Oxidation behaviour at 1123 K of AISI 304-Ni/Al-Al2O3/TiO2 multilayer system deposited by flame spray

Abstract

The oxidation behaviour of alumina/titania (97/3, 87/13 and 60/40) ceramic coatings using a Ni-Al coupling layer was studied in a thermobalance. Both layers were deposited on an AISI 304 stainless steel base metal by the flame spray technique. The coated steel was heated from room temperature to 1,123 K at 40 K min–1, oxidized in air for 50 h, and then cooled to room temperature at 40 K min–1. The mass gain was mainly attributed to the oxidation of Ni-Al coupling layer. Kinetic laws, DW·S–1 (mg.mm–2) vs. time (hours) were close to a parabolic plot for each sample. Surface composition of ceramic top layer and the cross section of multilayer system were analysed using a wide range of experimental techniques including Scanning Electron Microscopy (SEM), equipped with a link energy dispersive X-Ray spectroscopy (EDX) and X-Ray diffraction (XRD) before and after the oxidation process. Coatings 97/3 and 87/13 presented a stable structure after flame spray deposition and they did not evolve with the oxidation process, while most of the 60/40 coating changed to a metastable structure after deposition and to a more stable structure after oxidation with high micro-cracks content. SEM and EDX microanalysis of the cross-sections showed that significant oxidation and a weak intergranular precipitation had been produced in the coupling layer and on the stainless steel base metal, respectively.

El comportamiento a oxidación de recubrimientos cerámicos alúmina/titania (97/3, 87/13, 60/40) usando una capa de anclaje Ni-Al se ha estudiado mediante una termobalanza. Ambas capas se han depositado sobre un acero inoxidable AISI 304 utilizando la técnica de proyección llama (FS). El acero recubierto se ha calentado desde la temperatura ambiente hasta 1.123 K a 40 K min–1, se ha oxidado al aire durante 50 h, y luego se ha enfriado hasta la temperatura ambiente a 40 K min–1. La ganancia en masa se atribuye a la oxidación de la capa de enganche Ni-Al. La cinética DW·S–1 (mg.mm–2) vs. tiempo (horas) se ha ajustado a una ley parabólica para todas las muestras. La composición super- ficial de la capa cerámica y la sección transversal del sistema multicapa se han analizado mediante las técnicas de Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), Espectroscopia de Energías Dispersivas de Rayos X (EDX), Difracción de Rayos X (XRD) antes y después del proceso de oxidación. Los recubrimientos 97/3 y 87/13 han presentado una estruc- tura estable tras el proceso de deposición por proyección por llama y esta estructura tampoco ha evolucionado después de la oxidación, mientras la mayor parte del recubrimiento 60/40 ha cambiado a una estructura metaestable después la deposición y finalmente ha evolucionado a una estructura más estable después de la oxidación con alto contenido de microagrietamiento. El microanálisis mediante SEM y EDX de las secciones transversales han mostrado una oxidación significativa en la capa de enganche y una débil precipitación intergranular en el material base AISI 304