7/27/2019 Spray Method

1/3

V o l . 1 2 3 ( 2 0 1 3 ) A C T A P H Y S I C A P O L O N I C A A N o . 5

P r o c e e d i n g s o f t h e I X I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e I O N 2 0 1 2 , K a z i m i e r z D o l n y , P o l a n d , J u n e 2 5 2 8 , 2 0 1 2

E n r i c h m e n t o f A I S I 3 1 6 L S t e e l S u r f a c e L a y e r

w i t h R a r e E a r t h E l e m e n t s U s i n g I o n B e a m s

B . S a r t o w s k a

a,, L . W a l i

a, W . S t a r o s t a

a, M . B a r l a k

b, C . P o c h r y b n i a k

b

a n d E . K o w a l s k a

b

aI n s t i t u t e o f N u c l e a r C h e m i s t r y a n d T e c h n o l o g y , D o r o d n a 1 6 , 0 3 - 1 9 5 W a r s a w , P o l a n d

bN a t i o n a l C e n t r e f o r N u c l e a r R e s e a r c h , A . S o t a n a 7 , 0 5 - 4 0 0 O t w o c k - w i e r k , P o l a n d

E n r i c h m e n t o f A I S I 3 1 6 L s t e e l s u r f a c e l a y e r s w i t h r a r e e a r t h e l e m e n t s w a s c a r r i e d o u t u s i n g t w o m e t h o d s w i t h

i o n b e a m a p p l y i n g . T h e r s t o n e w a s t h e i o n i m p l a n t a t i o n w i t h t h e d o s e s i n t h e r a n g e o f

1 1015

c m

2u p t o

5 1017

c m

2w h e r e m i s h m e t a l ( C e + L a ) w a s u s e d a s t h e i o n s o u r c e . T h e s e c o n d m e t h o d w a s t h e h i g h i n t e n s i t y

p u l s e d p l a s m a b e a m s . T h e p l a s m a p u l s e s c o n t a i n e d b o t h i o n s / a t o m s o f C e + L a f r o m t h e e l e c t r o d e s m a t e r i a l

( m i s h m e t a l ) . T h e p u l s e e n e r g y d e n s i t i e s ( 3 J / c m

2) w e r e s u c i e n t t o m e l t t h e n e a r s u r f a c e l a y e r o f t h e s t e e l a n d

i n t r o d u c e t h o s e e l e m e n t s i n t o t h e s u r f a c e l a y e r . T h e a i m o f t h i s w o r k w a s t o i n v e s t i g a t e t h e c h a n g e s o f s t a i n l e s s

s t e e l s u r f a c e p r o p e r t i e s ( m o r p h o l o g y , r a r e e a r t h e l e m e n t s c o n c e n t r a t i o n , p r e s e n c e o f i d e n t i e d p h a s e s ) a f t e r t h e r a r e

e a r t h e l e m e n t s a d d i t i o n w i t h o r w i t h o u t m e l t i n g . S c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y , e n e r g y d i s p e r s i o n s p e c t r o s c o p y ,

a n d X - r a y d i r a c t i o n a n a l y s i s w e r e u s e d f o r i n i t i a l a n d m o d i e d s u r f a c e c h a r a c t e r i s a t i o n . G r a z i n g - i n c i d e n c e X - r a y

d i r a c t i o n s h o w s d i e r e n c e s i n t h e i d e n t i e d p h a s e p r e s e n c e i n t h e m o d i e d s u r f a c e l a y e r c o n n e c t e d w i t h t h e

m o d i c a t i o n m e t h o d .

