Some of the current trends in cold spray include the production of metal-metal composite coatings. Among the various strategies to prepare the composite feedstock, e.g. agglomeratesintering, mechanically milling and coated/cladded feedstock, mixing metal powders (either by premixing or using dual feeder) is a straightforward method and is convenient to vary the mixture composition. However, it has been found to be difficult to predict the cold spray characteristics of mixed powders (e.g. deposition efficiency (DE), porosity and compositional yield) from those of the single component powders, which means that any new mixtures need to undergo extensive preliminary cold spray trials in order to optimize the process parameters. Thus, fundamentally, analyzing the cold spray characteristics of two metal powders will lead to accurate modeling of the process and minimize the cold spray trials required to optimize the process. This thesis aims to develop a better understanding of the effects of mixing powders on the cold spray characteristics of 316L/Fe mixed powders.

Single component 316L and Fe powders were deposited by cold spray, as well as the mixed 316L/Fe powders with a dual feeder setup. The as-sprayed coatings were also polished and single 316L and Fe particles were deposited on the as-polished coatings to form splats. To understand the splat deposition behavior of different impact scenarios (i.e. 316L on 316L, 316L on Fe, Fe on 316L, Fe on Fe), metrics of splat deformation, substrate deformation, splat adhesion strength/energy, and splat rebound were characterized. With a better understanding of the splat deposition behavior, efforts were made to explain the cold spray characteristics of bimodal size 316L/Fe powder mixtures. Since the finding suggests that the feedstock particle size could also be influential of the mixed powders deposition characteristics, different size combinations of 316L/Fe mixtures were deposited and studied.

Results show that the splat deposition behavior onto as-polished coatings is indicative of the feedstock deposition behavior during composite coating formation. In particular, the 316L on Fe impact scenario generates strong rebound/poor deposition;​ whereas the reverse scenario Fe on 316L leads to excellent deposition. The distinct deposition behaviors of different impact sequences between 316L and Fe were explained through the relative particle/substrate hardness, surface oxide thickness, and particle morphology. Besides, results also show the cold spray characteristics of bimodal size 316L/Fe mixtures exhibit unexpected variations with increasing feedstock Fe fractions, which reveals the contributions of various mechanisms during mixed powders deposition:​ mixed 316L/Fe impact interfaces, particle size difference, and tamping. Finally, the DEs of different sizes of 316L/Fe mixtures show different variations with increasing feedstock 316L fractions, which is due to particle-particle interactions (i.e. tamping and retention) only occur in small size feedstocks during cold spray

Dans le domaine de la projection à froid, certaines tendances actuelles incluent la production de revêtements de composites métal-métal. Parmi les diverses stratégies de préparation des poudres, comme par exemple l’agglomération et le frittage, le moulinage ou encore l’enrobage de poudres, le mélange de poudres métalliques (soit par mélangeage au préalable ou au moyen d’une double-alimentation) est un moyen simple et efficace pour faire varier la composition d’un mélange. Cependant, il est difficile de prédire les caractéristiques des revêtements obtenus par des mélanges de poudres lors de la projection à froid (par exemple, l’efficacité de la déposition (ED), la porosité et les fractions relatives de poudres dans le revêtement) comparées aux caractéristiques des revêtements obtenus par des poudres avec une seule composante. Ceci indique que chaque nouveau mélange de poudres doit être soumis à une étude préliminaire approfondie afin d’optimiser les paramètres du processus de projection à froid. Ainsi, fondamentalement, analyser les caractéristiques de déposition de deux poudres métalliques mènera à une modélisation précise du processus et minimisera le nombre d’essais requis pour optimiser les paramètres. Cette thèse vise à développer une meilleure compréhension des effets du mélange de poudres sur les caractéristiques de projection à froid du mélange de poudres 316L/Fe.

De l’acier 316L et du Fe purs ont été projetés à froid, ainsi que le mélange de poudres 316L/Fe au moyen d’une double-alimentation. Les revêtements bruts ont aussi été polis et des particules individuelles d’acier 316L et de Fe ont été déposées sur les revêtements polis pour former des «splats ». Afin de comprendre le comportement de déposition des splats dans différents scénarios d’impact (i.e. 316L sur 316L, 316L sur Fe, Fe sur 316L et Fe sur Fe), les métriques de la déformation des splats, la déformation du substrat, l’énergie ainsi que la force d’adhésion des splats et le rebond des splats ont été caractérisés. Avec une meilleure compréhension du comportement des splats, il a été possible d’expliquer les caractéristiques de projection à froid de mélanges de poudres de 316L/Fe avec des distributions de taille bimodales. Puisque la découverte suggère que la taille des poudres de départ pourrait aussi influencer les caractéristiques de déposition du mélange, différentes combinaisons de tailles de poudres de 316L/Fe ont été étudiées.

Les résultats montrent que le comportement des splats sur des revêtements polis est indicatif du comportement des poudres initiales lors de la formation du revêtement composite. En particulier, le scénario d’impact du 316L sur Fe génère de forts rebonds/une faible déposition, tandis que le scénario inverse (Fe sur 316L) mène à une excellente déposition. Les différents comportements observés dans les différents scénarios d’impact entre le 316L et le Fe ont été expliqué par la dureté relative des particules et du substrat, par l’épaisseur de la couche d’oxide et par la morphologie des particules. En parallèle, les résultats mettent aussi en avant que les caractéristiques de projection à froid de mélanges de 316L/Fe bimodaux présentent des variations inattendues lors de l’augmentation de la proportion de Fe dans le mélange initial, ce qui révèle la contribution de divers mécanismes pendant la phase de revêtement :​ mélange d’interfaces d’impact de 316L/Fe, différence de tailles de particules et bourrage («tamping »). Enfin, les ED de mélanges de différentes tailles de 316L/Fe montrent différentes variations avec une augmentation de la fraction de 316L, ce qui est dû à des interactions entre particules (i.e. bourrage et rétention), et ne surviennent qu’avec des petites distributions pendant la projection à froid.