Laser-Assisted Cold Spraying: Method, Parameters, and Coating Properties

Abstract

Laser-assisted cold spray (LACS) is a method of cold spraying that employs a laser beam to heat the substrate or previously deposited layer’s surface during the deposition process. The primary goal in LACS is to raise the temperature of the underlying surface to soften the material and thus increase its deformability. The plastic deformation of the materials is a key aspect of bonding and deposit quality in traditional cold spray processes where metallic materials are ubiquitous. One of the most attractive qualities of traditional cold spray is its ability to retain the original microstructure of the feedstock material in the produced deposit, something that other spray deposition methods cannot achieve.

Traditional heat treatment methods for cold sprayed coatings, whether applied as a post processing step or in-situ, apply the heat to the entire system offering little control over the location and duration of the heating at discrete location in the deposit. This can lead to detrimental microstructural evolution undermining the benefits of cold spray. A laser beam enables fine-tuned control over the application of the heating ranging from only the deposition temperature seeing a notable rise to fully recrystallised deposit structures. The positive impact of laser assistance in cold spray manifests primarily as increased deposition efficiency, improved bond strength, increased deposit density and reduced porosity, reduced hardness and a decrease and homogenisation of residual stresses. LACS is conceptually simple to apply as it can be added on to any functioning cold spray system introducing only a few additional process parameters. The typical fields of application for cold spray in coatings, repair, and additive manufacturing are not altered or disadvantaged by the addition of laser assistance, only the range of deposit qualities achievable is increased, for example the corrosion resistance of coatings or the ductility and fatigue strength of mended areas in repaired parts can both be improved with LACS over traditional cold spraying.

LACS coatings of stainless steel 316L and Al-6061 have been produced and compared against traditional high-pressure cold sprayed coatings to analyse the effect of laser assistance. An increase in coating thickness implicative of improved deposition efficiency and altered mechanical properties were achieved with laser assistance even at low temperatures.

Laseravusteinen kylmäruiskutus (LACS) on kylmäruiskutusmenetelmä, jossa lasersäde kohdistetaan substraatin tai edellisen pinnoituskerroksen pinnalle yhtaikaisesti ruiskutuksen kanssa. Laseravustuksen pääasiallinen tavoite kylmäruiskutuksessa on nostaa substraattikerroksen lämpötilaa ja täten pehmentää materiaalin pintaa ja parantaa sen muodonmuutoskykyä. Materiaalien plastinen muodonmuutos on ensisijainen tekijä yleisimmissä kylmäruiskutusprosesseissa, joissa metallimateriaalit ovat käytännössä vaatimus. Yksi kylmäruiskutuksen käytännöllisimmistä ominaisuuksista on sen kyky muodostaa pinnoitteita, joiden mikrorakenne vastaa käytetyn jauheen mikrorakennetta. Tämä asettaa kylmäruiskutuksen erilleen muista termisen ruiskutuksen pinnoitusmenetelmistä.

Perinteiset lämpökäsittelymenetelmät, olivat ne sitten jälkikäsittelyitä tai in-situ prosesseja, lämmittävät koko pinnoitesysteemiä ja ovat vaikeasti hallittavissa erillisissä osissa pinnoitetta. Tämä voi johtaa haitallisiin mikrorakenteen muutoksiin ja heikentää kylmäruiskutuksen tuomia etuja. Lasersäde mahdollistaa lämmöntuonnin tarkan hallinnan, jossa lämpötilan korotus voidaan rajoittaa koskemaan pitkälti vain ruiskutusaluetta tai laajentaa koko pinnoitteen uudelleenkiteytymiseen asti. Laseravustuksen merkitys kylmäruiskutuksessa yleisellä tasolla on korkeampi ruiskutustehokkuus, parantunut sidoslujuus, korkeampi pinnoitetiheys ja alempi huokoisuus, matalampi kovuus ja jäännösjännitysten laskeminen ja homogenisoiminen. LACS on suhteellisen yksinkertainen menetelmä toteuttaa. Sen vaatimat laitelisäykset ovat täysin erilliset kylmäruiskutuslaitteistosta ja ne lisäävät vain muutaman prosessiparametrin. Kylmäruiskutuksen tyypilliset käyttökohteet pinnoituksessa, korjauksessa ja ainetta lisäävässä tuotannossa eivät muutu laseravustuksen seurauksena, mutta tuotettavien pinnoitelaatujen määrä kasvaa. Esimerkiksi pinnoitteiden korroosionkestävyyttä tai korjattujen komponenttien väsymislujuutta voidaan lisätä laseravusteisella kylmäruiskutuksella verrattuna perinteiseen kylmäruiskutukseen.

Tässä työssä ruostumaton teräs 316L ja Al-6061 pinnoitetta tuotettiin LACS menetelmällä ja niitä verrattiin vastaaviin perinteisellä kylmäruiskutuksella tuotettuihin pinnoitteisiin menetelmien välisten erojen analysoimiseksi. Ruiskutustehokkuuden nousuun viittaava pinnoitepaksuuden nousu ja mekaanisten ominaisuuksien muutos todettiin jo suhteellisen matalilla laseravusteisilla lämpötiloilla.