PhD Oral Exam - Andre Renan Mayer, Mechanical Engineering

When studying for a doctoral degree (PhD), candidates submit a thesis that provides a critical review of the current state of knowledge of the thesis subject as well as the student’s own contributions to the subject. The distinguishing criterion of doctoral graduate research is a significant and original contribution to knowledge.

Once accepted, the candidate presents the thesis orally. This oral exam is open to the public.

Abstract

Ceramic coatings inspired by the glaze layers naturally formed on Co-Cr-W superalloys (e.g., Haynes 25) were developed to meet the demands of next-generation gas turbine engines operating at elevated temperatures. Four distinct chemical compositions were investigated: CoO, CoO-21Cr₂O₃, CoO-42Cr₂O₃, and Cr₂O₃, all produced via suspension plasma spraying (SPS) under varying process conditions.

The study began by evaluating the performance of a CoO coating versus Inconel 718 and Haynes 25 serving as baselines. Tribological tests were carried out using a ball-on-flat tribometer against Inconel 718 counterfaces at 600 °C and 800 °C. Results showed that CoO coating provided exceptional protection to the counterface while maintaining low wear rates of the coated surfaces. Inconel 718 exhibited the highest wear among all configurations. In contrast, Haynes 25 demonstrated significantly improved wear resistance at 800 °C due to the in-situ formation of a glaze layer. Interestingly, at 600 °C where Haynes 25 did not form a glaze, and CoO coatings exhibited minimal wear as the formation of a glaze is not required, showing superior high-temperature tribological performance.

To replicate the beneficial effects of the glaze layer, mixed compositions were developed by using different spraying conditions. The stand-off distance was found to significantly influence redox reactions during deposition. Among the oxides tested, CoO exhibited the highest tendency toward oxidation and reduction, leading to the formation of layered microstructures. These redox-driven transformations and their effects on coating microstructure and cohesion were analyzed in detail. The presence of metallic cobalt, was found to compromise coating integrity, suggesting the need for careful control of processing parameters depending on the target application.

Further wear tests at room temperature and 450 °C revealed that while CoO coatings underwent more wear at room temperature compared to Cr₂O₃-based compositions, they provided enhanced protection to the counterface. At 450 °C, CoO coatings demonstrated significant reductions in wear, reinforcing their suitability for intermediate-temperature applications. Furthermore, cracking at the tribofilm formed over the counterfaces at lower temperatures was observed, consistent with the brittle-to-ductile transition behavior of glaze-based materials.

Further tests of CoO-21Cr₂O₃, CoO-42Cr₂O₃, and Cr₂O₃ coatings at higher temperatures (600 °C and 800 °C) were performed. At closer to intended service conditions, all coatings displayed negligible wear. However, spallation was observed for Cr₂O₃ at 800 °C. The addition of cobalt oxide in the mixed compositions (CoO-21Cr₂O₃ and CoO-42Cr₂O₃) mitigated cracking and improved structural integrity. Phase segregation and oxidation phenomena led to the formation of cobalt oxide-rich layers on the surface and within cracks, contributing to enhanced coating cohesion. These layers also played a role in improving tribological performance and hinted at a potential self-healing mechanism, which was further explored and discussed.

Des revêtements céramiques inspirés des couches vitrifiées naturellement formées sur les superalliages Co-Cr-W (par exemple, Haynes 25) ont été développés pour répondre aux exigences des turbines à gaz de nouvelle génération fonctionnant à haute température. Quatre compositions chimiques distinctes ont été étudiées: CoO, CoO-21Cr₂O₃, CoO-42Cr₂O₃ et Cr₂O₃, toutes produites par projection plasma en suspension (SPS) selon différentes conditions de procédé.

L’étude a débuté par l’évaluation de la performance d’un revêtement de CoO comparativement à l’Inconel 718 et au Haynes 25, utilisés comme références. Des essais tribologiques ont été réalisés à l’aide d’un tribomètre bille-plan contre des contre-corps en Inconel 718 à 600 °C et 800 °C. Les résultats ont montré que le revêtement de CoO offrait une protection exceptionnelle du contre-corps tout en maintenant de faibles taux d’usure de la surface revêtue. L’Inconel 718 a présenté l’usure la plus élevée parmi toutes les configurations. En revanche, le Haynes 25 a démontré une résistance à l’usure nettement améliorée à 800 °C grâce à la formation in situ d’une couche vitrifiée. Fait intéressant, à 600 °C, température à laquelle le Haynes 25 ne forme pas de couche vitrifiée, les revêtements de CoO ont présenté une usure minimale, la formation d’une couche vitrifiée n’étant pas requise, démontrant ainsi une performance tribologique supérieure à haute température.

Pour reproduire les effets bénéfiques de la couche vitrifiée, des compositions mixtes ont été développées à l’aide de différentes conditions de projection. La distance de projection s’est révélée influencer de manière significative les réactions rédox pendant le dépôt. Parmi les oxydes testés, le CoO a présenté la plus grande propension à l’oxydation et à la réduction, menant à la formation de microstructures en couches. Ces transformations induites par les réactions rédox, ainsi que leurs effets sur la microstructure et la cohésion des revêtements, ont été analysés en détail. La présence de cobalt métallique a été identifiée comme un facteur compromettant l’intégrité du revêtement, ce qui souligne l’importance d’un contrôle rigoureux des paramètres de dépôt selon l’application visée.

Des essais d’usure supplémentaires à température ambiante et à 450 °C ont révélé que, bien que les revêtements de CoO présentent davantage d’usure à température ambiante comparativement aux compositions à base de Cr₂O₃, ils offrent une meilleure protection du contre-corps. À 450 °C, les revêtements de CoO ont montré une réduction significative de l’usure, confirmant leur pertinence pour des applications à température intermédiaire. Par ailleurs, des fissures ont été observées dans le tribofilm formé sur les contre-corps à basse température, ce qui correspond au comportement de transition fragile-ductile des matériaux à base de couche vitrifiée.

Des tests supplémentaires ont été effectués sur les revêtements CoO-21Cr₂O₃, CoO-42Cr₂O₃ et Cr₂O₃ à plus haute température (600 °C et 800 °C). Dans des conditions proches de l’usage en service, tous les revêtements ont présenté une usure négligeable. Cependant, un décollement du revêtement (spallation) a été observé pour le Cr₂O₃ à 800 °C. L’ajout d’oxyde de cobalt dans les compositions mixtes (CoO-21Cr₂O₃ et CoO-42Cr₂O₃) a permis de réduire la fissuration et d’améliorer l’intégrité structurale. Les phénomènes de ségrégation de phases et d’oxydation ont conduit à la formation de couches riches en oxyde de cobalt à la surface et dans les fissures, contribuant ainsi à la cohésion accrue des revêtements. Ces couches ont également joué un rôle dans l’amélioration de la performance tribologique et ont laissé entrevoir un mécanisme potentiel d’auto-réparation, qui a été exploré et discuté davantage.