Master's Thesis

Analysis of Micromechanical Failure Mechanisms at the Interface of Cold Spray Ti Grade 23 Coating on AA 7075 Substrate Using DIC (Digital Image Correlation)

Final Thesis 8.96 MB

Author of thesis: Bc. Ondřej Hamr

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Josef Zapletal, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jakub Judas, Ph.D.

Abstract:

This master's thesis investigates the micromechanical failure mechanisms at the interface formed between a high-strength AA 7075 aluminium alloy substrate and a Ti Grade 23 coating deposited via the progressive Cold Spray technology, which minimizes the formation of a heat-affected zone (HAZ) and intermetallic phases. The primary objective of this work is a comprehensive analysis of the interface and its failure behaviour under mechanical testing. To achieve this, a wide range of mechanical tests were performed during the experimental phase, with in-situ monitoring conducted using a digital extensometer utilizing a digital image correlation (DIC) system. The data acquired from mechanical testing are subsequently validated via finite element method (FEM) numerical simulations and further supported by microstructural and fractographic analyses. The research also includes an investigation into the formation of intermetallic phases using energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD). The findings contribute to the development of advanced hybrid (bimetallic) structures with potential applications in the aerospace, automotive, and defence industries.

Keywords:

Cold Spray, Ti Grade 23, AA 7075, Bimetallic Interface, Digital Image Correlation (DIC), Finite Element Method (FEM)

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval svoji diplomovou práci, byly přečteny posudky vedoucího práce a oponenta práce. Otázky oponenta: 1. otázka - zodpovězeno 2. otázka - zodpovězeno 3. otázka - zodpovězeno Otázky komise: Dokázal byste navrhnout jiné TZ, kde byste eliminoval negativní efekt rozdílné teplotní roztažnosti? (zodpovězeno) Lze tento problém odstranit jinou cestou než pomocí TZ? (částečně zodpovězeno) Jaká byla lomová plocha - typ lomu u všech 3 typů vzorků? Co z toho vyvozujete? (zodpovězeno) Kde a jakým způsobem byla hodnocena analýza částic? (zodpovězeno) Co znamená, že hodnocení částic proběhlo objemově? (zodpovězeno)

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Materials Engineering (N-MTI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Libor Pantělejev, Ph.D. (předseda)
Ing. Lukáš Řehořek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Klára Částková, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Ivo Dlouhý, CSc. (člen)
Ing. Martin Zelený, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Karel Maca, Dr. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Josef Zapletal, Ph.D.

Magisterská práce pana Ondřeje Hamra s názvem " Analýza mikromechanismů porušování rozhraní Cold Spray povlaku Ti grade 23 na substrát AA 7075 pomocí metody DIC (Digital Image Correlation)" přináší aktuální pohled na komplexní posouzení tvorby Ti nástřiku a jeho odezvy na variace mechanických zatížení s verifikaci MKP modelu v elastické oblasti. Práce má obvyklé řazení s celkovou velikostí práce 89 stran a s 87 citovanými zdroji.

V první části je obsáhlá rešerše s velmi dobrou úrovní použitých literárních pramenů. Teoretická část obsahuje tři hlavní oblasti zájmu: analýzu rozhraní Ti-Al, mechanické zkoušení malých těles a DIC analýzu. Druhou částí je pak samotný rozsáhlý experiment. Zde autor využívá široké portfolio testovacích metod pro komplexní poznání experimentálního materiálu jako například: SEM hodnocení prášku, metalografická analýza nástřiku, měření tvrdosti a hodnocení porozity, adhezní testy, tahové a smykové experimenty rozhraní a jejich fraktografické analýzy. Velmi dobře je také zpracována validace MKP modelu a analýza stavů napjatosti.

