• Nenhum resultado encontrado

2 )massa/A (mGanho de mg/cm

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "2 )massa/A (mGanho de mg/cm"

Copied!
70
0
0

Texto

(1)

COATINGS TO CONTROL HIGH TEMPERATURE 

CO GS O CO O G U

OXIDATION OF METALS

Lalgudi V. Ramanathan

d ê l d

Centro de Ciência e Tecnologia de Materiais

Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN) São Paulo Brazil

São Paulo. Brazil. 

INTERCORR 2012 INTERCORR 2012

14‐18 May 2012 Bahia Brazil Bahia, Brazil

(2)

Outline

Introduction

High temperature components Materials and requirements Degradation

Oxidation Oxidation 

Coatings and coating techniques Thermal barrier coatings

Rare earth elements and their role Rare earth elements and their role Nanostructured coatings

Challenges

(3)

Degradation of materials at high temperatures ‐ concern in many industries

concern in many industries 

•power generation

•refinery and petrochemicals

h i l i

•chemical processing

•metallurgical processing

•paper and pulp

•Automotive

•Aerospacep

•defense etc.

(4)

High temperatures

Increased temperature  gradients

aircraft turbine engines High pressures Large stresses

Oxidizing and corrosive  atmospheres

Steam turbines

Petroleum refining Particulates – erosion 

and impact damage

Coal gasification Nuclear power generation

(5)

High‐temperature processes with component temperatures and required lives

(M.F.Stroosnijder, R. Mevrel, M.J.bennett, Materials at High temperatures, 1994, 12(1), 53.)

(6)

Degradation ‐ oxidation. 

Also 

solid particle erosion, 

•phase transformation, 

hot corrosion, 

spallation of surface oxide,  l ili i

volatilization etc.  

Therefore materials exposed to H T industrial atmospheres should:

Therefore materials exposed to H.T. industrial atmospheres should:

Resist attack by environment and resist deformation. 

F l ibl h i l i h i bl

Frequently, possible to choose material with a suitable  properties. 

(7)

Typical temperatures for some industrial processes

(Sudhangshu Bose, High Temperature Coatings, Butterworth Heinemann , 2007)

(8)

Temperature capabilities of classes of materials

(G.W.Meetham, Materials and Design, 1988, 9(5), 247)

(9)

However, as the mechanical load and chemical severity  increase, the scope to choose a material becomes limited. 

Resolve this problem by designing the material where:

Surface optimized to resist attack by the  environment.

•Bulk optimized to bear mechanical load. 

(10)

H.T. materials:  usually iron, nickel or cobalt based alloys. 

Oxides formed on these metals are not sufficiently  protective above 550C.

Hence alloyed with Cr, Al and sometimes Si, to establish  more protective oxide scales of chromia, alumina or silica  respectively. 

(11)

Another option to protect metallic components at high temperatures

COATINGS COATINGS 

Oxidation resistant coatings are ‐ metallic, ceramic or composites  These coatings should: 

(a) be resistant to further extensive oxidation if metallic;

(a) be resistant to further extensive oxidation, if metallic; 

(b) not undergo phase transformation; 

(c) form a spallation resistant oxide; 

(d) have a reduced coefficient of thermal expansion (CTE) mismatch with the substrate 

( ) p ( )

at the desired operating temperature; 

(a) not compromise the coating/substrate integrity caused by inter‐diffusion or solid  state reactions.

(12)

Coating Functions and Coating Materials Characteristics

Functions Materials Characteristics

Reduction in surface temperature Low thermal conduction Low radiative heat transfer High radiative heat transfer High emittance

Reduction in rate of oxidation Thermodynamically stable oxide y y formers with slow growth rates Reduction in rate of hot corrosion Chemically stable and impervious

oxide scale

Resistance to particulate erosion Hard, dense material Increased abradability (sacrificial

wear) Rub tolerance via plastic

deformation (densification)

Energy transformation via fracture (material loss)

Increased abrasiveness Inclusion of hard particles to Increased abrasiveness Inclusion of hard particles to

induce cutting of seal

(13)

There are mainly two types of coating processes:

There are mainly two types of coating processes: 

(a) diffusion  (a) overlay. 

Diffusion coating ‐ alter composition of the surface of an alloy by diffusion. 

