E.04 Villafuerte.indd - CenterLine Supersonic Spray Technology

M. Yandouzi1, S. Gaydos2, D. Guo1, R. Ghelichi3, B. Jodoin1, J. Villafuerte4
1
Mechanical Engineering Department, University of Ottawa, Ottawa, ON, Canada.
2
Boeing Research and Technology (BR&T), United States.
3
Politecnico di Milano, Milano, Italy.
4
CenterLine Windsor Ltd, Windsor, Canada
Fortschritte bei der Instandsetzung von beschädigter Flugzeugaußenhaut
durch Kaltgasspritzen
Advances in the Restoration of Damaged Aircraft Skin by the Cold Spray
Technique
Abstract
Abstract
Das Kaltgasspritzen hat sich in den 80er Jahren durch die
Russische Akademie der Wissenschaften in Novosibirsk als
angewandte Technologie etabliert. Zu den positiven Eigenschaften des Kaltgasspritzzens gehört die Möglichkeit, oxidfreie Schichten mit geringer Porosität und gute Haftung aufzubringen, ohne dass sich die Mikrostruktur des Spritzzusatzwerkstoffes oder des Substrats verändert. Dreißig Jahre später, wächst die wirtschaftliche Umsetzung dieser Technologie
weiter und hat Anwendungsgebiete wie z. B. die dimensionale
Instandsetzung in der Luftfahrtindustrie schon erobert. Der
Schwerpunkt dieser Veröffentlichung/Studie lag auf der Verwendung vom Niederdruck-Kaltgasspritzen mit Pulverinjektion im divergenten Düsenbereich, um eine beschädigte Flugzeugaußenhaut aus Al-Basis-Material zu reparieren und dichte
Schichten mit einer starken Haftung zum Werkstoff 2024-T3Aluminium zu erzielen. Um zu beweisen, dass das Kaltgasverfahren bei der Reparatur von Flugzeugaußenhaut technisch
realisierbar ist, wurde eine Reihe von industrieübliche Charakterisierungs- und Validierungstests darunter die Auswertung
von Mikrostruktur, Mikrohärte, Haftfestigkeit, Dreipunktbiegen,
Oberflächenbeschaffenheit, Ermüdungsprüfungen und Korrosionsbeständigkeit durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass
das Niederdruck-Kaltgasspritzen mit Pulverinjektion im divergenten Düsenbereich sehr erfolgreich bei der Instandsetzung
von Flugzeugaußenhaut eingesetzt werden kann.
Cold spray technology emerged as a practical technology in the 1980’s from the Russian Academy of Sciences in
Novosibirsk. Some of the good attributes of cold spray technology include the ability to deposit low porosity and oxidefree coatings with good adhesion and with no change to the
microstructure of sprayed materials or substrate. Thirty years
later, the commercial implementation of this technology continues to grow in applications such as dimensional restoration
in the aerospace industry. This study focused on the use of
downstream injection cold spray, at low-pressures, to repair
damaged Al-based aircraft skin, aiming at obtaining dense
coatings with strong adhesion to 2024-T3 aluminum. In order
to prove the feasibility of using of the cold spray process as a
repair technique for aircraft skin, a series of industry standard
characterization and validation tests were conducted including microstructural assessment, micro hardness, adhesion
strength, three-point bending, surface finish, fatigue test, and
corrosion resistance. The results indicated that downstream
injection cold spray at low pressures can be successfully
used for the repair of aircraft skin.
1
1
Einleitung
Introduction
Seit über 80 Jahren werden Aluminium und deren Legierungen bei tragenden und nichttragenden Flugzeugbauteilen
vorzugsweise verwendet [1]. Obwohl Polymermatrixverbundstoffe Anwendungen wie militärischen Hochleistungsflugzeugen bisher dominiert haben, werden Aluminiumlegierungen
weiterhin für Elemente wie Rumpf, Tragfläche und Tragwerk
von Verkehrs-, Transport- und militärischen Frachtflugzeugen
bevorzugt. Dass das Vertrauen in Aluminiumlegierungen weiterhin nicht nachlässt ist vor allem ihren bekannten Leistungsmerkmalen, den bewährten Herstellungsmethoden sowie den
jüngsten technologischen Fortschritten u.a. zu verdanken.
For over 80 years, aluminum and its alloys have been
the material of choice for aircraft structural and non-structural components [1]. Even though polymer matrix composites have dominated for applications in high-performance
military aircraft, to date, aluminum alloys continue to be the
common choice for fuselage, wing, and supporting structure
of commercial airliners, military cargos, and transports. The
well-known performance characteristics, established fabrication methods, as well as recent technological advances
are just a few of the reasons for the continued confidence in
aluminum alloys.
Reine Aluminiumverkleidung (Alclad) wird schon seit Jahren als eine nichttragende Hochglanzbeschichtung beim Korrosionsschutz von hoch festen Aluminiumlegierungen verwendet, die in der Regel eine schlechte Korrosionsbeständigkeit
aufweisen [2]. Im Betrieb führt die unvermeidbare Auswirkung
von Feinstaub und/oder anderen Ablagerungen auf die Flugzeugaußenhaut möglicherweise zu einer dauerhaften lokalen
Beschädigung der Alcad-Schutzschicht. In solchen Fällen
muss die Außenhaut erneuert oder, was eher der Fall ist, der
ganze Bereich mit erheblichen Kosten verbunden ersetzt werden [3]. Wenn eine Reparatur machbar ist, sollten die Arbeiten
so ausgeführt werden, dass sowohl die lokalen Korrosionseigenschaften als auch die Oberflächenbeschaffenheit ihren
Pure aluminum cladding (Alclad) has long been used as
a non-structural high luster coating for corrosion protection
of high strength aluminum alloys, which typically yield poor
corrosion resistance [2]. During service, the unavoidable impact of particulate and/or other debris on the aircraft skin may
result in permanent localized damage of the Alclad protective
layer. In such cases, the skin must be repaired or (more likely)
the entire section must be replaced at a significant cost [3].
