Numerical evaluation of thermo-mechanical residual stress induced during cold spray additive manufacturing

This Master of Science thesis is intended to provide an insight on the trend of the induced residual stress during layer deposition with the help of cold gas dynamic spraying technology. The cold gas dynamic spraying (CGDS) process is referred as cold spray. In this process, particles with specific temperature and initial velocity higher than critical velocity are propelled towards the substrate by a carrier gas. Particles by acquiring high kinetic energies while keeping temperatures much below their melting temperatures impact the substrate. The subsequent deformation of the particles will be followed by bonding to the substrate. Due to insignificant heating of impacting particles, avoidance from some disadvantages is possible, however, the presence of residual stress due to the nature of the referred technology is inevitable. As the purpose of this work as prediction of the induced residual stress during cold spraying process, a model based on previous numerical models for prediction of stress during high velocity impact techniques was developed with significant modifications. Initially an explicit axisymmetric displacement-thermal analysis of single particle impact has been modeled. The extracted stress profiles in radial and axial directions from the axis of the model, through the application of axial pressures in the top partitioned segment of the substrate, and predefined initial radial stresses in the top sectioned segment of substrate and added layer is induced using an iterative corrective approach. By acquisition of loads responsible for induction of the read stress from single particle impact analysis, and repetitively applying the loads, peening stress during the cold spray additive manufacturing is obtained. Thermal stress distribution due quenching and post cooling is obtained by an uncoupled thermal- mechanical analysis. Initially the temporal thermal field with the presence of convection and radiation, and conduction through the added layer sand substrate is obtained. Then the obtained thermal temporal field is used in an implicit model to obtain the residual stress due quenching and post cooling. Stress measurement techniques can measure in plane stress, and the model has proved to be effective in the radial trend acquisition. As a matter of fact, the modeling process with the previous well regarded papers’ process parameters, concluded in close and complaint results. The experimental part consists of deposition of grade 316 stainless steel on substrate made of grade 316 stainless steel: 1st test, with deposition of 1 layer, 2nd test with deposition of 2 layer with bidirectional scanning strategy, the 3rd test, with deposition of 2 layers with cross-hatching scanning strategy, 4th test, with deposition of 10 layers with cross-hatching scanning strategy, and 5th test with deposition of 10 layers with bidirectional scanning strategy. The deposition has been carried out at the university of Politecnico di Milano with Impact Innovations spray systems 5/8, and head guidance by KUKA KR 16 3 robot. Residual stress measurements were performed using AST X-Stress 3000 portable X-ray diffractometer. In depth measurements were performed via layer-by-layer electropolishing to avoid introducing residual tensions in the surface of the samples. The stress relaxation effect due to layer removal after electropolishing is corrected based on Moore Evan’s Theory The previously mentioned FE modeling technique is used to acquire the thermal and peening stresses based on the experimental parameters and good compliance of the stress trend to the measured results is witnessed.

La presente tesi magistrale si propone di fornire una panoramica dell'andamento dello stress residuo indotto durante la deposizione degli strati con l'ausilio della tecnologia di cold spray. In questo processo, le particelle con una temperatura specifica e una velocità iniziale superiore alla velocità critica vengono spinte verso il substrato. Le particelle acquisendo elevate energie cinetiche mantenendo le temperature sotto delle loro temperature di fusione hanno un impatto sul substrato. La successiva deformazione delle particelle sarà seguita dall'adesione al supporto. A causa del riscaldamento insignificante delle particelle d'urto, è possibile evitare alcuni svantaggi, tuttavia è inevitabile la presenza dello stress residuo dovuto alla natura della tecnologia di cold spray. Come lo scopo di questo lavoro come previsione dello stress residuo indotto durante il processo di spruzzatura a freddo, è stato sviluppato un modello basato su modelli numerici precedenti per la previsione dello stress durante tecniche di impatto ad alta velocità con modifiche significative. Inizialmente è stata modellata un'analisi esplicita asimmetrica spostamento-termico dell'impatto di singole particelle. I profili di sollecitazione estratti in direzione radiale e assiale dall'asse del modello, mediante l'applicazione di pressioni assiali nel segmento partizionato superiore del substrato, e le sollecitazioni radiali iniziali predefinite nel segmento di substrato in sezione superiore e strato aggiunto vengono indotti utilizzando un approccio correttivo iterativo. Mediante l'acquisizione dei carichi responsabili dell'induzione dello stress letto dall'analisi dell'impatto di singole particelle e l'applicazione ripetuta dei carichi, si ottiene lo stress di pallinatura durante la produzione additiva cold spray. La distribuzione dello stress termico dovute al quenching e al post-raffreddamento è ottenuta mediante un'analisi termomeccanica disaccoppiata. Inizialmente si ottiene il campo termico temporale con presenza di convezione e radiazione, e la conduzione attraverso il substrato e gli strati aggiunti. Quindi il campo temporale termico ottenuto viene utilizzato in un modello implicito per ottenere lo stress residuo dovuto al quenching e al post-raffreddamento. Le tecniche di misurazione dello stress possono misurare lo stress piano e il modello è dimostrato di essere efficace nell'acquisizione dell'andamento dello stress radiale. Infatti, il processo di modellazione con i precedenti parametri di processo dei ben considerati papers, concluso in risultati chiusi ai risultati rappresentati. La parte sperimentale della tesi consiste nella deposizione di SS316 su substrato di SS316. La prima prova, con deposizione di 1 strato, la seconda prova con deposizione di 2 strati con la strategia di scansione bidirezionale, la terza prova, con deposizione di 2 strati con la strategia di scansione a tratteggio incrociato, la quarta prova, con deposizione di 10 strati con la strategia di scansione a tratteggio incrociato, e la quinta prova con deposizione di 10 strati con la strategia di scansione bidirezionale. La deposizione è stata effettuata presso il Politecnico di Milano con i sistemi di spruzzatura Impact Innovation 5/8 e la guida della testa è fatta co KUKA KR 16 3 robot. Le misurazioni dello stress residuo sono state eseguite utilizzando il diffrattometro a raggi X portatile AST X-Stress 3000. Le misurazioni in profondità sono state eseguite tramite elettro lucidatura strato per strato per evitare l'introduzione di tensioni residue nella superficie dei campioni. L'effetto di rilassamento dello stress dovuto alla rimozione dello strato dopo l'elettro lucidatura viene corretto sulla base della teoria di Moore Evans. La tecnica di modellazione FE menzionata in precedenza viene utilizzata per acquisire gli stress termici e di pallinatura sulla base dei parametri sperimentali e si osserva una buona conformità dell'andamento degli stress ai risultati misurati.