Investigation of Wear Behavior of Inconel 718 Alloy Coated with Armor Steels Using ESD

Year 2024, Volume: 24 Issue: 6, 1472 - 1481, 02.12.2024

Yusuf Kayalı , Merve Ermak

https://doi.org/10.35414/akufemubid.1475574

Abstract

Inconel-718 is one of the most important nickel-based super alloys most widely used. Despite its unique combination of properties and widespread use, the wear properties of Inconel-718 (and many other super alloys) are generally considered inadequate, especially at elevated temperatures. Therefore, it is subjected to many surface treatments today. One of the promising methods to produce a hard and wear resistant coating on metallic surfaces is Electro Spark Deposition (ESD) method. The ESD method is a micro-welding process based on the principle of depositing the electrode used on the surface by means of the plasma formation created by pulsed electric currents, which provides much stronger bonding and good adhesion compared to other traditional methods. In this study, surface coating process was carried out with Armoks-500T and Ramor-500 armor steels under different conditions by using ESD technique on Inconel-718 alloy. The properties of the obtained coating layers were characterized by scanning electron microscopy (SEM). Layer thicknesses were measured with the aid of an apparatus connected to an optical microscope. The surface hardness of the obtained layers was measured by the Micro-hardness method. Wear tests were carried out with the ball-on-disk method under a load of 10 N at a distance of 500 meters at 0.3 m/s. Wear trace SEM analyzes were performed for wear mechanisms. As a result of ESD coating, both armor coating materials were successfully formed on Inconel-718 alloy. The coating layer varies from 5 µm to 26 µm depending on the coating conditions and coating material. By increasing the surface hardness of both armor steels and Inconel-718 alloy, the wear resistance has been improved approximately 1.5-11 times.

Keywords

Electro Spark Deposition, Inconel-718 Alloy, Armox-500T, Ramor-500, Micro-hardness, Wear Resistance

Project Number

21.FEN.BİL.14

ESD Yöntemiyle Zırh Çelikleriyle Kaplanmış Inconel 718 Alaşımının Aşınma Davranışlarının İncelenmesi

Abstract

Inconel-718, en yaygın olarak kullanılan en önemli nikel esaslı süper alaşımlardan biridir. Inconel-718’in benzersiz özelliklerinden dolayı yaygın kullanıma rağmen, (ve diğer birçok süper alaşımın) aşınma özellikleri, özellikle yüksek sıcaklıklarda genellikle yetersiz kabul edilir. Bu yüzden günümüzde birçok yüzey işlemine tabii tutulmaktadır. Metalik yüzeylerde sert ve aşınmaya dayanıklı bir kaplama üretmek için gelecek vaat eden yöntemlerden biride Elektro Kıvılcım Biriktirme (ESD) yöntemdir. ESD metodu, diğer geleneksel yöntemlere kıyasla çok daha kuvvetli olarak bağlanan ve iyi bir yapışma sergileyen kaplamalar yapılmasını sağlayan ve kullanılan elektrotun darbeli (pulse) elektrik akımlarının oluşturduğu plazma formasyonu vasıtasıyla yüzeyde biriktirilmesi prensibine dayanan bir mikro-kaynak işlemidir. Bu çalışmada Inconel-718 alaşımı üzerine ESD tekniği kullanılarak farklı şartlarda Armoks-500T ve Ramor-500 zırh çelikleri ile yüzey kaplama işlemi yapılmıştır. Elde edilen kaplama tabakalarının özellikleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile karakterize edilmiştir. Tabaka kalınlıkları optik mikroskoba bağlı bir aparat yardımıyla ölçülmüştür. Elde edilen tabakaların yüzey sertlikleri Mikro sertlik yöntemiyle ölçülmüştür. Aşınma deneyleri ball-on-disk yöntemi ile 10 N yük altında 0.3 m/s de 500 metre mesafede gerçekleştirilmiştir. Aşınma mekanizmaları için Aşınma izi SEM analizleri yapılmıştır. ESD kaplama sonucunda Inconel-718 alaşımı üzerine her iki zırh kaplama malzemesi başarılı bir şekilde oluşturulmuştur. Kaplama tabakası kaplama şartlarına ve kaplama malzemesine bağlı olarak 5 µm’ dan 26 µm kadar değişmektedir. Her iki zırh çeliği ile Inconel-718 alaşımının yüzey sertliği artırılarak, aşınma direnci yaklaşık olarak 1,5-11 kat iyileştirilmiştir.

