A bulk-type Ta material is fabricated using the kinetic spray process and its microstructure and physical properties are investigated. Ta powder with an angular size in the range $9-37{\mu}m$ (purity 99.95%) is sprayed on a Cu plate to form a coating layer. As a result, ~7 mm-sized bulk-type high-density material capable of being used as a sputter material is fabricated. In order to assess the physical properties of the thick coating layer at different locations, the coating material is observed at three different locations (surface, center, and interface). Furthermore, a vacuum heat treatment is applied to the coating material to reduce the variation of physical properties at different locations of the coating material and improve the density. OM, Vickers hardness test, SEM, XRD, and EBSD are implemented for analyzing the microstructure and physical properties. The fabricated Ta coating material produces porosity of 0.11~0.12%, hardness of 311~327 Hv, and minor variations at different locations. In addition, a decrease in the porosity and hardness is observed at different locations upon heat treatment.
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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2017.05a
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pp.90-90
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2017
Cold spray (Cold gas dynamic spray, kinetic spray) is the latest spray coating process that is known as solid state deposition process. In cold spray, inert gases (typically nitrogen and helium) accelerate powder particles prior to impact onto the substrate. Accelerating particles start to deposit onto the substrate after reaching certain critical velocities depending on the coating materials and substrate. Since process gas temperatures are kept below to melting temperature of the coating materials, it is possible to spray temperature sensitive materials such as copper and titanium, nanocrystal materials, and amorphous metals without affecting the phase change and oxide formation. It is also possible to deposit thick coatings because cold spray coatings present compressive residual stresses. This ability to deposit thick coatings is suitable to repair or rebuild parts as an additive manufacturing process. In this presentation, cold spray is introduced and compared to other additive manufacturing processes such as laser and electron beam based processes. It is also presented some applications especially in the view point of additive manufacturing process.
An inert gas atomized NiTiZrSiSn bulk metallic glass feedstock was sprayed onto the copper plate using vacuum plasma spraying process. In order to change the in-flight particle energy, that is, thermal energy, the hydrogen gas flow rate in plasma gas mixture was increased at the constant flow rate of argon gas. Coating and single pass spraying bead were produced with the least feeding rate. Regardless of the plasma gas composition, fully melted through unmelted particle could be observed on the overlay coating. However, the frequency of the unmelted particle number density was increased with the decrease of the hydrogen gas flow rate. The amorphous phase fraction within coating was also affected by the number density of the unmelted particle.
This study is a basic research for repair material production which manufactured a Cu repair coating layer on the base material of a Cu plate using kinetic spray process. Furthermore, the manufactured material underwent an annealing heat treatment, and the changes of microstructure and macroscopic properties in the Cu repair coating layer and base material were examined. The powder feedstocks were sphere-shaped pure Cu powders with an average size of $27.7{\mu}m$. The produced repair coating material featured $600{\mu}m$ thickness and 0.8% porosity, and it had an identical ${\alpha}$-Cu single phase as the early powder. The produced Cu repair coating material and base material displayed extremely high adhesion characteristics that produced a boundary difficult to identify. Composition analysis confirmed that the impurities in the base material and repair coating material had no significant differences. Microstructure observation after a $500^{\circ}C/1hr$. heat treatment (vacuum condition) identified recovery, recrystallization and grain growth in the repair coating material and featured a more homogeneous microstructure. The hardness difference (${\Delta}H_v$) between the repair coating material and base material significantly reduced from 87 to 34 after undergoing heat treatment.
Proceedings of the Korean Powder Metallurgy Institute Conference
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2006.09a
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pp.242-243
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2006
NiTiZrSiSn bulk metallic glass powder was produced using inert gas atomization and then was sprayed onto a SS 41 mild steel substrate using the kinetic spraying process. Through this study, the effects of thermal energy of in-flight particle and crystallization degree by powder preheating temperature were evaluated. The deformation behavior of bulk metallic glass is very interesting and it is largely dependent on the temperature. The crystalline phase formation at impact interface was dependent on the in-flight particle temperature. In addition, variations in the impact behavior need to be considered at high strain rate and in-flight particle temperature.
