Adhesion strength of flame sprayed ceramic coatings obtained by robotic projection

Abstract

Introduction: One of the possible applications of ceramic thermal barriers is in shells (permanent moulds – die casting). The moulds` capacity to support very high temperatures (up to 1600 °C) plays a crucial role in the selection of materials due to the liquid state of the cast iron. Objectives: This paper presents and discusses the obtained results from robotic flame projection tests, carried out with the purpose to quantify the influence of several factors of flame sprayed in the adhesion strength of coatings of Nickel-Aluminium Molybdenum and Zirconium Oxide. In literature a minimum adhesion strength was not found for the application of thermal ceramic barriers in the coating of permanent casting moulds, so in this work it is intended to obtain its values considering several combinations of projection parameters and substrates. Methods: The determination of the adhesion strength was performed according to the standard ASTM C633-79 where the coated test specimens were glued to CK45 steel against-specimens with a cyanoacrylate glue (LOCTITE 415). A weight of 100 N was then applied for 3 minutes to promote the initiation of the polymerization reaction of the cyanoacrylates and a period of 24 hours was needed so the bonded glue could acquire its maximum strength (sufficient enough to tear off the coating of the specimen). Finally tensile tests were carried out at the speed of 1 mm/min. Results: The main parameters studied are the material of the substrate, the projection angle and the substrate preheating temperature. The higher adhesion strength for the sprayed to 90° (average value of 6.2 MPa) was obtained by the specimens of spheroidal graphite cast iron (SGCI) with a preheating temperature of 120 °C. For the preheating of 90 °C and spray angle of 90° the aluminum-copper (AlCu) and brass specimens were the ones that obtained the higher adhesion strengths (average value of 4.5 MPa). The sprayed of 65° originates the higher adhesion strength in all the materials used for the substrate, being the highest value (average value of 8.3 MPa) obtained by the spheroidal graphite cast iron. Conclusions: The results obtained clearly suggest that the substrate material and the preheating temperature strongly influence the adhesion strength. The analysis of the coatings microstructures, using optical microscopy, supports this observation.

Introdução: Uma das possíveis aplicações de barreiras térmicas cerâmicas é no revestimento de moldes permanentes para fundição. A capacidade do molde suportar temperaturas muito elevadas (até 1600 °C), devido ao estado líquido do ferro fundido, desempenha um papel crucial na seleção de materiais. Objetivos: Este artigo apresenta e discute os resultados obtidos a partir de testes de projeção robótica à chama, com o objetivo de quantificar a influência de vários fatores da projeção à chama na tensão de adesão de revestimentos de Níquel-Alumínio Molibdênio e Óxido de Zircónia. Na literatura não foi encontrada uma tensão mínima de adesão requerida para a aplicação de barreiras térmicas cerâmicas no revestimento de moldes permanentes para fundição, assim, no trabalho apresentado neste artigo, pretende-se obter seus valores considerando várias combinações de parâmetros de projeção e substratos. Métodos: A determinação da tensão de adesão foi realizada de acordo com a norma ASTM C633-79 em que os provetes revestidos foram colados a contra-provetes de aço CK45 grenalhados, com uma cola à base de cianoacrilatos (LOCTITE 415). De seguida aplicou-se um peso de 100 N durante 3 minutos para a força de compressão promover o início da reação de polimerização dos cianoacrilatos e aguardou-se 24 horas para que a junta colada tivesse tempo de adquirir a resistência máxima (o suficiente para arrancar o revestimento do provete). Realizaram-se depois ensaios de tração à velocidade de 1 mm/min. Resultados: Os principais parâmetros estudados foram o material do substrato, o ângulo de projeção e a temperatura de pré aquecimento do substrato. A maior força de adesão para a projeção a 90° (média de 6,2 MPa) foi obtida com os provetes de ferro fundido com grafite esferoidal (SGCI) com uma temperatura de pré-aquecimento de 120 ° C. Para o pré-aquecimento de 90 °C e ângulo de projeção de 90°, foram os provetes de duralumínio (AlCu) e de latão que obtiveram as maiores forças de adesão (média de 4,5 MPa). A projeção a 65 ° origina a maior tensão de adesão em todos os materiais utilizados para o substrato, sendo o maior valor (média de 8,3 MPa) obtido pelo ferro fundido de grafite esferoidal. Conclusões: Os resultados obtidos sugerem claramente que o material do substrato e a temperatura de pré-aquecimento influenciam fortemente a tensão de adesão. A análise das microestruturas dos revestimentos, utilizando microscopia ótica, comprova esta observação.

Introducción: Una de las posibles aplicaciones de barreras térmicas cerámicas es en el revestimiento de moldes permanentes para fundición. La capacidad del molde para soportar temperaturas muy altas (hasta 1600 °C), debido al estado líquido del hierro fundido, desempeña un papel crucial en la selección de materiales. Objetivos: Este artículo presenta y discute los resultados obtenidos a partir de pruebas de proyección robótica a la llama, con el objetivo de cuantificar la influencia de varios factores de la proyección a la llama en la resistencia a la adhesión de revestimientos de Niquel-Aluminio-Molibdeno y Óxido de Zirconia. En la literatura no se encontró una tensión mínima de adhesión requerida para la aplicación de barreras térmicas cerámicas en el revestimiento de moldes permanentes para fundición, así en el trabajo presentado en este artículo, se pretende obtener sus valores considerando varias combinaciones de parámetros de proyección y sustratos. Métodos: La determinación de la tensión de adhesión se realizó de acuerdo con la norma ASTM C633-79 en la que se probaron las probetas revestidas a contra-probetas de acero CK45 gralladas, con un pegamento a base de cianoacrilatos (LOCTITE 415). A continuación se aplicó un peso de 100 N durante 3 minutos para la fuerza de compresión promover el inicio de la reacción de polimerización de los cianoacrilatos y se aguardó 24 horas, para que la junta adhesiva tuviera tiempo de adquirir la resistencia máxima (suficiente para arrancar el revestimiento de la probeta). Se realizaron después los ensayos de tracción a velocidad de 1 mm/min. Resultados: Los principales parámetros estudiados son el material del sustrato, el ángulo de proyección y la temperatura de precalentamiento del sustrato. La mayor fuerza de adhesión para la proyección a 90° (media de 6,2 MPa) fue obtenida con las probetas de hierro fundido con grafito esferoidal (SGCI) con una temperatura de precalentamiento de 120 °C. Para el precalentamiento de 90 °C y ángulo de proyección de 90°, fueron las probetas de duraluminio (AlCu) y de latón que obtuvieron las mayores fuerzas de adhesión (media de 4,5 MPa). La proyección a 65° origina la mayor tensión de adhesión en todos los materiales utilizados para el sustrato, siendo el mayor valor (media de 8,3 MPa) obtenido por el hierro fundido de grafito esferoidal. Conclusiones: Los resultados obtenidos sugieren claramente que el material del sustrato y la temperatura de precalentamiento influyen fuertemente en la fuerza de adhesión. El análisis de las microestructuras de los revestimientos, utilizando microscopia óptica, comprueba esta observación.