Development and heat treatment of functionally graded 316L stainless steel-tungsten carbide coatings manufactured using laser cladding
Date
2024-02
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: This thesis details the development and analysis of a functionally graded tungsten carbide (WC)-316L stainless steel (SS316L) coating fabricated through laser cladding (LC) technology, followed by stress relief heat treatment. The primary goal was to construct a three-layer functionally graded coating and assess its mechanical and microstructural properties pre- and post-heat treatment. A comprehensive literature review identified a notable gap concerning functionally graded SS316L and WC coatings, with existing one-layer coatings often prone to delamination and cracking. This research gap underlined the necessity for developing functionally graded coatings. The study utilized a full factorial Design of Experiments (DoE) framework to determine the optimal laser cladding processing parameters. This approach involved adjusting laser power and scanning speed to achieve the desired coating properties of 1 mm thickness per layer with minimal porosity. The optimal parameters, identified via regression analysis and analysis of variance, facilitated the deposition of a three-layer coating, each layer distinct in its SS316L and WC composition, thereby establishing a functionally graded structure. Prior to and following heat treatment, the coatings underwent extensive microstructural characterization through XRD analysis, optical microscopy, SEM/EDS, and Vickers hardness testing. Simulations with JmatPro software for phase diagrams ensured the selected heat treatment temperature effectively relieved residual stresses without inducing secondary phases or altering the core microstructure. Post-treatment comparative analysis using SEM, XRD, and hardness tests indicated no substantial microstructural changes. However, the hardness from the substrate and to the coating layer had a noticeable decrease of 5 %, 8 %, 10 % and 15 % respectively. The results of the study have significant implications for surface engineering applications requiring both corrosion and wear resistance. The research contributes to a better understanding of functionally graded coatings, particularly in the context of WC/SS316L materials. While it addresses specific challenges in surface engineering, it also suggests potential directions for further studies in the application of functionally graded materials in various engineering environments.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie tesis beskryf die ontwikkeling en ontleding van ʼn funksioneel gegradeerde WC/SS316L-bedekking wat met behulp van laserbekledingstegnologie (LC) gevolg deur spanningsverligtingshittebehandeling vervaardig is. Die hoofdoel was die konstruksie van ʼn funksioneel gegradeerde bedekking met drie lae en die assessering van die meganiese en mikrostrukturele eienskappe daarvan vóór en ná die hittebehandeling. ʼn Omvattende oorsig van die literatuur het ʼn merkbare leemte ten opsigte van funksioneel gegradeerde SS316L- en WC-bedekkings geïdentifiseer, met bestaande enkellaagbedekkings wat geneig is tot delaminering en krake. Hierdie gaping in die navorsing het die nodigheid vir die ontwikkeling van funksioneel gegradeerde bedekkings beklemtoon. Die studie het ʼn volledige faktoriale ontwerp-van-eksperimente-raamwerk (OvE) gebruik om die optimale verwerkingsparameters vir LC te bepaal. Die benadering behels dat die laserkrag en -aftastingspoed aangepas word om die verlangde laageienskappe van 1 mm dikte per laag met minimale poreusheid te bereik. Die optimale parameters, wat via regressieontleding en variansieontleding geïdentifiseer is, het die afsetting van ʼn bedekking met drie lae vergemaklik, met elke laag uniek ten opsigte van SS316L- en WC-samestelling, wat dus ʼn funksioneel gegradeerde struktuur tot stand gebring het. Voor die hittebehandeling en ná afloop daarvan, het