Een internationaal team van onderzoekers heeft een raadselachtig fenomeen opgelost waarbij vreemd mooie, vortexachtige structuren verschijnen tussen materialen die zijn afgezet op technische componenten die in meerdere omgevingen worden gebruikt - van spaceshuttles tot huishoudelijke artikelen en alledaagse transportvoertuigen.

De ontdekking kan uiteindelijk de efficiëntie verbeteren van het "cold spray" (CS) depositieproces waaruit deze structuren worden gevormd - een niet onbelangrijke overweging vanuit financieel oogpunt, of van een functionele, aangezien sommige van de door CS gecreëerde materialen in de ruimte tot het uiterste worden geduwd.

De ontdekking staat op de voorkant van het internationale tijdschrift, Materialen &Ontwerp.

Koud spuiten (CS) en depositie-efficiëntie (DE)

CS maakt de vorming van coatings mogelijk, typisch metaalachtig, over een substraatmateriaal. De techniek is zeer nuttig omdat er geen ingenieurs nodig zijn om de smelttemperatuur van materialen te bereiken om de coatings en substraten te combineren.

Deeltjes (of metaalpoeder) met een typische diameter van ongeveer de helft van de grootte van een mensenhaar worden met supersonische snelheden voortgestuwd via een versnellend gas over een substraatoppervlak.

Plastische vervorming staat centraal in dit proces; elk klein deeltje vervormt bij impact en veroorzaakt een complex bindingsproces dat resulteert in substraathechting en in deeltjes-deeltjesadhesie nadat een eerste afzettingslaag is gevormd.

Echter, niet alle deeltjes hechten. De depositie-efficiëntie (DE) meet de verhouding tussen depositie en rebound. Bijvoorbeeld, een DE van 50% betekent dat slechts 50% van de inkomende flux van de deeltjes zich aan de coatingzone heeft gehecht.

Inefficiëntie in het proces is een grote hindernis, aangezien het een dure techniek is, dus het verhogen van de efficiëntie (en het verlagen van de kosten) is een belangrijk onderzoeksfocus.

De vortex-achtige structuren

Al geruime tijd observeren ingenieurs vreemde, vortex-achtige structuren op de interface-locatie, tussen de coatings en de substraten. Ze zijn veel kleiner dan de deeltjes, die een puzzel opleverden:wat zijn ze en hoe vormen ze?

Bovendien, deze structuren verschijnen niet altijd en, wanneer ze dat doen, ze verschijnen op een nogal willekeurige manier.

Rocco Lupoi, Universitair docent aan de Engineering School of Engineering van Trinity College Dublin, wie is de werkleider, samen met naaste collega's en experts in China, de VS, Tsjechië en met het Advanced Microscopy Laboratory (AML) in Trinity om de puzzel op te lossen.

Hij zei:"We ontdekten dat de interface-wervelingen zich alleen vormen als het CS-proces niet erg goed werkt, en heeft dus lage DE-waarden. Onder lage depositie-efficiëntie, de meeste gespoten deeltjes kaatsen terug na hun impact. Door ernstige plastische vervorming van de eerste laag coating en substraat te veroorzaken, resulteert dit in een 'hamereffect', wat leidt tot de vorming van de wervels.

"Deze formatie hangt ook af van de combinatie coating-substraatmateriaal, waarbij de coatingmaterialen een voldoende hoge dichtheid moeten hebben om voldoende energie te genereren voor het creëren van grote plastische vervorming van de coating en het substraat van de eerste laag. Bovendien, de ondergrondmaterialen mogen niet te hard zijn zodat er plastische vervorming op kan ontstaan.

"Mogelijk, onze ontdekking kan helpen om de hechting tussen de koud gespoten coatings en de substraten te verbeteren. Om hiervan te profiteren, met behoud van een redelijke proceseconomie, men zou eerst een vermengingsinterface kunnen creëren door middel van lage DE-afzetting, gevolgd door de productie van de coating met behulp van geoptimaliseerde verwerkingsparameters."

Shuo Yin, Universitair docent aan Trinity's School of Engineering, die de eerste auteur van de paper is en de hoofdwetenschapper in dit werk, voegde toe:"Dit was een geweldige multidisciplinaire inspanning en heeft enig licht geworpen op een fenomeen dat de gemeenschap al enige tijd in verwarring bracht. Het CS-proces werkt niet via het smelten van het uitgangsmateriaal, wat voordelig is omdat het betekent dat er beperkt zijn tot niet-warmtebeïnvloede zones, microstructurele veranderingen, of verstoringen om je zorgen over te maken op de eindproducten.

"Ondanks de vooruitgang, CS blijft een proces in ontwikkeling, dus een deel van ons werk is gericht op het verbeteren van de depositieprestaties, coatingkwaliteit en hechtsterkte van de substraatcoating. We hopen dat deze ontdekking de deur opent naar verdere verbeteringen op dat vlak."