Enrich surfaces in Cr, Al or Si, and thereby aid formation of chromia,  alumina or silica layers. 

Formation and modification of the oxide that grows naturally Formation and modification of the oxide that grows naturally 

on alloys or metallic coatings is also considered as a  diffusion process in which oxygen is the active external  element.   

Overlay coatings produced by the deposition of a corrosion resistant alloy Overlay coatings  produced by the deposition of a corrosion resistant alloy, 

composite or a ceramic. 

(14)

S ti

Some common coating processes

(Sudhangshu Bose, High Temperature Coatings, Butterworth Heinemann , 2007)

(15)

Various diffusion coating processesg p

(Sudhangshu Bose, High Temperature Coatings, Butterworth Heinemann , 2007)

(16)

Thermal spraying Thermal spraying

Nozzle of an HVOF gun

Principles of flame spray process  (a) powder feed; (b) wire feed

Internal features of a Metco Plasma gun

(17)

Gas temperature‐particle velocity regimes for various thermal  spray processes and the cold spray process

(Anatolii Papyrin, Adv. Mater.Proc., 2001, 159(9), 49.)

( py ( ) )

(18)

PVD Processes

Ion beam processes Sputtering

Pl di d Planar diode Triode

Magnetron Magnetron

Radio frequency Ion implantation

Ion plating Evaporation Evaporation

Electron beam physical vapor deposition

(19)

Processing

Summary of the Benefits and Limitations of the Atomistic and Particulate Deposition Methods (Nicholls, 2000)

g Features Evaporation Sputtering

Deposition

CVD Electrodeposition Thermal Spraying

Mechanism to produce depositing

Thermal energy Momentum transferChemical reaction Solution Flames or plasmas species

Deposition rate Moderate (up to 750,000 Å/min.)

Low Moderate Low to high Very high

Deposition species Atoms Atoms/ions Atms/ions Ions Droplets

Complex shapes Poor line of sight Good but nonuniform

Good Good Poor resolution

Deposits in small, blind holes

Poor Poor Limited Limited Very limited

Metal/alloy d iti

Yes Yes Yes Yes Yes

deposition

Refractory compounds and ceramics

Yes Yes Yes Limited Yes

ceramics

Energy of deposit- species

Low Can be high Can be high Can be high Can be high

Growth interface perturbation

Not normally Yes Yes No No

Substrate heating Yes, normally Not generally Yes No Not normally

(20)

Requirements for metallic coatings

Successful environmental performance of metallic coatings rely on Successful environmental performance of metallic coatings rely on 

formation of thin oxide scales on the coating surface that limits access  of oxygen and corroding salts. 

For these scales to provide extended protection a number of  i t h t b ti fi d

requirements have to be satisfied.

Oxidation/corrosion resistance Oxidation/corrosion resistance

Thermodynamically stable, protective scale of uniform thickness

•Slow growth rate of protective surface scale

Adherent surface scale

High concentration of scale former

(21)

Stabilityy

No undesired phase changes within the coating

Low diffusion rate across interface at use temperature

d i i l bili i f

Adequate compositional stability   across interface Minimized brittle phase formation

Adhesion

Good adherence of coating to substrateg

Matched coating/substrate properties to reduce thermal stress Minimized growth stresses (process parameters related)

O i i d f di i ( h h)

Optimized surface condition (rough or smooth) Structural properties

Structural properties

Can withstand service related creep, fatigue and impact loading  of surface without failure of function.

(22)

Elemental constituents of metallic coatings, their functions and effects

(Nicholls, 2000)

(23)

Oxidation resistance of coatings

The mechanism of oxidation of coatings used in high‐temperature  applications is in many ways similar to that of the high temperature  alloys

Th k diff li i th l i i t t th h

The key differences lie in the aluminium content, the phase 

distribution, the presence of reactive elements, and the effect of  interdiffusion with the substrate.

interdiffusion with the substrate. 

Ideal scales:

•Non‐volatile

•Stoichiometric, to maintain low ionic transport

•Stress free at operating temperature to reduce scale failurep g p

•Adherent ‐ resistant to spallation 

•Pores, cracks and other defect‐free ‐ to prevent short circuit transport of reactants In practice, almost impossible to form such ideal scales. 