If repair is feasible, such repair must be performed so that
local corrosion properties as well as surface finish are both
restored to the original specifications without altering or thermally affecting the base metal.
179
18
ursprünglichen Spezifikationen entsprechen, ohne dass das
Grundmetall geändert oder thermisch belastet wird.
Die Thermischen Spritzverfahren wie Plasma- oder Lichtbogendrahtspritzen werden traditionell bei der Instandsetzung
von beschädigter Aluminiumverkleidung an der Flugzeugaußenhaut verwendet [4]. Beim Thermischen Spritzen wird der
Spritzzusatzwerkstoff (draht- oder pulverförmig) im geschmolzenen oder angeschmolzen Zustand durch einen Heißgasstrahl in Richtung Substrat beschleunigt; das Spritzmaterial
trifft auf das Substrat auf, verformt sich und bildet im festen
Zustand eine Schicht. Aufgrund der hohen Prozesstemperatur und/oder der Beschaffenheit der eingesetzten Gase, ist es
von hohe Wahrscheinlichkeit, dass die thermisch gespritzten
Schichten eine hohe Porosität, Oxidation, Einschlüsse und die
Bildung von Wärmeeinflusszonen im Substrat aufweisen. Außerdem ist der Spritzstrahl meistens sehr breit. Dies hat zur
Folge, dass die Bereiche um die Reparaturfläche abgedeckt
werden müssen, was zeitintensiv ist und einen beträchtlichen
Anteil der Instandsetzungskosten ausmacht.
18
Das Kaltgasspritzen wurde in den 80er Jahren in der ehemaligen Sowjetunion entwickelt. Die Anwendbarkeit dieser Technologie als Beschichtungsverfahren (Hochdruck-Kaltgasspritzen
oder Pulverinjektion im konvergenten Düsenbereich) wurde zuerst durch das Institut für Theoretische und Angewandte Mechanik der Russischen Akademie der Wissenschaften in Novosibirsk [5, 6] und dann später durch das Obninsk Center for Powder Spraying (Niederdruck-Kaltgasspritzen oder Pulverinjektion
im divergenten Düsenbereich) [7, 8] demonstriert und patentiert. Beim Kaltgasverfahren wird das vorgeheizte Prozessgas
(Helium, Stickstoff oder Luft) in eine konvergenten/divergenten
Laval-Düse injiziert, um die Umwandlung der Enthalpie in kinetische Energie zu ermöglichen. Dabei wird das Gas auf Überschallgeschwindigkeiten beschleunigt. Das pulverförmige Ausgangsmaterial wird in den konvergenten Düsenabschnitt oder
in den divergenten Düsenabschnitt injiziert. Bei der richtigen
Kombination von Partikeleigenschaften und Spritzparametern
kommt es beim Aufprall auf das Substrat zu einer plastischen
Verformung der Spritzpartikel, wobei sich eine dichte Schicht
bildet [9, 10]. Das Kaltgasverfahren wird bei der Herstellung
von Schutzschichten, ultradicken Schichten, Freiformen und
Near-Net-Shape-Komponenten [11, 12, 13, 14] benutzt. Die
Tatsache, dass im festen Zustand eine ausreichende Kohäsion und Adhäsion erreicht werden kann, macht die mit Kaltgas
gespritzten Schichten einmalig. Somit ist dieses Verfahren zur
Abscheidung unterschiedlichster Werkstoffe auf viele verschiedene Substrate vor allem bei temperaturempfindlichen Anwendungen wie bei nanokristallinen, amorphen [15, 16, 17, 18] und
sauerstoffempfindlichen Materialien wie z. B. Aluminium, Magnesium und Titan [19, 20, 21, 22] besonders gut geeignet. Der
Einsatz vom Kaltgasspritzen bei Reparaturarbeiten, bei denen
Luft oder Stickstoff verwendet wird, hat sich als kostengünstig
erwiesen, ist in die Produktion einfach zu integrieren und kann
bei der Reparatur vor Ort leicht angepasst werden [20]. Zudem
gilt diese Technologie als die bestmögliche Methode, um Aluminiumschichten zu erzeugen. Als Teil einer Gesamtstrategie wird
es in der Tat in Erwägung gezogen, sie zur Erfüllung strengeren
Umwelt- und Arbeitsschutzverordnungen als Ersatz für die heutigen Verchromungsverfahren einzusetzen [9].
Dieser Beitrag gibt einen Überblick der jüngsten Forschungsergebnisse, die den Einsatz von Kaltgasspritzen mit
Pulverinjektion im konvergenten Düsenbereich zu Wiederherstellung von beschädigten Aluminiumverkleidungsschichten
auf 2024-T3 Aluminiumlegierung (Alclad 2024-T3) bei Verkehrsflugzeughäuten untermauern. Dabei wurden verschiedene Eigenschaften wie Mikrostruktur, Haftfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Oberflächenbeschaffenheit mit denen
von thermisch gespritzten Proben verglichen.
