Anti-corrosion coatings fabricated by cold spray technique : Optimization of spray condition and relationship between microstructure and performance
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Anticorrosion coatings of Zinc and Aluminium were developed by high pressure and low-pressure Cold Spray techniques, respectively. For Zinc coatings, the dependence of spraying temperature on thickness has been analyzed and the critical temperature of deposition was found at 230 oC. For lower temperatures, the coating was considerably thinner. Dependence of thickness on pressure variation 2 MPa, 2,5 MPa and 3 MPa at constant temperature 290 oC has shown the highest thickness value at 2 MPa. It was confirmed that the coating thickness tends to decrease with the pressure rise. The powder feeding rate as well as the spraying distance were also considered to influence the thickness. The optimal conditions were found for 3ps and 30 mm, respectively. Finally, the gas temperature and pressure were optimized by a Doehlert uniform shell design. Their influences on the zinc coating quality were discussed in terms of microstructure, porosity, thickness, and corrosion resistance. A maximum porosity of 4.2% was reached with the highest pressure and with a moderate temperature (260 °C < T < 300 °C). These conditions promoted erosion of the substrate and a lower accommodation of particles at the impact. Thicker coatings were obtained at higher temperatures because of better particle straining. Two optimal conditions were then identified: 320 °C–2.5 MPa and 260 °C–2.5 MPa. Macroscopic and local electrochemical experiments were performed. Higher corrosion resistance was detected for the condition 320 °C–2.5 MPa. Coatings were enough thick to protect the substrate and the corrosion mechanism was driven by the classical Zn hydroxide and oxide layers. Note that the coating roughness may be optimized later to reduce the corrosion initiation. For aluminum coatings deposited by a low-pressure cold spray method, the optimal spraying parameters according to deposition efficiency were found at 400 °C /0.65 MPa. Ceramic particles were added to densify the coating and allowed to reduce porosity from 8% to 6.4%. Instead of ceramic particle addition, laser surface treatment was performed after coating design. Laser power was not enough high to reach the surface melting, however, the coating microhardness was modified. Results showed a microhardness increase of coatings of 5% with the addition of hard particles whereas the microhardness decreased after the post-heat treatment (pure aluminum coating reduction of 39% and for composite coating 35%). The hardness reduction during the laser treatment was attributed to surface annealing and the release of internal stresses and possible recrystallization with the subsequent grain growth. Finally, the results of the electrochemical investigations showed higher corrosion resistance of ceramic composite coatings than both pure aluminum and laser-treated coatings.
Abstract FR:
Des revêtements anticorrosion de zinc et d'aluminium ont été développés respectivement par des techniques de pulvérisation à froid à haute pression et à basse pression. Pour les revêtements de zinc, la dépendance de la température de pulvérisation sur l'épaisseur a été analysée et la température critique de dépôt a été trouvée à 230°C. Des variations de pression de 2 MPa, 2,5 MPa et 3 MPa à température constante 290 °C ont montré la valeur d'épaisseur de couche plus élevée à 2 MPa. Il a été également confirmé que l'épaisseur du revêtement à tendance à diminuer avec la pression. Le taux d'alimentation en poudre ainsi que la distance de pulvérisation ont également été considérés comme des paramètres influençant l'épaisseur. Les conditions optimales de projection ont été trouvées pour 3 rps et 30 mm, respectivement. Enfin, la température et la pression du gaz ont été optimisées par le plan d’experience dit de Doehlert. Leurs influences sur la qualité du revêtement de zinc ont été discutées en termes de microstructure, de porosité, d'épaisseur et de résistance à la corrosion. Une porosité maximale de 4,2% a été atteinte avec la pression la plus élevée et avec une température modérée (260 ° C < T < 300 ° C). Ces conditions favorisait l'érosion du substrat et la faible déformation des particules lors de l'impact. Deux conditions optimales ont ainsi été trouvées: 320 ° C – 2,5 MPa et 260 ° C – 2,5 MPa. Des expériences électrochimiques macroscopiques et locales ont été ensuite réalisées. Une résistance à la corrosion plus élevée a été détectée pour la condition 320 ° C – 2,5 MPa. Les revêtements étaient alors suffisamment épais pour protéger le substrat et le mécanisme de corrosion était liée au comportement des couches d'hydroxyde et d'oxyde de Zn. Il est a noter que la rugosité du revêtement devra être pour réduire l'amorçage de la corrosion. Pour les revêtements d'aluminium, les paramètres de déposition optimaux ont été trouvés à 400 ° C / 0,65 MPa. Des particules de céramique ont été ajoutées pour densifier le revêtement permettant une réduction de porosité de 8% à 6,4%. Un traitement de surface par laser a été ensuite effectué. Dans ce travail, la puissance du laser s’est révelée insuffisante pour atteindre le point de fusion de l’aluminium, cependant, la dureté des revêtement a pu être modifée. Les résultats ont montré une augmentation de la microdureté des revêtements de 5% avec l'ajout de particules céramiques tandis qu’une réduction de dureté de 39% et 35% a été mesurée sur le revêtement en aluminium pur et composite respecitvement. La diminution de dureté lors le traitement au laser a été attribuée au recuit de surface, à la libération de contraintes internes et à une possible recristallisation locale. Enfin, les caractérisations électrochimiques ont montré une résistance à la corrosion plus élevée pour les revêtements composites céramiques que l'aluminium pur et les revêtements traités au laser