Tungsten carbide (WC) based metallic matrix coatings sprayed using high velocity air fuel (HVAF) technique have attracted increasing attention as they show excellent tribological performance in various wear conditions. In the HVAF method, particles’ in-flight temperature and velocity can be influenced by the process variables including nozzle configuration as well as feedstock particle size range. On the other hand, the chemistry of metallic binder can also play a key role in determining both properties and performance of these coatings. In this thesis, characteristics and tribological behaviour of HVAF-sprayed WC-based coatings were investigated employing four different nozzle configurations (4L2, 4L4, 5L2and 5L4), and three different feedstock particle sizes of WC-CoCr feedstock powder (5/20, 5/30 and 15/45 μm). Also, characteristics and performance of coatings processed with four different WC-based feedstocks comprising alternative binders to traditionally used CoCr (namely CoCr, NiMoCrFeCo,FeNiCrMoCu and FeCrAl) were investigated. Characteristics of the coatings were explored by conducting scanning electron microscopy observations, microindentation testing and X-ray diffraction analysis. Performance of the coatings was evaluated by conducting sliding wear, dry jet erosion wear and sand rubber wheel abrasion wear testing. Moreover, material removal mechanisms in the coatings subjected to the above tests were investigated through post wear analysis.

X-ray diffraction analysis showed that no considerable phase change compared to the starting feedstock was observed in any of the coatings sprayed by HVAF technique. It was revealed that decrease in powder particle size range can result in an improvement in microstructural characteristics, such as homogeneity and density, as well as hardness of the coatings. Besides, it can lead to a substantial improvement in wear performance of the coatings. It was shown that using various nozzle configurations does not result in any considerable change in characteristics or performance of the HVAF-sprayed WC-CoCr coatings. It was further shown that, by decreasing particle sizes from coarse to medium or fine, a significant difference can be observed. While wear mechanisms for medium and fine feedstock coatings were dominated by ploughing and fracture of individual carbide grains, for the coarse feedstock coatings ploughing and grooving along with the local removal of coating material were observed.

Hardness values for all the four coatings with different binder chemistries were in a narrow range of 1100 – 1300 HV0.3. WC-NiMoCrFeCo and WC-FeNiCrMoCu coatings showed better or comparable sliding wear performance compared to WC-CoCr coating (as reference). WC-FeNiCrMoCu and WC-FeCrAl coatings showed comparable performance under erosion conditions while all the three binder alternatives yielded slightly inferior coating performance under abrasion wear, compared to the reference coating. While ploughing was the common wear mechanism in all the four coatings, pitting was noted in coatings with CoCr and FeNiCrMoCu binders in case of sliding wear.

Populärvetenskaplig Sammanfattning

Cermet-beläggningar består av WC-partiklar inbäddade i ett metallbindemedel,sprutat med High Velocity Air Fuel (HVAF) uppvisar utmärkt tribologiskprestanda under olika slitage förhållanden. Med HVAF-tekniken kan partiklarnasflygtemperatur och hastighet påverkas av konfigurationen av den utrustning somanvänds såväl som partikelstorleksintervallet för råmaterialet. Därtill kan kemin hos det metalliska bindemedlet spela en nyckelroll för beläggningarnas egenskaper och prestanda. I denna avhandling undersöktes egenskaper och tribologiskt beteende hos HVAF-besprutade WC-baserade beläggningar. Undersökningen gjordes genom att använda fyra olika uppsättningar av ändra sprutparametrar förHVAF-processen där fyra olika munstyckskonfigurationer (4L2, 4L4, 5L2 och5L4) och tre olika partikelstorleksintervaller av WC-CoCr råvarupulver (5/20,5/30 och 15/45 μm). Studieegenskaper och prestanda för alla deponerade beläggningar, påverkan av processvariabler (olika munstyckskonfigurationer och olika partikelstorlekar) undersöktes. Dessutom undersöktes egenskaper och prestanda för tre olika WC-baserade råvaror med alternativa bindemedel till CoCr (NiMoCrFeCo, FeNiCrMoCu och FeCrAl) och jämfördes med WC-CoCrbeläggningsom referens. Beläggningens egenskaper undersöktes genom att genomföra SEM-analys, mikroindragningstest och röntgenanalys. Beläggningens prestanda utvärderades genom att utföra glidförslitning, erosionsslitage under torra förhållanden och test med torr sand/gummihjulanordning. Vidare undersöktes mekanismer för materialavlägsning i beläggningarna med ovanstående tester genom analys efter slitage.

Ingen avsevärd fasförändring observerades för alla beläggningar som besprutades med HVAF-teknik. Det avslöjades att minskning av pulvrets genomsnittliga partikelstorlek resulterade i en förbättring av mikrostrukturella egenskaper, såsom homogenitet och densitet, samt beläggningarnas hårdhetsvärde. Dessutom leder det till en avsevärd förbättring av beläggningens slitageförmåga. Det visades att användning av olika munstycken till HVAF-processen inte resulterar i en avsevärd förändring i egenskaper eller prestanda hos WC-CoCr-beläggningarna. När det gäller förslitningsmekanismer visades det att genom att minska partikelstorleken från grov till medium eller fin sågs en avsevärd skillnad. För beläggningar besprutade med fina och medelstora partiklar dominerades förslitningsmekanismer av plöjningsslitage och sprickor av enskilda hårdmetallkorn. För grova beläggningar observerades plöjningsslitage och spårning tillsammans med avlägsnande av material.

