Deposition Strategies for New Applications of Cold Spray Additive Manufacturing

Abstract

[eng] The potential of CSAM has attracted the attention from the scientific community due to its advantages over other heat-focused AM methods, such as solid-state deposition, high deposition rates, ability to deposit temperature-sensitive materials, and reduction of tensile residual stresses, among others. Therefore, the efforts of the researchers in the CSAM field are focused on developing this technology beyond its inherent challenges. To do so, state-of-the-art deposition strategies are currently being investigated. These new deposition strategies include optimizing the robotic path trajectories or employing masks to overcome constraints to manufacture objects with a more complex shape; introducing advanced strategies during spraying or process modifications, such as substrate preheating; and implementing post-process methods such as heat treatments or machining that help to enhance microstructure densification and surface finish, respectively. This thesis focuses on the development of CSAM as a metal AM technology by understanding the CSAM process variables and deposition strategies for its further development and application as an additive manufacturing technology. Two robot path trajectories, a traditional (T) toolpath, and a novel strategy called Metal Knitting (MK), were used for the reconstruction of CSAM parts from various metallic materials: Cu, Al, Ti, and Ti6Al4V. The final geometry, microstructure, and mechanical properties of the obtained parts were assessed and compared. It was found that the novel MK robot path trajectory enabled a precise control over the geometry of the reconstructed parts. However, the deposition angle reduced the plastic deformation of the particles, increasing porosity within the microstructure and hindering adhesion with the substrate. To address this, the effects of annealing on the components’ microstructure and its influence on adhesion, resistance to erosion, and abrasive wear were also evaluated. In this sense annealing was found to be an effective deposition strategy for reducing porosity, and improving cohesion between particles and adhesion with the substrate. It was concluded that spraying with the MK toolpath, followed by annealing, enabled the reconstruction of Cu and Al parts with iv mechanical properties comparable to other bulk production methods. Nevertheless, alternative deposition strategies are needed for the CSAM reconstruction of dense parts from less ductile materials such as Ti and Ti6Al4V. Moreover, the effects of substrate preheating on high-strength materials with low particle plasticity was investigated. Since the interest in repairing IN718 damaged parts with CSAM has increased in the last years, the effect of IN718 substrate preheating on the CSAM IN718 deposit microstructure and thickness, as well as the adhesion mechanisms and strength at room and preheating temperatures of 250 C and 400 ºC was evaluated. The results showed that the substrate preheating improved the bonding strength, adhesion, and cohesion of CS IN718 deposits by softening the substrate, which improved the materials’ plasticity during deposition. It was concluded that increasing the preheating temperature and the deposit thickness improved the deposit density, reaching values comparable to an IN718 bulk reference, > 99.9%. Finally, the fabrication of 3D patterned parts with a desired pattern based on a bottom-up approach using a masked CSAM deposition strategy was investigated for fabricating new Ti bipolar plates (BPPs) for Proton Exchange Membrane (PEM) electrolyzers. The dimensional and microstructural characteristics of pin fins fabricated with spherical and irregular Ti powders were assessed. The results demonstrated that the masked CSAM technology allowed precise control and customization of the dimensions of the 3D-printed pin fins. Additionally, the performance of both Ti parts for its application in PEM electrolyzers was evaluated in terms of corrosion resistance and interfacial contact resistance (ICR). The results suggest than the masked CSAM technology shows great potential for the fabrication of Ti BPPs.