Kim, Ji Won;Lee, Ji Hye;Jang, Hae Chang;Lee, Kee-Ahn
Journal of Powder Materials
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v.22
no.6
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pp.408-412
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2015
This study attempts to manufacture a Ni-Cr-Al-Y coating layer using a kinetic spray process and investigates the microstructure and physical properties of the manufactured layer. The Ni-22Cr-10Al-1Y (wt.%) composition powder is used, and it has a spherical shape with an average diameter of $23.7{\mu}m$. Cu plate is used as the substrate. Optical microscope, X-ray diffraction, scanning electron microscope and Vickers hardness test are carried out to characterize the macroscopic properties of the coating layer. Furthermore, the coating layer underwent vacuum heat treatment at temperatures of $400^{\circ}C$ and $600^{\circ}C$ for 1 hour to check the effect of heat treatment temperature on the properties. The manufactured coating layer is 1.5 mm thick, and featured identical phases to those found in the powder. The porosity of the coating layer is measured at 2.99%, and the hardness is obtained at $490.57H_v$. The layer shows reduced porosity as heat treatment temperature increased, and hardness is reduced at $400^{\circ}C$ but shows a slight increase at $600^{\circ}C$. Based on the findings described above, this study also discusses possible manufacturing methods for a Ni-Cr-Al-Y coating layer using the kinetic spray process.
Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference
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2006.05a
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pp.145-148
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2006
Cold gas dynamic spray is a relatively new coating process by which coatings can be produced without significant heating during the process. Cold gas dynamic spray is conducted by powder sprayed by supersonic gas jet, and generally called the kinetic spray or cold-spray. Cold-spray was developed in Russia in the early 1980s to overcome the defect of thermal spray method. Its low process temperature can minimize thermal stress and also reduce the deformation of the substrate. Most researches on cold-spray have focused on micro scale coating, but our research team tried to apply this method to macro scale deposition. The macro scale deposition causes deformation of a thin substrate which is usually convex to the deposited side. In this research, the main cause of the deformation was investigated using 6061-T6 aluminum alloy and properties of deposited aluminum layer such as coefficient of thermal expansion, Elastic modulus, hardness, electric conductivity were measured. From the result of the analysis, it was concluded that compressive residual stress was the main reason of substrate deformation while CTE had little effect.
Multi-walled carbon nanotube (MWCNT) aluminum composite powders were deposited to form coatings using a high velocity oxygen fuel (HVOF) spraying process. High thermal energy and contact with atmospheric oxygen were supplied as the MWCNT aluminum composite particles were exposed to a gas flow field at high temperature (${\sim}3.0{\times}10^3$ K) during HVOF spraying. As a result, the particles underwent full or partial melting and rapid solidification due to the high thermal energy, and the exposure to oxygen induced the interfacial reaction of MWCNTs within the particle. The electrical and mechanical properties of MWCNT aluminum composite coatings were evaluated based on microstructure analysis. Electrical resistivity, elastic modulus, and micro-hardness, of the MWCNT aluminum composite coatings were higher than those of pure aluminum coating. The contribution of MWCNTs to the aluminum matrix can be attributed to their high electrical conductivity, dispersion hardening and anchoring effects. The relationship among the properties and the interaction of the MWCNTs with the aluminum matrix is discussed.
The effect of heat treatment environment on the microstructure and properties of tantalum coating layer manufactured by kinetic spraying was examined. Heat treatments are conducted for one hour at $800^{\circ}C$, $900^{\circ}C$, and $1000^{\circ}C$ in two different environments of vacuum and Ar gas. Evaluation of microstructure and physical properties are conducted. High density ${\alpha}$-tantalum single phase coating layer with a porosity of 0.04% and hardness of 550 Hv can be obtained. As heat treatment temperature increases, porosity identically decreases regardless of heat treatment environment (vacuum and Ar gas). Hardness of heat treated coating layer especially in Ar gas environment deceases from 550 Hv to 490 Hv with increasing heat treatment temperature. That in vacuum environment deceases from 550 Hv to 530 Hv. The boundary between particles became vague as heat treatment temperature increases. Oxygen distribution of tantalum coating layer is minute after heat treatment in vacuum environment than Ar gas environment.
Niobium is one of the most important and rarest metals, and is used in the electronic and energy industries. However, it's extremely high melting point and oxygen affinity limits the manufacture of Nb coating materials. Here, a Nb coating material is manufactured using a kinetic spray process followed by hot isotactic pressing to improve its properties. OM (optical microscope), XRD (X-ray diffraction), SEM (scanning electron microscopy), and Vickers hardness and EPMA (electron probe micro analyzer) tests are employed to investigate the macroscopic properties of the manufactured Nb materials. The powder used to manufacture the material has angular-shaped particles with an average particle size of $23.8{\mu}m$. The porosity and hardness of the manufactured Nb material are 0.18% and 221 Hv, respectively. Additional HIP is applied to the manufactured Nb material for 4 h under an Ar atmosphere after which the porosity decreases to 0.08% and the hardness increases to 253 Hv. Phase analysis after the HIP shows the presence of only pure Nb. The study also discusses the possibility of using the manufactured Nb material as a sputtering target.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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