Spray coating is a versatile surface modification technology in which coating is built-up based on the successive deposition of micron-scaled particles. Depending on the coating materials, the coatings can meet the required mechanical properties, corrosion resistance, and other properties of base materials. Spraying processes are mainly classified into thermal and kinetic spraying according to their bonding mechanism and deposition characteristics. Specifically, thermal spraying process can be further classified into many categories based on the design and mechanism of the process, such as frame spraying, arc spraying, atmospheric plasma spraying (APS), and high velocity oxygen-fuel (HVOF) spraying, etc. Kinetic spraying or cold gas dynamic spraying is a newly emerging coating technique which is low-temperature and high-pressure coating process. In this paper, overall view of thermal and kinetic spray coating technologies is discussed in terms of fundamentals and industrial applications. The technological characteristics and bonding mechanism of each process are introduced. Deposition behavior and properties of technologically remarkable materials are reviewed. Furthermore, industrial applications of spray coating technology and its potentials are prospected.
In this study, bronze or SUS304 powders blended with 10 wt.% diamond particles were used to prepare metal/diamond composite materials deposited by cold spraying. The effects of matrix metal, diamond partical size, and the thickness of the Ni coating on the diamond were studied on Al 6061 substrate. The results showed that the hardness of the metal/diamond composite coating layers was higher than that of the same composite materials when using the sintering method. The fraction of diamond content in the coated layer increased when the metal matrix was soft. When the size of the diamond particles was reduced, the fraction of the diamond particles increased. In addition, in the case of diamond with a thicker Ni-coated layer, the fracturing of diamonds was mitigated in the composite coating layers.
Carbon nanotubes(CNTs) have outstanding mechanical, thermal, and electrical properties. Thus, by placing nanotubes into appropriate matrix, it is postulated that the resulting composites will have enhanced properties. Cold spray can produce thick metal-based composite coatings with very high density, low oxygen content, and phase purity, which leads to excellent physical properties. In this study, we applied cold spray coating process for the consolidation of Cu/CNT composite powder. The precursor powder mixture, in which CNTs were filled into copper particles, was prepared to improve the distribution of the CNT in copper matrix. Pure copper coating was also conducted by cold spraying as a reference. Annealing heat treatment was applied to the coating to examine its effect on the properties of the composite coating. The hardness of Cu/CNT composite coating represented similar value to that of pure copper coating. It was importantly found that the electrical conductivity of the Cu/CNT composite coating significantly increased from 53% for the standard condition to almost 55% in the optimized condition, taking annealed ($500^{\circ}C/1hr$.) copper coating as a reference (100%). The thermal conductivity of Cu/CNT composite coating layer was higher than that of pure Cu coating. It was also found that the electrical and thermal conductivities of Cu/CNT composite could be improved through annealing heat treatment. The microstructural evolution of Cu/CNT coating was also investigated and related to the macroscopic properties.
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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2005.11a
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pp.183-184
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2005
Four different coatings deposited using cold spray process were studied with two different powder agglomerating techniques (spray d교 and evaporated powder) and using $TiO_2$ nano-sized powders with and without a 10wt% addition of ZnO. Characterization was performed by SEM, XRD and roughness test. Also the photocatalytic effect of the coatings was evaluated. Although the change of powder preparation techniques and the addition of ZnO into $TiO_2$ did not show appreciable variations in the surface morphology and Anatase phase transformation, it did show influence on the surface roughness of the coating, the highest roughness being found in the coatings made by spray powder prepared method. Regarding the photocatalytic effect it was observed that the using the spray dry coating and the addition of ZnO are promoter of purification at higher rates.