Keywords

Elektro Kıvılcım Biriktirme, Inconel-718 Alaşımı, Armoks-500T, Ramor-500, Mikrosertlik, Aşınma Direnci

Project Number

21.FEN.BİL.14

Thanks

Afyon Kocatepe Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü tarafından desteklenmiştir (Proje No: AKU BAPK-21. FEN. BİL.14)

References

• Abad, M.D., Muñoz-Márquez, M.A., El Mrabet, S., Justo, A., Sánchez-López, J.C., 2010. Tailored synthesis of nanostructured WC/TaC coatings by dual magnetron sputtering. Surface & Coatings Technology, 204, 3490-3500. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.04.019
• Aichholz S.A.C., Meruvia M.S., Júnior P.C.S., Torres R.D., 2018. Tribocorrosion behavior of boronized AISI 4140 steel. Surface & Coatings Technology, 352, 265-272. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.07.101
• Allaoui O., Bouaouadja N., Saindernan G., 2006. Characterization of boronized layers on a XC38 steel. Surface & Coatings Technology, 201, 3475-3482. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.07.238
• American Welding Society, 2007. Welding Handbook, Vol. 3, 9th Ed., Miami, FL, 598-602. Bhattacharya S.K., Javaid A., Lewis M.H., Walbank J., 1983. Wear Mechanisms of Syalon Ceramic Tools when Machining Nickel-Based Material. Metals Technology, 10, 482-483. https://doi.org/10.1179/030716983803291415
• Edgar E.V.C., Roger L., Armando I.M.P., Jose L.B.P., Francisco J.P.P., Martin O.D., Eduardo D.R.A., 2016. Characterization and wear performance of boride phases over tool steel substrates. Advances in Mechanical Engineering, 8(2), 1-10. https://doi.org/10.1177/1687814016630257
• Günen, A., Kanca, E., Çakır, H., Karakaş, M. S., Gök, M.S., Küçük, Y., Demir, M., 2017. Effect of borotitanizing on microstructure and wear behavior of Inconel 625. Surface & Coatings Technology, 311, 374-382. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.12.097
• Gür, A.K., Taşkaya, S., Özay, Ç., 2019. Ramor-500 Çeliğinde Isıl İşlemin Mikroyapı, Mikrosertlik ve Abrasiv Aşınma Direncine Etkisinin Taguchi Metoduyla Değerlendirilmesi. BEU Journal of Science, 8(3), 1045-1056. https://doi.org/10.17798/bitlisfen.532073
• Jindal, P.C., Quinto, D.T., Wolfe, G.J., 1987. Adhesion measurements of chemically vapor deposited and physically vapor deposited hard coatings on WC/Co substrates. Thin Solid Films, 154, 361-375. https://doi.org/10.1016/0040-6090(87)90379-8
• Kaçar, R., Emre, Ertek H., 2018. Gaz Metal Kaynaklı Zırh Çeliklerinin Mekanik Özelliklerinin Belirlenmesi. AKU J.Eng.App.Sci. Vol.1, 15-23.
• Kara, S., Korkut, M.H., 2012. Zırhlı Muharabe Araçlarında Kullanılan Zırh Plakalarında Kaynak Sonrası Isıl İşlemin Birleşim Mukavemetine Etkisinin Araştırılması. The Journal of Defense Sciences, 11(2), 159-171. https://doi.org/10.17134/sbd.44699
• Kayali, Y. and Talaş, Ş., 2019. Investigation of Wear and Corrosion Behaviour of AISI 316 L Stainless Steel Coated by ESD Surface Modification. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, 55, 1148-1153. https://doi.org/10.1134/S2070205119060170
• Kayali, Y. and Talaş, Ş., 2021. Investigation on Wear Behavior of Steels Coated with WC by ESD Technique. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, 57, 1065-112. https://doi.org/10.1134/S2070205120060131
• Krelling A.P., Da Costa C.E., Milan J.C.G., Almeida E.A.S., 2017. Micro-abrasive wear mechanisms of borided AISI 1020 steel. Tribology International, 111, 234-242. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2017.03.017
• Kurzynowski, T., Smolina, I., Kobiela, K., Kuz´nicka, B., Chlebus, E., 2017. Wear and corrosion behaviour of Inconel 718 laser surface alloyed with rhenium. Materials and Design, 132, 349-359. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.07.024
• Rastkerdar, E., Aghajani, H., Kianvash, A., Sorell, C.C., 2018. Microstructural characterization of AA5183 aluminum clad AISI 1018 steel prepared by electro spark deposition. Mater. Res. Express, 5 (4), 046507. https://doi.org/10.1088/2053-1591/aab81f
• Shepeleva, L., Medres, B., Kaplan, W.D., Bamberger, M., Weisheit, A., 2000. Laser cladding of turbine blades. Surface & Coatings Technology, 125, 45-48. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(99)00603-9
• Tang, J., 2016. Mechanical and Tribological properties of the TiC-TiB2 composite coating deposited on 40Cr-steel by electro spark deposition. Applied Surface Science, 365, 202-208. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.12.198
• Taşkaya, S., Gür, A.K., 2019. Ramor 500 Zırh Çeliğinin Tozaltı Kaynak Yöntemi ile Birleştirilmesinde Tel İlerleme Hızının Kaynak Metalindeki Nüfuziyet Dengesinin İncelenmesi. GÜFBED, 9(3), 444-453. https://doi.org/10.17714/gumusfenbil.426195
• Zhu, Y.C., Yukimura, K., Ding, C.X., Zhang, P.Y., 2001. Tribological properties of nanostructured and conventional WC–Co coatings deposited by plasma spraying. Thin Solid Films, 388, 277-282. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(01)00805-7