180
Thermal spray (TS) processes, such as plasma or arc wire
spraying, have traditionally been used to repair damaged clad
aluminum on aircraft skins [4]. In thermal spray, the coating
material (wire or powder) is heated to a molten or semi-molten
state then accelerated towards the substrate by a hot gas jet;
the spray material impinges and deforms on the substrate
producing a coating upon solidification. Due to the high process temperature and/or nature of the gases used, thermal
spray coatings are likely to show excessive porosity, oxidation, inclusions, and formation of heat affected zones in the
substrate. Furthermore, the thermal spray plume is usually
very wide, normally requiring masking to protect areas around
the repair surface, a time consuming task which quite often
represents a significant portion of the repair cost.
Cold spray was developed in the 1980s in the former Soviet Union. The applicability of this technology as a coating
process was demonstrated and patented first by the Institute
of Theoretical and Applied Mechanics of the Academy of Sciences in Novosibirisk (high-pressure cold spray or upstream
injection method) [5, 6] and then by the Obninsk Center for
Powder Spraying (low-pressure cold spray or downstream
injection method) [7, 8]. In Cold spray, pre-heated propellant gas (helium, nitrogen, or air) is injected into a converging-diverging nozzle to allow the conversion of enthalpy into
kinetic energy, accelerating the gas to supersonic speeds.
The feedstock powder is introduced in the converging section (upstream injection method), or in the diverging section
(downstream injection method) of the nozzle. If the right combination of particle characteristics and spray parameters are
utilized, the sprayed particles plastically deform on the substrate upon impact producing a dense coating [9, 10]. Cold
spray has been used to produce protective coatings, ultrathick coatings, free-forms, and near net shape components
[11, 12, 13, 14]. Cold spray deposits are unique in the sense
that enough cohesion and adhesion are achieved in the solid
state. This makes Cold spray a suitable process for depositing a wide range of materials on many types of substrates,
especially in applications that are temperature sensitive, such
as nanocrystalline, amorphous [15, 16, 17, 18], and oxygensensitive materials, including aluminum, magnesium, and titanium [19, 20, 21, 22]. The use of Cold spray for repair applications, that can use air or nitrogen, has been demonstrated
to be inexpensive, easily incorporated into production, and
easily adaptable for field repair [20]. Furthermore, the Cold
spray process is considered the best possible method for depositing aluminum coatings. It is, in effect, being considered
as part of an overall strategy to replace chromate processes
in use today, in order to comply with stringer environmental
and worker safety regulations [9].
This paper reviews the results of recent research aimed
at validating the use of downstream injection Cold spray to
locally restore the characteristics of damaged Aluminum clad
layers on clad 2024-T3 aluminum alloy (Alclad 2024-T3) for
commercial aircraft skins. Various characteristics of the repair,
such as microstructural, adhesion strength, corrosion resistance, fatigue resistance, and surface finish, were compared
to samples produced by thermal spray.
2
Versuchsverfahren
2
Für diese Untersuchung wurde eine Kaltgasanlage mit Pulverinjektion im divergenten Bereich der Düse (CenterLine SSTSERIES-P cabinet) [23] (Bild 1) in Verbindung mit einem technisch reinen Al-Pulver (CenterLine SST-A5001) verwendet. Um
eine Verstopfung der Düse vor allem bei einer relativ hohen
Gaseintrittstemperatur zu verhindern, wurde eine handelsübliche Polymerdüse (CenterLine
UltiFlow™) gewählt. Das Pulver
wurde mittels einem externen Pulverförderer (Praxair 1264) und mit
Stickstoff als Trägergas zugeführt.
Das Kaltgasspritzen wurde
an einer künstlich beschädigten Alclad 2024-T3-Aluminiumlegierung aufgeteilt in flachen 2,0 mm dicken Coupons
ausgeführt (siehe Bild 2). Vor
dem Kaltgasspritzen wurde
die Oberfläche durch Strahlen mit Aluminiumoxid vorbereitet, um die Haftfestigkeit zu
verbessern. Eine Clad-Schicht
(60–80 μm dick) befand sich
auf beiden Seiten der Probeplättchen und bestand aus einer 1230-Aluminium-Legierung
(Al 99,3%, Si+Fe 0,7%, Cu 0,1%,
Mn 0,05%, Mg 0,05%). Das ursprüngliche Alclad 2024-T3 wird
mittels Pressschweißen hergestellt.
Bild 1:
Experimental procedures
In this study, a downstream injection Cold spray system
(CenterLine SST SERIES P cabinet) was used [23] (Fig. 1) in
conjunction with commercially pure Al powder (CenterLine
SST-A5001). In order to prevent nozzle clogging, especially
at relatively high gas inlet temperature, a commercially available polymeric nozzle (CenterLine UltiFlow™) was selected.
The powder was fed using an
external powder feeder (Praxair
1264), and nitrogen was used as
the carrier gas.
Kaltgasanlage mit Pulverinjektion im konvergenten Bereich der Düse – mit freundlicher Genehmigung von CenterLine Windsor Ltd.
