Spray forming of high density sheets

Porosity is one of the most important quality criteria of spray-formed materials in the as-sprayed condition. Typically, spray-formed sheets have a porous rim close to the substrate and depending on the spray conditions cold or hot porosity may also be present in the core of the deposit. This porosity has to be removed or minimized to make further processing steps such as rolling, forging or extrusion possible. In this paper, the influence of both substrate temperature and deposit surface temperature on porosity in spray-formed sheets is studied. For this purpose spray forming experiments (sheet size 1000 mm × 250 mm) were carried out using three different materials: aluminium-bronze, tin-bronze and a nitriding steel. For the copper-base alloys preheated steel-substrates with different temperatures were moved through a scanning spray cone. In the case of steel a ceramic substrate at room temperature was used. In addition to the variation of the substrate temperature, the gas to metal mass flow ratio (GMR) was varied to achieve different deposit surface temperatures. During the run the surface temperature in the deposition zone was measured using a scanning, multi-wavelength pyrometer. Samples of the deposits were polished and rasterized by light microscopy. The local porosity was characterized by digital image analysis. The influence of the substrate temperature and the GMR on the porosity in the vicinity of the substrate is evaluated and discussed in detail. The impact of the deposit surface temperature on the porosity was analyzed and is discussed as well. It was found that the deposit surface temperature has a strong impact on porosity for spray-formed sheets. Finally, experimental results were used to develop a new approach to predict the porosity in spray-formed sheets. The results clearly show the dependence on material properties. This approach can be used to identify process parameters to generate high density sheets in the future. Die Porositat eines spruhkompaktierten Materials im gespruhten Zustand ist eines seiner wichtigsten Qualitatsmerkmale. Normalerweise weisen spruhkompaktierte Bleche in Substratnahe einen Saum mit erhohter Porositat auf und moglicherweise kann in Abhangigkeit der Kompaktierbedingungen Kalt- oder Heisporositat im Depositkern auftreten. Die Bereiche mit erhohter Porositat mussen entfernt werden oder die Porositat muss minimiert werden um weitere Prozessschritte wie Walzen, Schmieden oder Extrudieren zu ermoglichen. In diesem Artikel wird der Einfluss der Substrattemperatur und der Depositoberflachentemperatur auf die Porositat in spruhkompaktierten Blechen untersucht. Zu diesem Zweck wurden Bleche (1000 mm lang und 250 mm breit) aus unterschiedlichen Legierungen durch Spruhkompaktieren hergestellt: Aluminiumbronze, Zinnbronze und Nitrierstahl. Zur Herstellung der Kupferlegierungen wurde ein vorgeheiztes Stahlblech mit unterschiedlichen Vorheiztemperaturen durch einen scannenden Spruhkegel gefahren. Im Falle des Nitrierstahls wurde ein unbeheiztes Keramiksubstrat verwendet. Auserdem wurde das Gas-Metall-Massenstromverhaltnis (GMR) variiert um unterschiedliche Depositoberflachentemperaturen einzustellen. Wahrend der Versuche wurde die Depositoberflachentemperatur mit einem scannenden Quotientenpyrometer erfasst. Materialproben aus den Depositen wurden lichtmikroskopisch untersucht und die lokale Porositat wurde mit Unterstutzung eines Bildanalysesystems ermittelt. Der Einfluss der Substrattemperatur, der Depositoberflachentemperatur und des Gas-Metall-Massenstromverhaltnisses auf die Porositat wurde detailliert analysiert. Es zeigte sich, dass die Depositoberflachentemperatur einen starken Einfluss auf die Porositat in den spruhkompaktierten Blechen hat. Schlieslich wurden die experimentellen Ergebnisse verwendet, um ein neues Modell zur Voraussage der Porositat in spruhkompaktierten Blechen zu entwickeln. Die Ergebnisse zeigen auch eine klare Abhangigkeit von der Legierung. Das Modell kann kunftig eingesetzt werden um gunstige Prozessparameter zum Spruhkompaktieren von Blechen mit hoher Dichte zu identifizieren.