Evaluating the potential of cold spray deposition for additive manufacturing of load bearing 316L parts

New fields of application are coming along at an outstanding pace for cold spray deposition. Cold spray, in contrast with conventional thermal spray technologies, exploits kinetic energy to achieve particles bonding, thus avoiding melting, undesired oxidation, unwanted phases and thermally induced residual stresses. Typical applications of cold spray are coatings deposition and dimensional restoration, exhibiting excellent mechanical, electrical and thermal properties. However, extensive plastic deformation during deposition introduces strong work hardening effect, so heat treatment is often required to improve deposition properties. In this study, cold spray is used as an emergent additive manufacturing technology, to supersonically accelerate microparticles and induce bonding via severe plastic deformation. Performing tensile, conductivity and porosity tests allowed to determine the optimal spray parameters to obtain deposition of dense 316 deposits with high mechanical strength. Various post-heat treatment techniques have been considered to promote interparticle bonding and enhance the mechanical performance of the deposited material. Deposition properties have been evaluated by micrographic analysis and XRD analysis. The structural strength of the freestanding samples has been evaluated under quasi-static and cyclic loading. The results indicate significant potential of cold spray technology to be used for deposition of freeform structural components with a mechanical strength that is comparable to the bulk material fabricated using traditional techniques.

Nell’ultimo decennio i campi di applicazione per il cold spray sono aumentati vertiginosamente. Il cold spray sfrutta l’energia cinetica per ottenere l’adesione fra le particelle iniettate nel getto di gas anziché quella termica come avviene per le tradizionali tecnologie di thermal spray, evitando quindi la fusione delle particelle, formazione di ossidi, cambiamenti di fase e sforzi residui indotti termicamente. Le tipiche applicazioni del cold spray sono la creazione di rivestimenti e ripristino dimensionale, ottenendo eccellenti proprietà meccaniche, elettriche e termiche. A causa dell’introduzione di effetti di incrudimento durante il processo di deposizione, un trattamento termico è spesso necessario per migliorare le proprietà del rivestimento. in questo studio, il cold spray è usato come un’innovativa tecnica di produzione additiva per accelerare microparticelle a velocità supersoniche e ottenere l’adesione tramite severa deformazione plastica. Prove di trazione, misure di porosità e conduttività sono state condotte al fine di ottenere i parametri di processi ottimi che permettessero di depositare uno spesso strato di acciaio austenitico 316L denso e con buone proprietà meccaniche. Diversi trattamenti termici sono stati considerati e confrontati per promuovere l’adesione fra le particelle e migliorare le prestazioni meccaniche del deposito. Le proprietà del deposito sono state valutate attraverso l’analisi micrografica e l’analisi diffrattometrica, mentre le prestazioni strutturali del deposito separato dal substrato sono state misurate con prove di carico quasi statico e ciclico. I risultati suggeriscono un potenziale notevole della tecnologia di cold spray per la produzione di componenti strutturali a sé stanti che presentano prestazioni meccaniche comparabili con quelle del materiale originale lavorato con le tecnologie tradizionali.