Cold Spray – En ny reparationsmetod inom flygindustrin FLYGTEKNIK 2010

Organisation AG Rep FM AG Komposit. Reparationer AG AG Elast AG Rep av Metallstruktur Ledningsgrupp Rep FM-materiel

Vad är termisk sprutning? • Process där en yta beläggs med smält/semi-smält metalliskt eller icke-metalliskt material • Både tillverkning av komponenter och reparation • Nötningsmotstånd, oxidationsmotstånd, korrosionmotstånd, termiska barriärer, elektrisk konduktivitet eller resistans, reparation

Termisk sprutning Gas Tillsats- material Värmekälla: el eller gas Smälta droppar

Termisk sprutning - struktur • Skikten får ett laminärt utseende innehållande porer, oxider och osmälta partiklar Porer Osmält partikel Oxiderade pariklar

Termisk sprutning - egenskaper • Ytskiktets mekaniska, elektriska och termiska egenskaper kommer starkt påverkas av porer och oxider i skiktet. • Vanligt porhalt 5-15% för flamsprutat, 3-8% för plasma och <1% för HVOF • Oxidhalten några få procent. Närmare 0% för HVOF eller vacuum-sprutning.

Termisk sprutning

Cold Spray • Fint pulver (10-50 μm) sprayas med mycket hög hastighet ( m/s) • Trycksatt (15-35 bar) gas värms upp till °C och expanderas sedan för att få ett gasflöde med mycket hög hastighet • Pulvret plastiskt deformeras och bygger upp ett mycket tätt skikt.

Struktur • Mycket täta skikt • Ingen oxidation av pulvret på grund av förhöjda temperaturer. Cold spray, CuSn Flamsprutad, CuSn

Tillsatsmaterial • Metaller: Al, Cu, Ti, Sn, Ni, Ag, Zn, Ta, Nb, Zr • Legeringar: Stål, Ni-legeringar, MCrAlY • Kompositer: WC-Co, Cu-W, Al-SiC, Al- Al2O3

Substrat • Måste vara tillräckligt hårt för att tillåta pulvret att deformeras • Får inte vara för sprött • Värmekänsliga material kan beläggas

Gas • Helium, kväve, He+N 2 eller luft • Återanvända gas • Värma kväve till 800°C vilket kan ge högre hastigheter

System Pulvermatare GasUppvärmning av gas ”Pistol”Substrat 0,5-4 MPa≤800°C Bild från KINETICS 4000/47

Fördelar • + Mycket bra korrosion & oxidationsmotstånd • + Hög konduktivitet • + Hög hårdhet • + Minimal värmepåverkan på substrat • + Ingen korntillväxt • + Hög beläggningshastighet och låg förlust av tillsatsmaterial • + Ingen eller lite maskning • + Tryckspänningar

Nackdelar • - Mycket dålig duktilitet ”as-sprayed” • - Begränsad val av material • - Snäv storleksfördelning 5-50μm • - Helium – dyrt • - Ny metod

Applikationer • Lagning av Mg-komponenter • Alclad reparation • Istället för hårdkrom • Cd-plätering • MCrAlY • Cu & Al för elektriska komponenter • Ny metod – vilka applikationer finns om fem år?

Utvecklare, tillverkare & användare • ITAM SB RAS, Ryssland Federal Armed Forces University, Tyskland The US Army Research Laboratory, USA Linde Gas (gas) Cold Gas Technology (CGT GmbH) (utrustning) HC Stark (pulver) TWI, Universitet CenterLine (utrustning), Ktech Corporation (utrustning), Bodycote Metallurgical Coating (användare)

Lageryta i propelleraggregat • Lager belagt med babbitt – gjutet, flamsprutat • Hög nötning och avverkning av lagermetallen • Hårdare, lägre porositet • Cold Spray med CuSn, flamsprutning med CuSn och babbitt. • Prov sprayades för metallografiskprovning, vidhäftningsprovning, nötningsprovning och miljötålighetstest

Lageryta i propelleraggregat Flamsprutat Babbitt Flamsprutat CuSn Cold Spray CuSn Hårdhet31 HV83 HV284 HV Vidhäftning22,5 MPa14,3 MPa12,1 MPa Kohesionsbrott i skikt Adhesionsbrott

Sammanfattning • Ny metod inom termisk sprutning som använder rörelseenergi för att plastiskt deformera pulver och på så vis bygga upp ett skikt • Mycket täta skikt homogena skikt • Inga förhöjda temperaturer, så oxidation undviks samt värmekänsliga material kan beläggas

Referenser • Viktor K. Champagne, Cold Spray Technology for Repair, US Army Research Laboratory Aberdeen Proving Ground, NATO, RTO-MP-AVT-163 • J. Villafuerte, B. Jodoin, Recent Trends in Cold Spray Technology: Potential Applications for Repair of Military Hardware, NATO, PTO-MP-AVT-163 • MIL-STD-3021, Department of Defence Manufacturing Process Standard – Materials Deposition, Cold Spray, 28 February 2008 • Victor K. Champagne, The cold spray materials deposition process: Fundamentals and applications, 2007 • David Harvey, Cold Spray Technology Update – Process Developments and Industrial Applications, TWI Ltd.