Experimental characterization of cold sprayed Al-Zn coating for corrosion protection of railway axles

Additive manufacturing and coating deposition technologies, such as cold spray, have been in existence for several decades. However, in recent years, they have witnessed significant advancements due to their advantages over conventional manufacturing methods. Cold spray, as a coating deposition technique, offers numerous benefits for enhancing wear and corrosion resistance in substrates exposed to high temperatures and oxidation. Consequently, it finds extensive application in industries such as aerospace, automotive, and railway. This study, conducted in collaboration with a well-renowned industry, aims to evaluate the feasibility of using cold spray technology to enhance wear resistance and corrosion protection of high-strength steel railway axles utilized in the rolling stock sector. The railway axle plays a crucial role in supporting the weight of the wagon and wheelset. To safeguard the axle against ballast impacts and harsh environmental conditions, protective coating on its surface is essential. However, existing coating methods have proven inadequate, resulting in defects and premature failures. Failures are often attributed to damage in the protective coating, followed by the formation of corrosion pits, crack initiation, and subsequent crack growth due to fatigue. To determine the quality of the produced coatings, various cold spray parameters were selected based on numerical simulations, optimization, and feasibility experiments . The assessment included analysing coating thickness, bonding strength, microstructure, porosity, microhardness, and fatigue life for different sets of cold spray parameters. Furthermore, qualitative analysis of relevant literature was performed to select appropriate tests that could effectively evaluate the enhanced corrosion protection strength. Fatigue tests under various loading conditions were also conducted to ensure the material strength and life expectancy of the axle, aiming to optimize the coating strength and protection.

La produzione additiva e le tecnologie di deposizione dei rivestimenti, come lo spray a freddo, esistono da diversi decenni. Tuttavia, negli ultimi anni, hanno assistito a progressi significativi grazie ai loro vantaggi rispetto ai metodi di produzione convenzionali. Lo spray a freddo, come tecnica di deposizione del rivestimento, offre numerosi vantaggi per migliorare la resistenza all'usura e alla corrosione in substrati esposti a temperature elevate e ossidazione. Di conseguenza, trova ampia applicazione in settori come quello aerospaziale, automobilistico e ferroviario. Questo studio, condotto in collaborazione con settore molto rinomato, ha lo scopo di valutare la fattibilità dell'utilizzo della tecnologia di spruzzatura a freddo per migliorare la resistenza all'usura e la protezione dalla corrosione degli assi ferroviari in acciaio ad alta resistenza utilizzati nel settore del materiale rotabile. L'asse ferroviario svolge un ruolo cruciale nel sostenere il peso del carro e della sala montata. Per proteggere l'asse dagli urti della zavorra e dalle condizioni ambientali difficili, è essenziale un rivestimento protettivo sulla sua superficie. Tuttavia, i metodi di rivestimento esistenti si sono dimostrati inadeguati, causando difetti e guasti prematuri. I guasti sono spesso attribuiti a danni nel rivestimento protettivo, seguiti dalla formazione di pozzi di corrosione, dall'inizio di cricche e dalla successiva crescita di cricche a causa della fatica. Per determinare la qualità dei rivestimenti prodotti, sono stati selezionati vari parametri di spruzzatura a freddo sulla base di simulazioni numeriche, ottimizzazione ed esperimenti di fattibilità. La valutazione ha incluso l'analisi dello spessore del rivestimento, della forza di adesione, della microstruttura, della porosità, della microdurezza e della durata a fatica per diversi set di parametri di spruzzatura a freddo. Inoltre, è stata eseguita un'analisi qualitativa della letteratura pertinente per selezionare test appropriati che potessero valutare efficacemente la maggiore resistenza alla protezione dalla corrosione. Sono stati inoltre condotti test di fatica in varie condizioni di carico per garantire la resistenza del materiale e l'aspettativa di vita dell'asse, con l'obiettivo di ottimizzare la resistenza e la protezione del rivestimento.