Cold spraying was conducted on artificially damaged Alclad 2024-T3 aluminium alloy in
flat 2.0 mm thick coupons (see
Fig. 2). Surface preparation prior
to Cold spray was conducted by
grit blasting with alumina to improve adhesion strength. A clad
layer (60–80 μm thick) was present on both sides of the sheets
and consisted of a 1230 aluminum alloy (Al 99.3%, Si+Fe 0.7%,
Cu 0.1%, Mn 0.05%, Mg 0.05%).
The original Alclad 2024-T3 is
manufactured by pressure roll
welding.
Microstructural characterization of the feedstock powders
Figure 1: Downstream injection cold spray system. Courand coatings was performed
tesy of CenterLine Windsor Ltd.
using optical microscopy and
scanning electron microscopy
Die mikrostrukturelle Charakterisierung der Ausgangs- (SEM), following the standard ASTM E1920-03 [24]. The feedpulvern und –schichten wurde mittels optischer Mikroskopie stock material was examined both as free-standing particles
and resin mounted. Microstrucund Rasterelektronmikroskopie
tural features such as particle
(REM) gemäß der Norm ASTM
deformation, coating thickness,
E1920-03 [24] durchgeführt. Das
and porosity were characterized
Ausgangsmaterial wurde sowohl
using commercial image analysis
als frei stehende Partikel als auch
software on digital micrographs.
im Harz eingebettet untersucht.
Vickers microhardness measureGefügemerkmale wie Partikelments were taken with a comdeformation, Schichtdicke und
mercial microhardness tester.
Porosität wurden mit gängiger
Bond strength evaluations were
Bildanalysesoftware auf digitalen
conducted per ASTM Standard
Mikrobildern charakterisiert. MikC 633-01 [25] glue method.
rohärtemessungen nach Vickers
wurden mit einem handelsübliCoating/substrate adhesion was
chen Mikrohärteprüfgerät vorgealso tested using three point
nommen. Die Auswertungen der
bending test [4] using repaired
Haftfestigkeit wurden mit dem
and lustered coupons. DisplaceKlebeverfahren gemäß ASTM
ment control fatigue tests were
Bild 2:
Schema einer Standardprüfplatte, bei der eine
Standard C 633-01 [25] durchperformed per ASTM B-593 [26]
beschädigte Alclad-Platte (Draufsicht und Quergeführt. Mittels Dreipunktbiegeand ASTM E739-91 [28]. Corroschnittansicht) simuliert wurde
versuche [4] an reparierten und
sion tests were conducted acFigure 2: Standard test panel schematic simulating a
hochglänzenden Coupons wurde
cording to the ASTM B117-09
damaged Alclad panel (plan view and crossauch die Schicht-/Substratadsalt spray test [29] (5.0% NaCl)
section view)
häsion getestet. Weggesteuerte
on mirror polished repaired couErmüdungstests gemäß ASTM
pons. Alternate immersion corroB-593 [26] und ASTM E739-91 [28] durchgeführt. Mit dem sion testing was also carried following the ASTM G44 stanSalzsprühnebeltest gemäß ASTM B117-09 [29] (5,0% NaCl) dard [29] for which the samples were submerged in a 3.5%
wurden hochglanzpolierten instandgesetzten Coupons nach solution of NaCl at room temperature for 10 minutes and left
Korrosion untersucht. Abwechselnde Immersions- und Korro- to air dry for 50 minutes every hour for a total of 480 hours.
sionsprüfungen gemäß ASTM G44 [29] wurden auch ausgeführt, bei denen die Proben über einen Gesamtzeitraum von
480 Stunden 10 Minuten lang bei Raumtemperatur in eine Lösung aus 3,5 % NaCl eingetaucht und danach jede Stunde 50
Minuten lang an der Luft getrocknet wurden.
181
18
3
Ergebnisse und Diskussion
3
3.1 Feedstock Powders
3.1 Ausgangspulver
Beim Kaltgasspritzen zur Reparatur von beschädigter Alclad-Außenhaut ist technisch reines Aluminium (SST-A5001) aufgrund seiner
Spritzfähigkeit gekoppelt mit einer
höheren Korrosionsbeständigkeit
gegenüber der Legierung Al2024T3 das bevorzugte Material. Diese Eigenschaften ermöglichen es,
bei niedrigen Gastemperaturen zu
spritzen und somit das Risiko unerwünschter Wärmeeinflusszonen
im Al2024-T3-Substratmaterial zu
minimieren. Das technisch reine
Al-Pulver wurde durch Luftzerstäubung hergestellt (Bild 3). Die Partikel
wiesen eine ungleichmäßige Form
(kartoffelförmig) bei unterschiedlichen Größen auf, und neigten zur
Bildung von Clustern. Bild 3c zeigt
die ermittelte Größenverteilung.
Commercially pure Al (SSTA5001) is the material of choice for
the cold spray repair of damaged
Alclad skin because of its good
spray-ability combined with better corrosion resistance than the
Al2024-T3 alloy. These characteristics allow spraying at low gas
temperatures, thus reducing the
risk of creating undesirable heat affected zones in the Al2024-T3 substrate material. This commercially
pure Al powder was produced by
air atomization (Fig. 3). The particles were irregularly shaped (potato-like shape) with different sizes
and tendency to cluster. The measured size distribution is illustrated
in Fig. 3c.
Bild 3:
REM-Aufnahmen von CP-Al-Ausgangspulver:
(a) Verschiedene Partikelgrößen mit ungleichmäßigen Formen. (b) Korn innerhalb eines
polierten und gebeizten Partikels. (c) Partikelgrößenverteilung des Al-Ausgangspulvers.
