Exploiting additive manufacturability of refractory high entropy alloys with cold spray

Due to the limitations in production and material choice for high-temperature applications, identifying more innovative materials and manufacturing processes has been in focus recently. In this thesis, the innovative application of cold spray technology for the additive manufacturing of two unique refractory high entropy alloys is explored. Two refractory high entropy alloys, TaNbWVTiMoCr and TaNbVTiCr have been studied for their feasibility of additive manufacturing using cold spray. These novel alloys offer promising prospects for advanced engineering applications due to their exceptional high-temperature stability and mechanical durability. Through comprehensive investigations, the effect of process parameters, the role of substrate material, intrinsic characteristics of refractory high entropy alloys, and bonding mechanisms that influence the manufacturability and quality of the coatings have been examined. The study reveals that the intrinsic properties of these alloys pose unique challenges for cold spray deposition, notably in achieving optimal interparticular and particle-substrate bonding and overall build-up. By systematically adjusting cold spray parameters such as gas temperature, pressure, spray distance, and nozzle speed optimal spray conditions for these alloys were attempted to be identified. The findings contribute to the broader understanding of the behavior of refractory high entropy alloys under cold spray processing conditions and open up the avenues for the development of new material systems and manufacturing processes capable of meeting the demands of next-generation engineering applications. This work underscores the potential of cold spray as a versatile method in the additive manufacturing landscape, particularly for materials that are traditionally considered challenging to manufacture due to their high melting points and complex phase behaviors.

A causa delle limitazioni nella produzione e nella scelta dei materiali per applicazioni ad alta temperatura, dovrebbero essere implementati materiali e processi di fabbricazione più innovativi. In questa tesi, viene esplorata l'applicazione innovativa della tecnologia Cold Spray (CS) per la fabbricazione additiva di due uniche Leghe ad Alta Entropia Refrattarie (Refractory High Entropy Alloys ,RHEA). Le due RHEA, identificate come TaNbWVTiMoCr per la RHEA1 e come TaNbVTiCr per la RHEA2, sono state utilizzate nel processo Cold Spray. Le RHEA offrono prospettive promettenti per applicazioni ingegneristiche avanzate grazie alla loro eccezionale stabilità ad alta temperatura e durabilità meccanica. Attraverso un'indagine comprensiva, sono stati esaminati l'effetto dei parametri del processo, il ruolo del materiale di substrato, le caratteristiche intrinseche delle RHEA e i meccanismi di adesione che influenzano la fabbricabilità e la qualità dei rivestimenti RHEA. Lo studio rivela che la specifica composizione chimica e le proprietà intrinseche di queste leghe, a causa della produzione della polvere e del design, pongono sfide uniche per la deposizione Cold spray, in particolare nel raggiungere un'adesione ottimale e una sequenza di costruzione complessiva. Regolando sistematicamente i parametri Cold spray come temperatura del gas, pressione, distanza di spruzzo e velocità, si è cercato di delineare uno schema complessivo delle condizioni di spruzzo ottimali per queste RHEA. Le scoperte contribuiscono alla comprensione più ampia dei comportamenti delle RHEA sotto condizioni Cold spray e aprono vie per lo sviluppo di nuovi sistemi di materiali e processi di fabbricazione capaci di soddisfare le esigenze delle applicazioni ingegneristiche di prossima generazione. Questo lavoro sottolinea il potenziale del Cold spray come strumento versatile nel panorama della fabbricazione additiva, in particolare per materiali tradizionalmente considerati sfidanti a causa dei loro alti punti di fusione e comportamenti di fase complessi.