Ett internationellt team av forskare har löst ett förbryllande fenomen där märkligt vackert, Vortexliknande strukturer uppstår mellan material som deponeras på tekniska komponenter som används i flera miljöer - från rymdfärjor till hushållsartiklar och vardagstransportfordon.

Upptäckten kan i slutändan förbättra effektiviteten av "cold spray" (CS) deponeringsprocessen från vilken dessa strukturer bildas - en inte obetydlig hänsyn ur ett finansiellt perspektiv, eller från en funktionell med tanke på att en del av materialen som skapas av CS pressas till det yttersta i yttre rymden.

Upptäckten finns på framsidan av en internationell tidskrift, Material &Design.

Kallspray (CS) och deponeringseffektivitet (DE)

CS möjliggör bildandet av beläggningar, typiskt metalliska, över ett substratmaterial. Tekniken är mycket användbar eftersom den inte kräver att ingenjörer når materials smälttemperatur för att kombinera beläggningar och substrat.

Partiklar (eller metallpulver) med en typisk diameter ungefär ½ av storleken på ett människohår drivs med överljudshastigheter via en accelererande gas över en substratyta.

Plastisk deformation är nyckeln i denna process; varje liten partikel deformeras vid stöten och utlöser en komplex bindningsprocess som resulterar i substratvidhäftning och i partikel-partikelvidhäftning efter att ett första avsättningsskikt har bildats.

Dock, inte alla partiklar fäster. Deponeringseffektiviteten (DE) mäter förhållandet mellan avsättning och retur. Till exempel, en DE på 50 % betyder att endast 50 % av partiklarnas inkommande flussmedel har fäst sig vid beläggningszonen.

Ineffektivitet i processen är ett stort hinder med tanke på att det är en dyr teknik, så att öka effektiviteten (och sänka kostnaderna) är ett viktigt forskningsfokus.

De virvelliknande strukturerna

Under ganska lång tid har ingenjörer observerat konstigt, virvelliknande strukturer vid gränssnittsplatsen, mellan beläggningarna och substraten. De är mycket mindre än partiklarna, som presenterade ett pussel:vad är de och hur bildas de?

Vad mer, dessa strukturer visas inte alltid och, när de gör det, de dyker upp på ett ganska slumpmässigt sätt.

Rocco Lupoi, Biträdande professor vid Trinity College Dublins School of Engineering, vem är arbetsledaren, samarbetat med nära kollegor och experter i Kina, USA, Tjeckien och med Advanced Microscopy Laboratory (AML) i Trinity för att lösa pusslet.

Han sa:"Vi upptäckte att gränssnittsvirvlarna bara bildas när CS-processen inte fungerar särskilt bra, och har därmed låga DE-värden. Under låg deponeringseffektivitet, de flesta av de sprutade partiklarna återhämtar sig efter deras sammanstötning. Genom att orsaka kraftig plastisk deformation av förstaskiktsbeläggningen och substratet resulterar detta i en "hammareffekt", vilket leder till att virvlarna bildas.

"Denna bildning beror också på kombinationen av beläggning-substratmaterial där beläggningsmaterialen måste ha tillräckligt hög densitet för att generera tillräckligt med energi för att skapa stor plastisk deformation av förstaskiktsbeläggningen och substratet. Dessutom, substratmaterialen får inte vara för hårda så att plastisk deformation kan induceras på det.

"Potentiellt, vår upptäckt kan bidra till att förbättra vidhäftningen mellan de kallsprutade beläggningarna och underlagen. För att dra nytta av detta, samtidigt som en rimlig processekonomi bibehålls, man skulle först kunna skapa ett blandningsgränssnitt genom låg-DE-avsättning, följt av produktion av beläggningen med optimerade bearbetningsparametrar."

Shuo Yin, biträdande professor vid Trinity's School of Engineering, som är den första författaren i tidningen och huvudforskaren i detta arbete tillade:"Detta var en stor tvärvetenskaplig insats och har kastat lite ljus över ett fenomen som hade förbryllat samhället under en tid. CS-processen fungerar inte via smältningen av råmaterialet, vilket är fördelaktigt eftersom det innebär att det är begränsat till icke-värmepåverkade zoner, mikrostrukturella förändringar, eller snedvridningar att oroa sig för på slutprodukterna.

"Trots framsteg, CS är fortfarande en process under utveckling, så en del av vårt arbete är fokuserat på att förbättra deponeringsprestanda, beläggningskvalitet och substratbeläggningens bindningsstyrka. Vi hoppas att denna upptäckt öppnar dörren till ytterligare förbättringar på den fronten."