lives increase of 234% (low-pressure cold spray), 210% (portable cold spray), and 355% (warm spray) and the deposition using plasma spray led to an increase of relative lives to 303%. The observed increase of high-velocity technologies (cold and warm spray) could be attributed to a combination of homogeneous fatigue resistant coatings and induction of peening stresses into the substrates via the impingement of the high-kinetic energy particles. Given the intrinsic character of the plasma jet (low-velocity impact of semi/molten particles) and the mostly ceramic character of the coating (oxides, nitrides), a hypothesis based on non-linear coatings behavior is provided in the paper.

Studené nanášení, středně-teplotní nanášení, plazmové nanášení, tryskání, titan, únava, zbytková napětí

Cold spray, warm spray, plasma spray, grit-blast, titanium, fatigue, residual stresses

2015

10.03.2015

Springer

1059-9630

24

5

758–768

11