Cold spray. From coatings to additive manufacturing

This M.Sc. Thesis is intended to provide an insight of Cold Gas-Dynamic Spray technology, focusing on its possible application in additive manufacturing. The basic principles of Cold Spray are very straightforward. The process consists in the acceleration of powders by means of the injection into a nozzle where a pressurised preheated gas is expanding and reaching supersonic velocity. The high kinetic energy acquired by the powders enables their deposition onto a substrate through a solid state process, i.e. keeping the temperature well below the melting one. Although hard materials can be deposited inside a matrix, thus forming a composite, the powders must have enough ductility at low temperatures in order to deform upon impact and allow deposition. In ‘Part I’, the reasoning of the present Thesis goes through the theory that lies behind the process, in order to define its pros and cons. The advantages that cold spray provides with respect to the other thermal spray technologies (most of all high deposition rate and efficiency, compressive residual stresses, and no theoretical limit to the thickness of the coating) are necessary to support the main argumentation of the Thesis: the application of cold spray in additive manufacturing, that is the subject of the following parts of the thesis. ‘Part II’ describes the passage from coatings to additive manufacturing, first giving brief descriptions of current coating applications, and then dealing with the modifications needed for the implementation of cold spray in additive manufacturing. Moreover, a description of the most used 3D printing technology, selective laser melting, is provided in order to introduce the experimental sections of the Thesis: ‘Part III’ and ‘Part IV’. The first one concerns the comparison between cold spray and selective laser melting in the realization of tensile specimens made of the nickel-based alloy ‘Inconel 718’. The mechanical characterization of the samples allowed to assess which one between the two is the best technology. ‘Part IV’, instead, focuses on the production of amorphous metallic glass coatings by means of cold spray. Indeed, thanks to the low temperatures involved, cold spray is a suitable method for the realisation of Bulk Metallic Glasses. Therefore, as proper pursuance of ‘Part III’, cold spray was used to produce a prototype: a high frequency transformer. The thick coating was deposited in Barcelona at the Centre de Projecció Térmica, while its separation from the substrate and the mechanical, chemical and magnetic characterizations were performed in Politecnico di Milano. In 'Part IV', after the description of transformer’s operating principles and of what metallic glasses are, a thorough report of the sequence of realization and of the tests performed is provided, concluding with suggestions in order to increase transformer’s performances and future perspectives for cold spray in depositing Bulk Metallic Glasses. Finally, ‘Part V’ describes the path of this thesis, with its wonderful experiences and all the problems faced during the Alta Scuola Politecnica project ‘ECOFRONT’ in which this Thesis was framed.

La presente tesi magistrale ha lo scopo di fornire un'approfondimento sul Cold Spray, una tecnologia di rivestimento a freddo, con particolare interesse sulla sua possibile applicazione nella produzione additiva (Additive Manufacturing). I principi base di questa tecnologia sono molto semplici. Il processo consiste nell'accelerazione di polveri mediante la loro iniezione all'interno di un ugello dove un gas, compresso e preriscaldato, sta espandendo per raggiungere velocità supersoniche. L'elevata energia cinetica acquisita dalle particelle ne permette la deposizione su di un substrato attraverso un processo allo stato solido, ovvero mantenendo la loro temperatura ben al di sotto di quella di fusione. Sebbene materiali duri possano essere depositati in mezzo ad una matrice più morbida, formando così un composito, al fine di ottenerne la deposizione durante l'impatto le polveri devono risultare duttili a basse temperature. In 'Part I', la seguente tesi si prefigge l'obbiettivo di affrontare e spiegare la teoria che giace dietro il processo di deposizione, in modo da poterne così definire pro e contro. I vantaggi che il Cold Spray è in grado di fornire (fra cui, soprattutto, l'elevata velocità di deposizione e l'elevata efficienza, sforzi residui di compressione, e nessun limite teorico allo spessore massimo raggiungibile) rispetto alle tecnologie di deposizione a caldo usate per la realizzazione di rivestimenti, sono i punti fondamentali su cui si basa l'argomentazione della tesi: l'uso della tecnologia come tecnica di produzione additiva. Questo è anche l'oggetto trattato nelle sezioni rimanenti della tesi. 'Part II' descrive il passaggio dalla realizzazione di rivestimenti alla produzione additiva, fornendo dapprima brevi descrizioni di rivestimenti attualmente realizzabili, e trattando poi le modifiche necessarie per adattare il macchinario ad una produzione più massiva. Inoltre, la tecnologia oggigiorno più utilizzata nella produzione additiva, ovvero la fusione laser selettiva (Selective Laser Melting), viene descritta in modo da introdurre le parti sperimentali trattate nelle sezioni 'Part III' e 'Part IV'. 'Part III' si rivolge al confronto fra le due tecnologie (Cold Spray e Selective Laser Melting) durante la realizzazione di provini di trazione di una lega a base nichel: Inconel 718. La caratterizzazione meccanica dei campioni ha permesso la determinazione di quale fra le due fosse la tecnologia migliore. 'Part IV', invece, si focalizza sulla realizzazione e produzione di vetri metallici massivi utilizzando la tecnica di rivestimento a freddo. Infatti, grazie alle basse temperature coinvolte nel processo, il Cold Spray risulta essere un metodo efficace per la realizzazione di Bulk Metallic Glasses. Per queste ragioni, come passo successivo a 'Part III', la tecnologia è stata impiegata per realizzare un prototipo attraverso la produzione additiva: il nucleo di un trasformatore ad alta frequenza. Il rivestimento, con uno spessore minimo non indifferente, è stato realizzato a Barcellona, presso il Centre de Projecció Térmica, mentre la sua separazione dal substrato e la caratterizzazione meccanica, chimica e magnetica sono avvenute presso il Politecnico di Milano. In 'Part IV', dunque, dopo la descrizione di come funziona un trasformatore e di che cosa è un vetro metallico, viene fornita una spiegazione approfondita della sequenza usata per la realizzazione ed i test eseguiti sul prototipo. Infine, per concludere, vengono proposti dei suggerimenti per migliorare le caratteristiche del trasformatore e vengono illustrate le prospettive future nella deposizione di vetri metallici. L'ultima parte, 'Part V', descrive il percorso seguito durante la tesi, con i suoi alti e bassi, e le meraviglie ed i mille problemi affrontati durante il progetto dell'Alta Scuola Politecnica 'ECOFRONT' che fa da cornice a questa fantastica tesi.