(24)

Comparison of oxidation resistance of coatings in cyclic thermal exposure  of 1 Mach gas velocity in air at 1190 °Cg y

(25)

Coatings represented by MCrAlX ( M being Ni, Fe, Co and X for 

i l ) h d i d b f h l

reactive elements) when deposited by some of the overlay 

processes such as LPPS or HVOF exhibit good oxidation resistance  due to the presence of adequate levels of Al Cr and the excellent due to the presence of adequate levels of Al, Cr and the excellent  oxide scale adherence afforded by the reactive elements.

Overlay coatings as opposed to diffusion coatings, provide more 

i d d f h b ll b l fl ibili i

independence from the substrate alloy, but also more flexibility in  design as compositions can be modified depending on the 

degradation mechanisms expected to prevail degradation mechanisms expected to prevail.

(26)

Thermal barrier coatings (TBCs)

Reduce component temperatures and increase life. 

A combination of multiple layers. p y

Top layer ‐thermal insulation ‐ ceramic ‐ typically ZrO2. (125 

‐1000 µm )

Bond coat ‐MCrAlY, (50 ‐125 µm)

Thermally grown oxide (TGO), predominantly alumina. (0.5  – 10 µm)

TBC coated 

gas turbine rotor  for operation at  1400 °C

(27)

Hot corrosion and erosion

In industrial processes, materials are exposed not only to oxygen but also to  other environmental constituents: 

•Gasses ‐ CO2 and SO2

•Fused or molten salts like alkali and alkaline earth sulphates, chlorides, 

•Solid particles in the form of sand and fly ashes. The solid particles may p y p y melt during their transit through the system or remain in particulate form.

Interaction of these environmental constituents with the materials of Interaction of these environmental constituents with the materials of  construction results in corrosion and erosion.

Hot corrosion is that induced by fused salts in an oxidizing gas at elevated Hot corrosion is that induced by fused salts in an oxidizing gas at elevated  temperatures.

E i i l h i l i t d i t d t i l l Thi l

Erosion involves mechanical impact and associated material loss. This may also  accelerate environmental interactions by removing protective oxide scales.

(28)

Optimum coating composition in relation to oxidation and hot‐corrosion resistance  (M. Schütze, Corrosion and Environmental Degradation Vol. II, Wiley‐VCH, 2000.)

(29)

The Reactive Element Effect

Over 60 years ‐ addition of small quantities of cerium to a Cr 

containing heater alloy melt ‐ had significant effect on lifetime of  alloy 

Termed ‘Rare earth effect’ and patented.

Termed Rare earth effect and patented.

Now elements other than rare earths (REs) also give the same  effect

Now effect termed ‘Reactive element effect’.

(30)

THE RARE EARTHS

A group of 17 elements comprising the 15 lanthanides,  di d tt i

scandium, and yttrium

(31)

Periodic Table of Elements

Jump start: select an element from the periodic table.

Gro

up 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Peri od od

1 1

H

2

He

3 4 5 6 7 8 9 10

2 3

Li

4

Be

5

B

6

C

7

N

8

O

9

F

10

Ne

3 11

Na

12

Mg

13

Al

14

Si

15

P

16

S

17

Cl

18

Ar

4 19

K

20

Ca

21

Sc

22

Ti

23

V

24

Cr

25

Mn

26

Fe

27

Co

28

Ni

29

Cu

30

Zn

31

Ga

32

Ge

33

As

34

Se

35

Br

36

Kr

5 37

Rb

38

Sr

39

Y

40

Zr

41

Nb

42

Mo

43

Tc

44

Ru

45

Rh

46

Pd

47

Ag

48

Cd

49

In

50

Sn

51

Sb

52

Te

53

I

54

Xe

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

6 55

Cs

56

Ba * 71

Lu

72

Hf

73

Ta

74

W

75

Re

76

Os

77

Ir

78

Pt

79

Au

80

Hg

81

Tl

82

Pb

83

Bi

84

Po

85

At

86

Rn

7 87

F

88

R ** 103 L

104

Rf

105

Db

106

S

107

Bh

108

H

109

Mt

110

D

111

R

112

U b

113

U t

114

U

115

U

116

U h

117

U

118

7 U

Fr Ra Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo

57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

*Lanthanoids * 57 La

58

Ce

59

Pr

60

Nd

61

Pm

62

Sm

63

Eu

64

Gd

65

Tb

66

Dy

67

Ho

68

Er

69

Tm

70

Yb

**Actinoids ** 89 Ac

90

Th

91

Pa

92

U

93

Np

94

Pu

95

Am

96

Cm

97

Bk

98

Cf

99

Es

100

Fm

101

Md

102

No

(32)