Figure 3:
SEM images of CP-Al feedstock powder:
(a) Different particles sizes having irregular
shapes. (b) Grain within one polished and
etched particle. (c) Particle size distribution
of the Al feedstock powder.
3.2 Schichtmikrostruktur
18
Mit optimierten Spritzparametern
dicke (500–600 μm) Kaltgasschichten
darin gemessene Porosität lag bei
ca. 1.0 ±0.7%. Im Gegensatz dazu
lag die Porosität, die in den entsprechenden Plasmaspritzschichten gemessen wurde, bei ca. 5.3 ±2.7%.
Die mit Kaltgas gespritzten Schichten wiesen eine geringere Porosität
sowie keine Spuren von Oxidpartikeln, wie im Bild 4a gezeigt wird.
Der Sauerstoffanteil in den Kaltgasschichten lag bei ca. 1 at.%, während bei den mit Plasmagespritzten
Proben der Sauerstoffanteil bei ca.
3.7 ±1.9 at.% lag. Letzteres ist normalerweise auf die Oxidation aufgrund der höheren Prozesstemperaturen in einer oxidierenden Gasatmosphäre zurückzuführen. Im Rahmen
einer zumutbaren Messunsicherheit
schien der gemessenen Oxidanteil
in der Kaltgasschicht, dem des Ausgangspulvers zu gleichen. Da das
Kaltgasspritzen bei einer viel niedrigeren Prozesstemperatur durchgeführt wird, ist es zu erwarten, dass
eine Reaktion zwischen den Metallen und dem Sauerstoff in der Spritzumgebung erheblich reduziert oder
ausgeschlossen wird.
Die Kaltgasbeschichtungen zeigten gar keine Risse im gespritzten
Results and discussion
3.2 Coatings Microstructure
wurden ganz dichte und
erzielt (siehe Bild 4a). Die
Bild 4:
Fully dense and thick (500–600 μm) cold spray deposits
were obtained using optimized spray parameters, as illustrated in Fig. 4a. Porosity levels
measured in the Cold spray deposits were about 1.0 ±0.7 %. In
contrast, the porosity levels measured in equivalent plasma spray
coatings were about 5.3 ±2.7 %.
The cold spray coatings had lower porosity as well as no trace of
oxide particles, as illustrated in
Fig. 4a. Oxygen levels measured in
the Cold spray deposits were below 1 at.% while the oxygen level
in the plasma spray samples was
around 3.7 ±1.9 at.%. The latter is
normally ascribed to oxidation due
to high process temperatures in an
oxidizing gas atmosphere. Within
reasonable uncertainty, the measured oxide content of the cold
sprayed coating appeared identical to that of the feedstock powder.
Since cold spray is carried out at a
much lower process temperature,
reaction of metals with oxygen in
the ambient spray environment is
REM-Aufnahmen zeigen Al-Schichten auf
expected to be greatly reduced or
einem Al2024-Substrat mit (a) dem Kaltgasverfahren und (b) mit dem thermischen
eliminated.
Spritzverfahren aufgebracht.
Figure 4:
Secondary electron SEM images showing
Al coatings over Al2024 substrate sprayed
by (a) Cold Spray, and (b) Thermal Spray
processes.
182
Cold spray coatings did not
exhibit any type of cracks within
the sprayed material, or along
the coating/substrate interface;
Material oder entlang des Schicht-/Substratgrenzfläche; Risse
wurden aber bereits in den thermisch gespritzten Beschichtungen festgestellt, was auf einer thermisch bedingten Schrumpfung
aufgrund des Schmelzens und Erstarrens zurückzuführen ist.
cracks have already been observed in thermal spray coatings and attributed to thermal shrinkage due to melting and
solidification.
3.3 Oberflächenbeschaffenheit
3.3 Surface Finish
Aufgrund der Anforderungen
bezüglich der Hochglanzoberfläche bei Clad-Aluminium wird bei
vielen Verkehrsflugzeugen vorzugsweise darauf verzichtet, einen Teil der Flugzeugaußenfläche
zu lackieren. Aus diesem Grund
war es ein klares Ziel dieser Studie, eine ähnliche kosmetische
Oberflächenbeschaffenheit zwischen den Reparatur- und angrenzenden Außenhautflächen zu
erreichen. Bild 5 zeigt die Oberflächenbeschaffenheit, die beim
reparierten Bereich erzielt wurde.
Optisch ist die erneuerte polierte
Fläche von den umliegenden Bereichen nicht zu unterscheiden
und ist damit für die Anwendung
geeignet.
Bild 5:
Aufnahmen der Alclad-Coupons: (links) beschädigte Probe (Mitte) nach dem Spritzen mit
reinem Al als Schichtreparatur (rechts) nach
Oberflächenbehandlung /-polieren.
Figure 5:
Images showing the Alclad coupons: (Left) as
damaged sample. (Middle) After spraying pure
Al coating repairs. (Right) After surface finishing
/ polishing.
3.4 Schichthärtemessungen
Due to the highly polished
(mirror finish) surface specification for clad aluminum, many
airliners prefer to leave part of
their aircraft exterior unpainted.
Therefore, one clear objective of
this study was to achieve similar
cosmetic finish between the repair and adjacent skin surfaces.
