Microstructure and Corrosion and Tribo- Corrosion Behaviors of Si-Based and Ti-Based Aerospace ...

221 Pages·2010·5.7 MB·English

Microstructure and Corrosion and Tribo-
Corrosion Behaviors of Si-Based and Ti-Based
Aerospace Coatings Produced by PECVD

By
Duanjie Li

Department of Mining and Materials Engineering,
McGill University, Montreal, Quebec, Canada
June, 2010

A thesis submitted to McGill University in partial fulfilment of the
requirements of the degree of Doctor of Philosophy
© Duanjie Li, 2010
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Abstract
Microstructure and corrosion and tribo-corrosion behaviors of Ti-based and
Si-based coatings have been systematically investigated. A series of Ti-based and
Si-based coatings with different silicon and/or carbon contents were prepared by
plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Various experimental
techniques were employed for the microstructural characterization of the coatings,
e.g., X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy
(FESEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and atomic force microscopy
(AFM). The mechanical and tribological properties were assessed using nano-
indentation, micro-scratch test and pin-on-disk wear test. Corrosion resistance was
measured using potentiodynamic polarization test and analyzed using
electrochemical impedance spectroscopy (EIS), while the tribo-corrosion behavior
was characterized using reciprocating wear test in corrosion environment in tribo-
corrosion apparatus.
The grain size refinement took place as the Si and C incorporated into the TiN
coating. At the same time, the microstructure of the coatings changed and a
transition from TiN columnar structure into densely packed homogeneous nano-
composite structure was observed for nc-TiN/a-SiN and nc-TiCN/a-SiCN
x
coatings. This gave rise to a further improvement of the corrosion resistance by a
factor of ~20 compared to TiN.
i
Interface structure of the TiN coating system was designed in such a way that
the hardness increased gradually with the distance from the substrate to the
coating surface. This was done by applying a Cr interlayer in order to enhance the
adhesion and simultaneously improve the load bearing capacity. In addition, the
Cr interlayer further enhanced the corrosion resistance of the TiN-based nano-
composite coatings.
The Ti-Si-C coatings mainly consisted of nanocrystalline TiC particles
embedded in the a-SiC :H and a-C:H matrix. The refinement of the TiC grains
x
and the increase of the amorphous fraction simultaneously took place as more Si
and/or C incorporate in the Ti-Si-C coatings. This gave rise to improvement of the
electrochemical properties to the Ti-Si-C coatings, which could be attributed to
the superior corrosion resistance and homogeneous dense feature of the a-SiC :H
x
and a-C:H matrix surrounding the TiC nanoparticles.
In the case of the PECVD Si-based coatings, such as a-SiC :H, a-SiN :H and
x x
a-SiC N :H coatings that possessed amorphous structure, the corrosion tests in 1
x y
wt.% NaCl electrolyte revealed that the coated substrates exhibited superior
corrosion resistance compared to the stainless steel 301 substrate. The results
from tribo-corrosion and dry wear tests showed that the coatings had very
different performance in the dry and wet environments. This was especially
evident for the a-SiC N :H coating, demonstrating clearly that the corrosive
x y
environment played a significant role during the tribo-corrosion process. The a-
ii
SiC :H coating had the best corrosion and tribo-corrosion resistance among the
x
tested coatings, which made it a good candidate for the application in the wear
and corrosive environments.
Following the investigation of the Si-based single-layered coatings, we
attempted to develop a more sophisticated multilayer coating system – Ti-6Al-
4V/SiN/SiC/a-C. The excellent tribo-corrosion performance of this coating was
attributed to the combined advantageous properties of respective layers in the
multilayer coating system. This coating had Ti-6Al-4V substrate with superior
corrosion resistance and light weight compared to stainless steels, the a-SiN:H
interlayer with good adhesion to both the substrate and the a-SiC:H interlayer and
the a-SiC:H interlayer with excellent corrosion and tribo-corrosion resistance; in
addition, the a-C:H top layer had very good tribological properties. Such a
multilayer coating could be prepared in a single PECVD system, and it exhibited
a great potential to be used in various working environments.
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Résumé
La microstructure et le comportement en corrosion et en tribo-corrosion des
revêtements à base de titane et de silicium ont été systématiquement étudiés. Une
série de ces revêtements contenant différentes composition de silicium (Si) et/ou
de carbone (C) ont été préparés par déposition chimique en phase vapeur assistée
par plasma (PECVD). Différentes techniques expérimentales ont été utilisées pour
la caractérisation de la microstructure des revêtements, par exemple, la diffraction
à rayon X (XRD), la microscopie électronique à émission de champs (FESEM), la
spectroscopie photoélectron à rayon X (XPS) et la microscopie à force atomique
(AFM). Les propriétés mécaniques et tribologiques ont été étudiées en utilisant la
nanoindentation, le test de rayure et le pion sur disque. La résistance à la
corrosion a été mesurée avec le test de polarisation potentiodynamique et
l’analyse a été effectuée en utilisant la spectroscopie à impédance électrochimique
(EIS). Le comportement en tribo-corrosion a été étudié avec un test d’usure dans
