Thin Coatings for Heavy Industry: Advanced Coatings for Pipes and Valves

La robinetterie et la tuyauterie industrielles sont des appareils sous pression qui permettent de reguler le flux de materiaux (liquides, gaz et boues) en controlant les sections de passages. L’optimisation des processus, la reduction des couts et les reglementations gouvernementales exigent des equipementiers de maintenir leurs produits a la fine pointe de la technologie. La robinetterie a ete developpee il y a plus de 3000 ans pour alimenter en eau les fermes et les villes en utilisant des alliages de bronze, qui fournissent a la fois une resistance a la corrosion et des performances tribologiques acceptables. Durant la revolution industrielle, ces antiques robinets ont evolue et des materiaux tribologiques plus modernes tels que les alliages Monel cuivre-nickel, Stellite cobalt-chrome, et le chromage dur applique par placage electrolytique ont ete developpes au debut du XXe siecle pour optimiser le comportement tribologique et maximiser la duree de vie en service de ces equipements. Depuis cette epoque, de nouveaux materiaux ont ete regulierement introduits pour etendre le champ d’application de la robinetterie tel que le fluoropolymere teflon, pour controler certains produits chimiques necessaire aux procedes petrochimiques, les superalliages a base nickel Hastelloy et Inconel pour les applications petrochimiques et les aciers riches en chrome F91 pour les centrales supercritiques. Plus recemment, l'industrie de la robinetterie a adopte l'utilisation des revetements appliques par projection thermique pour les applications les plus difficiles et continu d’investir massivement dans la recherche de revetements plus performants pour chaque application. Il est de plus en plus evident que la solution optimale aux problemes d'usure erosive, corrosive et par frottement rencontres dans la robinetterie reside dans la conception et la fabrication de revetements multicouches, nanostructures qui controlent a la fois la durete et l'elasticite, tout en assurant une bonne adherence. Les objectifs generaux de cette these sont donc de realiser, pour la tuyauterie et la robinetterie industrielles, l’etat de l’art des revetements protecteurs durs controles structurellement offrant des proprietes mecaniques, elasto-plastiques et thermiques sur mesure et de developper des solutions innovantes pour ameliorer la resistance au frottement, a l'erosion et a la corrosion et autres caracteristiques adaptees. ----------Abstract Pipes and valves are pressure vessels that regulate the flow of materials (liquids, gases, and slurries) by controlling the passageways. To optimize processes, reduce costs, and comply with government regulations, original equipment manufacturers (OEMs) must maintain their products in state-of-the-art condition. The first valves were invented over 3,000 years ago to supply water to farms and cities. They were made with bronze alloys, providing good corrosion resistance and acceptable tribological performance. The industrial revolution drove manufacturers to develop new and improved tribological materials. In the 20th century, innovative alloys such as Monel copper–nickel and Stellite cobalt-chrome as well as hard chrome plating were introduced to better control tribological properties and maximize in-service life. Since then, new materials have been regularly introduced to extend the range of applications for valves. For example, Teflon fluoropolymers are used in corrosive chemical and petrochemical processes, the nickel-based superalloys Hastelloy and Inconel for petrochemical applications, and creep-resistant chromium-rich F91 steel for supercritical power plants. Recently, the valve industry has embraced the use of hard thermal sprayed coatings for the most demanding applications, and is investing heavily in research to develop the most suitable coatings for specific uses. There is increasing evidence that the optimal solution to erosive, corrosive, and fretting wear problems lies in the design and manufacture of multi-layer, graded, and/or nanostructured coatings and coating systems that combine controlled hardness with high elastic modulus, high toughness, and good adhesion. The overall objectives of this thesis were 1) to report on advances in the development of structurally controlled hard protective coatings with tailored mechanical, elastoplastic, and thermal properties; and 2) to describe enhanced wear-, erosion-, and corrosion-resistance and other characteristics suitable for applications such as pipes and valves.