die bedekkings omvattende mikrostrukturele karakterisering ondergaan deur XRD-ontleding (x-straaldiffraksie), optiese mikroskopie, SEM/EDS (aftastings- elektronmikroskopie met energiedispersie- x-straalspektrometrie), en Vickers-hardheidstoetsing. Simulasies met JmatPro-programmatuur vir fasediagramme het verseker dat die gekose hittebehandelingstemperatuur die naspanning doeltreffend verlig het, sonder om sekondêre fases te induseer of die kernmikrostruktuur te wysig. Vergelykende ontleding met behulp van SEM, XRD en hardheidstoetse ná die hittebehandeling, het geen wesenlike mikrostrukturele veranderinge aangedui nie. Daar was egter ʼn beduidende afname van 5 %, 8 %, 10% en 15 %, in die hardheid van die substraat en elke deklaag, onderskeidelik. Die resultate van die studie het beduidende implikasies vir oppervlak-ingenieurstoepassings wat korrosie- en slytasiebestand moet wees. Die navorsing dra by tot ʼn beter begrip van funksioneel gegradeerde bedekkings, veral in die konteks van WC/SS316L-materiaal. Hoewel dit spesifieke uitdagings in oppervlak-ingenieurswese aanpak, stel dit ook moontlike rigtings vir verdere studies in die toepassing van funksioneel gegradeerde materiaal in verskillende ngenieurswese-scenario’s voor.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie tesis beskryf die ontwikkeling en ontleding van ʼn funksioneel gegradeerde WC/SS316L-bedekking wat met behulp van laserbekledingstegnologie (LC) gevolg deur spanningsverligtingshittebehandeling vervaardig is. Die hoofdoel was die konstruksie van ʼn funksioneel gegradeerde bedekking met drie lae en die assessering van die meganiese en mikrostrukturele eienskappe daarvan vóór en ná die hittebehandeling. ʼn Omvattende oorsig van die literatuur het ʼn merkbare leemte ten opsigte van funksioneel gegradeerde SS316L- en WC-bedekkings geïdentifiseer, met bestaande enkellaagbedekkings wat geneig is tot delaminering en krake. Hierdie gaping in die navorsing het die nodigheid vir die ontwikkeling van funksioneel gegradeerde bedekkings beklemtoon. Die studie het ʼn volledige faktoriale ontwerp-van-eksperimente-raamwerk (OvE) gebruik om die optimale verwerkingsparameters vir LC te bepaal. Die benadering behels dat die laserkrag en -aftastingspoed aangepas word om die verlangde laageienskappe van 1 mm dikte per laag met minimale poreusheid te bereik. Die optimale parameters, wat via regressieontleding en variansieontleding geïdentifiseer is, het die afsetting van ʼn bedekking met drie lae vergemaklik, met elke laag uniek ten opsigte van SS316L- en WC-samestelling, wat dus ʼn funksioneel gegradeerde struktuur tot stand gebring het. Voor die hittebehandeling en ná afloop daarvan, het die bedekkings omvattende mikrostrukturele karakterisering ondergaan deur XRD-ontleding (x-straaldiffraksie), optiese mikroskopie, SEM/EDS (aftastings- elektronmikroskopie met energiedispersie- x-straalspektrometrie), en Vickers-hardheidstoetsing. Simulasies met JmatPro-programmatuur vir fasediagramme het verseker dat die gekose hittebehandelingstemperatuur die naspanning doeltreffend verlig het, sonder om sekondêre fases te induseer of die kernmikrostruktuur te wysig. Vergelykende ontleding met behulp van SEM, XRD en hardheidstoetse ná die hittebehandeling, het geen wesenlike mikrostrukturele veranderinge aangedui nie. Daar was egter ʼn beduidende afname van 5 %, 8 %, 10% en 15 %, in die hardheid van die substraat en elke deklaag, onderskeidelik. Die resultate van die studie het beduidende implikasies vir oppervlak-ingenieurstoepassings wat korrosie- en slytasiebestand moet wees. Die navorsing dra by tot ʼn beter begrip van funksioneel gegradeerde bedekkings, veral in die konteks van WC/SS316L-materiaal. Hoewel dit spesifieke uitdagings in oppervlak-ingenieurswese aanpak, stel dit ook moontlike rigtings vir verdere studies in die toepassing van funksioneel gegradeerde materiaal in verskillende ngenieurswese-scenario’s voor.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2024.