Effetto combinato di substrato,interfaccia e rivestimento nelle proprietà in esercizio di componenti per applicazioni oil & gas

The application of coatings to structural components with the aim of improving the properties of resistance to wear and corrosion, it is necessary to define the conditions that cause failure resulting in loss of functionality of the component. The evaluation of the coatings performance was carried out by tests of 'Scratch test' and with different implementation methods allow to obtain the force at the first failure, both indices suitable to characterize the properties of cohesion and adhesion of the coating itself. As for the assessment of the state of stress that causes the failure of the coating was carried out with FEM simulating the tensile and bending of coated specimens and comparing the results with the experimental tests carried out at the ‘Politecnico di Milano’. The developed FEM models, consider the substrate elastoplastic behavior and the coating elastic behavior; to obtain the properties of the coating, it was necessary to obtain the Young modulus of the coatings by means of micro-indentation tests, as their reduced thickness makes it impossible to characterize them in other ways. In the thesis have been studied different coatings applied with 'thermal spray' technique; the compositions varies from the classic WC-Co to changes of these with the addition of chromium carbides or the presence of nano-powders. Were also taken into account two different substrate materials: austenitic stainless steel (AISI 316) and a duplex stainless steel (2205). It is observed that in fact the same coating, the material of the substrate influences the behavior of the coating either in scratch test either in micro-indentation tests. In addition, from the comparison of the curves σ-ε model and experimental ones is evident that the application of the coating to the substrate austenitic leads to a deterioration of performance of the coated sample, this does not happen in the case of duplex substrate. Probably this difference is related to the coefficient of thermal expansion, higher for the austenitic stainless steel, which causes the onset of residual stresses within the coating. The evidence of 'Scratch test' has been observed that the duplex substrate coupled to the coating composition of WC-Co-Cr-Al system 80/9/9/2 is the coated system with the best cohesion.

L’applicazione di rivestimenti a componenti strutturali con lo scopo di migliorare le proprietà di resistenza ad usura o corrosione, rende necessario definire le condizioni che ne determinano il cedimento con conseguente perdita di funzionalità del componente. La valutazione delle performance dei rivestimenti è stata effettuata tramite prove di ‘Scratch test’ che con diverse modalità di esecuzione permettono di ricavare sia la forza in corrispondenza del primo cedimento, sia indici idonei a caratterizzare le proprietà di coesione e di adesione del rivestimento stesso. Per quanto riguarda invece la valutazione dello stato di sforzo che provoca il cedimento del rivestimento si è proceduto simulando con analisi FEM le prove di trazione e di flessione di provini rivestiti e confrontando i risultati con le prove sperimentali effettuate presso il Politecnico di Milano. I modelli FEM sviluppati, considerano il comportamento elastoplastico del substrato ed elastico del rivestimento; per ottenere le caratteristiche del rivestimento, è stato necessario ricavare il modulo elastico dei rivestimenti attraverso prove di micro-indentazione, in quanto il loro ridotto spessore rende impossibile caratterizzarle in altro modo. Nella tesi sono stati studiati diversi rivestimenti applicati con tecnica ‘Thermal spray’, dalle composizioni più usate come WC-Co a delle modifiche di questi rivestimenti, con l’inserimento di carburi di cromo o la presenza di nano-polveri. Inoltre sono stati presi in considerazione due diversi materiali di substrato: un acciaio inossidabile austenitico (AISI 316) e un acciaio inossidabile duplex (2205). Si è osservato infatti che a pari rivestimento, il materiale del substrato influenza il comportamento del rivestimento sia nelle prove di scratch che di micro-indentazione. Inoltre dal confronto tra le curve σ-ε modellate e quelle sperimentali è evidente che l’applicazione del rivestimento al substrato austenitico comporti un peggioramento delle prestazioni del provino rivestito; ciò non avviene nel caso di substrato duplex. Probabilmente questa differenza è legata al coefficiente di dilatazione termica, maggiore per l’acciaio inossidabile austenitico, che causa l’instaurarsi di tensioni residue all’interno del rivestimento. Dalle prove di ‘Scratch Test’ si è osservato che il substrato duplex accoppiato al rivestimento di composizione WC-Co-Cr-Al 80/9/9/2 è il sistema rivestito con la migliore coesione.