Na velmi dobré úrovni v rámci magisterské práce je samostatná diskuse výsledků, kde je patrná autorova orientace v problematice a schopnost analyzovat a porovnávat své výsledky s citovanými pracemi. V posledním bodě diskuse autor předkládá další možné pokračování experimentálního studia a nastiňuje i jisté limity a omezení. Následují jasně formulované závěry shrnuté do šesti bodů.

Velmi pozitivně hodnotím autorovu samostatnost, ochotu učit se novým věcem a zájem o problematiku kdy se běžně podílel na experimentální činnosti nejen v rámci své práce ale i na zakázkách pro průmysl a vědecké projekty. Fakticky v rámci CAD/CAM navrhování, mechanického zkoušení, DIC měření a post-processingu se stal expertním členem mechanické laboratoře.

Na základě splnění všech cílů práce a výše uvedeného doporučuji práci pana Ondřeje Hamra k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jakub Judas, Ph.D.

Magisterská práce Bc. Ondřeje Hamra se zabývá využitím metody digitální korelace obrazu (DIC) pro stanovení mikro-mechanických vlastností nástřiku titanové slitiny grade 23 na hliníkové bázi. Předložená práce je logicky členěna do jednotlivých kapitol v celkovém rozsahu 89 stran a s 87 citovanými zdroji.

Teoretická část práce je nejprve věnována problematice intermetalického rozhraní Ti-Al, možnostem spojování titanových a hliníkových slitin s důrazem na technologii studené kinetické depozice (Cold Spray). Následuje kapitola zaměřená na testování mechanických vlastností malých a miniaturních vzorků, kde autor pečlivě rozebírá bezkontaktní systémy pro měření deformací malých těles, zejména DIC metodu. Rešeršní část je obecně sepsána velmi přehledně, moderně a přináší pro čtenáře řadu zajímavých informací nejen na poli mechanických zkoušek. Rozsah této části práce i výběr citované literatury odpovídá zadání zpracovat detailní rešerši na dané téma.

Experimentální část práce je nejprve zaměřena na mikrostrukturní rozbor výchozího prášku, vysokopevnostní hliníkové báze a analýzu zhotoveného nástřiku metodou Cold Spray. Dále jsou prezentovány výsledky adhezních testů deponovaných nástřiků, a to pro jak pro případ normálového, tak i smykového režimu zatěžování. Hlavní těžiště práce poté tvoří měření napěťově-deformační odezvy bimetalického spoje Ti-Al pomocí bezkontaktního DIC systému, jehož výsledky jsou dále doplněny o příslušnou MKP simulaci a fraktografickou analýzu.

Výsledky magisterské práce přináší poměrně komplexní pohled na stále aktuálnější téma testování malých vzorků. Autor v práci kombinuje řadu rozdílných technik a postupů, čímž prokazuje dobrou orientaci v dané problematice. Ocenit je třeba schopnost implementace metody konečných prvků k podpoření závěrů DIC měření. Samotný postup DIC měření a prezentované výsledky jsou také velmi dobře využitelné pro budoucí testování v dané oblasti. Vyzdvihnout je také potřeba pěkně zpracovanou fraktografickou analýzu lomových ploch a jejich kvalifikovaný popis, a také povedenou diskuzi výsledků v rozsahu pěti stran.

Na základě výše uvedených skutečností doporučuji práci k obhajobě s výsledným hodnocením A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Jaké jsou termodynamické a kinetické aspekty tvorby zmiňovaných intermetalických sloučenin typu TiAl? Pokud je rozlišení SEM pro jejich případnou detekci nedostatečné, jaké jiné metody poté navrhujete?
  2. Jaký je dopad vzniklých smykových napětí, která byla zjištěna na základě provedené MKP simulace, na adhezní pevnost rozhraní?
  3. Navrhněte a diskutujte mechanismy, které jsou potenciálně zodpovědné za zjištěný pokles adhezní pevnosti nástřiku po aplikovaném tepelném zpracování. Je takové chování doložené v předešlé literatuře pro případ Cold Spray nástřiků?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová