Spray coating is a versatile surface modification technology in which coating is built-up based on the successive deposition of micron-scaled particles. Depending on the coating materials, the coatings can meet the required mechanical properties, corrosion resistance, and other properties of base materials. Spraying processes are mainly classified into thermal and kinetic spraying according to their bonding mechanism and deposition characteristics. Specifically, thermal spraying process can be further classified into many categories based on the design and mechanism of the process, such as frame spraying, arc spraying, atmospheric plasma spraying (APS), and high velocity oxygen-fuel (HVOF) spraying, etc. Kinetic spraying or cold gas dynamic spraying is a newly emerging coating technique which is low-temperature and high-pressure coating process. In this paper, overall view of thermal and kinetic spray coating technologies is discussed in terms of fundamentals and industrial applications. The technological characteristics and bonding mechanism of each process are introduced. Deposition behavior and properties of technologically remarkable materials are reviewed. Furthermore, industrial applications of spray coating technology and its potentials are prospected.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.22
no.5
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pp.20-28
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2014
The high velocity oxygen fuel spraying (HVOF) is a kind of surface modification process technology to form the sprayed coating layer after spraying the powder to molten or semi-molten state by the ultra-high speed at the high-temperature heat source and conflicting with a substrate. It is desirable to melt completely the thermal spray powder in order to produce the coating layer with an optimal adhesion, however, because a semi-molten powder in a spray process has the low efficiency and become a factor that degrades the mechanical property by the inducement of pore-forming within the coating layer. To improve the wear resistance, corrosion resistance and heat resistance, in this study, the plungers of high-speed and ultra-high pressure reciprocating hydraulic pumps for oil and water used in ironwork are produced with $420J_2$ and the coating layers of plungers are formed by the powders of WC-Co-Cr and WC-Cr-Ni including the high hardness WC. The surface of these plungers is modified by the super-mirror face grinding machine using variable air pressure developed in this laboratory, and then the characteristics of cross-sectional microstructure, and surface roughness and hardness values between no operation and 100 days-operation are examined and made a comparison. The fine tops and bottoms on surface roughness curve of oil-hydraulic pump plunger sprayed by WC-Cr-Ni are molded more and higher than those of water-hydraulic pump sprayed by WC-Co-Cr because the plunger diameter of oil-hydraulic pump is 0.4 times smaller than that of water-hydraulic pump and the pressure of oil-hydraulic pump exerted on the plunger is operated with the 70 bars higher than that of water-hydraulic pump. As a result, it is found that the values of centerline average surface roughness and maximum height for oil-hydraulic pump plunger are bigger than those of water-hydraulic pump plunger.
Journal of the Korean institute of surface engineering
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v.45
no.1
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pp.1-7
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2012
Multi-walled carbon nanotube (MWCNT) aluminum composite powders were deposited to form coatings using a high velocity oxygen fuel (HVOF) spraying process. High thermal energy and contact with atmospheric oxygen were supplied as the MWCNT aluminum composite particles were exposed to a gas flow field at high temperature (${\sim}3.0{\times}10^3$ K) during HVOF spraying. As a result, the particles underwent full or partial melting and rapid solidification due to the high thermal energy, and the exposure to oxygen induced the interfacial reaction of MWCNTs within the particle. The electrical and mechanical properties of MWCNT aluminum composite coatings were evaluated based on microstructure analysis. Electrical resistivity, elastic modulus, and micro-hardness, of the MWCNT aluminum composite coatings were higher than those of pure aluminum coating. The contribution of MWCNTs to the aluminum matrix can be attributed to their high electrical conductivity, dispersion hardening and anchoring effects. The relationship among the properties and the interaction of the MWCNTs with the aluminum matrix is discussed.
