Mechanical behavior of Al2O3-13%TiO2 ceramic coating at elevated temperature

Abstract

The present thesis work has been carried out with the aim of studying the mechanical behavior of Al2O3-13wt.%TiO2 ceramic coating (AT-13) at room and elevated temperatures. AT-13 coatings were deposited, with two different standoff distances (110 and 140 mm), by the flame spraying technique; their microstructure and composition were analyzed by means of optical and scanning electron microscopy and X-ray diffraction. The mechanical behavior of the coated systems was evaluated by means of tensile tests, micro- and nano-indentation techniques; the critical strain for cracking was found to be between 0.7 and 0.51% for both coatings, it was obtained in situ and recorded with the aid of a high resolution camera during tensile test at room temperature, as well as the cracking stages A (initiation), B (nucleation), C (propagation), and D (saturation), represented on the stress-strain curve. The strains relative to the cracking stages (in situ) were applied to the coatings, at elevated (~200°C), and evaluated ex situ, finding that the AT-13 coating systems studied here were prone to delamination due to the poor strain compatibility between the substrate and the bond coat. It was found that the degree of porosity, highly influenced the critical strain which was higher for the coating with the lower porosity, Ɛ=0.70±0.08%, when compared to the coating with the higher porosity, Ɛ=0.51±0.05%.

Resumen: El presente trabajo fue desarrollado con el fin de estudiar el comportamiento mecánico de recubrimientos cerámicos Al2O3-13wt.%TiO2 (AT-13) tanto a temperatura ambiente como a alta temperatura. Recubrimientos cerámicos AT-13 fueron depositados utilizando dos distancias de aspersión de 110 y 140 mm mediante la técnica de proyección térmica por llama; su microestructura y composición química fueron analizadas mediante SEM y DRX. El comportamiento mecánico de los recubrimientos fue caracterizado mediante pruebas de tracción y las técnicas de micro- y nano-indentación; la deformación crítica para el agrietamiento se encontró entre 0.7 y 0.51% para ambos recubrimientos; obtenida in situ, y grabada con la ayuda de una cámara de alta resolución durante las pruebas de tensión a temperatura ambiente, así como las etapas de agrietamiento A (Iniciación), B (nucleación), C (propagación), y D (saturación), representadas en la curva de esfuerzo deformación. Las deformaciones relativas a las etapas de agrietamiento (in situ) fueron aplicadas a los recubrimientos a alta temperatura (~200°C) y evaluadas ex situ, encontrando que los recubrimientos AT-13 estudiados en este trabajo fueron susceptibles a delaminación como consecuencia de la baja compatibilidad a la deformación entre el sustrato y la capa de anclaje. También se encontró que el grado de porosidad influencia el esfuerzo crítico que resultó ser mayor para el recubrimiento con la menor porosidad, Ɛ =0.70±0.08%, al ser comparado con el de mayor porosidad, Ɛ=0.51±0.05%