Fig. 5 illustrates the surface finish achievable on the repaired
area. The polished repair is visually indistinguishable from the
surrounding areas making it suitable for the application.
3.4 Coatings Hardness Measurement
Bild 6 zeigt die Ergebnisse
Vickers’
microhardness
der
Vickers-Mikrohärteprüfung
measurement results on Clad/
im Querschnitt einer polierten
Al2024-T3/Al
coating
polKaltgas beschichteten „Clad/
ished Cold spray samples are
Al2024-T3/AL-Schicht“-Probe.
reported in Fig. 6. The Cold
Die Härte der Kaltgasschicht war
spray Al coating hardness was
höher (38.7±4.2 HV0.05) als sofound higher (38.7±4.2 HV0.05)
wohl die des Ausgangspulvers
than both the starting feedund die der ursprünglichen Cladstock powder and the original
Schicht (jeweils 24.1±2.3 HV0.05
clad layer (24.1±2.3 HV0.05 and
und 28.5±6.2 HV0.05). Dies ist auf
28.5±6.2 HV0.05 respectively).
die zusätzliche während des AufThis was attributed to the adpralls stattfindende Kaltverfestiditional cold working occurring
gung und die anschließende plasduring impact and subsequent
tische Deformation beim Kaltgasplastic deformation in the cold
Bild 6:
nach Vickers gemessene Härte entlang des
spritzen zurückzuführen. Obwohl
spray process. Although varyReparaturquerschnitts von Clad/Al2024/Al. Geverschiedene Partikeldeformatiing levels of particle deformazeigt wird die höhere Härte des gespritzten AL
gegenüber des ursprünglichen Clad-Materials
onsstufen zwischen dem untetion are observed between the
sowie die gleichmäßige Härte des Kernmaterials
ren und oberen Teil der Schicht
bottom and the top of the coat(Al2024-T3) material ohne Veränderung durch
zu sehen waren, wurden bei den
ing, hardness measurements
das Spritzverfahren
Härtemessungen keine bemerkdid not reveal any noticeable
baren Unterschiede festgestellt.
differences. Hardness meaFigure 6: Vickers’ hardness measurements taken along
the Clad/Al2024/Al repair cross-section and
Die gemessene Härte entlang des
surement along the substrate
revealing higher hardness of the sprayed Al than
Substratwerkstoffes (Al2024-T3)
material (Al2024-T3) showed
the original clad material as well as uniform
ergab sich als gleichmäßig und
to be uniform and similar to
hardness of the core (Al2024-T3) material withähnelte den gemessenen Werten
the values measured before
out any change due to spray process
vor dem Kaltgasspritzen. Damit
cold spraying. This clearly
wird deutlich bestätigt, dass es
confirmed that there were no
beim Kaltgasverfahren keine thermische Beeinflussung des thermal effects to the work piece due to the cold spray
Werkstücks gibt.
process.
3.5 Haftfestigkeit der Schichten
3.5 Coatings Adhesion Strength
Standard-Haftzugfestigkeitsprüfungen zeigten ein adhäsives
Versagen (Schicht-Substratgrenzfläche) bei einer Durchschnittsfestigkeit von 26,9 ±2,5 MPa. Diese Werte waren wesentlich höher als die Mindestindustriestandardwerte (13,78 MPa) [4], die
für thermisch gespritzte Al-Schichten definiert sind.
Standard pull bond strength testing indicated adhesive
failure (coating-substrate interface) at an average strength
of 26.9 ±2.5 MPa. These strength values were significantly greater than the minimum industry standard values
(13.78 MPa) [4] specified for thermally sprayed Al coatings.
183
18
Bild 7:
Aufnahmen (a, b) zeigen jeweils eine reparierte
Probe während des Dreipunktbiegeversuchs
und nach dem 90°-Biegen. Die REM-Aufnahmen
(c, d) zeigen das Bruchverhalten während des
Biegetests bei verschiedenen Vergrößerungen.
Figure 7:
(a, b) Images showing repaired sample during the three point bending test and after 90°
bending respectively. (c, d) SEM images at
different magnifications revealing the fracture
nature that took place during the bending test.
Die Haftfestigkeit wurde auch mittels
Dreipunktbiegeversuche (Bild 7a) gemessen. Dabei befanden sich die Reparaturflächen an der Außen-/Konkavseite
der Krümmung. Eine Öffnungswinkel/
Biegewinkel/ eingeschlossene Biegewinkel von 87 bis 93 Grad führte zu keiner
Ablösung der Schicht vom Substrat,
hatte jedoch zur Folge, dass sich Mikrorisse im Krümmungsbereich bildeten
(Bild 7b). REM-analysen der Bruchfläche
innerhalb der Rissen (Bild 7d) wiesen eine Rissbildung und -ausbreitung an den
Partikel/Partikel-Grenzflächen auf, was
höchstwahrscheinlich auf die mechanische Hafteigenschaft vieler Grenzflächen
während des Kaltgasspritzens zurückzuführen ist. Einige andere Bruchflächen
zeigten Vertiefungen, die einen für metallurgische Verbindungen typischen Verformungsbruch bestätigten, die auch während des Kaltgasspritzens entstehen.
