• Corrosione
• CRM
• HVAF
• Termospruzzatura
• Tribologia

La termospruzzatura è una famiglia di tecnologie per l’applicazione di rivestimenti utilizzate in molti settori industriali per migliorare le caratteristiche, proteggere e estendere la vita d’uso di numerosi componenti meccanici. Tra le tecniche di termospruzzatura, l’HVOF (High Velocity Oxygen-Fuel) rappresenta lo stato dell’arte per la deposizione di densi rivestimenti antiusura e anticorrosione. Rivestimenti cermet HVOF a base WC e Cr3C2, in matrice Co, Co-Cr, Ni, Ni-Cr, conferiscono eccellenti proprietà antiusura e buone proprietà anticorrosione anche fino a 900°C in funzione della composizione chimica. Rivestimenti HVOF in lega metallica, come le Stelliti (a base Co) e le leghe NiCrBSi “Self-fluxing” vengono utilizzati come protezione ad usura e corrosione in applicazioni in cui è necessaria elevata tenacità.
Nonostante i noti vantaggi tecnologici, questi materiali presentano criticità da un punto di vista economico e della salute umana. Nel 2011, l’Unione Europea ha inserito Co e W nella lista dei “Critical Raw Materials” (CRM), ovvero tra gli elementi che presentano simultaneamente elevata importanza economica ed elevato rischio di approvvigionamento. Inoltre, nel 2015, le polveri di Co sono state dichiarate cancerogene per inalazione dal Cobalt Development Institute, con effetti aggravati se in combinazione con il WC.
A partire dal 2011, è stata introdotto sul mercato un importante sviluppo di una tecnologia innovativa di termospruzzatura, denominata HVAF, High Velocity Air-Fuel. La caratteristica principale dell’HVAF è la sostituzione dell’ossigeno puro con aria come comburente nel processo di combustione. Questo comporta un’immediata riduzione dei costi, oltre a potenziali vantaggi tecnologici.
Lo scopo di questa ricerca è investigare tecnologie e materiali alternativi più sostenibili per rivestimenti antiusura e corrosione. Tale scopo è stato perseguito depositando rivestimenti tradizionali (cermet a base WC e Cr3C2) con la tecnica innovativa HVAF, e materiali di nuova composizione con la tecnica HVOF.
Rivestimenti WC-Co, WC-CoCr e Cr3C2-NiCr sono stati depositati con la torcia Uniquecoat HVAF M3, e con due torce HVOF (Oerlikon Metco DJ 2600 Hybrid alimentata ad idrogeno e una Praxair JP5000 alimentata a kerosene). I rivestimenti sono stati sottoposti a caratterizzazione chimica, microstrutturale, micromeccanica, tribologica, e ne è stata valutata la resistenza a corrosione. I risultati hanno mostrato che i rivestimenti ottenuti con torcia HVAF M3 presentano proprietà almeno paragonabili, e in alcuni casi migliori, rispetto ai corrispondenti rivestimenti HVOF. La ricerca ha, inoltre, messo in evidenza l’importanza della distribuzione granulometrica delle materie prime in funzione della tecnologia di deposizione utilizzata.
Fra i materiali innovativi testati, vi sono cermet con composizione WC-FeCrAl, MoB-CoCr, TiMoCN-Ni, TiC-FeCrAlTi e una lega metallica FeVCrC. I materiali sono stati depositati con una torcia HVOF DJ 2600 Hybrid, seguendo un piano sperimentale DOE con lo scopo di identificare un intervallo ideale di parametri di deposizione. Il rivestimento WC-FeCrAl ha mostrato proprietà micromeccaniche e resistenza a usura e corrosione paragonabili a quelle del tradizionale WC-Co. I rivestimenti MoB-CoCr e TiMoCN-Ni hanno mostrato buona resistenza a corrosione, mentre il rivestimento Ti-FeCrAlTi ha mostrato resistenza a usura paragonabile al tradizionale Cr3C2-NiCr. La lega FeVCrC ha mostrato resistenza a usura superiore alle leghe di Co e Ni concorrenti, ma una resistenza a corrosione molto minore.
La ricerca ha quindi mostrato la possibilità di sostituire materiali e tecniche di rivestimento convenzionali con alternative più sostenibili, senza decremento di prestazioni.

Thermal spray is a family of coating technologies applied in many industrial fields to improve the performances, protect and extend the operating lifetime of several mechanical components. Among thermal spray techniques, High Velocity Oxygen-Fuel (HVOF) represents the state of the art technique for the deposition of dense wear and corrosion resistant coatings. HVOF coatings such as WC- and Cr3C2- based cermet with Co, Co-Cr, Ni, and Ni-Cr as alloys binders, provide excellent wear and good corrosion resistance from room temperature up to 900°C, depending on the chemical composition. Metallic alloy coatings such as Co-based Stellite and NiCrBSi “Self-Fluxing” are also applied by HVOF to provide wear and corrosion protection where higher toughness is required. Despite their well-known technological advantages, this coating materials present economical and health issues. In 2011, the European Union listed W and Co as critical raw materials (CRM), i.e. materials with a simultaneous high economic importance and high supply risk. Moreover, in 2015, Co powders were declared carcinogenic by inhalation, with worse effects if combined with WC, by the Cobalt Development Institute. Meanwhile, in 2011 an important development of the innovative thermal spray technology, so called High Velocity Air-Fuel (HVAF) was introduced on the market. The concept of the HVAF is the substitution of pure oxygen with compressed air as comburent in the combustion process. This change lead to immediate reduction of the costs and to a potential increase in productivity and coating quality. The aim of this research was the investigation of sustainable alternative technologies and coating materials for wear and corrosion protection applications. This was pursued by depositing traditional coatings (WC- and Cr3C2 based cermet) with the innovative HVAF technique and recently developed coating materials with the HVOF technique. WC-Co, WC-CoCr and Cr3C2-NiCr coatings were deposited with the Uniquecoat M3 HVAF gun, as well as two HVOF guns (an Oerlikon Metco hydrogen fueled DJ 2600 hybrid, and a kerosene fueled Praxair JP5000). Coating were subjected to chemical, microstructural, micromechanical, tribological characterization. Corrosion resistance was also evaluated. Results show that HVAF M3 coatings have at least comparable, or higher, wear resistance compared to HVOF coatings. The importance of a correct choice of the raw materials size distribution according to the different spraying technologies was also highlighted by the research. Two commercially available coating materials from the company H.C. Starck (Laufenburg, Germania) were selected as alternatives to standard coatings, a WC-FeCrAl cermet and a FeVCrC alloy. Materials were deposited using an DJ 2600 hybrid HVOF gun following a design of experiment (DOE) plan to identify an optimal range of deposition parameters. WC-FeCrAl coatings showed micromechanical properties, wear and corrosion resistance comparable to WC-Co cermet. The FeVCrC alloy showed a higher wear resistance compared to Co- and Ni- based coating materials, but a much lower corrosion resistance. Several new cermet compositions, such as MoB-CoCr, TiMoCN-Ni and TiC-FeCrAlTi were also deposited and characterized. Powder feedstock were sprayed using a DJ 2600 Hybrid gun following a DOE plan. MoB-CoCr and TiMoCN-Ni coatings showed good corrosion resistance, while TiC-FeCrAlTi displayed wear resistance comparable to Cr3C2-NiCr coatings performance. Therefore, the research underlined the possibility to substitute state of the art thermally sprayed coating materials and technologies for protective coatings with more sustainable ones without a decrease of performances.