Cold spray for maintenance and repair in aeronautics

The aeronautical industry is increasingly looking for reliable, safe, economic and environmentally friendly aircraft life-extension strategies, able to overcome the limitations of the existing repair techniques and to reduce wastes related to components disposal. Cold Spray is a relatively new technology that is being applied in this field. Its main feature is the solid state nature of particle deposition, which creates many advantages compared to other thermal spray techniques, mainly related to the avoidance of deleterious effects due to high temperatures. Currently, this technique is particularly suited to non-structural repair, but significant improvements are needed in order to be employed for structural components. The general purpose of this thesis is to investigate, improve and assess the capabilities of cold spray for maintenance and repair of Al-alloy aeronautical components. The thesis is divided in three parts. In the first part, the theme of maintenance, repair and overhaul (MRO) in the aeronautical industry is addressed, and Cold Spray technology is introduced. In the second part, the experimental work carried out on C355 Al-alloy cold sprayed deposits is described. The microstructure and mechanical properties of several coatings produced with different spray parameters have been characterised by means of optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDXS), wavelength dispersive X-ray spectroscopy via electron probe micro-analysis (EPMA-WDXS), X-ray diffraction (XRD), microhardness measurement, micro-flat tensile (MFT) test, and residual stress measurement. Based on these results, the optimal spray parameters have been chosen and reported here. Furthermore, heat treatment has been investigated as a potential means of improving the properties of the optimised samples. The final part of this thesis is a critical discussion of the results obtained from the experimental study, and aims to assess the performance of cold sprayed deposits in comparison to the minimum requirements set by the U.S. Department of Defence for aeronautical repair. In addition, a benefit cost analysis of some real cold spray repair applications is presented. Overall, this work is a contribution to the performance investigation and assessment of cold sprayed Al-alloy deposits for maintenance and repair in aeronautics.

Il settore aeronautico sta continuamente cercando nuove strategie di estensione della vita degli aeromobili che siano affidabili, sicure, economiche ed eco-sostenibili, oltre che in grado di superare i limiti delle tecniche di riparazioni attualmente utilizzate e di ridurre gli sprechi dovuti alla dismissione dei componenti. Una tecnologia relativamente nuova che è in fase di studio in questo settore è la tecnica Cold Spray. La sua caratteristica principale è la natura solida della deposizione di particelle, la quale comporta vantaggi significativi rispetto ad altre tecniche di spruzzatura termica, principalmente legati all’assenza degli effetti deleteri causati dall’impiego di alte temperature. Al momento questa tecnica può essere utilizzata per riparazione non strutturale, ma ulteriori miglioramenti sono necessari prima che questa possa essere impiegata anche per la riparazione di componenti strutturali. L’obiettivo generale di questa tesi è di investigare, migliorare e valutare le capacità della tecnica Cold Spray per la manutenzione e riparazione di componenti aeronautici in lega di alluminio. La tesi si divide in tre parti. Nella prima parte vengono trattati i temi della manutenzione, riparazione, e revisione (MRO) nell’industria aeronautica, e viene presentata la tecnologia Cold Spray. Nella seconda parte viene descritto il lavoro sperimentale svolto su depositi in lega di alluminio C355. La microstruttura e le proprietà meccaniche di diversi rivestimenti, depositati con vari parametri di processo, sono state caratterizzate utilizzando la microscopia ottica (OM), la microscopia a scansione elettronica (SEM), la spettrometria a raggi X per dispersione di energia (SEM-EDXS), la micro-analisi a sonda elettronica (EPMA-WDXS), la diffrazione a raggi X (XRD), la misurazione della microdurezza, il micro-test a trazione (MFT) e la misurazione degli sforzi residui. Sulla base dei risultati ottenuti, è stato possibile selezionare i parametri di produzione ottimali. Inoltre, diversi trattamenti termici sono stati investigati come potenziale soluzione per migliorare le proprietà dei depositi ottenuti con i parametri ottimali. La parte conclusiva della tesi è una discussione critica dei risultati ottenuti dal lavoro sperimentale, e ha come obiettivo quello di valutare le performance dei depositi prodotti tramite Cold Spray rispetto ai requisiti minimi per la riparazione in campo aeronautico stabiliti dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. Infine, viene presentata un’analisi economica riguardante alcune applicazioni reali di questa tecnica. In conclusione, questo progetto vuole essere un contributo al processo di investigazione e validazione di depositi in lega di alluminio C355 prodotti tramite la tecnica Cold Spray per la riparazione e manutenzione in campo aeronautico.