D O I : 1 0 . 1 2 6 9 3 / A P h y s P o l A . 1 2 3 . 8 2 2

P A C S : 5 2 . 7 7 . D q , 5 2 . 7 7 . j , 7 2 . 1 5 . E b , 8 1 . 6 5 . b

1 . I n t r o d u c t i o n

A u s t e n i t i c s t a i n l e s s s t e e l s a r e u s e d i n n u m e r o u s i n d u s -

t r i a l a p p l i c a t i o n s , d u e t o t h e i r v e r y g o o d c o r r o s i o n r e -

s i s t a n c e f o r e x a m p l e : n u c l e a r a n d p e t r o c h e m i c a l i n -

d u s t r i e s , p u l p a n d p a p e r c h e m i c a l , f o o d a n d c h e m i c a l

p r o c e s s i n g a n d b i o m e d i c a l i n d u s t r i e s . B u t p o o r t r i b o -

l o g i c a l a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f a u s t e n i t i c s t a i n l e s s

s t e e l s l i m i t e d t h e i r a p p l i c a t i o n s i n e n g i n e e r i n g e l d s . E n -

g i n e e r i n g c o m p o n e n t s m a d e o f t h e s e s t e e l s a r e i n m a n y

a p p l i c a t i o n s o p e r a t i n g i n s u c h e x t r e m e c o n d i t i o n s t h a t

i m p r o v e m e n t o f t h e i r h i g h - t e m p e r a t u r e o x i d a t i o n r e s i s -

t a n c e i s r e q u i r e d . M e n t i o n e d i m p r o v e m e n t o f a u s t e n i t i c

s t a i n l e s s s t e e l s i s v e r y i m p o r t a n t f r o m e n g i n e e r s ' a n d c o n -

s t r u c t o r s ' p o i n t s o f v i e w a n d c a n b e r e a l i s e d u s i n g d i e r -

e n t s u r f a c e t r e a t m e n t , f o r e x a m p l e : r e - s o l i d i c a t i o n t e c h -

n i q u e s o r e n r i c h m e n t o f t h e s u r f a c e l a y e r w i t h r e a c t i v e e l -

e m e n t s o r b o t h . H i g h o x y g e n a n i t y e l e m e n t s s u c h a s Y ,

C e , L a , E r a n d o t h e r r a r e - e a r t h e l e m e n t s ( R E E ) a d d e d

t o s t e e l s i n s m a l l a m o u n t s c a n i m p r o v e t h e i r r e s i s t a n c e t o

w e a r [ 1 ] , e l e c t r o c h e m i c a l c o r r o s i o n [ 2 ] a n d h i g h t e m p e r a -

t u r e o x i d a t i o n [ 2 , 3 ] . R E E c a n b e a d d e d e i t h e r d u r i n g t h e

s t e e l m a k i n g p r o c e s s o r t o t h e s u r f a c e r e g i o n o f m a t e r i a l s

u s i n g d i e r e n t s u r f a c e m o d i c a t i o n t e c h n i q u e s s u c h a s :

i o n i m p l a n t a t i o n [ 2 , 3 ] , s o l g e l c o a t i n g [ 4 ] , p u l s e d p l a s m a

b e a m s [ 5 8 ] . I o n a n d p l a s m a b e a m s c a n d e l i v e r e n e r g y

a n d f o r e i g n i o n s p e c i e s i n t o t h e m a t e r i a l .

W h e n h i g h i n t e n s i t y , s h o r t d u r a t i o n i o n o r p l a s m a

p u l s e s h i t a s o l i d , t h e y c a n m o d i f y t h e s t r u c t u r e o f i t s

c o r r e s p o n d i n g a u t h o r

n e a r - s u r f a c e r e g i o n . H e a t i n g a n d c o o l i n g p r o c e s s e s w e r e

o f n o n - e q u i l i b r i u m t y p e . I o n o r p l a s m a p u l s e s c a n l e a d

t o v a r i o u s p r o c e s s e s s u c h a s : m i x i n g o f t h e p r e - d e p o s i t e d

l m s w i t h s u b s t r a t e m a t e r i a l , f o r m a t i o n o f n e w s t a b l e

o r / a n d m e t a s t a b l e p h a s e s , g r a i n r e n e m e n t .

I n t h e p r e s e n t w o r k w e r e p o r t t h e r e s u l t s o f i n v e s t i -

g a t i o n s o f s t a i n l e s s s t e e l s u r f a c e p r o p e r t i e s ( m o r p h o l o g y ,

R E E c o n c e n t r a t i o n , p r e s e n c e o f i d e n t i e d p h a s e s ) a f t e r

t h e R E E a d d i t i o n w i t h o r w i t h o u t m e l t i n g .