[spa] El potencial de la tecnología CSAM (Cold Spray Additive Manufacturing) ha atraído la atención de la comunidad científica debido a sus ventajas sobre otros métodos de fabricación aditiva (AM), como la deposición en estado sólido, las altas tasas de deposición, la capacidad de depositar materiales sensibles a la temperatura y la reducción de tensiones residuales de tracción, entre otros. Por lo tanto, los esfuerzos de los investigadores en el campo del CSAM están enfocados en desarrollar esta tecnología más allá de sus desafíos inherentes. Para lograrlo, se están investigando estrategias de deposición de última generación. Estas nuevas estrategias de deposición incluyen la optimización de las trayectorias del robot o el uso de máscaras para superar las limitaciones en la fabricación de objetos con formas más complejas; la introducción de estrategias avanzadas durante la proyección o modificaciones del proceso, como el precalentamiento del sustrato; y la implementación de métodos complementarios, como tratamientos térmicos o mecanizado, que ayudan a mejorar la densificación de la microestructura y el acabado superficial, respectivamente. Esta tesis se centra en el desarrollo del CSAM como una tecnología de fabricación aditiva de metales, comprendiendo las variables del proceso CSAM y las estrategias de deposición para su posterior desarrollo y aplicación como tecnología de fabricación aditiva. Se utilizaron dos trayectorias robóticas, una trayectoria tradicional (T) y una nueva estrategia llamada "Metal Knitting" (MK), para la reconstrucción de piezas CSAM a partir de varios materiales metálicos: Cu, Al, Ti y Ti6Al4V. Se evaluaron y compararon la geometría final, la microestructura y las propiedades mecánicas de las piezas obtenidas. Se encontró que la nueva trayectoria de camino MK permitió un control preciso sobre la geometría de las piezas reconstruidas. Sin embargo, el ángulo de deposición redujo la deformación plástica de las partículas, aumentando la porosidad dentro de la microestructura y dificultando la adhesión al sustrato. Para abordar este problema, también se evaluaron los efectos del recocido en la microestructura de los componentes y su influencia en la adhesión, la resistencia a la erosión y al desgaste abrasivo. En este sentido, se encontró que el recocido era una estrategia efectiva de deposición para reducir la porosidad y mejorar la cohesión entre las partículas y la adhesión al sustrato. Se concluyó que la pulverización con la trayectoria MK, seguida de recocido, permitió la reconstrucción de piezas de Cu y Al con propiedades mecánicas comparables a otros métodos de producción masiva. No obstante, se necesitan estrategias de deposición alternativas para la reconstrucción CSAM de piezas densas a partir de materiales menos dúctiles como el Ti y Ti6Al4V. Además, se investigaron los efectos del precalentamiento del sustrato en materiales de alta resistencia con baja plasticidad de las partículas. Dado el creciente interés en la reparación de piezas dañadas de IN718 con CSAM en los últimos años, se evaluó el efecto del precalentamiento del sustrato de IN718 sobre la microestructura y el grosor del depósito CSAM IN718, así como los mecanismos de adhesión y la resistencia a temperatura ambiente y a temperaturas de precalentamiento de 250 ºC y 400 ºC. Los resultados mostraron que el precalentamiento del sustrato mejoró la resistencia de unión, la adhesión y la cohesión de los depósitos de CS IN718 al ablandar el sustrato, lo que mejoró la plasticidad de los materiales durante la deposición. Se concluyó que aumentar la temperatura de precalentamiento y el grosor del depósito mejoró la densidad del depósito, alcanzando valores comparables a una referencia masiva de IN718, > 99,9 %. Finalmente, se investigó la fabricación de piezas con patrones 3D utilizando una estrategia de deposición CSAM con máscara para la fabricación de nuevas placas bipolares (BPPs) de Ti para electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM). Se evaluaron las características dimensionales y microestructurales de las piezas fabricadas con polvo de Ti esférico e irregular. Los resultados demostraron que la tecnología CSAM con máscara permitió un control y personalización precisos de las dimensiones de las aletas impresas en 3D. Además, se evaluó el rendimiento de ambas piezas de Ti para su aplicación en electrolizadores PEM en términos de resistencia a la corrosión y resistencia al contacto interfacial (ICR). Los resultados sugieren que la tecnología CSAM con máscara tiene un gran potencial para la fabricación de placas bipolares de Ti.

