Surface layer of austenitic stainless steel formed by alloying with REE using high intense pulsed plasma beams (HIPPB)

The aim of this work was to investigate the changes of stainless steel surface properties (morphology, REE concentration, presence of identified phases) and functional properties (wear and high temperature oxidation resistance) after REE addition with remelting of the surface layer. Modification of the near surface layer of AISI 316L steel was based on the incorporation of rare earth elements (REE) using high intensity pulsed plasma beams (HIPPB) as DPE – Deposition by Pulsed Erosion. DPE is unique technique because melting and doping of the near surface layer occurs in a single step. Samples of AISI 316L steel were irradiated with short (μs scale), intense (energy density 3 J/cm2) pulses. The pulse energy density was sufficient to melt the near surface layer of steel. Heating and cooling processes were of non-equilibrium type. The plasma pulses contain both ions/atoms of (Ce + La) from electrodes material and the working gas – nitrogen. Scanning electron microscopy (SEM), energy dispersion spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction analysis were used for initial and modified surface characterization. The wear tests and high temperature oxidation processes were carried out. An improvement of tribological properties and increasing of high temperature oxidation resistance of modified surface layer was observed as compared with initial material.

---

Celem pracy było zbadanie zmian właściwości powierzchniowych (morfologia powierzchni, koncentracja REE, obecność zidentyfikowanych faz) i właściwości użytkowych (odporność na zużycie przez tarcie i wysokotemperaturowe utlenianie) po domieszkowaniu REE z jednoczesnym przetopieniem warstwy wierzchniej stali austenitycznej. Modyfikacja warstwy wierzchniej stali AISI 316L polegała na wprowadzeniu do jej warstwy powierzchniowej pierwiastków ziem rzadkich (REE) za pomocą intensywnych impulsów plazmowych (HIPPB) metodą DPE – Depozycja przez Impulsową Erozję (Deposition by Pulse Erosion). Metoda DPE jest unikatową techniką, ponieważ stopienie i domieszkowanie warstwy wierzchniej materiału przebiega jednocześnie. Próbki stali AISI 316L zostały naświetlone krótkimi (skala μs), intensywnymi (gęstość energii 3,0 J/cm2) impulsami. Gęstość energii pojedynczego impulsu była wystarczająca do stopienia warstwy wierzchniej stali. Procesy grzania i chłodzenia miały charakter nierównowagowy. Plasma zawierała jony/atomy pochodzące z materiału elektrod (Ce + La) i azotu jako użytego gazu roboczego. Materiały wyjściowy i modyfikowane scharakteryzowano za pomocą: skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), mikroanalizy rentgenowskiej (EDS) i dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego (XRD). Zostały przeprowadzone badania odporności na zużycie przez tarcie oraz odporności na wysokotemperaturowe utlenianie. Uzyskano poprawę właściwości tribologicznych oraz zwiększenie odporności na wysokotemperaturowe utlenianie warstw modyfikowanych w porównaniu z materiałem niemodyfikowanym.