In this study, the formation, microstructure, and wear properties of Colmonoy 88 (Ni-17W-15Cr-3B-4Si wt.%) + Stellite 1 (Co-32Cr-17W wt.%) coating layers fabricated by high-velocity oxygen fuel (HVOF) spraying are investigated. Colmonoy 88 and Stellite 1 powders were mixed at a ratio of 1:0 and 5:5 vol.%. HVOF sprayed self-fluxing composite coating layers were fabricated using the mixed powder feedstocks. The microstructures and wear properties of the composite coating layers are controlled via a high-frequency heat treatment. The two coating layers are composed of ${\gamma}-Ni$, $Ni_3B$, $W_2B$, and $Cr_{23}C_6$ phases. Co peaks are detected after the addition of Stellite 1 powder. Moreover, the WCrB2 hard phase is detected in all coating layers after the high-frequency heat treatment. Porosities were changed from 0.44% (Colmonoy 88) to 3.89% (Colmonoy 88 + ST#1) as the content of Stellite 1 powder increased. And porosity is denoted as 0.3% or less by inducing high-frequency heat treatment. The wear results confirm that the wear property significantly improves after the high-frequency heat treatment, because of the presence of well-controlled defects in the coating layers. The wear surfaces of the coated layers are observed and a wear mechanism for the Ni-based self-fluxing composite coating layers is proposed.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.24
no.3
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pp.285-293
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2016
The high velocity oxygen fuel(HVOF) thermal spray is a kind of surface modification techniques to produce the sprayed coating layer. This process is to form the coating layer after spraying the powder to molten or semi-molten state by the ultra-high speed at the high-temperature heat source and conflicting with a substrate. The efficiency of thermal spraying is dropped, however, because the semi-molten powder in a spray process become a factor that degrades the mechanical property by the formed pore within the coating layer. Therefore, it is necessary to melt completely the thermal spray powder in order to produce the coating layer with an optimal adhesive force. In this study, to improve the wear resistance, corrosion resistance and heat resistance, the plungers of high-speed and ultra-high pressure reciprocating hydraulic pumps used in ironworks are manufactured with STS $420J_2$ and are coated by the powders of WC-Co-Cr and WC-Cr-Ni including the WC of high hardness using a HVOF thermal sprayer developed in this laboratory. These are called by the surface-modified plungers. The surface roughness, hardness, and surface and cross-sectional microstructure of these two surface-modified and conventional ceramic plungers are measured and compared before operation with after operation for 100 days. It is found that the values of centerline average surface roughness and maximum height for conventional ceramic plunger are 9.5 to 10.8 and 5.2 to 5.7 times higher than those of surface-modified ones coated by WC-Co-Cr and WC-Cr-Ni because the fine tops and bottoms on surface roughness curve of conventional ceramic plunger are approximately 100 times higher than those of surface-modified ones. In addition, the pores and scratches in the surface microstructure are considerably formed in the order of conventional ceramic, WC-Cr-Ni and WC-Co-Cr surface-modified plungers. The greater the WC content of high hardness powder is less the change in the plunger surface.
The effects of coating parameters were investigated in wear resistance coatings of Diamalloy-406 on Inconel 718 to obtain an optimum coating condition by high velocity oxy-fuel spraying. The coating parameters, the flow rates of source gases (hydrogen and oxygen), the powder feed rate, and the spray distance, were designed by the Taguchi method. The optimal conditions were determined: oxygen flow rate 34 FRM, hydrogen flow rate 57 FRM, powder feed rate 35 g/min, and spray distance 7 inch. Friction coefficients of the coating and the substrate decreased with an increasing sliding surface temperature from $25^{\circ}C$ to $450^{\circ}C$. The friction coefficient of Diamalloy-4006 coating decreased as the sliding surface temperature increased from $0.43{\pm}0.01$ at $25^{\circ}C$ to $0.29{\pm}0.01$ at $450^{\circ}C$. The wear trace and wear depth of the coating were smaller than the substrate at all temperatures tested. The relationship between spray parameters and wear resistance was discussed extensively, based on the measured roughness, hardness, and porosity in each coating.
