Investigation on welding and corrosion properties of the UNS S32304 & UNS S32570 duplex stainless steels and development of Nickel-Tungsten Carbide hardfacing by Plasma Transferred Arc (PTA) process

Gli acciai inossidabili duplex presentano proprietà meccaniche, resistenza alla corrosione e tenacità superiori rispetto agli acciai inossidabili ferritici, austenitici e martensitici. L’ottimo bilanciamento delle loro proprietà è dovuto alla particolare microstruttura che è costituita da percentuali pressoché uguali di ferrite (δ) e di austenite (γ). L’austenite è responsabile della resistenza a corrosione e della tenacità, la ferrite fornisce l’elevata resistenza meccanica; grazie a questa combinazione di proprietà l’acciaio inossidabile duplex offre molti vantaggi rispetto agli acciai inossidabili monofasici. Gli acciai duplex possono sopportare condizioni di esercizio più gravose e possono essere utilizzati in svariati settori industriali come l’alimentare, il petrolchimico, l’oil & gas, la trasmissione di potenza ed in ambiente marino. La saldatura è il principale metodo per la fabbricazione delle strutture in acciaio inossidabile e molteplici sono i processi che possono essere utilizzati a tale scopo. Tuttavia, la saldatura determina inevitabilmente un cambiamento delle proprietà del materiale base nella zona interessata dell’alterazione microstrutturale. Nella zona di saldatura si può assistere alla perdita del giusto bilanciamento delle due principali fasi, nonché si può verificare la precipitazione di fasi intermetalliche complesse. I processi di saldatura applicabili agli acciai inossidabili duplex possono essere molteplici; in questo lavoro sono stati studiati gli effetti prodotti da alcune varianti del tradizionale processo TIG sulla saldatura dell’acciaio duplex UNS S32304 e dell’acciaio superduplex UNS S32570. In particolare, sono stati considerati gli effetti dell’aggiunta di polveri di nichel, dell’utilizzo di azoto come gas di processo e dell’esecuzione di uno specifico trattamento termico a valle della realizzazione dei giunti saldati. È stata successivamente effettuata una caratterizzazione microstrutturale al microscopio ottico metallografico (MO) e sono state utilizzate tecniche di analisi di immagine al fine di studiare l’evoluzione delle percentuali di fase nelle diverse zone dei giunti. Prove di trazione e prove di microdurezza hanno consentito di valutare i miglioramenti ottenuti sulle proprietà meccaniche. Inoltre, su campioni ricavati dai giunti stessi sono state eseguite prove elettrochimiche per studiare la resistenza a corrosione al variare delle condizioni di processo e del trattamento termico. I risultati ottenuti mostrano che, sia l’aggiunta delle polveri di nichel, sia l’utilizzo dell’azoto come gas di processo determinano un incremento delle proprietà meccaniche e microstrutturali dei giunti. Risulta tuttavia che il processo che consente il miglior incremento prestazionale è l’esecuzione del trattamento termico post saldatura, in quanto tende a ripristinare le percentuali delle fasi ferritica e austenitica a livelli confrontabili con quelli del metallo base. Nella seconda parte della tesi sono state studiate le proprietà di un riporto a base di polveri di nichel e particelle di carburo di tungsteno applicato mediante processo PTA (Plasma Transferred Arc) sulla superficie dell’acciaio da utensili D2, adatto per lavorazioni a freddo. Con un riporto superficiale di tale tipologia è possibile incrementare sia la qualità dell’acciaio sia aumentare la sua vita in esercizio in molte applicazioni industriali. Per ottenere una appropriata combinazione dei parametri di processo e per eseguire il numero minimo di prove, è stato utilizzato la metodologia DoE (Design of Experiment). Come parametri variabili sono stati considerati la corrente, la velocità di avanzamento e il preriscaldamento. Questi parametri sono importanti per ottenere un riporto finale con una appropriata geometria del cordone di saldatura e con buone proprietà metallurgiche. Tutti i campioni sono stati preparati per le necessarie caratterizzazioni metallografiche ed è stato considerato l’effetto dei parametri di processo sulla geometria del cordone di saldatura. Nel corso di ciascun esperimento sono stati misurati i parametri della geometria del cordone tra cui la diluizione, la penetrazione e il rinforzo. Le microstrutture e la distribuzione delle particelle di carburo di tungsteno sono stati analizzati sia al microscopio ottico metallografico (OM) sia al microscopio elettronico a scansione (SEM) dotato di microsonda EDS. Inoltre, sono state eseguite prove di microdurezza per valutare le proprietà meccaniche dei riporti realizzati. Infine, fra tutti gli esperimenti, è stato selezionato il campione con l’appropriata geometria del cordone e l’adeguata microstruttura. Nell’ultima parte della tesi si è cercato di valutare l’effetto dell’aggiunta di nanoparticelle di carburo di tungsteno sul comportamento meccanico e metallurgico dell’esistente polvere di nichel. Per questi campioni, in aggiunta a quelli sopra menzionati, sono stati eseguiti test di usura ed analisi mediante profilometro sulla superficie, al fine di confrontare e selezionare l’ottima percentuale di aggiunta di nanoparticelle. I dettagli degli esperimenti e dei metodi sono descritti negli abstracts relativi a ciascun capitolo.