1.4

F C

1.0 1.2

FeCrY FeCr

mg/cm2 )

0.6 0.8

FeCrY

massa/A (m

0.2 0.4

Ganho de

0 1 2 3 4 5 6 7 8

0.0

tempo (h)

Oxidation curves of FeCr and FeCrY at 1000°C

In the transient stages of oxidation ‐ metastable oxides of base  metals are present. RE effects on scale growth is not evident.

(33)

Surface of Fe‐20Cr oxidized for 20 hours at 1000° C Surface of Fe‐20Cr oxidized for 20 hours at 1000 C. 

(34)

0.0030

0.0025

FeCr

A (mg/cm2 )

0.0015 0.0020

e massa/A

0 0005 0.0010

FeCrAl

Ganho de

0 50 100 150 200

0.0000

0.0005 FeCrAl

tempo (h)

Isothermal oxidation curves at 1000°C of FeCr and FeCrAl

(35)

0.9

FeCrAl

m2 )

0.6

FeCrAlY

/A(mg/cm

de massa/ganho d 0.3

0 2 4 6 8

0.0

t (h)

tempo(h)

Isothermal oxidation curves at 1000°C of FeCrAl and FeCrAlY Isothermal oxidation curves at 1000 C of FeCrAl and FeCrAlY

(36)

0.0030

0.0025

FeCr

/cm2 )

0.0015 0.0020

F C Y O FeCrY

ssa/A (mg/

0.0010

FeCr rev.Y2O3

ho de mas

0 50 100 150 200

0.0000 0.0005

Ganh

0 50 100 150 200

tempo (h)

Isothermal oxidation curves of FeCr, FeCrY and Y2O3 coated FeCr at  1000º C

(37)

0.0030

0.0025

FeCr

(mg/cm2 )

0.0015 0.0020

FeCr rev Y O FeCrY

e massa/A

0 0005 0.0010

FeCr rev.LaCrO3 FeCr rev.Y2O3

Ganho de

0 50 100 150 200

0.0000 0.0005

tempo (h)

Isothermal oxidation curves at 1000°C of FeCr, FeCrY, Y2O3 coated FeCr and LaCrO3 coated FeCr. 

(38)

0.0030

0 0020 0.0025

FeCr

F C L C O t

m2 )

0.0015

0.0020 FeCr LaCrO3coat FeCrAl

FeCrAl LaCrO3 coat

n/A (mg/cm

0.0005 0.0010

Weight gain

0 50 100 150 200

0.0000

W

0 50 100 150 200

time (h)

Oxidation curves of Fe‐20Cr and Fe‐20Cr‐4Al with and without  LaCrO3 coating.

(M.F.Pillis and L.V.Ramanathan, Mat. Res. 7, 3, 279, 2007.)

(39)

Parabolic rate constants (K ) of the alloys oxidized at

All K ( 2 4 1)

Parabolic rate constants (Kp) of the alloys oxidized at  1000°C

Alloy Kp (g2.cm-4.s-1)

FeCr 1.31x10-11

FeCrY 3.60x10-12

FeCrAl 6.33x10-12

FeCrAlY 6.24x10-13

(40)

SE micrograph of cross‐section of Fe‐20Cr‐0.5Dy oxidized at  1000°C for 40 hours

(S.M.C.Fernandes and L.V.Ramanathan, Surface Engineering, 16, 4, 327, 2000.)