Copper alloys are commonly applied to ship's propellers, pumps and valves which are serviced in seawater due to their good castability and corrosion resistance. In the environment of high flow velocity, however, erosion damage predominates over corrosion damage. In particular, the cavitation in seawater environment accelerates surface damage to copper alloys, resulting in degradation of products and economic losses and also threatening safety. The surface was coated with WC-27NiCr by high velocity oxygen fuel(HVOF) spraying technique to attain durability and cavitation resistance of copper alloys under high velocity/pressure flow. The cavitation test was performed for the WC-27NiCr coating deposited by HVOF in seawater at the amplitude of $30{\mu}m$ with seawater temperature. The cavitation at $15^{\circ}C$ caused exfoliation of the coating layer in 17.5 hours while that of $25^{\circ}C$ caused the exfoliation in 12.5 hours. When the temperature of seawater was elevated to $25^{\circ}C$ from $15^{\circ}C$, more damage was induced by over 160%. Although WC-27NiCr has good durability, corrosion resistance and eletrochemical stability, the cavitation damage rate of the coating layer could remarkably increase at the elevated temperatures under cavitation environments.
Journal of the Korean institute of surface engineering
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v.40
no.4
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pp.170-174
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2007
High Velocity Oxygen Fuel (HVOF) thermal spray coating of nano size WC-Co powder (nWC-Co) has been studied as one of the most promising candidate for the possible replacement of the traditional hard plating in some area which causes environmental and health problems. nWC-Co powder was coated on Inconel 718 substrates by HVOF technique. The optimal coating process obtained from the best surface properties such as hardness and porosity is the process of oxygen flow rate (FR) 38 FMR, hydrogen FR 57 FMR and feed rate 35 g/min at spray distance 6 inch for both surface temperature $25^{\circ}C\;and\;500^{\circ}C$. In coating process a small portion of hard WC decomposes to less hard $W_2C$, W and C at the temperature higher than its decomposition temperature $1,250^{\circ}C$ resulting in hardness decrease and porosity increase. Friction coefficient increases with increasing coating surface temperature from 0.55-0.64 at $25^{\circ}C$ to 0.65-0.76 at $500^{\circ}C$ due to the increase of adhesion between coating and counter sliding surface. Hardness of nWC-Co is higher or comparable to those of other hard coatings, such as $Al_2O_3,\;Cr,\;Cr_2O_3$ and HVOF Tribaloy 400 (T400). This shows that nWC-Co is recommendable for durability improvement coating on machine components such as high speed spindle.
Kim, Jungjoon;Kim, Song-Yi;Lee, Jong-Jae;Lee, Seok-Jae;Lim, Hyunkyu;Lee, Min-Ha;Kim, Hwi-Jun;Choi, Hyunjoo
Journal of Powder Materials
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v.28
no.6
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pp.483-490
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2021
A new Fe-Cr-Mo-B-C amorphous alloy is designed, which offers high mechanical strength, corrosion resistance as well as high glass-forming ability and its gas-atomized amorphous powder is deposited on an ASTM A213-T91 steel substrate using the high-velocity oxygen fuel (HVOF) process. The hybrid coating layer, consisting of nanocrystalline and amorphous phases, exhibits strong bonding features with the substrate, without revealing significant pore formation. By the coating process, it is possible to obtain a dense structure in which pores are hardly observed not only inside the coating layer but also at the interface between the coating layer and the substrate. The coating layer exhibits good adhesive strength as well as good wear resistance, making it suitable for coating layers for biomass applications.
Novel Ni- and Fe-based alloys are developed to impart improved mechanical properties and corrosion resistance. The designed alloys are manufactured as a powder and deposited on a steel substrate using a high-velocity oxygen-fuel process. The coating layer demonstrates good corrosion resistance, and the thus-formed passive film is beneficial because of the Cr contained in the alloy system. Furthermore, during low-temperature heat treatment, factors that deteriorate the properties and which may arise during high-temperature heat treatment, are avoided. For the heattreated coating layers, the hardness increases by up to 32% and the corrosion resistance improves. The influence of the heat treatment is investigated through various methods and is considered to enhance the mechanical properties and corrosion resistance of the coating layer.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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