2 . E x p e r i m e n t

A u s t e n i t i c s t a i n l e s s s t e e l A I S I 3 1 6 L w i t h t h e m a i n e l e -

m e n t s c o n c e n t r a t i o n ( i n w t % ) C r 1 6 . 3 , N i 1 1 . 5 , M o

2 . 0 3 , M n 1 . 3 , C u 0 . 3 , F e b a l a n c e w a s u s e d

a s t h e s u b s t r a t e f o r i n v e s t i g a t i o n s . T h e m i s h m e t a l ( M M )

w i t h t h e c o m p o s i t i o n ( i n w t % ) : C e 6 5 . 3 , L a 3 4 . 0

a n d b a l a n c e o f F e , M g , a n d P r w a s u s e d a s a R E E

s o u r c e . T h e r a t i o o f t h e e l e m e n t s c o n c e n t r a t i o n i n M M

w a s C e ( w t % ) / L a ( w t % ) = 6 5 . 3 / 3 4 . 0 a n d w a s a s s u m e d

t o b e 2 : 1 .

R E E w e r e i n c o r p o r a t e d i n t o o n e s u r f a c e o f s t e e l s a m -

p l e s b y m e a n s o f t w o d i e r e n t m e t h o d s u s i n g i o n s b e a m s .

T h e r s t o n e w a s t h e i o n i m p l a n t a t i o n w h e r e m i s h m e t a l

( C e + L a ) w a s u s e d a s t h e i o n s o u r c e . T h e i m p l a n t a t i o n

e n e r g y w a s 6 5 k V , n i t r o g e n a t m o s p h e r e , i o n d o s e s i n t h e

r a n g e o f 1 10

15c m

2u p t o

5 1017

c m

2. T h e s e c -

o n d m e t h o d w a s t h e h i g h i n t e n s i t y p u l s e d p l a s m a b e a m s

( H I P P B ) . T h e p l a s m a b e a m s w e r e g e n e r a t e d i n a r o d

p l a s m a i n j e c t o r ( R P I ) o p e r a t e d i n t h e d e p o s i t i o n b y t h e

p u l s e d e r o s i o n ( D P E ) m o d e d e s c r i b e d i n [ 6 , 8 ] . T h e

p l a s m a p u l s e s c o n t a i n b o t h i o n s / a t o m s o f ( C e + L a ) f r o m

t h e e l e c t r o d e s m a t e r i a l ( m i s h m e t a l ) a n d n i t r o g e n ( t h e

w o r k i n g g a s ) . T h e p u l s e e n e r g y d e n s i t i e s ( 3 . 0 J / c m

2)

( 8 2 2 )

http://dx.doi.org/10.12693/APhysPolA.123.822

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2/3

E n r i c h m e n t o f A I S I 3 1 6 L S t e e l S u r f a c e L a y e r . . . 8 2 3

w e r e s u c i e n t t o m e l t t h e n e a r s u r f a c e l a y e r o f t h e s t e e l

a n d i n t r o d u c e t h o s e e l e m e n t s i n t o t h e s u r f a c e l a y e r . T h e

c o o l i n g r a t e w a s e s t i m a t e d i n t h e r a n g e o f 10

7

108

K s

1.

T h e m o d i c a t i o n p a r a m e t e r s w e r e a s f o l l o w s : t i t a n i u m

r o d s c o a t e d w i t h m i s h m e t a l t i p s a s e l e c t r o d e s , n i t r o g e n

a s t h e w o r k i n g g a s a n d 3 p u l s e s w i t h t h e e n e r g y d e n s i t y

3 . 0 J / c m

2.

