Cold spray for railway axles protection with focus on a numerical model to predict the coating composition

Cold spray (CS) is a coating deposition method developed in the mid-1980s and with significantly expanding applications. Solid particles are accelerated in a supersonic gas jet up to velocities in the order of 300-1200 m/s. Upon impact on the substrate, particles undergo plastic deformation and adhere to the surface. Differently from the other thermal spray technologies, CS is a solid-state process that does not involve material melting. Therefore, the original properties of the feedstock are retained, high-temperature oxidation is prevented, and high-quality coatings are generated. After 40 years of evolution, CS accounts for numerous successful applications for corrosion, oxidation, and wear protection; in the aerospace, automotive, defense, and nuclear industries. In the present work, the feasibility of applying CS technology in the rolling stock sector for railway axles coating is investigated. After a review of the state of the art in techniques and devices for axles protection, CS is considered a promising candidate. Considering the existent literature on a broad range of sprayed materials, zinc-aluminum composites are identified as the most promising coating materials thanks to their cathodic protection and long-lasting properties. Then, the optimal process configuration and parameters are identified together with an estimation of the economics of the process. With the aim of estimating the real composition of the sprayed coating in the case of the multi-component zinc-aluminum mixtures, the state of the art in predictive models is analyzed. The current models are lacking features to account for the real deformation of the particles upon impact and to estimate the coating composition along its entire thickness. Hence, a novel deposition efficiency predictive model (NDEP) is developed employing an iterative probabilistic approach and finite element simulations to consider the real deformation of the particles during deposition. The NDEP model is then tested in the case of zinc-aluminum mixtures showing promising results. The model offers the possibility of predicting the coating characteristics in the case of multi-material deposits reducing the experimental effort and the related costs. The CS deposition of zinc-aluminum mixtures is experimentally tested on specimens obtained from real axles sections revealing satisfactory results in terms of coating thickness, porosity, microstructure, microhardness and adhesion. Hence, the CS technology and in particular zinc-aluminum composite present notable potential for future applications in the rolling stock sector.

Il cold spray (CS) è un processo di rivestimento sviluppato a metà degli anni ’80, avente attualmente un numero significativo ed in rapida crescita di applicazioni industriali. Nel processo di CS le particelle allo stato solido vengono accelerate tramite la loro immissione in un flusso di gas supersonico, fino a velocità nell’ordine dei 300-1200 m/s. In seguito all’impatto con il substrato le particelle sono soggette a deformazione plastica aderendo alla superficie. A differenza degli altri processi tecnologici di spruzzatura termica, il CS avviene interamente allo stato solido evitando la fusione del materiale di rivestimento, mantenendo quindi inalterate le proprietà del materiale e prevenendo l’ossidazione dovuta alle alte temperature proprie dei tradizionali processi termici. Dopo oltre quarant’anni di evoluzione il processo di CS conta attualmente numerose applicazioni per la protezione da corrosione, ossidazione e usura in diversi settori come ad esempio l’industria aerospaziale, automobilistica, militare e nucleare. Nel corso della presente tesi viene analizzata la possibilità di impiegare il CS in ambito ferroviario per il rivestimento di assili. A seguito dello svolgimento di una ricerca sullo stato dell’arte riguardo a tecniche e sistemi attualmente utilizzati per proteggere gli assili, il CS emerge come il candidato ideale per questa applicazione. Considerando la letteratura esistente in termini di materiali depositati con successo tramite CS risulta che i rivestimenti compositi di zinco-alluminio sono tra i più promettenti per la protezione da corrosione, in quanto offrono eccellente durata nel tempo e ottime proprietà di protezione catodica. Basandosi sulla letteratura scientifica, viene quindi individuato un intervallo di parametri di processo ottimali ed elaborata una stima dei costi correlati all’applicazione in ambito ferroviario. Al fine di identificare un metodo per la stima della reale composizione del rivestimento oggetto del presente studio, viene svolta un’analisi sullo stato dell’arte riguardo ai modelli numerici per la predizione dell’efficienza di deposizione del CS. Ne consegue che i modelli attualmente impiegati non considerano la reale deformazione delle particelle depositate tramite CS, a seguito dell’impatto con il substrato, ed inoltre forniscono soltanto una stima parziale della composizione del rivestimento nella sola corrispondenza delle regioni più esterne. Di conseguenza nella presente tesi viene sviluppato un nuovo modello per la stima dell’efficienza di deposizione (Novel Deposition Efficiency Predictive model - NDEP) utilizzando un approccio iterativo e probabilistico ed impiegando simulazioni agli elementi finiti per la stima della reale deformazione delle particelle successivamente all’impatto con il substrato. Il modello NDEP è quindi testato nel caso di miscele di zinco-alluminio, dimostrando risultati promettenti, evidenziando la possibilità di predire la composizione del rivestimento depositato nel caso di materiali compositi e riducendo quindi la quantità di attività sperimentali necessarie ed i relativi costi associati. Il processo di deposizione tramite CS di miscele di zinco-alluminio è quindi testato su un substrato ottenuto da sezioni di un assile ferroviario, riportando risultati soddisfacenti in termini di spessore del rivestimento, porosità, microstruttura, micro-durezza e adesione. La tecnologia CS ed in particolare i materiali compositi zinco-alluminio dimostrano un buon potenziale per future applicazioni nel settore ferroviario.