Cold sprayed additive manufactured bimodal CuCrZr : an experimental and numerical analysis

Cold spray is an emergent technology for depositing thick coatings. More recently its potential to be used as an additive manufacturing technique has been recognized and is still subject of study. This coating deposition method basically lays on the acceleration of solid powders by means of a carrying gas, featuring high kinetic energy, so that the powders plastically deform upon impact at the target surface. The particles adhere on the coated substrate in a solid state, allowing to avoid all the undesirable thermal effects coming from melting and evaporation. Powders can have different natures. Literature highlights that, in polycrystalline materials, a reduction of grain sizes results in a substantial increase in strength and hardness of materials. Consequently, mixing micro-grains (MG) with the nanograins (NG) microstructure material becomes an effective technique for controlling mechanical performance. The resulting lattice takes the name of “bimodal material”. The objective of this thesis work is to investigate freestanding CuCrZr samples with varying mechanical properties through controlling their structural volume fraction and grain distribution. The fabricated samples have been experimentally characterized regarding their microstructure, microhardness, residual stresses, porosity, tensile strength and fractographical features. The experimental campaign has provided the results to define and validate a numerical model that forecasts the stress-strain curve for the considered bimodal material, featuring a given volume fraction.

La spruzzatura a freddo (cold spray) è una tecnologia emergente per il deposito di rivestimenti spessi. Recentemente è stato riconosciuto il suo potenziale di utilizzo come tecnica di produzione additiva ed è ancora oggetto di studio. Questo metodo di deposizione si basa essenzialmente sull’accelerazione di polveri solide trasportate da un gas, caratterizzato da un’elevata energia cinetica, in modo tale che le polveri si deformino plasticamente all'impatto con la superficie di destinazione. Le particelle aderiscono al substrato allo stato solido, consentendo di evitare tutti gli effetti termici indesiderati derivanti dalla fusione e dall'evaporazione. Le polveri possono avere diversa natura. La letteratura evidenzia come, nei materiali policristallini, una riduzione delle dimensioni dei grani si converta in un sostanziale aumento della resistenza e della durezza dei materiali stessi. Per tale ragione, l’inserimento di micro-grani (MG) all’interno di una microstruttura costituita da nano-grani (NG) diventa una tecnica efficace per il controllo delle prestazioni meccaniche. Il reticolo risultante prende il nome di "materiale bimodale". L'obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di analizzare campioni “freestanding” di CuCrZr con proprietà meccaniche variabili attraverso il controllo della loro frazione volumetrica e della distribuzione dei grani. I campioni fabbricati sono stati caratterizzati sperimentalmente per quanto riguarda la loro microstruttura, microdurezza, sforzi residui, porosità, resistenza alla trazione e proprietà frattografiche. La campagna sperimentale ha fornito i risultati necessari alla definizione ed alla validazione di un modello numerico in grado di prevedere la curva sforzo-deformazione del materiale bimodale considerato, una volta nota la frazione volumetrica.