Il principio di funzionamento di un impianto di deposizione coldspray è molto intuitivo: il gas di trasporto viene compresso e distribuito in linea ad elevata pressione e portata (generalmente almeno 40bar e 80m³/h rispettivamente). Nella quasi totalità dei casi si tratta di azoto che viene conservato in fase liquida in appositi serbatoi (tank) e viene pressurizzato mantendolo in fase liquida da specifici sistemi di tipo criogenico (pressure booster); successivamente è fatto evaporare e trasportato in fase gassosa al sistema di controllo. Il sistema di controllo (control panel) è l’interfaccia verso l’operatore dell’impianto di deposizione e consente l’impostazione dei diversi parametri di processo (flussi, pressione, temperatura). In particolare si stabilisce che una percentuale del gas di trasporto superiore al 90% viene riscaldata a temperature di circa 500-700°C (gas heater) e successivamente convogliata all’ugello (spray nozzle). La restante parte di gas, mantenuta a temperatura ambiente, viene fatta passare attraverso un serbatoio di polveri (powder feeder) e ha la funzione di trascinare separatamente il flusso di polveri all’ugello. All’entrata dell’ugello i due flussi si incontrano e quindi un flusso di gas di circa 60m³/h, 30bar e qualche centinaio di gradi centigradi viene mescolato con un flusso di polveri 6-8Kg/h trascinato da 5-10m³/h di azoto a temperatura ambiente. Le polveri vengono quindi accelerate dall’ugello “de Laval” e proiettate a velocità comprese tra 500 e 1000m/s sul substrato. Grazie alla separazione dei percorsi tra le polveri ed il gas di trasporto è possibile limitare il tempo di permanenza delle polveri con il gas caldo (questo avviene solo per pochi centrimetri all’interno dell’ugello) ed in particolare prevenirne il riscaldamento al di sopra di circa 200-300°C.

La tecnica coldspray al pari delle tradizionali tecniche di spray termico (plasma, fiamma, arco, HVOF, ecc.) è facilmente industrializzabile in sistemi in linea grazie al montaggio dell’ugello di spruzzatura e/o del particolare da rivestire su robot antropomorfi capaci di seguire la geometria del pezzo da rivestire.

Può essere utilizzata come tecnica di saldatura a freddo per riparazioni di interesse ad esempio nel settore aeronautico oppure come tecnica di rivestimento superficiale in applicazioni meccaniche (friction, incremento resistenza a fatica, ecc.), elettriche e termiche (rame e compositi), di protezione a corrosione (Ni, Al, Ti, superleghe a base di Ni) e compatibilità alimentare (AISI316L); nella biocompatibilità (Ti); nel settore automotive, etc. Non presenta controindicazioni nel trattamento di superfici di elevate dimensioni e consente un ricoprimento omogeneo e compatto. A seguito del trattamento è possibile eseguire delle lavorazioni all’utensile, di lucidatura o di trattamento termico a seconda degli scopi e delle applicazioni richieste.

L’impianto coldspray presso Nanofab è il Kinetic3000 fornito da CGT GmbH. Si tratta di un modello commerciale utilizzato sia in ambito di ricerca che industriale. È dotato sia di ugello in carburo di tungsteno (elevata resistenza ad usura) che in materiale polimerico specifico per la deposizione di Al. L’impianto utilizza azoto come gas di trasporto fino a pressione di 32bar e 650°C con una portata fino a 90m³/h. Tali parametri consentono di raggiungere velocità delle particelle superiori agli 800m/s in funzione della natura e dimensione delle particelle utilizzate. L’ugello è montato su un robot antropomorfo a sei assi Motoman che consente il rivestimento anche su particolari di forma complessa. La caratterizzazione dei rivestimenti depositati è realizzata grazie alle strumentazioni disponibili presso il laboratorio Nanofab, in particolare in questo ambito sono di interesse il laboratorio di preparazione ed indagine metallografica, microscopia elettronica a scansione (SEM), microindentazione, indagini di resistenza a corrosione secondo test normato ASTM117B, test tribologici pin-on-disc e ball-on-disc fino ad 800°C per la verifica del coefficiente di attrito e di usura dei rivestimenti, nonchè una facility apposita per realizzare analisi dinamometriche di adesione e coesione secondo test normato ASTM C633.