| dc.description.abstract | Bruk av SiC som råmateriale for termisk sprøyting har vært av stor interesse for industrien i mange år. En grunn til dette er de eksepsjonelle kjemiske, fysiske og mekaniske egenskaper av SiC. En annen grunn er pris og tilgjengelighet fordi SiC er produsert av kvarts som er en av de vanligste mineralene på jorden. SiC har mange fordeler i forhold til vanligvis brukt wolframkarbid, men på grunn av dekomponeringstemperaturen av SiC (2500 °C) var termisk sprøyting med temperaturer over 2500 grader C en utfordrende oppgave[1] [2]. Belegging av SiC-partikler for å beskytte dem mot varme viste seg å være løsningen for dekomponeringsproblemet, som ble løst på NTNU for noen år siden[1]. Beleggsmaterialet som førte til gjennombruddet var et oksid av aluminium og yttria, såkalt yttrium aluminium granet (YAG). Prosessen som baserer seg på å belegge SiC med YAG ble patentert[3] og videreutviklet og tilpasset til å belegge SiC med metaller i stedet [4].
Denne masteroppgaven er fokusert på å undersøke muligheten for å belegge SiC-partiklene med metaller som krom og kobolt, samtidig med andre overgangsmetaller. Krom og kobolt er førstevalgsmetaller på grunn av deres vanlige bruk i industrien, samt gode egenskaper som korrosjonsbestandighet, termisk- og elektrisk-ledningsevne og styrke. For å belegge SiC-partiklene utfelles metallene på overflaten av SiC under en våt-kjemisk prosess. Den framstilte kjemiske blandingen er fordampet, reagert og sintret ved forhøyede temperaturer. Både før og etter sintring karakteriseres pulveret av forskjellige metoder som PSD, taptetthet, XRD, SEM, EDS og TGA. Under karakteriseringen ble det påvist at forholdet mellom donoren av metall ionet og drivstoffet, som gir drivkraft for reaksjonen, har stor innflytelse på kvaliteten av det syntetiserte materialet. Reduksjonen av metaliske oksydene utviklet på overflaten av SiC til metall er umulig når konsentrasjonen av drivstoffet er for lavt (drivstoff-fattige forhold). Det er derimot mulig å belegge SiC-partiklene med metaller når konsentrasjonen av drivstoffet er høy og den anvendte overgangsmetallen dekomponerer ikke SiC. Flere forskjellige metaller viser seg å være et alternativ som krom, kobolt, wolfram, molybden eller vandium. I denne masteroppgaven ble bare kobolt og krom undersøkt, mens kobolt viser seg å dekomponere SiC i prosessen, viser krom lovende resultater. Analysen av krom-SiC-basert råstoffpulver har vist at krom er utfelt på overflaten av SiC sammen med små mengder karbider, silisider og oksider. For å mestre prosessen og produsere et høyverdig råstoffpulver basert på krom og SiC er mulige løsninger og anbefalinger inkludert i diskusjonensdelen. | |
| dc.description.abstract | Employing SiC as a feedstock material for thermal spray has been of great interest in the industry for many years. One reason to that are exceptional chemical, physical and mechanical properties of SiC. The other reason is price and availability, since SiC is produced from quartz, which is one of the most common minerals on earth. SiC has many advantages in comparison to commonly used tungsten carbide, but due to the decomposition temperature of SiC(2500°C), thermal spraying, with temperatures exceeding 2500°C, used to be a challenging task[1][2].
Coating each SiC particle in order to protect them from heat turned out to be the solution for the decomposition problem, which has been solved at NTNU a few years ago[1]. The matrix material that lead to the breakthrough was an oxide of aluminium and yttria, so-called yttrium aluminium garnet (YAG). Since then, the process for obtaining the SiC-based feedstock material using YAG as matrix has been patented [3] and it has been further developed and adapted (i.e. using metals as matrix for SiC instead of YAG)[4].
This master thesis is focused on researching the possibility of coating the SiC particles with metals like chromium and cobalt as well as with other transition metals. This will lead to a new type of SiC-based feedstock material for thermal spray (i.e. SiC cermet or ceramic-metallic type). Chromium and cobalt are the first choice metals due to their common utilization in the thermal spray industry as well as due to its good properties like corrosion resistance, thermal and electrical conductivity and toughness. In order to coat the SiC particles, metallic precursors are precipitated on the surface of the SiC during a wet-chemical process. The chemical solution obtained during the experiments is evaporated, reacted and sintered at elevated temperatures. Both before and after sintering, the powder is characterized by various methods like PSD, tap density, XRD, SEM, EDS and TGA. Upon characterization of the materials, it was found that the factor which has the major influence on the quality of the synthesized feedstock powder it the ratio between the metallic precursor and the fuel, which is providing a driving force for the reaction. When the concentration of the fuel is too low (fuel-lean conditions), the reduction of the metal ions is impossible. Coating of the SiC particles is possible when the ratio is adjusted to the fuel-rich conditions. Several different metals turn out to be a possible match like chromium, cobalt, tungsten, molybdenum or vanadium. In this master thesis, only cobalt and chromium were tested and while cobalt turns out to catalyze the decomposition of the SiC upon the synthesis, chromium has shown promising results. The analysis of the chromium-SiC based feedstock powder has revealed that metallic chromium is precipitated on the surface of the SiC together with small amounts of carbides, silicides and oxides. In order to master the process and produce a high-quality feedstock powder based on chromium and SiC, possible solutions and recommendations are included in the discussion part of this master thesis. | |