Dry sliding wear and high pressure torsion of cold sprayed aluminum-alumina composites

The cold spray process was used to consolidate aluminum coatings and aluminum-alumina composite coatings. Cold spray feedstock was prepared by admixing commercially pure, gas atomized aluminum powder with 0, 10, and 50 wt.% alumina of angular or spherical morphology. The cold spray deposition was carried out in such a manner that “thick” coatings (greater than 500 microns thick) were obtained. Prior to deposition of composite coatings, the ideal cold spray deposition parameters were studied for pure aluminum coatings to optimize the deposition efficiency and quality of coating. Once the deposition conditions were selected, aluminium-alumina composites were cold sprayed as well. The cold sprayed deposits were characterized in terms of the recovery of alumina as a function of feedstock alumina content, as well as microhardness. It was found that recovery of alumina was significantly higher for angular alumina than spherical alumina, with 10 and 50 wt.% alumina in the feedstock resulting in coating concentrations of 10 and 22 wt.% angular alumina and 3 and 11 wt.% spherical alumina, respectively. Yet regardless of particle morphology, similar quantities of alumina led to similar coating hardness.The coatings were subjected to reciprocating dry sliding wear experiments using a custom-built in situ tribometer on which a transparent sapphire counterface was equipped; this was used to directly observe activity occuring at the sliding interface and understand its link to actively measured friction forces. Once the tests were completed, the wear tracks and counterfaces were characterized ex situ using surface metrology and electron microscopy techniques to measure wear rate and the morphology of “third bodies” formed at the sliding interface. Cross-sectioning was carried out using various techniques to observe the microstructural, mechanical, and chemical changes that occurred as a result of the sliding process.The combined in situ and ex situ analysis revealed detailed mechanistic explanations of the phenomena resulting in the observed friction and wear behavior. From the standpoint of friction and wear, the pure aluminum coatings had high wear rates and friction forces that fluctuated significantly. Much of this behavior was linked to physical changes observable in situ in the transfer film such as plastic flow and material detachment. In contrast, the lower wear rates and stabler friction forces in 22 wt.% angular alumina composites and 11 wt.% spherical alumina composites were linked to a stable transfer film that exhibited little physical change over time. Further contrasts were visible in the microstructural features and morphologies of material in and near the wear track, as well as the hardness measured by nanoindentation.The same materials were subjected to high pressure torsion (HPT) to observe the microstructural changes and mechanical (torque) response due to compressive loading (0.5 and 1.0 GPa) and shear strain. Plastic flow patterns in the matrix were observed and were dependent on the particle morphology. The presence of sharp corners and flat edges of the angular alumina particles resulted in microcracking in the aluminum matrix, which was not visible for the spherical alumina morphology. A unit cell finite element model was developed to observe the micromechanical stress and strain contours in the matrix material in the vicinity of the hard particles, providing some explanation of the microstructural features observed.Des revêtements en aluminium et aluminium-alumine ont été déposés par projection à froid. Les matières premières ont été préparées en mélangeant mécaniquement de l'aluminium atomisé en poudre, de qualité commerciale, avec de l'alumine en poudre de morphologie anguleuse ou sphérique, à des fractions de masse de 0%, 10%, et 50 %. L’épaisseur des revêtements ainsi obtenus avaient une épaisseur minimale de 500 microns. Avant le dépôt des revêtements composites, les paramètres de projection ont été étudiés pour l'aluminium pur afin d’optimiser l'efficacité du dépôt et la qualité du revêtement.La dureté des revêtements et la récupération de l'alumine dans les dépôts ont été caractérisées. La récupération d'alumine était plus élevée pour la morphologie anguleuse des particules d'alumine que pour celle sphérique. Pour des fractions de masse d'alumine de 10% et 50 % dans les matières premières, la quantité d'alumine dans les revêtements était respectivement de 10% et 22 % pour la morphologie anguleuse et de 3% et 11 % pour la sphérique. Néanmoins quel que soit la morphologie des particules, une même quantité d'alumine dans le revêtement a donné une dureté similaire.Des essais de frottement en cinématique alternative ont été réalisés avec un tribomètre in-situ de type bille-plan, de construction hors-série. La bille en saphir transparent a permis de visualiser directement le contact lors du frottement, ainsi que le comportement du troisième corps, et d'y relier les forces de frottement en temps réel. Après les essais, le matériau superficiel à l'interface du contact a été analysé par des techniques de métrologie de surface et par microscopie électronique pour mesurer la quantité d'usure et pour analyser la morphologie des surfaces. Des coupes des échantillons en section transversale au niveau des traces de frottement ont permis d'étudier les changements microstructuraux, mécaniques, et chimiques créés lors du frottement.Le couplage des analyses in-situ et post mortem ont révélé des mécanismes fins des phénomènes mis en jeu au cours du frottement et de l’usure. Les revêtements en aluminium pur ont révélé un taux d'usure ainsi que des forces de frottement élevées présentant beaucoup de fluctuations. Ce comportement a été relié aux changements physiques observés in-situ dans le film de transfert adhérant à la bille, tel que le fluage plastique et le détachement de particules. Par contre, les taux d'usure étaient beaucoup moins élevés pour les composites en aluminium-alumine contenant 22 % d’alumine anguleuse ou 11% de sphérique. Le film de transfert semblait stable, montrant peu de changements physiques lors du frottement. Des différences à une échelle plus locale entre les deux types de revêtements, en termes de microstructure, de morphologie, et de nano-dureté, ont été observées et reliées au comportement tribologique.Les mêmes revêtements ont été soumis à des essais de torsion sous pression élevée (high pressure torsion, HPT) pour observer les changements de microstructure et la réponse mécanique au cisaillement couplé à une charge de compression de 0,5 et 1,0 GPa. Il a été mis en évidence par l’analyse des microstructures après essai, une déformation plastique qui dépendait de la morphologie des particules d'alumine. Les angles aigus de l'alumine anguleuse ont causé la formation des micro-fissures dans l'aluminium, ce que n'était pas visible dans les échantillons avec l’alumine sphérique. Un modèle par éléments finis a été développé pour observer les régions de contraintes et de déformation dans la matrice d’aluminium, autour des particules d'alumine, ce qui a permis de commencer à expliquer les changements de microstructure observés