T h e s a m p l e s w e r e c h a r a c t e r i z e d f o r : i n i t i a l a n d m o d -

i e d s u r f a c e m o r p h o l o g y o b s e r v a t i o n s w i t h S E M D S M

9 4 2 ( Z e i s s , G e r m a n y ) ; e l e m e n t a l c o n c e n t r a t i o n s d e t e r m i -

n a t i o n o f e l e m e n t s p r e s e n t i n t h e s u r f a c e l a y e r w i t h t h e

Q u a n t a x 4 0 0 E D S s y s t e m ( B r u k e r , G e r m a n y ) a n d m a t e -

r i a l s t r u c t u r e d e t e r m i n a t i o n o f t h e s u r f a c e l a y e r u s i n g t h e

D 8 A d v a n c e d ( B r u k e r , G e r m a n y ) d i r a c t o m e t e r ( = 5

,

C u K r a d i a t i o n ) .

3 . R e s u l t s a n d d i s c u s s i o n

T h e r e s u l t s o f S E M o b s e r v a t i o n s o f s t e e l s u r f a c e a r e

p r e s e n t e d i n F i g . 1 . O n t h e s u r f a c e s o f i n i t i a l m a t e r i a l s

d i e r e n t s i z e g r a i n s a r e v i s i b l e . T h e y a r e a r e s u l t o f s t e e l

m a k i n g p r o c e s s s t e e l w a s d e l i v e r e d a f t e r h o t r o l l i n g

a s t h e n i s h i n g t r e a t m e n t ( F i g . 1 a ) . A f t e r i m p l a n t a t i o n

t h e s u r f a c e m o r p h o l o g y w a s n o t c h a n g e d g r a i n b o u n d -

a r i e s a r e s t i l l v i s i b l e ( F i g . 1 b ) . A f t e r p u l s e m o d i c a t i o n s

t h e i n i t i a l g r a i n s b o u n d a r i e s d i s a p p e a r e d a n d d i e r e n t

m o r p h o l o g i c a l d e t a i l s ( c r a t e r s , c r a c k s , d r o p l e t s o f m e l t e d

m a t e r i a l ) w e r e o b s e r v e d ( F i g . 1 c ) . T h e s e r e s u l t s s h o w t h e

r s t d i e r e n c e b e t w e e n t h e m o d i c a t i o n m e t h o d s .

F i g . 1 . D e t a i l s o f s u r f a c e s m o r p h o l o g y o f t h e A I S I

3 1 6 L s t e e l : ( a ) i n i t i a l , ( b ) i m p l a n t e d u p t o R E E c o n -

c e n t r a t i o n 0 . 9 w t % , ( c ) H I P P B t r e a t e d a n d e n r i c h e d

w i t h R E E u p t o 1 . 0 w t % .

T h e E D S s p e c t r u m o f i n i t i a l m a t e r i a l s h o w s t h e p r e s -

e n c e o f m a i n e l e m e n t s a c c o r d i n g t o t h e e l e m e n t a l c o m -

p o u n d s o f A I S I 3 1 6 L s t e e l . A f r a g m e n t o f s p e c t r u m

( 0 2 k e V ) o b t a i n e d f o r t h e i n i t i a l m a t e r i a l i s p r e s e n t e d

i n F i g . 2 . T h e m a i n v i s i b l e p e a k s ( a c c o r d i n g t o t h e c h a r -

a c t e r i s t i c l i n e s ) w e r e i d e n t i e d a s

F i g . 2 . E D S s p e c t r a o f t h e A I S I 3 1 6 L s t e e l : (

a) i n i t i a l ,

(

b) i m p l a n t e d , (

c) H I P P B t r e a t e d .

C r w i t h L1,2 a t 5 7 2 . 8 e V a n d L1 a t 5 8 2 . 8 e V ,

M n w i t h L1,2 a t 6 3 7 . 4 e V a n d L1 a t 6 4 8 . 8 e V ,

F e w i t h L1,2 a t 8 5 1 . 5 e V a n d L1 a t 7 1 8 . 5 e V ,

N i w i t h L1,2 a t 7 0 5 . 0 e V a n d L1 a t 8 6 8 . 8 e V .