Duplex stainless steels show high mechanical strength, corrosion resistance and toughness with respect to ferritic, austenitic and martensitic stainless steels. These favourable properties are largely conferred by the peculiar microstructure of the material, which contains roughly equal percentage of ferrite (δ) and austenite (γ). Austenite is responsible for toughness and corrosion resistance and ferrite provides high strength; thanks to this combination, duplex stainless steel has many advantages over monophase stainless steels. This makes them better able to withstand harsher conditions, and therefore they are more applicable in different sectors such as the food, petrochemical, oil and gas, marine and power industries. As it is clear, welding is the main method for fabrication of steel structures, which cause to change the base metal properties on that zone. In fusion zone, due to melting, the balance between ferrite and austenite is destroyed and the risk of precipitation of intermetallic phases increase. Different welding methods can be applied to duplex stainless steels for the production of several equipments and structures. Nevertheless, fusion welding processes, due to intrinsic properties, cause to destroy the equal percentage of ferrite and austenite phases in the fusion zone, which is responsible for their good engineering properties. In this study I tried to use different methods to to solve these problems especially for the duplex UNS S32304 and superduplex UNS S32570. Due to that, effect of addition of nickel powder, nitrogen gas, post weld heat treatment (PWHT) and combination of these methods were applied. After that, the joints were characterized by optical microscopy (OM) and the evolution of the phase percentages in the different zones was studied by means of the image analysis technique. Tensile and microhardness tests were carried out on the joints in order to evaluate the improvement of the mechanical properties. In addition electrochemical tests were applied on the samples to observe the corrosion resistance of the joints after modifications. The results showed that both the addition of nickel powder and nitrogen gas during the welding process cause to improve the welding characteristics but the effect of applying PWHT is better than addition of alloying elements especially in restoring the phase percentages close to the base metal. In another part of the thesis, a nickel-base powder mixed with tungsten carbide particles was applied by Plasma Transferred Arc welding (PTA) on the surface of the D2 cold work tool steel in order to improve the surface quality and to extend its life time during industrial applications. To obtain appropriate combination of hardfacing parameters and to run minimum number of tests, the Design of Experiment (DoE) method was applied. Current, travel speed and preheat were considered as variable parameters. These parameters are important to reach a final layer with an appropriate bead geometry, accompanied with good metallurgical properties. All samples were prepared for metallurgical investigations and effects of process parameters on the weld bead geometry were considered. For each run of experiment, weld bead geometry parameters including dilution, penetration and reinforcement were measured. Microstructures and the distribution of tungsten carbide particles after welding were analysed by Optical Microscopy (OM) and Scanning Electron Microscopy (SEM) equipped with EDS microprobe. In addition, microhardness tests were performed to evaluate the mechanical properties of the weld bead layers. Finally, among all the experiments, the best sample with appropriate bead geometry and microstructure was selected. In the last part, I tried to study the effect of addition of tungsten carbide nanoparticles on the mechanical and metallurgical behavior of the existing nickel powder. For these samples, in addition to the above tests mentioned, wear test and surface profilometry analysis was performed for comparison and selecting optimum percentage of the addition of nanoparticles. Details of each experiments and methods are explained in the abstract of each chapter separately.