Modelling and characterization of multi-material cold spray deposits with a special focus on porosity

In this thesis, different cold spray (CS) multi-material deposits were experimentally characterized and numerically modelled, especially in terms of deposit porosity. Bulk porosity in CS deposits can affect the performance of the deposit either in the form of coating or freestanding objects. Being able to assess and control the bulk porosity in these deposits can offer the possibility of tuning the performance of the CS deposits under different in-service conditions. For most structural applications, the porosity is undesired and the spray parameters are optimized in a way to eliminate the pores; on the other hand, there are specific applications where porosity is favourable to boost the functionality of the deposit; such applications include biomedical implants, coatings for promoting heat conductivity and mass transfer, or coatings for shock, electromagnetic and acoustic wave absorption. To the best of our knowledge, this is the first time a detailed numerical model is developed for simulating the deposition process for multi-material CS, considering the peculiarities and challenges. The model was validated through comparison with literature data deposited with the same material and CS parameters. The validated model was then used for simulation of three different sets of material combinations: i.e. Titanium-Silver, Titanium-Aluminium, and Titanium-Copper, each designed for a different application. For each sets of material pairs, the developed model was run with different powder volume fractions and, for each analysis, the particle size, particle initial location, temperature and velocity were varied. In order to make the simulations as realistically as possible, the particle size was determined based on the experimentally evaluated powder size distribution and the particle initial locations were randomized; the particles’ velocity and the temperature were evaluated according to the simulations performed by a commercially available software from kinetic-spray-solutions (KSS GmbH, Buchholz, Germany). In these simulations, the Johnson-Cook (J-C) plasticity material properties were used due to the high strain rate of the CS process. In the specific case of silver particles, J-C properties were not available in the literature. Therefore, the corresponding parameters were evaluated by fitting several stress-strain curves produced at different strain rates and temperatures. Custom-made Python codes were developed to post-process the deformation, stress, strain and temperature fields obtained for the models. In particular, dedicated codes were developed for the analysis of porosity and connectivity indexes. In chapter 1, the thesis starts providing a general overview on the CS deposition process and the particle bonding mechanism. The potentials and the limitations of a multi-material CS coating are explored. The porosity is defined, and the usual techniques employed for its control are described. Finally, the basic theory used for the evaluation of particle impact velocity and temperature is explained. Chapter 2 is about the description of the developed finite element model (FEM). It starts with an overview on the state of the art for general impact simulation and CS FEM modelling strategies. Details about the model development, its validation and convergency analyses are provided. Chapter 3 is about the deposition, experimental characterization and the numerical modelling of the first multi-material case study i.e. CS Ti-Ag samples; this combination of materials has a high potential to be used for implant application. Samples with different volume fractions of silver were deposited and analysed with scanning electron microscope (SEM), energy dispersive X-ray spectrometry (EDS), micro computed tomography (μCT) in particular in terms of porosity, pore shape and distribution. In this specific combination the porosity has a radius smaller than 35μm. Chapter 4 is about the deposition, characterization and numerical analysis of the second case study in terms of two sets of material combinations (Ti-Al and Ti-Cu) used to induce highly porous Ti deposits obtained after the removal of a sacrificial material (Al or Cu). Several interesting parameters were extracted from post processing the numerically modelled deposits such as the internal connectivity and the number of connected pores. The porosity in these series of samples has a spongy and highly connected texture that depends on the amount of the used sacrificial material. An index of the final coatings strength was obtained analysing the Ti particles equivalent plastic strain (PEEQ). The research performed in this thesis provides an efficient platform of validated numerical simulations and post-processing approaches to be used for analysis and estimation of (undesired) porosity as well as modulation of (desired) bulk porosity in CS deposits.