Cu based amorphous ($Cu_{54}Zr_{22}Ti_{18}Ni_{6}$) powders were deposited onto Al 6061 substrates by cold spray process with different powder preheating temperatures (below glass transition temperature: $350^{\circ}C$, near glass transition temperature: $430^{\circ}C$ and near crystallization temperature: $500^{\circ}C$). The microstructure and macroscopic properties (hardness, wear and corrosion) of Cu based amorphous coating layers were also investigated. X-ray diffraction results showed that cold sprayed Cu based amorphous coating layers of $300{\sim}350{\mu}m$ thickness could be well manufactured regardless of powder preheating temperature. Porosity measurements revealed that the coating layers of $430^{\circ}C$ and $500^{\circ}C$ preheating temperature conditions had lower porosity contents (0.88%, 0.93%) than that of the $350^{\circ}C$ preheating condition (4.87%). Hardness was measured as 374.8 Hv ($350^{\circ}C$), 436.3 Hv ($430^{\circ}C$) and 455.4 Hv ($500^{\circ}C$) for the Cu based amorphous coating layers, respectively. The results of the suga test for the wear resistance property also corresponded well to the hardness results. The critical anodic current density ($i_{c}$) according to powder preheating temperature conditions of $430^{\circ}C$, $500^{\circ}C$ was lower than that of the sample preheated at $350^{\circ}C$, respectively. The higher hardness, wear and corrosion resistances of the preheating conditions of near $T_{g}$ and $T_{x}$, compared to the properties of below $T_{g}$, could be well explained by the lower porosity of coating layer.
Park, Hye-Young;Park, Jong-In;Jung, Hun-Je;Jang, Kyoung-Soo;Baek, Ui-Hyun;Han, Jeong-Whan;Kim, Hyung-Jun
Korean Journal of Metals and Materials
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v.49
no.3
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pp.221-230
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2011
The cold spray process is an emerging technology that utilizes high velocity metallic particles for surface coating. Metallic powder particles are injected into a converging-diverging de Laval nozzle and accelerated to a high velocity by a supersonic gas flow. The cold spray process normally uses a circular nozzle that has a rather narrow spraying range. To overcome this fault, a slit nozzle was considered in this study. The slit nozzle is anticipated to reduce the coating process time because it has a wider coating width than the circular nozzle. However, the slit nozzle can reduce the coating efficiency because it does not allow as much gas and particle velocity as the circular nozzle. To improve the coating efficiency of a slit nozzle, the shape of the slit nozzle was modified. And the results of gas flow and particle behaviour according to the nozzlers shape were compared by the a numerical analysis. As a results, as Expansion Ratio(ER) of 7.5 was found to be the most optimal condition for enhancing the spraying efficiency when the ER was changed by the variation of nozzle neck and exit size.
This study attempted to manufacture a Cu-15 at.%Ga coating layer via the cold spray process and investigated the effect of heat treatment environment on the properties of cold sprayed coating material. Three kinds of heat treatment environments, $5%H_2$+argon, pure argon, and vacuum were used in this study. Annealing treatments were conducted at $200{\sim}800^{\circ}C$/1 hr. With the cold sprayed coating layer, pure ${\alpha}$-Cu and small amounts of $Ga_2O_3$ were detected in the XRD, EDS, EPMA analyses. Porosity significantly decreased and hardness also decreased with increasing annealing temperature. The inhomogeneous dendritic microstructure of cold sprayed coating material changed to the homogeneous and dense one (microstructural evolution) with annealing heat treatment. Oxides near the interface of particles could be reduced by heat treatment especially in vacuum and argon environments. Vacuum environment during heat treatment was suggested to be most effective one to improve the densification and purification properties of cold sprayed Cu-15 at.%Ga coating material.
Proceedings of the Korean Powder Metallurgy Institute Conference
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2006.09a
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pp.240-241
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2006
Metal/diamond binary composite coatings on Al substrate without grit blasting were deposited by cold spray process with insitu powder preheating. Microstructural characterization of the as-sprayed coatings with different diamond size, strength and with/without Ti coating on diamond was carried out by OM and SEM. The assessment of basic properties such as tensile bond strength and hardness of the coatings, and the deposition efficiency was also carried out. Particular attention on the composite coatings was on the diamond fracture phenomenon during the cold spray deposition and the interface bonding between the diamond and the Fe-based metal matrix.
Proceedings of the Korean Powder Metallurgy Institute Conference
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2006.09a
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pp.238-239
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2006
Nozzle geometry influences gas dynamics making sprayed particle behavior one of the most important parameters in cold spray process. Gas flows at the entrance convergent section of the nozzle takes place at relatively high temperature and are subsonic. Thus, this region is a very suitable environment for heating spray particle. In this study, numerical simulation and experiments were conducted to investigate the effect of nozzle contour, entrance geometry of nozzle and powder injection position at nozzle on the cold spray process. The process changes were observed through numerical simulation studies and the results were used to find a correlation with coating properties.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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