(41)

1,6 Nd La

1,4 1,6

Er FeCr

Yb

Ce Sm

Nd Pr

Nd Ce Sm

Gd

1,2

Y

Yb Dy DyGd

Er Yb FeCr

m²) Y

C li id ti b h i f RE

0 8 1,0

Y

ain (mg/cm Cyclic oxidation behavior of RE 

oxide coated Fe‐20Cr alloy. Each  cycle 1000 °C – RT

0,6

0,8 Gd

Weigth Ga

(L.V.Ramanathan, M.F.Pillis, S.M.C.Fernandes,  J. Mat. Sci., 43,2, 530, 2008)

0,4 Pr

La

W

0 0 0,2

La

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0,0

Number of Cycles

(42)

Rare earth element Number of cycles RRE/RCr ratio

Lanthanum 15 1.64

Cerium 9 1.60

Praseodymium 15 1.57

Neodymium 12 1.54

Samarium 12 1.50

G d li i 15 1 46

Gadolinium 15 1.46

Dysprosium 6 1.42

Yttrium 7 1 39

Yttrium 7 1.39

Erbium 7 1.37

Ytterbium 4 1.34

Total number of cycles withstood by Fe20Cr specimens coated with oxides of  different rare earths and the ratios of the rare earth ion radius to the radius of  chromium ion.

(S.M.C.Fernandes and L.V.Ramanathan, J. Mat. Sci., 43,2, 530, 2008)

(43)

SE micrographs of  different RE oxide gels. 

(a) Dy (b) Er (c) Ce (d) (a) Dy, (b) Er, (c) Ce, (d) 

Sm, (e) Y, (f) La and (g)  Pr.

Pr.

(S.M.C.Fernandes and L.V.Ramanathan, Mat. Res., 9,2,199,2006)

(44)

Main morphological feature of the rare earth oxides

Rare earth oxide Main morphological feature

Lanthanum Cuboids

Lanthanum Cuboids

Cerium Large cubes and rods

Praseodymium Needle like

Neodymium Fine needles, acicular

Samarium Clusters

Gadolinium Interlocking clusters

Dysprosium Tiny clusters

Yttrium Platelets

Erbium Open clusters

Ytt bi Cl t d di l t l t

Ytterbium Clusters and disperse platelets

(45)

The cyclic oxidation behavior of RE oxide coated Fe‐Cr and  FeCrAl alloys depends on 

•the radius of the rare earth ion, 

•the shape/size of the crystallite and

•the shape/size of the crystallite and 

•the coverage. 

Coverage in turn depends on the size and shape of the RE oxide  crystallite.

(46)

a b

c

(a) Cross section of Fe‐20Cr after 200h of oxidation at 1000°C; (b) Surface of  LaCrO3 coated Fe‐20Cr after 200h of oxidation at 1000°C; (c) cross section of 

(b).

( )

(M.F.Pillis and L.V.Ramanathan, Mat. Res. 7, 3, 279, 2007.)

(47)

a b

Cross section Fe‐20Cr‐4Al oxidized for 200 h at 1000°C (a) uncoated; (b)

a b

Cross section Fe‐20Cr‐4Al oxidized for 200 h at 1000 C. (a) uncoated; (b)  LaCrO3 coated.

(M.F.Pillis and L.V.Ramanathan, Mat. Res. 7, 3, 279, 2007.)

(48)

Scale formation on Fe‐Cr alloy

O2‐ New oxide

Gas

Oxide Cr

Alloy

Cr2+

Cr2+ >>O2‐

(49)

Diffusion profile for oxide scale growth

(50)

Scale formation on RE oxide coated Fe‐Cr alloy

O2‐

Gas

Oxide Cr

Alloy

Cr2+

New oxide

Cr2+ << O2‐

(51)

Diffusion profile for oxide scale growth

(52)

Overall, in chromia scales RE additions: 

Increase oxidation resistance: i.e.

( ) d l h (f d h) b f f

(a)reduces scale growth rate (for steady state growth) by a factor of  up to 10 or more;

(b)improves scale adhesion, fewer voids at alloy/scale interface (c) reduces the chromium content necessary in the alloy to form a 

continuous chromia scale, from 20‐35% to 10‐13%Cr; 

(d) changes the scale growth mechanism; 

( ) g g ;

(e) reduces scale thickness and grain size; 

(f) improves selective oxidation.

(53)

Mechanism

The dynamic segregation model proposed to account for these  beneficial effects.

Reactive elements present in the alloy diffuse into the scale due to the oxygen potential  gradient which extends from the gas interface into the substrate.

g g

The RE diffuses through the oxide to the gas interface.

En‐route to the gas interface the RE ions first segregates to the metal‐scale interface. 

At this point, the outward diffusing RE ions then follow the fastest path to the gas  interface ‐ the scale grain boundaries. 

The large RE ions diffuse more slowly than Cr or Al and thus inhibit the normal outward  short‐circuit transport of cations along the scale grain boundaries. 

