Development of a novel Fe-based wear and corrosion protection coating applied via High Velocity Air-Fuel (HVAF)

The aim of this research is to investigate the potential of noble cost-efficient Fe-based coatings for large area applications, especially rotary dryers of paper machines. These rotary cylinders supposed to have a high level of corrosion and wear resistance to ensure a longer operating period. Thermally sprayed Fe-based wear and corrosion resistance coatings are a developing trend as cost-effective alternative for thermally sprayed Ni- and WC-based coatings. In this study, a High Velocity Air-Fuel (HVAF) thermal spray system was used as a deposition process, rather than Wire-Arc-Spraying (WAS) technique, which is currently used to protect cylinders of paper manufacturing machines. To do so, different powder fractions (-32+11μm and -20+3μm) of FeCrB feedstock material were applied with two different powder feed rates ("m" ̇=40g/min and "m" ̇=200g/min). Microstructure details, topography and phase composition of coatings were analyzed using light microscope, scanning electron microscopy (SEM), confocal laser scanning microscope (CLSM) and x-ray diffraction (XRD) respectively. The indentation and Vickers tests were carried out to determine the fracture toughness and microhardness of sprayed coatings. In addition, the wear and corrosion properties were investigated using pin-on-disc (POD) and electrochemical polarization tests respectively. Ultimately, the results were compared to the industrially established sealed WAS FeCrBSiMnC coating as a reference, which is a common technique to coat the dryer cylinders. Such HVAF coatings exhibited crack-free and denser microstructure with lower oxide content compared to the coating manufactured with WAS. Due to the lower amount of porosity and oxide as well as better mechanical properties of sprayed HVAF coatings, both wear and corrosion resistance of the HVAF coatings were superior compared to that of the WAS coating system.

L'obiettivo di questa ricerca è quello di studiare il potenziale di rivestimenti nobili economici a base di Fe per applicazioni su grandi superfici, in particolare gli essiccatori rotativi per la produzione di carta. Questi cilindri rotanti dovrebbero avere un alto livello di resistenza alla corrosione e all'usura per garantire un periodo di funzionamento più lungo. I rivestimenti resistenti all'usura e alla corrosione a base di Fe applicati grazie a tecniche di termo spruzzatura sono in via di sviluppo come alternativa economica per i rivestimenti a base di Ni-WC. In questo studio, come processo di deposizione è stato utilizzato un sistema di termo spruzzatura che utilizza come combustibile aria ad alta velocità (HVAF-High Velocity Air Fuel) piuttosto che la tecnica Wire-Arc-Spraying (WAS), attualmente utilizzata per proteggere i cilindri delle macchine per la produzione della carta. Per fare ciò, sono state applicate polveri di FeCrB a diversa granulometria (-32+11μm e -20+3μm) utilizzando due diverse velocità di alimentazione della polvere ("m" ̇=40g/min e "m" ̇=200g/min). La microstruttura, la topografia e le fasi dei rivestimenti sono stati analizzati rispettivamente con microscopio ottico, microscopio elettronico a scansione (SEM), microscopio confocale a scansione laser (CLSM) e diffrazione dei raggi X (XRD). Sono stati eseguiti test di indentazione e di durezza Vickers per determinare rispettivamente la tenacità alla frattura e la microdurezza. Le proprietà di usura e corrosione sono state analizzate utilizzando rispettivamente i test di polarizzazione elettrochimica e pin-on-disc (POD). In definitiva, i risultati sono stati confrontati con il rivestimento industriale FeCrBSiMnC applicato con tecnica WAS e sigillato che è stato preso come riferimento. La tecnica WAS è infatti una tecnica molto comune a livello industriale per ricoprire cilindri essiccatori. I rivestimenti HVAF hanno presentato una microstruttura senza crepe, più densa e con un contenuto di ossidi inferiore rispetto al rivestimento prodotto con WAS. Grazie a queste caratteristiche unite alle migliori proprietà meccaniche dei rivestimenti HVAF, la resistenza all'usura e alla corrosione è risultata superiore a quella del sistema di rivestimento WAS.