Ingen signifikant skillnad i mikrostruktur eller fasförändring observerades i alla beläggningar med alternativa bindemedel såväl som WC-CoCr som referensbeläggning. Hårdhetsvärdet för alla de fyra beläggningarna låg inom x intervallet 1100 - 1300 HV0.3. NiMoCrFeCo och FeNiCrMoCu visade bättre eller jämförbar glidförmåga med referensbeläggningen. FeNiCrMoCu och FeCrAl visade jämförbara prestanda under erosionsförhållanden och alla de tre undersökta beläggningsmaterialen visade något sämre prestanda under nötningsslitage jämfört med referensbeläggningen. Medan plöjningsslitage var den vanliga förslitningsmekanismen i alla de fyra beläggningarna noterades gropning i beläggningarna CoCr och FeNiCrMoCu vid glidförslitning.

WC-Co coatings, with and without chromium additives, are widely used in the industry for severe tribological applications. However, concerns about cobalt supply and its environmental and health impacts have led industries to explore sustainable binder alternatives. As a deposition technique, high velocity air-fuel(HVAF) spraying technology offers a promising solution by producing dense WC-based coatings with minimal material degradation during spraying. Moreover, the combination of high velocity and low flame temperature in HVAF enables the deposition of finer powders, which are more susceptible to thermal damage, with minimal decarburization. This results in denser coatings with improved properties compared to conventional spraying techniques. Therefore, this thesis aims to evaluate more sustainable approaches to depositing WC-based wear resistant coatings involving (a) HVAF as a less energy-intensive technique compared to other methods like high velocity oxy-fuel (HVOF), (b) alternative Co-lean/free binders, and (c) fabrication of thin ('flash') coatings from finer feedstock powders.

In HVAF spraying, particles’ in-flight temperature and velocity can be influenced by the process variables including nozzle configuration as well as feedstock particle size distribution. On the other hand, the chemistry of metallic binder can also play a key role in determining both properties and performance of these coatings. In this thesis, characteristics and tribological behaviour of HVAF sprayed WC-CoCr coatings were investigated by spraying feedstock powders with varying particle sizes (ultra fine: 15/5, fine: 20/5, medium: 30/5 and coarse: 45/5um) employing different nozzle configurations (various lengths and divergence convergence configurations). Additionally, different WC-based feedstocks, comprising alternative binders to traditionally used CoCr (namely NiMoCrFeCo, FeNiCrMoCu and FeCrAl) were investigated. Results showed that the HVAF spraying excelled in processing WC-based powders with various size distributions, enabling the deposition of thinner coatings from fine powders ('flash' coatings) with similar properties/performance as thick coatings. This leads to reduced material usage while offering potential for considerable component life extension, both of which are important elements of sustainability. Additionally, it was concluded that the Co-lean/Co-free binders demonstrated comparable, and in some cases superior performance than the reference Co-based binder under various wear conditions. All of these together can represent a significant step forward towards more sustainable approaches for protecting surfaces against wear.

WC-Co-beläggningar, med och utan kromtillsatser, används i stor utsträckning inom industrin i slitagekrävande applikationer. Oron för koboltförsörjningen och kobolts miljö- och hälsoeffekter har dock fått industrin att leta efter mer hållbara alternativ. Höghastighetsflamsprutning med luft (HVAF) är en lovande sprutteknik för att producera täta WC-baserade beläggningar med minimal materialpåverkan. Den låga temperaturen och den höga kinetiska energin hos partiklarna i lågan som sprutas med HVAF, kan möjliggöra användning av finare pulver, vilket potentiellt kan resultera i tätare och tunnare beläggningar med förbättrade prestanda. HVAF tekniken skulle även kunna vara en potentiell teknik för att åstadkomma koboltfria beläggningar. Slitageegenskaperna hos WC beläggningar som är koboltfria och som sprutas med HVAF är dock okänt. HVAF teknikens potential för att kunna ersätta hög hastighetsflamsprutning med syre (HVOF), som är den teknik som dominerar på marknaden idag vid sprutning av täta slitagebeständiga beläggningar är även okänt. HVAF är ett intressant alternativ till HVOF eftersom metoden kräver mindre energi jämfört med HVOF. Vid sprutning med HVAF kan partiklarnas temperatur och hastighet i lågan påverkas med hjälp av processvariabler, munstyckskonfiguration och genom att variera tillsatsmaterialets storleksfördelning. Partiklarnas hastighet och temperatur i lågan påverkar i sin tur den sprutade beläggningens mikrostruktur som i sin tur påverkar beläggningarnas egenskaper. Även den kemiska sammansättningen hos tillsatsmaterialet kan spela en stor roll för beläggningsegenskaperna.

I detta arbete utvärderas slitageegenskaper hos HVAF-sprutade WC-CoCr beläggningar där tillsatsmaterialet har olika storleksfördelning och olika munstyckskonfigurationer. Slitageegenskaperna jämförs med beläggningar som sprutats med tillsatsmaterial som saknar kobolt (NiMoCrFeCo, FeNiCrMoCu och FeCrAl).

Resultaten visar att HVAF-tekniken fungerar mycket väl för sprutning av WC baserade tillsatsmaterial med olika storleksfördelningar, vilket möjliggör produktion av tätare och tunnare beläggningar jämfört med de beläggningar som produceras industriellt idag. Resultaten visar även att koboltfria beläggningar som sprutats med HVAF ger jämförbara, och i vissa fall, överlägsna prestanda avseende slitagebeständighet. Både HVAF tekniken och utnyttjandet av koboltfria material är sålunda möjliga alternativ för att åstadkomma mer hållbara lösningar för slitagekrävande industriapplikationer.