[cat] El potencial de la tecnologia CSAM (Cold Spray Additive Manufacturing) ha atret l'atenció de la comunitat científica gràcies als seus avantatges respecte a altres mètodes de fabricació additiva centrats en la calor, com ara la deposició en estat sòlid, altes taxes de deposició, la capacitat de dipositar materials sensibles a la temperatura i la reducció de tensions residuals tensoactives, entre d'altres. Per aquest motiu, els esforços dels investigadors en el camp del CSAM estan enfocats a desenvolupar aquesta tecnologia malgrat els seus reptes inherents. Per aconseguir-ho, s'estan investigant les estratègies de deposició més avançades. Aquestes noves estratègies inclouen l'optimització de les trajectòries de camí robòtic o l'ús de màscares per superar les limitacions en la fabricació d'objectes amb formes més complexes; la introducció d'estratègies avançades durant l'esprejat o modificacions del procés, com el preescalfament del substrat; i la implementació de mètodes postprocessament, com els tractaments tèrmics o el mecanitzat, que ajuden a millorar la densificació de la microestructura i l'acabat superficial, respectivament. Aquesta tesi se centra en el desenvolupament del CSAM com a tecnologia de fabricació additiva de metalls mitjançant la comprensió de les variables del procés CSAM i les estratègies de deposició per al seu posterior desenvolupament i aplicació com a tecnologia de fabricació additiva. Es van utilitzar dues trajectòries de camí robòtic, una tradicional (T) i una nova estratègia anomenada "Metal Knitting" (MK), per a la reconstrucció de peces CSAM a partir de diversos materials metàl·lics: Cu, Al, Ti i Ti6Al4V. Es van avaluar i comparar la geometria final, la microestructura i les propietats mecàniques de les peces obtingudes. Es va trobar que la nova trajectòria de camí MK permetia un control precís sobre la geometria de les peces reconstruïdes. No obstant això, l'angle de deposició reduïa la deformació plàstica de les partícules, augmentant la porositat dins de la microestructura i dificultant l'adhesió al substrat. Per abordar aquest problema, també es van avaluar els efectes del recuit sobre la microestructura dels components i la seva influència en l'adhesió, la resistència a l'erosió i al desgast abrasiu. En aquest sentit, es va trobar que el recuit era una estratègia de deposició efectiva per reduir la porositat i millorar la cohesió entre les partícules i l'adhesió al substrat. Es va concloure que l'esprejat amb la trajectòria MK, seguit de recuit, permetia la reconstrucció de peces de Cu i Al amb propietats mecàniques comparables a altres mètodes de producció massiva. Tot i així, es necessiten estratègies de deposició alternatives per a la reconstrucció CSAM de peces denses a partir de materials menys dúctils com Ti i Ti6Al4V. A més, es va investigar l'efecte del preescalfament del substrat en materials d'alta resistència amb baixa plasticitat de les partícules. Donat l'interès creixent en la reparació de peces danyades d'IN718 amb CSAM en els últims anys, es va avaluar l'efecte del preescalfament del substrat IN718 sobre la microestructura i el gruix del dipòsit CSAM IN718, així com els mecanismes d'adhesió i la resistència a temperatura ambient i a temperatures de preescalfament de 250 ºC i 400 ºC. Els resultats van mostrar que el preescalfament del substrat millorava la força d'unió, l'adhesió i la cohesió dels dipòsits CS IN718 en suavitzar el substrat, la qual cosa millorava la plasticitat dels materials durant la deposició. Es va concloure que l'augment de la temperatura de preescalfament i el gruix del dipòsit millorava la densitat del dipòsit, arribant a valors comparables als d'una referència massissa d'IN718, > 99,9 %. Finalment, es va investigar la fabricació de peces amb patrons 3D a partir d'un enfocament ascendent utilitzant una estratègia de deposició CSAM amb màscara per fabricar noves plaques bipolars (BPPs) de Ti per a electròlisi de membrana d'intercanvi de protons (PEM). Es van avaluar les característiques dimensionals i microestructurals de les aletes fabricades amb pols de Ti esfèric i irregular. Els resultats van demostrar que la tecnologia CSAM amb màscara permetia un control i personalització precisos de les dimensions de les aletes impreses en 3D. A més, es va avaluar el rendiment de les dues peces de Ti per a la seva aplicació en electròlisi PEM en termes de resistència a la corrosió i resistència al contacte interfacial (ICR). Els resultats suggereixen que la tecnologia CSAM amb màscara té un gran potencial per a la fabricació de plaques bipolars de Ti.