Thesis (Ph.D)-Cairo Univsersity,2022.

Bibliography: p. 220-236.

Titanium alloys are widely used in aerospace, marine and chemical industries
owing to their intrinsic properties such as high specific strength, excellent corrosion
and oxidation resistance. However, because of their low hardness and poor tribological
properties, the application of titanium alloys is severely constrained under severe wear
and friction conditions. Laser deposition is a promising technique that is widely used to
enhance the surface properties of many kinds of metals.
The TC21 alloy (Ti-6Al-3Mo-1.9Nb-2.2Sn-2.2Zr-1.5Cr) is considered a new (α/β) titanium
alloy that replaced the commercial Ti-6Al-4V alloy in aerospace applications due to its higher
operating temperatures. Recently, direct energy deposition was usually applied to enhance the
hardness, tribological properties, and corrosion resistance for many alloys. Consequently, this
study was performed by utilizing direct energy deposition (DED) on TC21 (α/β) titanium alloy to
improve their tribological properties by depositing a mixture powder of stellite-6 (Co-based
alloy) and tungsten carbides particles (WC). Different WC percentages were applied to the
surfaces of TC21 using a 4 kW continuous-wave fiber-coupled diode laser at a constant powder
feeding rate. This study aimed to obtain a uniform distribution of hard surfaces containing
undissolved WC particles that were dispersed in a Co-based alloy matrix to enhance the wear
resistance of such alloys. Scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray analysis
(EDAX), and X-ray diffractometry (XRD) were used to characterize the deposited layers. New
constituents and intermetallic compounds were found in the deposited layers. The microhardness
was measured for all deposited layers and wear resistance was evaluated at room temperature
using a dry sliding ball during a ring abrasion test. The results showed that the microstructure of
the deposited layer consisted of a hypereutectic structure and undissolved tungsten carbide
dispersed in the matrix of the Co-based alloy that depended on the WC weight fraction. The
microhardness values increased with increasing WC weight fraction in the deposited powder by
more than threefold as compared with the as-cast samples. A notable enhancement of wear
resistance of the deposited layers was thus achieved by values reaching 116 times.
After reaching the optimum powder composition (40% stellite-6 and 60% WC) in the first
iii
section, various powder feeding rates (40, 60, 80, and 100 g/min) were applied in order to obtain
higher deposited layer thickness with lower dilution rate from the substrate. The results showed a
heterogeneous distribution of WC particle in the deposited layers during the DED, especially at
40, 60 and 80 g/min. The dilution ratio decreased from 23% to 5.3% with the substrate.
Microcracks appeared around the fusion line due to generated residual thermal stresses caused by
the difference in the coefficient of the thermal expansion between WC particles and Stellite-6
MMC. Finally at the highest powder feeding rate of 100 g/min, insufficient metallurgical
bonding was obtained due to the low laser energy delivered to the substrate to melt it