Larger the RE ion slower is its outward diffusion.g

The new rate‐limiting step is the inward transport of O ions along the scale grain  boundaries. 

(54)

The mechanism

Oxygen  Oxide

yg

concentration  gradient

Alloy RE ion

RE ions diffuse out along scale grain boundaries RE ions diffuse out along scale grain boundaries.

(L.V.Ramanathan, M.F.Pillis, S.M.C.Fernandes, J. Mat. Sci., 43,2, 530, 2008)

(55)

Since cation to anion transport ratio is higher in alpha‐

chromia, inhibiting cation transport has a much 

greater effect on parabolic rate constant of chromia  formation than on alpha‐alumina. 

As observed As observed,

in chromia, the reduction is typically 10‐100x while for  alumina, the reduction is only approximately 2‐4x. 

(56)

O i i i f h ddi i

Optimization of rare earth additions

2,4

1,4 1,6 1,8 2,0

2,2 FeCr

g.cm-2

0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

FeCrCeLa FeCrLa

FeCrCe

s change/mg

-0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4

FeCrAlCeLa FeCrCeLa

Mass

0 1 2 3 4 5

-0,6 0,4

Time/hours

Isothermal oxidation curves of uncoated, CeO2 coated, La2O3 coated and CeO2 + La2O3 coated Fe20Cr as well as CeO22 + La22O33 coated Fe20Cr5Al at 1000 C.

(S.M.C.Fernandes, O.V.Correa and L.V.Ramanathan, J. Thermal Analysis and Calorimetry, 106, 541, 2011.)

(57)

N t t d ti

Nanostructured coatings

Ch i bid d t t bid

Chromium carbide and tungsten carbide

Cr3C2‐Ni20Cr coatings used to protect components against

Cr3C2 Ni20Cr coatings used to protect components against  oxidation and wear. 

Nanostructured Cr3C2‐NiCr coatings prepared by HVOF.

(58)

( )N d i (a)Nanostructured coating 

layer ‐ uniform; 

(b) same coating showing (b) same coating showing 

cracks emanating from  the indent.

(59)

Vickers hardness, Young modulus and fracture toughness of Cr3C2-Ni20Cr coatings

Condition HV (GPa) E (GPa) KIC (MPa m½)

Conventional 7 97 172 29 1 77

Conventional 7.97 172.29 1.77

Nanostructured as-sprayed

10.37 223.40 2.23

as-sprayed

Nanostructured oxidized

10.79 232.35 2.41

(60)

2

25ºC/AR 19m/s-5h 800ºC/AR

700ºC/AR

1

2 25ºC/NS

19m/s-5h 19m/s-5h

800ºC/NS 19m/s-5h 700 C/AR

19m/s-5h

700ºC/NS

g/cm2 )

1 700ºC/NS

19m/s-5h 450ºC/NS

19m/s-5h

s (10-4 g

1 2 3 4 5 6 7 8

0

ght loss

Tested samples groups

-1

800ºC/NS 10m/s-5h

Weig

10m/s 5h

Erosion-oxidation resistance of Cr33 2C2‐Ni20Cr coatingsg

(61)

Chromium carbide coatings

As‐received powder As‐received powder

Nanocrystalline powder

(C.A.Cunha, N.B.de Lima, J.R.Martinelli, A.H.de A.Bressiani, A.Padial and L.V.Ramanathan, Materials Research, 11, 2, 137, 2008.)

(62)

Th h l bili f C C 20(Ni20C ) The thermal stability of Cr3C2‐20(Ni20Cr)  coatings determined in terms of hardness  variation as a function of heat treatment variation as a function of heat treatment  temperature.

1000 1020

Vickers microhardness (as received)

V ickers m icrohardness (nanocrystalline)

920 940 960 980 1000

hardness (VHN) 1150

1200 1250 1300

ardness (VHN)

820 840 860 880 900

Vickers microh

950 1000 1050 1100

Vickers microha

0 200 400 600 800 1000

820

Temperature (ºC)

0 200 400 600 800 1000

Tem perature (ºC )

AS RECEIVED

AS RECEIVED NANOSTRUCTURED

(A.Padial, C.A.Cunha, O.V.Correa, N.B.de Lima and L.V.Ramanathan, Mat. Sci.Forum, 660‐661, 379, 2010.)

