Cold spray additive manufacturing of refractory complex concentrated alloys: challenges, key processing strategies and characteristics

Refractory complex concentrated alloys constitute a subclass of complex concentrated alloys, that are suitable advanced applications demanding extreme operating temperatures, particularly in the field of space and aerospace engine design. Despite their strong potential, the processing and fabrication of these alloys remain significantly challenging. These alloys are predominantly composed of refractory elements with wide range of melting/freezing temperatures, which increases its susceptibility to various defects during feedstock production, such as inhomogeneity in microstructure. These inherent issues in feedstock quality, in turn exacerbate the difficulties encountered in subsequent processing. TaNbWTiVMoCr, a seven-element refractory complex concentrated alloy was processed using a solid-state additive manufacturing - cold spray additive manufacturing (CSAM), on substrates of contrasting hardness. Both on the hard nickel alloy substrate and on the soft aluminium alloy substrate, minimal continuous deposition was achieved. Instead, inter-mixing layers, composed of the substrate material and the impact generated debris of powder material formed, restricting further build-up. The inherently higher oxygen content, typical to these alloys, contributed to the particle embrittlement during solidification in gas atomization. Additionally, inhomogeneous microstructure of the particles with bulk areas enriched in high-melting-point element, such as Ta and W, created weak internal grain boundaries, promoting the particle fracture upon impact. Additionally, wider particle size distribution was also suspected to adversely affect the deposit formation. Alternatively, melting and solidification-based laser powder bed fusion (LPBF) processing resulted in manufactured specimens with significantly high crack density, primarily arising from the large differences in freezing temperatures among the constituent elements. TaNbTiVCr, a similar alloy within the class of refractory complex concentrated alloys, exhibited a microstructure comparable to that of the former. Consequently, both CSAM and LPBF processing yielded similar outcomes. An alternative CSAM approach using sieved feedstock with a narrower particle size distribution was investigated. However, the detrimental effect of inhomogeneous microstructure persisted, resulting in the minimal deposit formation irrespective of the substrate hardness. Another substrate, fabricated via LPBF processing of the same alloy TaNbTiVCr, was evaluated for cold spraying, to examine whether the substrate-feedstock compatibility promote deposit adhesion and build up. On contrary, the superior hardness of the substrate further hindered the deposition. A promising strategy to enhance the sprayability and manufacturability of the refractory complex concentrated alloy TaNbTiVCr was explored in detail through a multi-material feedstock approach. In CSAM, Al and Ti were employed as secondary feedstock materials in varying volumetric compositions to assess their influence on deposition process and deposit quality. For LPBF, a similar multi-material strategy was adopted using Ti and Nb as secondary additions to mitigate the crack formation and embrittlement in the printed specimens. All the CSAM and LPBF fabricated specimens were characterized in terms of microstructure and microhardness, and the results were analysed. Among the material combinations studied, the addition of Ti to TaNbTiVCr significantly improved the build-up during CSAM processing and drastically reduced hot-crack formation in LPBF. In both cases, the fabricated specimens exhibited very good build quality, accompanied by microhardness in the higher range, making them a viable solution for applications demanding high strength at elevated temperatures.

Le leghe refrattarie a concentrazione complessa (RCCA) rappresentano una sottoclasse delle leghe a concentrazione complessa, specificamente progettate per applicazioni avanzate che richiedono temperature operative estreme, come nel settore dei motori spaziali e aerospaziali. Nonostante il loro elevato potenziale in termini di stabilità termica e resistenza meccanica, la lavorazione e la fabbricazione di tali leghe risultano particolarmente complesse. Esse sono costituite prevalentemente da elementi refrattari caratterizzati da un ampio intervallo di temperature di fusione e solidificazione; tale caratteristica aumenta la suscettibilità alla formazione di difetti già nella produzione del materiale di partenza, quali inhomogeneità microstrutturali. Le criticità intrinseche del feedstock aggravano ulteriormente le difficoltà riscontrate nelle successive fasi di processamento. La lega refrattaria a concentrazione complessa TaNbWTiVMoCr, composta da sette elementi, è stata processata mediante cold spray additive manufacturing (CSAM), una tecnica di additive manufacturing allo stato solido, utilizzando substrati con durezza contrastante. Sia sul substrato duro in lega di nichel sia su quello morbido in lega di alluminio è stata ottenuta soltanto una deposizione continua minima. In entrambi i casi si sono formati strati di intermiscelazione costituiti dal materiale del substrato e dai detriti della polvere generati dall’impatto, che hanno limitato il successivo accumulo del deposito. L’elevato contenuto di ossigeno, tipico di queste leghe, ha contribuito all’infragilimento delle particelle durante la solidificazione nel processo di atomizzazione a gas. Inoltre, la microstruttura inhomogenea delle particelle, caratterizzata da regioni volumetriche arricchite in elementi ad alto punto di fusione quali Ta e W, ha favorito la formazione di bordi di grano interni deboli, promuovendo la frattura all’impatto. È stato inoltre ipotizzato che un’ampia distribuzione dimensionale delle particelle abbia influito negativamente sull’efficienza di deposizione. Il processamento mediante laser powder bed fusion (LPBF), basato su fusione e successiva solidificazione, ha invece portato alla produzione di provini caratterizzati da un’elevata densità di cricche, attribuibile principalmente alle marcate differenze nelle temperature di solidificazione degli elementi costituenti. La lega TaNbTiVCr, appartenente alla stessa classe di RCCA, ha mostrato una microstruttura analoga a quella della lega precedente. Di conseguenza, sia il processamento tramite CSAM sia quello tramite LPBF hanno evidenziato criticità simili. È stato quindi investigato un approccio alternativo in CSAM impiegando un feedstock setacciato, con distribuzione dimensionale più ristretta; tuttavia, l’effetto deleterio dell’inomogeneità microstrutturale è rimasto predominante, determinando una deposizione minima indipendentemente dalla durezza del substrato. È stato inoltre valutato un substrato realizzato mediante LPBF con la stessa lega TaNbTiVCr, al fine di verificare se una maggiore compatibilità chimico-meccanica tra substrato e feedstock potesse favorire l’adesione e la crescita del deposito. Al contrario, la maggiore durezza del substrato ha ulteriormente ostacolato il processo di deposizione. Una strategia promettente per migliorare la spruzzabilità e la fabbricabilità della lega TaNbTiVCr è stata analizzata mediante un approccio multi-materiale al feedstock. Nel CSAM, Al e Ti sono stati impiegati come materiali secondari in diverse frazioni volumetriche, allo scopo di valutarne l’influenza sul meccanismo di deposizione e sulla qualità del deposito. Per il processamento LPBF è stata adottata una strategia analoga, utilizzando Ti e Nb come elementi aggiuntivi per mitigare la formazione di cricche e l’infragilimento dei provini. Tutti i campioni prodotti mediante CSAM e LPBF sono stati caratterizzati in termini di microstruttura e microdurezza, e i risultati sono stati oggetto di un’analisi critica comparativa. Tra le combinazioni investigate, l’aggiunta di Ti alla lega TaNbTiVCr ha mostrato l’effetto più significativo: nel CSAM ha migliorato in modo sostanziale l’accumulo del deposito, mentre nel LPBF ha ridotto drasticamente la formazione di cricche a caldo. In entrambi i casi, i campioni fabbricati hanno evidenziato elevata qualità costruttiva e valori di microdurezza elevati, confermando il potenziale di tali soluzioni per applicazioni che richiedono elevate prestazioni meccaniche a temperature estreme.