Application of cold spray as an additive manufacturing and repair method

Gas dynamic cold spray, commonly referred to as cold spray (CS), is a novel solid-state metallic powder deposition method. Particle-substrate adhesion in CS relies on high impact velocity of the micron-scale particles that are carried through a de-Laval nozzle by a heated gas stream. Reliance of CS adhesion on kinetic energy rather than high temperature, makes it capable of achieving a dense deposit with low oxidation at high manufacturing rate and with mechanical properties close to those of bulk material. These characteristics make CS a compelling method for various applications such as additive manufacturing, remanufacturing, and repair. However, implementation of CS for any application requires careful selection of different process parameters. These parameters depend on specific variables and desired target properties, such as powder and substrate material, substrate’s geometry, as well as deposit porosity, chemical composition, and growth. The following research activities were carried out to develop and validate different tools required for enhancing technical maturity and flexibility of CS as a method for additive manufacturing and repair. Each research aims to propose a solution to a challenging aspect of adapting CS for additive manufacturing. The solutions are presented in the form of fast and reliable methods for analysis of the relation between process parameters and deposit characteristics. The first part of research was focused on developing a numerical framework for evaluating the effect of different process parameters on particle’s window of deposition. The study involved developing and validating a single-particle impact finite element (FE) model that can accurately simulate the state of adhesion of a particle considering different variables including its size, morphology, temperature, velocity, hardness, angle of impact, and oxide content at any given velocity. This model is indispensable for identification of optimum process parameters without bearing the cost and time necessary for experimental campaigns. The developed model was then used to study CS deposition of CrFeNi medium entropy alloy. Being a solid-state deposition method, CS can preserve the key intrinsic characteristics of the feedstock powder. This provides a unique opportunity for deposition of carefully designed high and medium-entropy alloys. However, these powders are also known for their high hardness, which translates to a comparably high critical velocity. The described numerical framework has been used to precisely analyze the effect of these distinctive aspects on CS deposition parameters and identify the optimum process parameters. Next study involved developing a large-scale, multi-particle impact FE model using Coupled Eulerian-Lagrangian approach. The developed model was then employed to simulate deposition of two composite powder feedstocks of Ti-Cu and Ti-Al, for manufacturing of bio-compatible structures and controlled fabrication of porous free-standing structures, respectively. The FE analysis results were post-processed using the developed codes to analyze the spatial distribution of each constituent material as well as the connectivity and morphology of the formed porosity. The results were successfully assessed against experimental data, confirming capability of CS for deposition of multi-material feedstock to achieve a controlled and designed composite deposit. In the next step, a numerical model was developed to estimate deposition efficiency and chemical gradation of multi-material CS deposits. Based on deposition efficiency and flattening ratio of all possible combinations of substrate and feedstock’s constituent materials on each other, this model can accurately estimate the variation of chemical composition of deposit across its thickness. The model was successfully applied to CS deposition of Al-Zn composite powder feedstock and results matched the experimental measured values. Next part of the research was focused on developing a mathematical model to predict CS deposit profile growth and inversely, control and optimize the toolpath strategy to tailor the implementation of CS deposition for different cases. The developed model was employed to determine the optimum toolpath strategy required for repairing two categories of damage cavities and connecting different configurations of adjoining butt joints via welding. Then each combination was tested, and their deposit profiles were extracted. Simulated and acquired profiles were in very good agreement. It was also deduced that geometry of the substrate may affect the impinging gas regime and result in a consequent deviation of deposition efficiency from the theoretical value. The peening effect of the CS deposition process induces a favorable compressive residual stress through the deposit and substrate thickness. However, magnitude and state of this stress at the substrate-deposit interface, both of which evolve with increase of deposit thickness, strongly affect the stability of the deposit in terms of maximum achievable thickness before delamination. Utilization of CS for additive manufacturing and repair strongly depends on its capability to manufacture large scale parts. Therefore, the last part of research was focused on developing 2D and 3D multi-scale FE models to analyze the evolution of thermos-mechanical residual stress during CS deposition. The method relies on incremental addition of splat layers followed by introduction of sequentially coupled thermo-mechanical stress fields. The process was successful in predicting the overall trend of residual stress evolution and distinguishing between stress fields induced by different toolpath strategies. The outcome of this PhD research can be summarized as developing a toolset necessary for expanding the applications of CS, with a focus on those necessary for implementation of CS as an additive manufacturing and repair method. The developed toolset can significantly increase the robustness and flexibility of CS, especially for industrial applications, by decreasing the uncertainty and borne cost and effort required to optimize the process parameters, otherwise done through costly iterative trial and error approach.

