Numerical analysis of cold spray deposition for medium-entropy alloys

Cold spray is the process of solid-state deposition of particles in micro-meter range at high velocities without changing their metallurgical phase and microstructure. Although, the cold spray process is considered as a member of thermal spray family, it exhibits better performance in maintaining the intrinsic characteristics of the feedstock powder due to its low working temperature. Thus, cold spray provides a unique opportunity for depositing high-entropy alloys (HEAs) and medium-entropy alloys (MEAs). However, the choice of process parameters for cold spray plays an important role in having a successful deposition, especially in the case of HEAs and MEAs that are characterized with high hardness, which makes the deposition process further challenging. These alloys exhibit desired attributes essential for demanding engineering and industrial applications such as high strength and toughness, thermal phase stability, wear resistance, and damage tolerance. Furthermore, MEAs preparation requires a tedious process, which makes the experimental trials much more costly. Numerical method is an efficient tool to evaluate the process parameters before considering the time-consuming and costly experiments. In this study, a detailed review on the state of the art on numerical simulation of cold spray process was performed. Then the most adapt strategy was selected. Here, to the best of our knowledge, for the first time the deposition of the CrFeNi MEA using cold spray technology was simulated in the commercial finite element software ABAQUS. Although, the data required for the simulation of the MEA regarding elasto-plastic material model with strain rate sensitivity has not been reported in the literature, the mechanical and chemical similarity of CrFeNi to the alloys with the same major constituent elements helped with the selection of the essential parameters. A detailed approach was implemented to model the bonding of the particle and the substrate with the detection of the deposition velocity window, as the criteria set for adhesion. The results were compared with the experimental data available in the literature for similar cases. The validation of the numerical method can pave the way for a successful experimental result in case of costly powders like HEAs and MEAs.

Il cold spray è un processo di deposizione allo stato solido di particelle di dimensioni micrometriche, lanciate ad una velocità tale da causare la loro adesione alla superficie di impatto senza modificare la loro caratteristiche metallurgiche. Sebbene il processo di cold spray sia considerato un processo “thermal spray”, mostra caratteristiche differenti in quanto permette il mantenimento delle fasi, a causa della bassa temperatura di processo. Ciò fornisce un'opportunità unica per depositare leghe ad alta entropia (HEA) e leghe a media entropia (MEA). Tuttavia, la scelta dei parametri di processo per cold spray gioca un ruolo importante per avere una deposizione efficace, specialmente nel caso di HEA e MEA che sono caratterizzati da una durezza molto alta, il che rende il processo di deposizione allo stato solido ulteriormente impegnativo. Queste leghe mostrano le caratteristiche desiderate per molteplici applicazioni ingegneristiche e industriali ad elevato contenuto tecnologico, come elevata resistenza e tenacità, stabilità termica, resistenza all'usura e un comportamento damage-tolerant. Inoltre, la preparazione delle MEA richiede un processo elaborato, che rende le prove sperimentali molto costose. Le simulazioni numeriche, quindi possono essere uno strumento di grande aiuto per valutare il processo senza ricorrere a esperimenti costosi e dispendiosi in termini di tempo. In questa tesi è stata eseguita una revisione dettagliata e critica dello stato dell'arte sulla simulazione numerica del processo di cold spray, in base alla quale è stata selezionata la strategia più adatta per la simulazione. Nella tesi, per la prima volta (almeno considerando ciò che si è trovato in letteratura) è simulata la deposizione di MEA con il processo di cold spray, utilizzando un modello costitutivo del materiale che considera le caratteristiche elasto-plastiche e la sensibilità alla velocità di deformazione. In base a queste simulazioni sono stati determinati i parametri ottimali di processo. Si è sviluppato e implementato un apporccio originale per modellare la adesione della particella al substrato, considerando la cosidetta “finestra di deposizione”. I risultati sono stati confrontati con i dati sperimentali disponibili in letteratura. La convalida del metodo numerico può aprire la strada ai prosperosi risultati sperimentali nel caso delle polveri costose come HEA e MEA.