Analysis of residual stress by X-ray diffraction and wear characterization of thermally sprayed coatings for oil & gas components

Many components in the energy sector require excellent corrosion resistance joined to high wear resistance and low-friction properties in localized regions. In valves for the Oil & Gas industry the above requirements led to choose WC-Co or WC-Co-Cr coatings as an alternative to the hard chromium coatings, which cause severe environmental problems. The coatings are applied onto steel substrates, usually austenitic and duplex stainless steel. The functional properties and the mechanical properties of the coating depend on the chemical composition, the coating process parameters, the substrate material and the coating thickness. An imprecise evaluation of the macroscopic stresses present in the coating, which are the causes of damage, could be misleading in understanding the actual damage mechanism. As a matter of fact, residual stresses originated by the coating process, can significantly affect the mechanical behavior of the coating. The primary aim of the present work is to obtain an accurate and reliable method for the evaluation of residual stresses in carbide coatings on steel substrates. These stresses are mainly induced by the innovative High-Velocity Oxygen-Fuel thermal spray process. This process, consisting in a high-temperature supersonic flow of powders directly onto the surface of the substrate, generates residual stresses in the coating that depend on the process parameters. For the most part, this thesis work is focused on the residual stress measurement with X-Ray diffraction and their analysis. It demands not only the exact knowledge of the crystallographic structures of interest in the complex microstructure of these coatings, but also the comprehension of the diffraction pattern generated by the reflections of the various planes for each phase involved. The diffractometer employed in this work requires a first essential calibration phase on a stress-free specimen. Various considerations led us to consider the powders used for the coating process as calibration specimen. Nevertheless, these are inhomogeneous materials, which cannot be completely free from stresses. Thus, some heat-treatments were carried out in order to relax the strains in the phase of interest of the powders. The link between instrumental calibration and residual stresses measured by X-Ray diffraction is also widely inspected. In addition, this work focuses on the comparison between the residual stresses arisen from the use of different parameters of thermal spray process. Eventually, the residual stresses of WC-Co-Cr coatings of different thicknesses and substrates were measured. In the last part of this work, the wear behavior of tungsten carbide coatings was then experimentally tested by ball-on-disc tests with a tungsten carbide ball as antagonist.

Gran parte dei componenti impiegati nel campo energetico richiedono un’eccellente resistenza alla corrosione unita ad un’elevata resistenza all’usura e a bassi coefficienti d’attrito. Nelle valvole per applicazioni Oil & Gas questi requisiti hanno portato all’utilizzo di rivestimenti in carburo di tungsteno, quali WC-Co e WC-Co-Cr, in alternativa a quelli classici di cromatura dura, causa di notevoli problemi ambientali. Questi materiali vengono utilizzati come rivestimento per substrati solitamente in acciaio austenitico e acciaio inossidabile duplex. Le proprietà funzionali e meccaniche del rivestimento dipendono dalla composizione chimica, dai parametri del processo di rivestimento, dallo spessore dello stesso e dal materiale del substrato. Una valutazione approssimata degli sforzi macroscopici presenti nel rivestimento, causa di possibili danni a quest’ultimo, può portare ad una erronea comprensione del reale meccanismo di danneggiamento. Gli sforzi residui indotti dal processo di deposizione possono infatti influenzare significativamente il comportamento meccanico del rivestimento stesso. Il principale scopo del presente lavoro di tesi è quello di ottenere un metodo accurato ed affidabile per la valutazione degli sforzi residui nei rivestimenti in carburo di tungsteno su substrati di acciaio. Questi sforzi sono principalmente indotti dall’innovativo processo di rivestimento thermal spray di High-Velocity Oxygen-Fuel. Questo processo, che consiste in un flusso supersonico ad alta temperatura di particelle di materiale dirivestimento diretto sulla superficie del substrato, genera sforzi residui nel rivestimento che dipendono dai parametri del processo stesso. Buona parte del presente lavoro si concentra quindi sulla misura e sull’analisi di sforzi residui tramite diffrazione a raggi X. Essa richiede non solo l’esatta conoscenza della cristallografia della complessa microstruttura di interesse, ma anche la profonda comprensione dello spettro di diffrazione generato dai vari piani cristallografici delle fasi coinvolte nell’analisi. Il diffrattometro utilizzato in questo lavoro richiede una prima fase di calibrazione su di un campione di materiale stress-free. Varie considerazioni ci hanno portato a utilizzare le stesse polveri utilizzate nel processo di rivestimento come campioni di calibrazione. In ogni caso, queste ultime non sono omogenee e completamente prive di stress. Di conseguenza, sono stati effettuati alcuni trattamenti termici per ridurre gli stress presenti. L’influenza della calibrazione dello strumento di misura sugli sforzi residui misurati nei rivestimenti è anch’essa ampiamente analizzata. Attenzione è stata posta sul confronto tra gli sforzi residui misurati in provini ottenuti con diversi parametri di processo thermal spray. Inoltre, sono stati misurati gli sforzi residui nei rivestimenti in WC-Co-Cr di diverso spessore su substrati differenti, a parità di parametri di processo di deposizione. La parte finale del presente lavoro consiste nell’analisi sperimentale del comportamento a usura dei rivestimenti di carburo di tungsteno tramite test ball-on-disc utilizzando WC come materiale antagonista.