(63)

Challenges and needs Challenges and needs

Develop a consistent approach through thermochemical modeling to achieve and  use data for coatings corroding in diverse conditions and by different mechanisms;

use data for coatings corroding in diverse conditions and by different mechanisms; 

Create a database to manage data on corrosion of metals, alloys and coatings in  complex HT gases; p g ;

Create an information system that can be applied to coating failure on equipment,  coating material evaluation and eventually select cost effective coatings and coating  techniques; 

Develop guidelines to optimize coating design and process economics; 

Expand mechanical property data of various coating systems to model coating  mechanical stability and eventually predict in‐service behavior. 

(L.V.Ramanathan, Editorial ‐Surface Engineering, 23, 4, 2007)

(64)

Challenges and needs (contd)

Develop predictive degradation models for coatings under cyclic oxidationDevelop predictive degradation models for coatings under cyclic oxidation  conditions in many other environments.

Consider economy in preparing coatings as a challenge.y p p g g g

Develop new techniques to apply well established coatings that form alumina or  chromia. 

Reduce deposition temperatures ‐ substrate less likely to be degraded; lower  residual stresses between dissimilar substrates and the coat materials.

Exploit use of nano‐structured and functionally graded coatings for HT oxidation  resistance.

Create a data base by obtaining long term corrosion rates in pilot plant or  commercial size plants.

(65)

Challenges and needs (contd)

Acquire and/or expand in‐depth knowledge of the physical and chemicalAcquire and/or expand in depth knowledge of the physical and chemical  properties of coatings to drastically reduce time required to develop new 

coatings. Properties include crystalline orientation, chemical composition, stress  levels, interface integrity, impurity content etc. A variety of new techniques are , g y, p y y q available to determine these parameters. 

Consider inclusion of other rare earth elements (besides Y) to control  chromia/alumina growth.

The mechanical failure of scales has still not been adequately modeled. This is  essential to eventually predict long term stability of oxide layers. 

(66)

Challenges and needs (contd)

Thermal Barrier Coating Thermal Barrier Coating

Modelling of coating reliability. 

Modelling of life‐prediction of TBC.

Study TBC  ‐y bond coat interface hydrogen embrittlement  that leads to delayed y g y spallation in moist environments.

Further development of more reliable TBCs that do not crumble under stresses  produced by CTE mismatch between the coating layers. 

Address the problem of oxidation of the substrate under an applied coating of alumina  after extended exposure to elevated temperatures. 

Develop non‐destructive evaluation techniques to monitor the status and remaining life  f h TBC

of the TBCs.

(67)

Existing know‐how about coatings  Although extensive

Still needs to be expanded 

(68)

Acknowledge the contributions of many of my g y y colleagues and students over the years. Their data  and many more from our publications were used in y p

this presentation

(69)

I am grateful for the financial support from CNPq  and FAPESP, to carry out many projects on this 

topic and to present the results at many  conferences, including this meeting.

(70)

Thank you

Referências

Documentos relacionados

Conforme • temos visto até aqui, a condição resolutiva tácita não constitui modificação aciden- tal da obrigação, mas deve ser explicada como simples efeito deri- vado

Este trabalho analisa a territorialidade e o meio ambiente da Terra Indígena Pitaguary, sendo posto em discussão uma prática de mapeamento participativo realizada

Detailed calculations of the latter are presented and associated with n-distributed electrons with the parameter n ranging from 1 (corresponding to the Maxwell– Boltzmann

The reduction in total dry matter under conditions of water deficit and water surplus may be associated with two factors: first, a reduction in transpiration rate, due to a decrease

This study aimed to determine the amount of plasma nitric oxide in clinically stable dogs at different stages of chronic kidney disease (CKD).. Dogs with CKD were clinically

P- Pronto é assim ahm todos nós gostaríamos que fosse melhor mas o certo é que eu valorizo muito pequenos aspectos como seja o facto de o formando saber que há coisas que estão a

the specialized bibliography, Mattos (1983), and the specimens conserved in the visited herbaria, it was possible to group the studied plants in four species, allowing

The Reduced Graphene Oxide (rGO), can be obtained via a reduction of Graphite Oxide and this can be achieved by several different ways [20] – [22], one of which is Laser reduction. In