تستخدم سبائك التيتانيوم على نطاق واسع في الصناعات الفضائية والبحرية والكيميائية بسبب خصائصها الجوهرية مثل القوة والمتانة العالية ومقاومة الأكسدة الجيدة والمقاومة للتآكل. ومع ذلك ، فإن تطبيقات سبائك التيتانيوم تحت ظروف البري الشديدة مقيدة للغاية بسبب صلادتها المنخفضة وخصائصها القبلية الضعيفة. ان الكسورة الليزرية هى تقنية واسعة الاستخدام لتحسين الخصائص السطحية لانواع كثيرة من المعادن . إن سبيكة ( wt٪ TC21 (Ti-6Al-3Mo-1.9Nb-2.2Sn-2.2Zr-1.5Cr) هي فئة جديدة من سبائك(β/α) التيتانيوم والتى تحل محل السبيكة التجارية Ti-6Al-4V والتى تستخدم فى التطبيقات الجوية لانها تعمل فى ظروف درجات الحرارة العالية. وحديثا يطبق الترسيب المباشر باليلزر لتحسين الصلادة والخصائص القبلية الضعيفة ومقاومة التاكل لكثير من السبائك . وبالتالى فى هذه الدراسة تم استخدام التكسية المباشرة بالليزر على سبيكة التيتانيوم TC21 (α/β) وذلك لتحسين الخواص الميكانيكة وذلك عن طريق اضافة مخلوط من مسحوق سبيكة الكوبلت( سيتليت 6 ) مع جسيمات كربيدات التنجستين . وبتطبيق نسب مختلفة من جسيمات كربيدات التنجستين على سطح سبيكة التينانيوم TC21 وذلك باستخدام جهاز ليزر( فيبر مع دايود ليزر ) ذو الاشعاع المستمر والذى يعطى طاقة 4 كيلو وات . وتهدف هذه الدراسة الى الحصول على توزيع منتطم للجسيمات الصلبة كربيدات التنجستين الغير ذائبة المغموسة فى سبيكة الكوبلت بهدف تحسين مقاومة البرى لهذا النوع من السبائك . وانه تم استخدام مقياس الانكسار بالأشعة السينية ، مطيافية تشتت الطاقة (EDAX) و المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ، فى تحليل الطبقات المترسبة وقد اظهرت النتائج انه تم تكوين مركبات معدنية جديدة فى الطبقات المترسبة في حين انه قد تم قياس صلادة فيكرز باستخدام اختبار الصلادة الدقيقة لكل الطبقات المترسبة وتم تقييم مقاومة البرى فى درجات حرارة الغرفة عن طريق اختبار التزحلق على حلقة البرى الجاف . وقد اوضحت النتائج ان البنية المجهرية للطبقة المترسبة مكونة من بناء الهايبر ايوتكتيك مع كربيدات التنجستين الغير مذابة المنغمسة فى مصفوفة سبيكة الكوبلت والتى تعتمد على النسبة الوزنية لكربيدات التنجستين فى المسحوق . ووجد ان قيمة الصلادة للسبيكة بتزيد بزيادة نسبة كربيدات التنجستين فى مسحوق الترسيب ووصلت الى 3 اضعاف مقارنة بقيمتها قبل التكسية بالليزر . وتم تحسين مقاومة البرى للطبقات المترسبة بقيمة تصل ال 116 مرة. وبعد الوصول فى الجزء الاول الى التركيب المثالى الى مخلوط الترسيب والذى يتكون من ( 40% من مسحوق سبيكة الكوبلت سيتليت 6 + 60% من مسحوق كربيدات التنجستين ) فانه تم تطبيقه بقيم محتلفة فى معدل تغذية مسحوق الترسيب ب ( 40 و60 و80 و100 جرام / الدقيقة ) وذلك للحصول على اعلى سمك للطبقة المترسبة مع اقل معدل للتشوه فى سبيكة .TC21وقد اوضحت النتائج التوزيع الغير متجانس لجسيمات كربيدات التنجستين فى الطبقة المترسبة خلال عملية الترسيب المباشر بالليزر وخصوصا فى قيم معدل التغذية ( 40و60و80 جرام / دقيقة ), بينما قلت قيمة نسبة التشوه فى TC21 من 23% الى 5.3 % . ظهور شروخ دقيقة حول خط الانصهار نيجة الاجهادات الحرارية المتبقية والتى تسببت نتيجة الفارق فى معدل التمدد الحرارى بين مصفوفة المركب المعدنية لسبيكة الكوبلت سيتليت 6 وجسيمات كربيدات التنجستين . وفى النهاية فان اعلى معدل تغذية 100 جرام /دقيقة وجد عدم وجود تماسك كافى بين الطبقة المترسبة وسبيكة TC21 وذلك نتيجة ان الطاقة الناتجة من الليزر غير كافية للانصهار TC21 وتماسكها مع الطبقة المترسبة.

Issues also as CD.

Text in English and abstract in Arabic & English.