Metallizing polymeric substrates via cold spraying has been viewed as a viable solution for building thick metallic coatings onto these substrates. Notably, cold spraying onto carbon fiber reinforced polymers (CFRP) for the aerospace industry could provide interesting alternatives for light-weighting aircraft, while providing electrical conductivity to a relatively insulating material. Previous studies explored the deposition of tin (Sn) onto CFRP, then improvements in the deposition of Sn were observed following the addition of other metallic powders (“secondary components”, SC);​ this was associated with shot-peening by the SC. This work focuses on studying the role of the SC in the deposition process of Sn onto CFRPs, with the greater objective of better understanding the metallization of CFRP via cold spray.

Feedstock powder Sn was mixed with aluminum (Al) and cold sprayed at low pressure onto an epoxy CFRP to reproduce previous deposition efficiency (DE) trends on a wider range of input gas pressures. The observation of protrusions developing in-lieu of a coating at higher pressures led to the discovery of an indirect deposition phenomenon. Sub-micron Sn particles, absent from the initial feedstock powder also appeared, supporting the occurrence of partial melting of the powder during the spraying process. Computational fluid dynamics (CFD) simulations were conducted to validate the findings and support the described mechanisms.

The effects of SC hardness, then other SC properties (density, morphology and, by extension, impact energy) were considered. Sn was mixed in 90:​10 weight ratios with a variety of SC (Al, Al alloys (5083, 6061, 7075), iron (Fe), stainless steel 316L, copper (Cu), titanium (Ti) and Ti6Al4V), then cold sprayed on several substrates:​ three epoxy CFRPs with different surface finishes and a thermoplastic polyether–ether–ketone (PEEK)-CFRP.

The results with SC Al/Al alloys revealed an ideal SC hardness range, similar to that of the underlying substrate, and this was associated with catalyzing the first-layer deposition phase:​ this led to the description of an enhanced “crack-filling” mechanism. The results also indicated that shot peening during the build-up phase may not be as relevant a mechanism, as was previously suggested. When considering the full spread of SC properties, the greatest improvements to deposition were achieved with SC hardness on par with the substrate hardness, and with SC impact energies around 2 x 10⁻⁶ J. These observations provided revised considerations for deposition of single component metallic feedstocks onto CFRP and requirements in terms of particle hardness and particle size were presented:​ these conclusions would suggest that developing fully dense Cu or Al coatings on CFRP is possible with smaller powder size distributions.

Finally, the pull off strengths of the coatings were assessed and the importance of the substrate nature, and surface finish, were highlighted. Results in opposition to the pure Sn DE improvement mechanism were obtained:​ here, SC with low hardness/low impact energy lead to lower pull off strengths, when compared to the pure Sn coatings, while SC with higher hardness (and/or higher impact energies) lead to improved pull off strengths. The electrical conductivity of the coatings was also studied, and results were generally better than those previously reported. These results are believed to be an indication of the extent and quality of the tin particle-particle bonding in the coatings.

La métallisation de substrats polymériques par projection à froid a été considérée comme une solution viable pour réaliser des revêtements métalliques épais sur ces substrats. Notamment, la projection à froid sur des polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) pour l'industrie aérospatiale pourrait fournir des alternatives intéressantes pour alléger les avions, en rendant conducteur d’électricité un matériau relativement isolant. Des études ont exploré la déposition d'étain (Sn) sur des PRFC, puis des améliorations de dépôt de Sn ont été observées suite à l'ajout d'autres poudres métalliques (« composés secondaires », CS);​ ceci a été associé à un effet de bourrage par le CS. Ce travail se concentre sur l’étude du rôle du CS dans le processus de dépôt de Sn sur les PRFC, avec l'objectif plus large de mieux comprendre la métallisation des PRFC par projection à froid.

De la poudre d’aluminium (Al) a été mélangée à Sn et projetée à froid à basse pression sur un PRFC à base d’époxy afin de reproduire des tendances d’efficacité de déposition (ED) précédemment obtenues, sur une gamme plus large de pressions de gaz d'entrée. L’observation de protubérances se développant à la place d'un revêtement à des pressions plus élevées a conduit à la découverte d'un phénomène de dépôt indirect. Des particules de Sn submicroniques, absentes dans la poudre initiale, sont également apparues, soutenant l'existence d'une fusion partielle de la poudre pendant la projection. Des simulations de dynamique des fluides (CFD) ont été réalisées pour valider les résultats et soutenir les mécanismes décrits.

Les effets de la dureté des CS, puis d'autres propriétés des CS (densité, morphologie et, par extension, énergie d'impact) ont été considérés. Sn a été mélangé dans des rapports de masse de 90:​10 avec une variété de CS (Al, alliages d'Al (5083, 6061, 7075), fer (Fe), acier inoxydable 316L, cuivre (Cu), titane (Ti) et Ti6Al4V), puis projeté à froid sur plusieurs substrats:​ trois PRFC à base d’époxy avec différentes finitions de surface et un polyéther-éther-cétone (PEEC)-PRFC thermoplastique.

Les résultats avec les CS d’Al (et alliages associés) ont révélé une plage de dureté idéale du SC, similaire à celle du substrat sous-jacent, et cela a été associée à la catalyse de la phase de dépôt de la première couche:​ ceci a conduit à la description d'un mécanisme amélioré de "remplissage des fissures". Les résultats ont également indiqué que le bourrage pendant la phase d'accumulation du revêtement n'est peut-être pas aussi pertinent que ce qui était suggéré auparavant. En considérant l'ensemble des propriétés des CS, les plus grandes améliorations de déposition ont été obtenues avec une dureté de SC proche de la dureté du substrat, et avec des énergies d'impact de SC autour de 2 x 10⁻⁶ J. Ces observations ont permis de revoir les considérations relatives au dépôt de poudres métalliques avec une seule composante sur les PRFC et des exigences en termes de dureté et de taille des particules ont été présentées:​ ces conclusions suggèreraient que le développement de revêtements de Cu ou d’Al sur PRFC soit possible avec des distributions de tailles de poudres plus petites.

Enfin, la force de traction des revêtements a été évaluée et l'importance de la nature du substrat, et de la finition de la surface, a été soulignée. Des résultats en opposition avec le mécanisme d’amélioration de l’ED du Sn ont été obtenus:​ ici, les SC de faible dureté/faible énergie d'impact conduisent à des forces de traction plus faibles, par rapport aux revêtements de Sn pur, tandis que les CS avec une dureté plus élevée (et/ou des énergies d'impact plus élevées) conduisent à des forces de traction améliorées. La conductivité électrique des revêtements a également été étudiée, et les résultats étaient généralement meilleurs que ceux rapportés. Ces résultats pourraient être une indication de l'étendue et de la qualité des liaisons particule-particule de Sn dans les revêtements.