un environnement corrosif en utilisant un appareil de tribo-corrosion.
Un raffinement de la taille des grains s’est produit lors de l’incorporation du
Si ou du C dans la composition du revêtement TiN. Au même temps, la
microstructure du revêtement a changé et une transition de la microstructure de
colonnaire à celle nanocomposite, dense et homogène a été observée pour les
revêtements nc-TiN/a-SiN and nc-TiCN/a-SiCN. Cela a permit de rehausser la
x
résistance à la corrosion d’un facteur de ~20 comparé au TiN.
iv
La structure de l’interface du système de revêtement TiN a été conçue de
façon à ce que la dureté augmente graduellement avec la distance entre le substrat
et la surface du revêtement. Cela a été réalisé en appliquant une couche
intermédiaire de chrome (Cr) dans le but de rehausser l’adhésion et simultanément
d’augmenter la capacité de chargement. En plus, la couche de Cr a permit
l’augmentation de la résistance â la corrosion des revêtements nanocomposites à
base de TiN.
Les revêtements Ti-Si-C sont principalement constitués de particules
nanocristallines de TiC incorporées dans une matrice amorphe a-SiCx:H and a-
C:H. Le raffinement de la taille des grains de TiC et l’augmentation de la fraction
de phase amorphe se produit lorsque plus de Si et/ou de C sont incorporés dans les
revêtements Ti-Si-C. Cela a permit d’améliorer les propriétés électrochimiques du
Ti-Si-C, lequel peut être attribué à la résistance à la corrosion supérieure et a la
densité et l’homogénéité de la matrice -SiCx:H and a-C:H qui entoure les
particules de TiC.
Dans le cas des revêtements à base de Si déposés par PECVD, tels que a-
SiCx:H, a-SiNx:H and a-SiCxNy:H qui montrent une structure amorphe, les tests
de corrosion dans un électrolyte de 1wt.%NaCl a révélé que les échantillons
revêtus démontrent une résistance à la corrosion supérieure au substrat en acier
inoxydable 301. Les résultats des tests en tribo-corrosion et en usure sèche ont
démontré que les revêtements avaient une performance très différente
v
dépendamment que l’environnement soit sec ou humide. Cela a été
spécifiquement évident pour le revêtement a-SiCxNy:H, ce qui démontre
clairement que l’environnement corrosif a joué un rôle important durant le
procédé de tribo-corrosion. Le revêtement a-SiCx:H a montré la meilleure
résistance en corrosion et en tribo-corrosion d’entre les revêtements testés, ce qui
lui permet d’être un très bon candidat pour des applications dans un
environnement d’usure et de corrosion.
En continuation à l’étude des revêtements monocouche à base de Si, on a
voulu développer des systèmes de revêtements multicouches plus sophistiqués Ti-
6Al-4V/SiN/SiC/a-C. L’excellente performance de ce revêtement est attribuée à la
combinaison avantageuse des propriétés des couches respectives dans le système
multicouches. Ce revêtement a été déposé sur un substrat Ti-6Al-4V qui possède
une résistance à la corrosion supérieure et un faible poids comparé à l’acier
inoxydable, la couche intermédiaire de a-SiN:H avec une bonne adhesion au
substrat et à la couche de a-SiC:H qui elle, démontre une excellente résistance à la
corrosion et à la tribo-corrosion; en plus de la couche supérieure de a-C:H qui
possède de très bonne propriétés tribologiques. Ce revêtement multicouche peut
être préparé dans un seul et même système PECVD, et démontre un grand
potentiel pour des applications dans différents environnements d’exploitation.
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Acknowledgements
I am sincerely grateful for the support and guidance of my supervisor, Prof.
Jerzy A. Szpunar throughout the course of this work. His attitude and enthusiasm
towards science and wide knowledge towards life have significant influence to my
life. Our profound friendship developed during these four years will be invaluable
treasure to me.
I would like to extend my sincere appreciation to my co-supervisor Dr. Jolanta
E. Klemberg-Sapieha and Prof. Richard Chromik for their great help in inspiring
discussions and constructive paper revision.
I would like to thank all the members of the Functional Coatings and Surface
Engineering Group at Ecole Polytechnique for the close collaboration in this work.
Especially, I would like to express my gratitude to Prof. Ludvik Martinu for paper
revision, Dr. Marwan Azzi for his assistance in corrosion and tribo-corrosion
experiments, Dr. Srinivasan Guruvenkat and Dr. Salim Hassani for sample
preparation and mechanical property characterization.
I would like to express my thanks to Mr. Slawomir Poplawski for his technical
assistance. In addition, I would like to thank all the members of the Texture and
Microstructure Laboratory for all the help and enjoyable time at McGill. This
includes: Dr. Hualong Li, Dr. Wen Qin, Yu Zou, Dr. Zhongliang Shi, Yuehua Tan,
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Minhui Huang, Tedric Soh, Chia Hsu, Chang Heon Park, Sriraman Rajagopalan,
Kiran Kumar Dr. Majid Hoseini and Alain.Kassangana.
I would like to acknowledge the financial support from MEDA scholarship
and CRIAQ project during my stay at McGill.
I would like to dedicate this dissertation to my wife, Shan He and my parents,
Xuetian Li and Meilin Chen. I would not have been able to finish the work
without their everlasting love and unfailing support and encouragement.
Especially, I want to express my love to my wife from the bottom of my heart. No
matter what happens, she is always there beside me, behind me, cheering me up,
and accompanying me through all the adventures.
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