Tuning of cold spray parameters for controlling deposit porosity and thickness

Cold spray (CS) is a promising coating deposition process. In this technology, solid particles are accelerated reaching in flight velocities of 300-1200 m/s in a supersonic gas jet. When particles collide with the substrate, they deform and bond to the surface. Indeed, cold spray is a solid-state process that does not involve material melting. Therefore, the powder original properties are preserved and high-temperature oxidation is prevented. Nowadays, cold spray is spread in the industrial sector for various applications in the aerospace, automotive, defense, and nuclear sectors as repairing technique and for deposition of corrosion, oxidation, and wear protection coatings. In the present work, the creation of a material with mechanical properties as similar as possible to those of human bones and eligible for biomedical implants was investigated. For this goal low elastic modulus magnesium AZ31 alloy substrates were coated with pure titanium powder to protect the substrate from the corrosive action of human body fluids. The Impact Innovations cold spray system was used to realize the pure titanium coatings. Experimental tests were performed to determine a combination of process parameters resulting in low deposit porosity. During deposition, nitrogen was used as process gas at a temperature of 700 °C. Gas temperature was kept constant through all the experimental tests for system safety reasons. Instead, gas pressure and powder feed rate were varied controlling the coating porosity. Porosity volume fraction was estimated from images collected at the scanning electron microscope after polishing procedure. Then, the coating microhardness was also evaluated and tensile tests were conducted to asses the coating adhesion to the substrate. Furthermore, preliminary deposition testing revealed a waviness issue with the coating surface. Therefore, approaches for reducing the surface waviness were proposed and tested. A Matlab simulation code was also adopted to develop a spraying strategy that enhanced surface flatness. Besides, the simulation code reliability was also tested. To do that, coatings profiles were obtained both experimentally and numerically and then compared to each other.

Il cold spray (CS) è un promettente processo nel campo dei rivestimenti superficiali. In questa tecnologia le particelle vengono accelerate raggiungendo velocità di 300-1200 m/s in un getto di gas supersonico. Quando le particelle impattano con il substrato, esse si deformano legandosi alla superficie. Per questo, il cold spray è un processo che avviene allo stato solido e che non comporta la fusione del materiale. Pertanto, le proprietà originali della polvere sono conservate e l’ossidazione ad alta temperatura è prevenuta. Al giorno d’oggi, il cold spray è diffuso nei settori aerospaziale, automobilistico, della difesa e nucleare come tecnica di riparazione e per la deposizione di rivestimenti protettivi contro corrosione, ossidazione e usura. Nel presente lavoro, è stata studiata la realizzazione di un materiale con proprietà meccaniche il più simile possibili a quelle delle ossa umane e idoneo per applicazioni in ambito biomedicale. Per questo obiettivo, piastre in lega di magnesio AZ31 a basso modulo elastico sono state rivestite con polvere di titanio puro per proteggere i substrati dall’azione corrosiva dei liquidi corporei. Il sistema di spruzzatura a freddo Impact Innovations è stato utilizzato per realizzare i rivestimenti in titanio puro. Sono stati eseguiti test sperimentali per determinare una combinazione di parametri di processo con conseguente bassa porosità del deposito. Per la deposizione, l’azoto è stato usato come gas di processo a una temperatura di 700 °C. La temperatura del gas è stata mantenuta costante durante tutti i test sperimentali per ragioni di sicurezza del sistema. Invece, la pressione del gas e la portata massica della polvere sono state variate controllando la porosità del rivestimento. La frazione di volume delle porosità è stata stimata utilizzando immagini raccolte al microscopio elettronico a scansione (SEM) dopo l’avvenuta lucidatura dei provini. Successivamente, la microdurezza del rivestimento è stata valutata e sono state anche condotte prove di trazione per determinare l’adesione del rivestimento al substrato. Inoltre, i test preliminari di deposizione hanno rivelato un problema di ondulazione della superficie del rivestimento. Pertanto, sono stati proposti e testati approcci per ridurre tale ondulazione. Un codice di simulazione Matlab è stato anche adottato per sviluppare una strategia di deposizione che migliorasse la planarità della superficie. Inoltre, anche l’affidabilità del codice di simulazione è stata testata. Per fare ciò, i profili dei rivestimenti sono stati ottenuti sia sperimentalmente che tramite simulazioni e poi sono stati confrontati tra loro.