The cold gas dynamic spraying of commercially pure titanium coatings was investigated. Specifically, the relationship between several key cold spray parameters on the quality of the resulting coatings was studied in order to gain a more thorough understanding of the cold spray process. To achieve this goal, three distinct investigations were performed.

The first part of the investigation focussed on the effect of propelling gas, particularly helium and nitrogen, during the cold spraying of titanium coatings. Coatings were characterised by SEM and were evaluated for their deposition efficiency (DE), microhardness, and porosity. In selected conditions, three particle velocities were investigated such that for each condition, the propelling gasses temperature and pressure were attuned to attain similar particle velocities for each gas. Observations show that loosely bonded particles can be detached by a high pressure supersonic gas stream. Selected coatings were characterised by XPS to analyse the occurrence of oxidation and nitridation. It has been generally accepted that coating characteristics can be affected by particle temperature. However, results show that for the same particle velocity, DE and coating density are also a function of substrate temperature. In addition, a thick and fully dense cold sprayed titanium coating was achieved with optimised spray parameters and nozzle using helium. The corresponding average particle velocity was 1173 m/s.

The second part of the investigation studied the effect of particle morphology (spherical, sponge, and irregular) and size distributions (mean particle sizes of 20, 29, and 36 µm) of commercially pure titanium on the mechanical properties of the resulting cold sprayed coatings. Numerous powder and coating characterisations, including powder oxygen and nitrogen contents, powder flowability, powder compressibility, coating microhardness, coating porosity, LOM/SEM micrograph analyses, and XRD were performed. From these data, semi-empirical flow (stress-strain) curves were generated based on the Johnson-Cook plasticity model which could be used as a measure of cold sprayability. Cold sprayability can be defined as the ease with which a powder can be cold sprayed. It was found that the sponge and irregular commercially pure titanium powders had higher oxygen content, poorer powder flowability, higher compression ratio, lower powder packing factor, and higher average particle impact velocities compared to the spherical powders. XRD results showed no new phases present when comparing the various feedstock powders to their corresponding coatings. For all feedstock powder morphologies, it was observed that the larger the particle size, the higher the temperature generated on impact. For the spherical powders, the higher the temperature generated on impact, the lower the stress needed to deform the particle. In addition, as the kinetic energy of the impacting particle increased, the flow peak stress decreased while the final strain increased. Furthermore, higher final flow strains were associated with higher coating ΔHV₁₀ (between the coatings and the feedstock powders). Similar relationships are expected to exist for the sponge and irregular feedstock powders. Based on porosity, the spherical medium powder was found to have the best cold sprayability.

The final part of the investigation focussed on the effect of substrate surface roughness and coating thickness on the adhesion strength of commercially pure titanium cold sprayed coatings onto Steel 1020, Al 6061, and Ti substrates. Adhesion strength was measured by tensile/pull tests according to ASTM C-633-01 standard. Through-thickness residual stresses of selected coatings were measured using the modified layer removal method (MLRM). In addition, mean coating residual stresses were calculated from MLRM results. It was found that adhesion strength increases with increasing substrate surface roughness and decreases with increasing coating thickness. Furthermore, mean coating residual stresses were correlated with adhesion strength and it was suggested that higher adhesion strengths are associated with higher mean compressive stresses and a higher probability for adiabatic shear instability to occur due to the higher particle impact velocities. In general, it was found that under similar cold spray conditions and substrate surface preparation method, adhesion strength was strongest for commercially pure titanium coatings deposited onto Al 6061, followed by Ti, then Steel 1020.

Des revêtements de titane pur produits par projection à froid ont été étudiés. La relation entre les paramètres de projection à froid et la qualité des revêtements a été étudiée afin d'acquérir une compréhension approfondie du processus de fabrication. Pour atteindre cet objectif, trois études ont été effectuées.