Adhesion strength was also measured using three point bend tests
(Fig. 7a) with the repair faces at the
exterior/concave side of the bend. An
included bend angle of 87 to 93 degrees did not produce any delamination of the coating from the substrate,
however, microcracks were formed at
the bent area (Fig. 7b). SEM examination of the fracture surface within
the cracks (Figure 7d) indicated crack
initiation and propagation at the particle/particle interfaces; most likely
due to the mechanical bonding nature
of many interfaces during cold spraying. Several other fracture surfaces
showed many dimples as evidence
of ductile fracture typical of metallurgical bonds, also formed during cold
spraying.
3.6 Analyse der Schichtermüdung
3.6 Coating Fatigue Analysis
Bild 8 zeigt das Ermüdungsdiagramm İ-N, das auf dem
Δİ basiert. Die Ergebnisse weisen auf eine Ermüdungsgrenze von 139 MPa hin, was, wie in der Literatur [27] berichtet,
der Ermüdungsgrenze von Al 2024 ähnelt. Die Instandsetzung
der simulierten beschädigten Alclad-Coupons hat keine Auswirkung auf das Ermüdungsverhalten des Alclad-Materials.
Es wird allgemein anerkannt, dass das Kaltgasspritzen Druckeigenspannung in die Oberfläche einführt, wodurch die Dauerstandfestigkeit positiv beeinflusst wird [28, 29]. Die nähere
Untersuchung der defekten Ermüdungsproben zeigte, dass die
Fehler an der Substrat-/Schichtgrenzfläche entstanden sind,
wo Rillen bewusst mechanisch erzeugt wurden, um eine Beschädigung nachzubilden. Diese Fehler breiteten sich dann
meistens durch das Substratmaterial aus. Es wurde bei den
Probecoupons keine Ablösung der Schicht festgestellt (Bild 9).
Das Ermüdungsversagen innerhalb der Schicht fand zwischen
den Partikeln (intergranular) statt, während das Versagen im
Substrat transgranular ohne bevorzugtes Wachstum auftrat.
The fatigue İ-N diagram based on the Δİ is shown in Fig.
8. The results suggested a fatigue limit of 139 MPa, similar to
the fatigue limit of Al2024 reported in the literature [27]. The
repair of simulated damaged Alclad coupons did not influence the fatigue behavior of the Alclad material. It is generally
accepted that the cold spray process introduces compressive residual stresses at the surface, which positively affect
fatigue endurance [28, 29]. Closer examination of failed fatigue samples indicated that failures initiated at the substratecoating interface, where grooves were intentionally machined
to emulate damage, and then propagated mostly through the
substrate material. No delamination was observed in any of
the tested coupons (Fig. 9). Fatigue failure within the coating
was inter-particle while failure within the substrate was transgranular (across grains) without preferential growth.
18
Bild 8:
Figure 8:
Das Δİ-N-Diagramm wurde aus den
Ermüdungsprüfungen gemäß ASTM
E739-91 erstellt.
The Δİ-N diagram obtained from the fatigue tests based on the ASTM E739-91
Bild 9:
REM-Aufnahmen zeigen einen defekten Coupon nach der Ermüdungsprüfung: (a) Übersicht des Gesamtbruchbereichs bei geringer Vergrößerung
(b) vergrößerter Bereich zeigt Ermüdungsrissbildungspunkt an der Kern-/
Reparaturgrenzfläche ohne Ablösung der Reparaturschicht.
Figure 9:
SEM images showing fractured coupon after fatigue test: (a) Low magnification image giving an overview of the total fracture area (b) Enlarged area
showing the fatigue nucleation point taking place at the core/repair interface without delamination of the repair.
184
3.7 Analyse der Schichtkorrosion
3.7 Coating Corrosion Analysis
Nach 48 Stunden in einer
Salzsprühnebelkammer zeigten die beschichteten Coupons keine Spuren von Lochfraßkorrosion (Bild 10). Bei
dieser Belastungshöhe wurde
auch keine Lochfraßkorrosion
am den Rändern der reparierten Fläche, die erwartungsgemäß als bevorzugte Korrosionsstellen dienen.
After 48 hours in salt
spray chamber, coated coupons did not show any trace
of pitting corrosion (Fig. 10).
At this level of exposure, no
trace of pitting corrosion was
seen at the edges of the repaired area, which are expected to act as preferential
corrosion sites.
Images of the coupons
before and after the alBild 11 zeigt die Aufnahternate immersion corromen der Coupons vor und
sion testing are shown in
nach den abwechselnden
Bild 10:
Reparierte Prüfplatte – poliert, nach Konversionsschicht
Fig. 11. After 24 hours, corImmersions- und Korrosionsund nach dem 48-Std.-Salzsprühnebeltest (gemäß ASTM
prüfungen. Nach 24 Stunden
rosion damage at the top
B117-09). Es wurde keine Lochfraßkorrosion festgestellt.
waren
Korrosionsschäden
surface of the Al2024-T3 alFigure 10: Repaired test panel as polished, after conversion coatan der oberen Fläche der
loy (grooved area within the
ing, and after 48 h salt spray test (ASTM B117-09 stanAl2024-T3-Legierung (RillenAlclad coupon) was visually
dard). No trace of pitting corrosion was observed.
bereich innerhalb des Alcladobserved. No trace of pitCoupons) optisch feststellbar.
ting was observed on any
Es wurde keinen Lochfraß
of the specimens. However,
in den Proben festgestellt. Nach 240 Stunden abwechselnder after 240 hours of alternate immersion, corrosion within the
Immersion gab es jedoch Anzeichen von Korrosion innerhalb Cold spray coated area and original clad started to appear.
