Riassunto analitico
In quanto tecnica di deposizione a stato solido capace di evitare ossidazione, il cold spraying è in grado di mantenere le proprietà del materiale di partenza nel rispettivo coating, tipicamente fallendo nella formazione di coating per materiali fragili. Le MAX phases, come eccezione, sono un materiale ceramico che presenta un parziale comportamento metallico che ne permette l’utilizzo per creare rivestimenti tramite cold spraying. Vista la loro elevata temperatura di fusione e la capacità di formare uno strato di ossido protettivo in superficie, diverse MAX phases sono ottimi candidati come rivestimento protettivo in applicazioni ad elevata temperatura. Purtroppo, i meccanismi di deformazione delle MAX phases, necessari per la formazione di un rivestimento tramite cold spraying, non sono ancora chiari. La riuscita di un coating di MAX phases non dipende solamente dai parametri di processo utilizzati ma anche dalle loro diverse proprietà meccaniche.
In questo lavoro di tesi magistrale sono stati depositati rivestimenti con le polveri di Ti3SiC2, Ti2AlC e Cr2AlC con tecnologia cold spraying. Realizzando fino a 10 passate con le polveri di Ti2AlC e Cr2AlC si è riusciti ad ottenere rivestimenti di 100 – 400 µm, mentre con Ti3SiC2 si ottiene solamente un monolayer, principalmente dovuto a frattura fragile. La porosità dei rivestimenti risulta piuttosto bassa, ma è possibile trovare anche fessure o delaminazioni tra i diversi strati di spruzzatura. La formazione di più di uno strato di rivestimento può essere attribuita alla locale deformazione di MAX phases particolarmente anisotrope e che riescano ad evitare cricche interne. In ogni caso la struttura cristallografica originale delle MAX phases è stata mantenuta nei rivestimenti.
L’analisi dell’interfaccia tra rivestimento e substrato e le morfologie di singole particelle impattate possono rivelare la differenza nei comportamenti di deformazione delle diverse MAX phases. Il legame tra particella e substrato è da attribuire alla deformazione e instabilità a taglio che avviene all’interfaccia. Tuttavia, si nota che la deformazione del substrato è più severa per la MAX phase che non è in grado di formare un coating spesso. Rispetto alla polvere di partenza, le particelle che riescono a formare un rivestimento tendono a deformarsi all’impatto. Ti3SiC2 mostra minore deformazione rispetto a Ti2AlC e Cr2AlC.
L’approccio sistematico porta ad una selezione di MAX phases idonee per la tecnologia di spruzzatura “cold spray” e determinarne i parametri ottimali di processo.
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Abstract
As solid-state deposition technique avoiding oxidation, cold gas spraying is capable to retain material properties in respective coatings, but typically fails to build up coatings of brittle materials. As an exception, MAX phases as ceramics with partially metallic behaviour enable the use of cold spraying for coating production. Cold spraying technique could prevent, in fact, MAX phases oxidation or phase changes during the deposition process. By their high melting temperature and the ability to form a stable oxide scale on the surface, a number of MAX-phase materials have a high potential to serve as protective layer in high temperature applications. However, mechanisms of needed deformation are not solved yet. The success of MAX-phase coating build-up not only depends on spray parameter sets used in cold spraying, but also on their only slightly different mechanical properties.
In this Master Thesis, Ti2AlC, Cr2AlC and Ti3SiC2 MAX phase compositions have been deposited by cold spraying. By applying up to 10 passes under varied spray parameter sets for Ti2AlC and Cr2AlC, coatings with thicknesses of about 100-400 µm can be achieved, however Ti3SiC2 only builds up as a monolayer, mainly attributed to brittle internal laminar failure. The coating microstructures of the thicker coatings show rather low porosity of less than 2%, but also often cracks between spray layers. Successful build-up of more than one spray layer can be attributed to local deformation of the highly anisotropic MAX-phases and niceties to avoid internal crack formation. For all cases, the original crystallographic structure of the MAX-phase powders was retained in the coatings.
The study of layer-substrate interfaces and single impact morphologies reveals differences in the individual MAX-phase deformation behaviours. Bonding of MAX-phase particles onto substrate materials of various strengths is mainly attributed to the deformation and shear instabilities occurring at substrate sites. However, the deformation of the substrate is more severe for MAX-phases that do not form thicker coatings. As compared to the feedstock, most particles flatten to splats by the impact. However, Ti3SiC2 shows less laminated flow and deformation than Ti2AlC and Cr2AlC.
The systematic approach should support the selection of MAX-phases that can be used in cold spraying and help to develop needed parameter sets.
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