La première étude portait sur l'effet du gaz de propulsion (hélium et azote) lors de la projection à froid sur les propriétés des revêtements de titane pur. Pour chaque gaz, les conditions de pression et de température ont été variées afin de déterminer leur effet sur les vitesses moyennes des particules déterminées par une technique de diagnostic optique par temps de vol. Trois conditions de vitesse des particules identique pour les deux gaz ont étés choisis. Ainsi pour une condition de vitesse donnée, les couples pression-température diffèrent d’un gaz à l’autre. Pour chaque condition de vitesse, deux revêtements ont été produits, un avec l’hélium et l’autre avec l’azote. Les revêtements ont été caractérisés par microscopie électronique à balayage (MEB) et ont été évalués pour leur microdureté et leur porosité. De plus, certains échantillons ont été caractérisés par spectrométrie photoélectronique X (XPS) pour analyser la présence d’oxygène et d’azote. Les températures du substrat pour les différentes conditions ont été évaluées par thermographie infrarouge et l’interaction entre le jet de gaz supersonique et le substrat a été étudié par imagerie Schlieren. Enfin, la température des particules d’envol a été évaluée par modélisation numérique. Les résultats ont clairement démontré que pour la même vitesse des particules, les propriétés des revêtements diffèrent selon la nature du gaz employé. Cette étude a permis de conclure que la température du substrat, la température des particules ainsi que la pression exercée par le flux de gaz supersonique sur le substrat influences notablement les propriétés des revêtements de titane déposés par projection à froid.

La deuxième étude portait sur l'effet de la morphologie des particules de titane pur (sphérique, éponge, et irrégulière) et la distribution de taille (taille moyenne:​ 20, 29 et 36 µm) sur les propriétés mécaniques des revêtements projetés à froid. Pour chaque poudre, plusieurs conditions de projection ont été testées et les vitesses de particules résultantes de même que l’efficacité de déposition ont été mesurées et les températures des particules ont été calculées. Une caractérisation complète des poudres et des revêtements a été effectuée par microscopie optique, MEB et diffraction des rayons X (DRX). De plus, le taux d’oxygène et d’azote des poudres, leur fluidité, leur compressibilité et leur microdureté ont été mesurées. La microdureté et la porosité des revêtements ont également été mesurées. Les résultats ont montrés que les poudres éponge et irrégulière ont une teneur plus élevée en oxygène, une fluidité plus basse, un ratio de compression plus élevé, un facteur de compaction plus bas et une vitesse moyenne d’impact plus élevée comparées aux poudres sphériques. Des courbes semi-empiriques de contrainte-déformation ont été générées en utilisant le modèle de plasticité de Johnson-Cook. Ces courbes peuvent être utilisées comme une indication de la facilité de déposition. Pour toutes les poudres, les résultats ont montré que plus la taille des particules est grande, plus la température générée lors de l'impact est élevée. Pour les poudres sphériques, plus la température est élevée lors de l’impact, plus la contrainte requise pour la déformation des particules est basse. En outre, les observations ont montré que plus l'énergie cinétique de la particule sphérique augmente, plus la contrainte maximale est basse et plus la déformation maximale est élevée. Par ailleurs, plus la déformation maximale de la particule sphérique est élevée, plus la différence en microdureté entre le revêtement et la poudre avant la projection est élevée (ΔHV₁₀). Des relations similaires sont attendues pour les poudres éponge et irrégulière. Basé sur la porosité des revêtements, la poudre sphérique avec la taille moyenne de 29 µm s’avère avoir la meilleure facilité de déposition lors de la projection à froid.

La dernière étude porte sur l'effet de la rugosité de la surface du substrat et l'épaisseur du revêtement sur la force d'adhérence des revêtements de titane pur projetés à froid sur acier 1020, Al 6061, et Ti. Les contraintes résiduelles en fonction de l’épaisseur des revêtements et des différents substrats ont été mesurées en utilisant la méthode MLRM (Modified Layer Removal Method). Les résultats ont montré que la force d'adhérence augmente avec la rugosité de la surface du substrat initial et diminue avec l'épaisseur du revêtement. De plus, il a été suggéré que les forces d’adhérence élevées sont associées à des contraintes moyennes élevées en compression et à une probabilité plus élevée d’obtenir une instabilité de cisaillement adiabatique de se produire en raison d’une vitesse plus élevée des particules lors de l’impact. En général, les résultats ont montré que pour une condition de projection à froid et pour une préparation de surface quelconque, la force d'adhérence a été plus élevée pour les revêtements de titane pur déposés sur Al 6061, suivie par Ti, puis en acier 1020.