der mit Kaltgas beschichteten Fläche und des ursprünglichen Finally, after 480 hours, significant pitting was observed
Clads. Nach 480 Stunden wurde schließlich erheblichen Loch- at all surfaces, with the Al2024-T3 alloy surface showfraß an allen Oberflächen beobachtet, wobei der Al2024-T3-Le- ing the most severe corrosion attack. Pitting corrosion in
gierungsbereich die stärkste Korrosion aufwies. Lochfraßkorro- the repair area appeared prevalent at the edges of the resion im Reparaturbereich war vorwiegend an den Rändern der pair compared to the core of the repair and/or surroundReparatur im Vergleich zum Kern der Reparatur und/oder zum ing clad material. Closer SEM examination of corroded
umgebenden Clad-Material zu sehen. Die nähere REM-Analyse samples from different regions confirmed the prevalence
der korrodierten Proben aus unterschiedlichen Bereichen be- of corrosion damage at the edge of the repair (Fig. 12b),
stätigte die Verbreitung des Korrosionsschadens am Rand der from where corrosion reactions propagated to other reReparatur (Bild 12b), aus dem sich Korrosionsreaktionen nach gions. This confirmed that the weakest point is the edge of
anderen Bereichen ausbreiteten. Damit wurde bestätigt, dass the repair, as this is the thinnest region within the coating
der Rand der Reparatur die schwächste Stelle darstellt, da dies which is dominated by mechanical interlocking between
Bild 11:
Zeigt die Coupons vor und
nach den abwechselnden
480 Stunden
Immersionsund Korrosionsprüfungen.
(a) Simulierte
Schadensprobe
(b) simulierte
Schadensprobe
mit Al-Kaltgasschicht
Figure 11:
Images of coupons before and
after alternate
480 hours immersion corrosion testing. (a)
Simulated damage sample (b)
simulated damage sample repaired with Cold
spray Al coating
18
Bild 12:
Aufnahme des reparierten Coupons nach abwechselnden 480 Stunden Immersions- und
Korrosionsprüfungen zeigt ausgewählten
Bereich für REM-Untersuchung. (a) Draufsicht
REM-Aufnahme zeigt Lochfraßkorrosion innerhalb des Clads und tiefe Korrosion am Reparaturrand. (b & c) Querschnittansicht REMAufnahmen vom Rand und von der Mitte der
Reparaturbereichen (wie in (a) dargestellt)
Figure 12:
Image of repaired coupon after alternate 480
hours immersion corrosion shows the selected area for SEM investigation. (a) Plan-view
SEM image revealing the pitting corrosion
within the clad and deep corrosion at the repair edge. (b & c) Cross-section SEM images
taken at the edge and in the middle of the
repair areas (as indicated in (a))
185
der dünnste Bereich innerhalb der Schicht ist, der durch die mechanische Verzahnung von Kaltgaspartikeln und dem ursprünglichen Alclad-Material dominiert wird. Es ist anzumerken, dass
die Kaltgasreparatur nicht nur die optische Erscheinung der Reparatur erheblich verbessert hat, sondern auch die Korrosionsbeständigkeit gesteigert hat, zum Teil weil die schwach haftende
Oberschicht der Kaltgasbeschichtung entfernt wurde.
cold spray particles and original Alclad material. It is worth
noting that polishing the Cold spray repair not only significantly improved the visual appearance of the repair but it
also improved its corrosion resistance, partly because of
the removal of the weakly bonded top layer of the cold
spray coating.
4
4
Zusammenfassung
Es wurde demonstriert, dass das als Flugzeugaußenhaut
verwendete beschädigte Alclad-Material mittels Kaltgasspritzen mit Pulverinjektion im konvergenten Düsenbereich bei relativ niedrigem Druck ohne thermische Belastung des Substrats
und/oder negative Auswirkung auf sein Ermüdungsverhalten
erfolgreich eingesetzt werden kann. Dies wurde anhand einer
Reihe von Standardhaftfestigkeits-, Dreipunktbiege-, Korrosions- und Ermüdungsprüfungen unter Beweis gestellt.
Conclusions
It was demonstrated that damaged Alclad material used
as airplane skin, can successfully be repaired using the downstream injection cold spray process at relatively low pressures
without thermal effects to the substrate and/or adverse effects
to its fatigue performance. This was demonstrated through a
series of standard bond strength, three-point bending, corrosion, and fatigue tests.
Analysis of fracture surfaces, indicated the prevalence of
mechanical interlocking at particle-particle interfaces within
the coating which promoted preferential crack initiation and
propagation.
Die Analyse der Bruchflächen zeigte die Häufigkeit der mechanischen Verzahnung an den Grenzflächen zwischen den
Partikeln innerhalb der Beschichtung, die die bevorzugte Bildung und Ausbreitung von Rissen begünstigte.
Similarly, weak mechanical interlock bonding could promote corrosion reactions both at the edge of a repair or at
the upper surface of the coating. The latter could be greatly
improved by polishing, which effectively removes the poorly
bonded top layers of the cold spray coating.
Ebenso könnte schwache mechanisch verzahnte Haftung
Korrosionsreaktionen sowohl am Reparaturrand als auch am
oberen Teil der Beschichtung fördern. Letzteres könnte durch
Polieren erheblich verbessert werden, indem die schlecht haftenden obersten Lagen der Kaltgasbeschichtung effektiv entfernt werden.
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