La spruzzatura a freddo, comunemente indicata come Cold Spray (CS), è un nuovo metodo di deposizione delle polveri metalliche allo stato solido. L'adesione particella-substrato, nel cold spray, si basa sull'elevata velocità di impatto delle particelle, con dimensione di qualche decina di micron, che vengono avvelerate attraverso un ugello de-Laval da un flusso di gas riscaldato. La dipendenza dell'adesione delle particelle dall'energia cinetica piuttosto che dall'alta temperatura, rende possibile ottenere un deposito denso con bassa ossidazione ad alta velocità di produzione, con proprietà meccaniche vicine a quelle del materiale base. Queste caratteristiche rendono il CS un metodo attraente per varie applicazioni come la produzione additiva, la rigenerazione e la riparazione di componenti. Tuttavia, l'implementazione di CS per qualsiasi applicazione richiede un'attenta selezione dei diversi parametri di processo. Questi parametri dipendono da variabili specifiche e dalle proprietà desiderate, come la polvere e il materiale del substrato, la geometria del substrato, la composizione chimica ed altre. Nella presente tesi di dottorato, sono state svolte le seguenti per sviluppare e convalidare diversi strumenti necessari per migliorare la maturità tecnica e la flessibilità del CS come metodo per la produzione e la riparazione additiva. Ognuno degli aspetti di ricerca trattati è stato finalizzato a proporre una soluzione innovativa e migliorativa per un impiego del CS per la produzione additiva. Le soluzioni sono presentate sotto forma di metodi rapidi e affidabili per analizzare la relazione tra parametri di processo e caratteristiche del deposito. La prima parte della ricerca si è concentrata sullo sviluppo di una metodologia numerica per valutare l'effetto dei diversi parametri di processo sulle condizioni di deposizione delle particelle. Lo studio ha comportato lo sviluppo e la convalida di un modello a elementi finiti (FE) dell'impatto di una singola particella, in grado di simulare accuratamente lo stato di adesione della particella considerando diverse variabili, tra cui le dimensioni, la morfologia, la temperatura, la velocità, la durezza, l'angolo di impatto e il contenuto di ossido ad ogni velocità considerata. Questo modello è indispensabile per l'identificazione dei parametri di processo ottimali senza sostenere i costi ei tempi necessari per le campagne sperimentali. Il modello sviluppato è stato quindi utilizzato per studiare la deposizione CS della lega a media entropia CrFeNi. Essendo il CS un metodo di deposizione allo stato solido, esso può preservare le principali caratteristiche intrinseche della polvere utilizzata. Ciò offre un'opportunità unica per la deposizione di leghe ad alta e media entropia appositamente progettate. Tuttavia, queste polveri sono note anche per la loro elevata durezza, che si traduce in una velocità critica relativamente elevata. Lo studio ora descritto è stato utilizzato per analizzare con precisione l'effetto di questi aspetti distintivi sui parametri di deposizione CS e identificare i parametri di processo ottimali. La seconda parte della ricerca ha comportato lo sviluppo di un modello FE di impatto multi-particellare su larga scala utilizzando l'approccio Euleriano-Lagrangiano accoppiato. Il modello sviluppato è stato quindi impiegato per simulare la deposizione di due materie prime in polvere composita di Ti-Cu e Ti-Al, rispettivamente per la produzione di strutture biocompatibili e la fabbricazione controllata di strutture autoportanti porose. I risultati dell'analisi FE sono stati post-elaborati utilizzando i codici sviluppati per analizzare la distribuzione spaziale di ciascun materiale costituente, nonché la connettività e la morfologia della porosità formata. I risultati sono stati valutati in buon accordo rispetto ai dati sperimentali, confermando la capacità di CS di depositare miscele di polveri multimateriale per ottenere un deposito composito controllato e progettato ad hoc per determinate applicazioni. Nella fase successiva, è stato sviluppato un modello numerico per stimare l'efficienza di deposizione e la gradazione chimica dei depositi di CS multimateriale. Sulla base dell'efficienza di deposizione e del rapporto di appiattimento di tutte le possibili combinazioni di substrato e materiali costituenti la miscela di polveri, questo modello può stimare con precisione la variazione della composizione chimica del deposito attraverso il suo spessore. Il modello è stato applicato con successo alla deposizione CS di una miscela di polveri composita Al-Zn. Il risultato è risultato in ottimo accordo con i dati sperimentali. La parte successiva della ricerca si è concentrata sullo sviluppo di un modello matematico per prevedere la crescita del profilo di deposito CS e, inversamente, per controllare e ottimizzare la strategia del percorso utensile per personalizzare l'implementazione della deposizione CS per diversi casi. Il modello sviluppato è stato impiegato per determinare la strategia ottimale del percorso utensile necessaria per riparare due differenti cavità danneggiate e collegare diverse configurazioni di giunti di testa adiacenti tramite saldatura. Quindi ogni combinazione è stata testata e i loro profili di deposito sono stati estratti. I profili simulati e acquisiti sono risultati in ottimo accordo. È stato inoltre dedotto che la geometria del substrato può influenzare il regime del gas incidente e comportare una conseguente deviazione dell'efficienza di deposizione dal valore teorico. E' stato anche investigato l'effetto di pallinatura del processo di deposizione CS, che induce una sollecitazione di compressione residua favorevole attraverso il deposito e lo spessore del substrato. Tuttavia, l'entità e lo stato di questa sollecitazione all'interfaccia substrato-deposito, entrambi i quali evolvono con l'aumentare dello spessore del deposito, influenzano fortemente la stabilità del deposito in termini di spessore massimo ottenibile prima della delaminazione. L'utilizzo di CS per la produzione e la riparazione additiva dipende fortemente dalla sua capacità di produrre parti su larga scala. Pertanto, l'ultima parte della ricerca si è concentrata sullo sviluppo di modelli FE multiscala 2D e 3D per analizzare l'evoluzione dello stress residuo termomeccanico durante la deposizione di CS. Il metodo si basa sull'aggiunta incrementale di strati "splat" seguita dall'introduzione di campi di stress termomeccanici accoppiati in sequenza. Il processo è riuscito a prevedere il modello generale dell'evoluzione della sollecitazione residua ea distinguere tra campi di sollecitazione indotti da diverse strategie di percorso utensile. In conclusione, il risultato di questa ricerca di dottorato può essere riassunto come lo sviluppo di un set di strumenti necessario per espandere le applicazioni della CS, con particolare attenzione a quelle necessarie per l'implementazione della CS come metodo di produzione additiva e riparazione additiva. Il set di strumenti sviluppato può aumentare significativamente la robustezza e la flessibilità di CS, in particolare per le applicazioni industriali, diminuendo l'incertezza e i costi sostenuti e lo sforzo necessario per ottimizzare i parametri di processo, altrimenti effettuato attraverso un costoso approccio iterativo per tentativi ed errori.