Influence of Cold-Sprayed, Warm-Sprayed and Plasma Sprayed Layers Deposition on Fatigue Properties of Steel Specimens

Abstract

Titanium powder was deposited onto steel specimens using four thermal spray technologies: plasma spray, low-pressure cold spray, portable cold spray, and warm spray. The specimens were then subjected to strain controlled cyclic bending test in a dedicated in-house built device. The crack propagation was monitored by observing the changes in the resonance frequency of the samples. For each series, the number of cycles corresponding to a pre-defined specimen cross-section damage was used as a performance indicator.

It was found that the grit-blasting procedure did not alter the fatigue properties of the steel specimens (1% increase as compared to as-received set), while the deposition of coatings via all four thermal spray technologies significantly increased the measured fatigue lives. The three high-velocity technologies led to relative lives increase of 234% (low-pressure cold spray), 210% (portable cold spray), and 355% (warm spray) and the deposition using plasma spray led to an increase of relative lives to 303%.

The observed increase of high-velocity technologies (cold and warm spray) could be attributed to a combination of homogeneous fatigue resistant coatings and induction of peening stresses into the substrates via the impingement of the high-kinetic energy particles. Given the intrinsic character of the plasma jet (low-velocity impact of semi/molten particles) and the mostly ceramic character of the coating (oxides, nitrides), a hypothesis based on non-linear coatings behavior is provided in the paper.

Titanový prášek komerční čistoty byl nanesen na ocelové substráty pomocí čtyř technologií: plazmovým nanášením, nízkotlakým a přenosným studeným kinetickým nanášením a středně-teplotním nanášením. Vzorky byly posléze podrobeny únavovému testování cyklickým ohybem s kontrolovanou výchylkou volného konce na vlastnoručně sestaveném zařízení. Pomocí změn v rezonanční frekvenci těles byl sledován průběh šíření trhlin. Počet cyklů při dosažení stanoveného porušení průřezu vzorku byl hodnocen jako ukazatel únavové odolnosti.

Bylo zjištěno, že u ocelových substrátů nemá otryskání povrchu významný vliv na únavovou životnost vzorků (zvýšení pouze 1%), zatímco nanesení nástřiků všemi technologiemi způsobilo její významný nárůst. Tři vysokorychlostní technologie vedly ke zvýšení životnosti o 234% (nízkotlaké kinetické nanášení), 210% (přenosné kinetické nanášení) a 355% (středně-teplotní nanášení) a depozice za použití plazmového nanášení vedla ke zvýšení relativní životnosti o 303%.

Nárůst životnosti u vysokorychlostních metod (studené a středně-teplotní nanášení) je pravděpodobně způsoben přítomností relativně homogenních únavově odolných vrstev a též vznikem kompresivních napětí v substrátech dopadem vysokoenergetických částic. Vzhledem k typickému charakteru vrstev nanesených plazmovým hořákem (tj. nízkorychlostní dopad částečně nebo zcela natavených částic) a jejich převážně keramickému charakteru (oxidy, nitridy), je v článku navrženo vysvětlení založené na nelineárním chování nástřiků.