In questa tesi, diversi rivestimenti realizzati con tecnica cold spray (CS) multi-materiale sono stati caratterizzati e modellati numericamente, con un occhio di riguardo all’analisi della porosità. La porosità peggiora le prestazioni del deposito inteso sia come rivestimento che come corpo a sé stante. Poter generare e controllare la porosità in un deposito rende possibile la regolazione della sua risposta sotto diverse condizioni di carico. Per la maggior parte delle applicazioni, la porosità è indesiderata e i parametri sono regolati per ridurne la presenza; d’altro canto, ci sono specifiche applicazioni nelle quali la porosità è ricercata per migliorare le proprietà del deposito; ciò accade per protesi biomediche, nei rivestimenti adibiti allo scambio di calore e al trasferimento di materia, o per l’assorbimento di urti, onde acustiche ed elettromagnetiche. Per quanto è a nostra conoscenza, per la prima volta è stato sviluppato un dettagliato modello numerico per simulare una deposizione CS multi-materiale, tenendone in considerazione le peculiarità e difficoltà. Il modello è stato validato con dati presenti in letteratura utilizzando gli stessi materiali e parametri. Il modello validato è stato poi utilizzato per le simulazioni di tre diverse combinazioni di materiali: Titanio-Argento, Titanio-Alluminio e Titanio-Rame, ognuna delle quali è specifica per una diversa applicazione. Per ogni coppia di materiali, il modello sviluppato è stato fatto girare con diverse concentrazioni di polveri e, per ogni analisi, la dimensione delle particelle, la loro posizione, temperatura e velocità iniziale è stata variata. Per rendere le simulazioni più realistiche possibile, le dimensioni delle particelle sono state calcolate considerando la reale distribuzione statistica delle polveri e le loro posizioni iniziali sono state assegnate casualmente; la velocità e temperatura d’impatto delle particelle sono state valutate considerando i risultati di simulazioni effettuate con un software disponibile in commercio “kinetic-spray-solutions” (KSS GmbH, Buchholz, Germany). In queste simulazioni, le proprietà plastiche Johnson-Cook (J-C) dei materiali sono state utilizzate a causa dell’elevata deformazione indotta dal processo CS. Nello specifico caso dell’argento, le proprietà J-C non erano presenti in letteratura. I parametri sono stati quindi calcolati considerando diverse curve sforzo-deformazione a diverse temperature e velocità di deformazione. Sono stati sviluppati codici Python per una successiva elaborazione dei depositi per l’analisi della deformazione, sforzo e temperatura. In particolare, diversi codici sono stati scritti per esaminare e valutare la porosità e la connettività interna dei pori. Nel capitolo 1, la tesi comincia fornendo una visione generale del processo CS e del meccanismo di legame delle particelle; inoltre, sono stati descritti i limiti e le potenzialità dei rivestimenti multi-materiale. Successivamente, la porosità viene definita e le tecniche usate per il suo controllo sono descritte. Infine, viene spiegata la teoria solitamente utilizzata per la valutazione della velocità e della temperatura d’impatto delle particelle. Nel capitolo 2 è descritto il modello agli elementi finiti (FEM) realizzato. Inizialmente vengono presentate le principali tecniche e i principi delle simulazioni CS e, in generale, delle simulazioni di impatti e urti. Successivamente, vengono forniti dettagli sulla realizzazione del modello e, in seguito, è presentata l’analisi della convergenza delle dimensioni dell’elemento finito. Il capitolo 3 tratta la deposizione, la caratterizzazione sperimentale e la modellazione numerica del primo caso di studio di rivestimento multi-materiale, ossia dei provini CS Ti-Ag: questa coppia di materiali ha un alta applicabilità nel campo delle protesi mediche. Questi provini con diverse percentuali di argento sono stati analizzati al microscopio elettronico a scansione (SEM), alla spettroscopia (EDS), alla micro-tomografia computerizzata (μCT) focalizzandosi in particolar modo sull’analisi della porosità, della sua forma e della sua distribuzione. In questi provini la porosità ha un raggio inferiore ai 35μm. Nel capitolo 4 viene descritta la deposizione, la caratterizzazione e l’analisi numerica del secondo caso di studio utilizzando diverse combinazioni di materiali (Ti-Al e Ti-Cu) per produrre un deposito di Ti ad alta porosità ottenuto dopo la rimozione di un materiale a perdere (Al o Cu). Diversi parametri sono stati estrapolati tramite la post-elaborazione di modelli numerici del deposito, quali l’interconnessione interna e il numero di pori connessi tra loro. La porosità in queste serie di provini ha una struttura simil-spugnosa altamente interconnessa che dipende dalla quantità di materiale a perdere utilizzato. La deformazione plastica equivalente (PEEQ) delle particelle di titanio è stata utilizzata come un indicatore della resistenza del rivestimento. La ricerca svolta in questa tesi fornisce validi strumenti, quali simulazioni numeriche e tecniche di post-elaborazione, utili per l’analisi e la stima della porosità indesiderata, così come la modulazione della porosità desiderata.