T h e a n a l y s i s o f E D S s p e c t r a t a k e n f r o m t h e m o d i e d

s u r f a c e l a y e r s s h o w s t h e d i e r e n c e b e t w e e n t h e m a n d t h e

i n i t i a l m a t e r i a l . T h e n e w p e a k s o b s e r v e d a t l o w e n e r g i e s

w e r e i d e n t i e d a s

CK1,2 a t 2 7 7 e V ,

N K1,2 a t 3 9 2 e V ,

O K1,2 a t 5 2 4 . 9 e V .

T h e p r e s e n c e o f t h e s e p e a k s w a s c o n n e c t e d w i t h t h e

e l e m e n t s u s e d d u r i n g t h e m o d i c a t i o n p r o c e s s e s . T h e

p e a k s o b s e r v e d a t t h e e n e r g i e s o f a b o u t 0 . 6 k e V a n d

0 . 8 k e V w e r e s t r o n g e r a s c o m p a r e d w i t h t h e i n i t i a l m a t e -

r i a l . S t r e n g t h e n i n g o f t h e o b s e r v e d p e a k s w a s c o n n e c t e d

w i t h t h e E D S s i g n a l f r o m t h e o t h e r e l e m e n t s : L a M1

l i n e a t 6 4 0 . 0 e V a n d C e M1 l i n e a t 8 8 4 . 0 e V a n d p r o v e d

i n c o r p o r a t i o n o f L a a n d C e i n t o t h e i n v e s t i g a t e d s u r f a c e

l a y e r . T h u s o b t a i n e d a n d p r e s e n t e d E D S s p e c t r a c o n -

r m e d e n r i c h m e n t o f t h e s t e e l s u r f a c e l a y e r w i t h R E E .

S a m p l e s w i t h s i m i l a r R E E c o n c e n t r a t i o n ( a b o u t

1 . 0 w t % ) w e r e c h o s e n f o r t h e p h a s e i d e n t i c a t i o n .

T h e r s t t w o p e a k s o f t h e g r a z i n g - i n c i d e n c e X - r a y

d i r a c t i o n ( G X R D ) s p e c t r a f o r u n t r e a t e d a n d m o d i e d

m a t e r i a l s a r e p r e s e n t e d i n F i g . 3 . I n t h e c a s e o f i n i t i a l m a -

t e r i a l p e a k s ( 1 1 1 ) a n d ( 2 0 0 ) w e r e r e c o r d e d a n d c o n r m

t h e p r e s e n c e o f a u s t e n i t i c s t r u c t u r e o f A I S I 3 1 6 L s t e e l .

I n t h e c a s e o f i n v e s t i g a t i o n s o f t h e s u r f a c e l a y e r a f t e r i o n

i m p l a n t a t i o n , n o c h a n g e s i n t h e o b s e r v e d p e a k s p o s i t i o n

a n d s h a p e w e r e o b s e r v e d . I t m e a n s t h a t t h e a u s t e n i t i c

s t r u c t u r e r e m a i n s a f t e r t h i s m o d i c a t i o n . I n t h e c a s e o f

i n v e s t i g a t i o n s o f t h e s u r f a c e l a y e r m o d i e d w i t h H I P P B ,

t h e s u r f a c e l a y e r w a s m e l t e d a n d t h e i n i t i a l s t r u c t u r e o f

s t e e l w a s f u l l y d e s t r o y e d . D u r i n g r a p i d s o l i d i c a t i o n t h e

p r o c e s s o f f r e e z i n g o f t h e a u s t e n i t e t o o k p l a c e . S o l i d i -

c a t i o n t a k e s p l a c e w h e n t h e R E E i o n s a r e p r e s e n t i n

7/27/2019 Spray Method

3/3

8 2 4 B . S a r t o w s k a e t a l .

F i g . 3 . G X R D s p e c t r a o f t h e A I S I 3 1 6 L s t e e l u n -

t r e a t e d , i m p l a n t e d , a n d H I P P B t r e a t e d .

m e l t s . S o f o r m e d a u s t e n i t i c s t r u c t u r e s h a v e d i e r e n t l a t -

t i c e p a r a m e t e r s f r o m t h o s e i n t h e i n i t i a l m a t e r i a l . T h e

i d e n t i e d p e a k s o f a u s t e n i t e ( 1 1 1 ) a n d ( 2 0 0 ) w e r e s h i f t e d

t o w a r d s l o w e r a n g l e s w h i c h m e a n s t h a t t h e l a t t i c e p a -

r a m e t e r o f a u s t e n i t e i n c r e a s e d . T h e s e r e s u l t s s h o w t h e

s e c o n d d i e r e n c e b e t w e e n t h e m o d i c a t i o n m e t h o d s .

4 . C o n c l u s i o n s

1 . U s i n g t w o d i e r e n t m e t h o d s w i t h i o n a p p l i c a t i o n

t h e R E E e l e m e n t s ( h e r e : C e + L a ) w e r e i n c o r p o -

r a t e d t o t h e A I S I 3 1 6 L s t e e l .

2 . A u s t e n i t i c s t r u c t u r e s w e r e p r e s e n t a f t e r m o d i c a -

t i o n p r o c e s s e s .

3 . I n t h e c a s e o f i o n i m p l a n t a t i o n t h e i n i t i a l a u s t e n i t i c

s t r u c t u r e o f s t e e l r e m a i n s , b u t i n t h e c a s e o f H I P P B

p r o c e s s e s t h e a u s t e n i t i c s t r u c t u r e w a s f r o z e n a s a

r e s u l t o f r a p i d s o l i d i c a t i o n .

R e f e r e n c e s

[

1

] F . J . P e r e z , M . J . C h r i s t o b a l , G . A r n a u , M . P . H i e r r o ,

J . J . S a u r a , O x i d a t . M e t . 5 5 , 1 0 5 ( 2 0 0 1 ) .

[

2

] C . M . A b r e u , M . J . C r i s t o b a l , X . R . N o v o a , G . P e n a ,

M . C . P e r e z , R . J . R o d r i g u e z , S u r f . C o a t . T e c h n o l .

1 5 8 - 1 5 9 , 5 8 2 ( 2 0 0 2 ) .

[

3

] D . E . A l m a n , P . D . J a b l o n s k i , I n t . J . H y d r o g e n E n .

3 2 , 3 7 4 3 ( 2 0 0 7 ) .

[

4

] F . R i a r d , H . B u s c a i l , E . C a u d r o n , R . C u e , C . I s -

s a r t e l , S . P e r r i r , A p p l . S u r f . S c i . 1 9 9 , 1 0 7 ( 2 0 0 2 ) .

[

5

] D . C l e u g h , C . B l a w e r t , J . S t e i n b a c h , H . F e r k e l ,

B . L . M o r d i k e , T . B e l l , S u r f . C o a t . T e c h n o l . 1 4 2 -

1 4 4 , 3 9 2 ( 2 0 0 1 ) .

[

6

] J . P i e k o s z e w s k i , Z . W e r n e r , W . S z y m c z y k , V a c u u m

6 3 , 4 7 5 ( 2 0 0 1 ) .

[

7

] B . S a r t o w s k a , J . P i e k o s z e w s k i , L . W a l i , J . S e n a t o r s k i ,

M . B a r l a k , W . S t a r o s t a , C . P o c h r y b n i a k , I . P o k o r s k a ,

S u r f . C o a t . T e c h n o l . 2 0 5 , S 1 2 4 ( 2 0 1 1 ) .

[

8

] B . S a r t o w s k a , P h . D . T h e s i s , I n s t i t u t e o f P r e c i s i o n M e -

c h a n i c s , W a r s a w 2 0 0 7 .

http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.04.082http://dx.doi.org/10.1016/S0042-207X(01)00224-Xhttp://dx.doi.org/10.1016/S0042-207X(01)00224-Xhttp://dx.doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01245-2http://dx.doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01245-2http://dx.doi.org/10.1016/S0169-4332(02)00566-4http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2006.08.032http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2006.08.032http://dx.doi.org/10.1016/S0257-8972(02)00312-2http://dx.doi.org/10.1016/S0257-8972(02)00312-2http://dx.doi.org/10.1023/A:1010329310030