多倫多大學(xué)鄒宇教授：冷噴涂增材制造中的金屬粉末顆粒的組織演變和結(jié)合特征

來(lái)源：電鏡網(wǎng)

近日，加拿大多倫多大學(xué)鄒宇教授的AMR述評(píng)文章 “Cold Spray Additive Manufacturing: Microstructure Evolution and Bonding Features” 在線發(fā)表。文章著重討論冷噴涂過(guò)程中四種常見(jiàn)金屬（銅，鎳，鋁，鈦）的微觀組織演變，并總結(jié)整理了大量的組織特征。作者還展望，新興技術(shù)和材料的引入將推進(jìn)冷噴涂增材制造研究。

冷噴涂技術(shù)是將固態(tài)金屬粉末在低于材料熔點(diǎn)溫度下經(jīng)過(guò)高壓氣體加速至超音速并連續(xù)噴射至基板，使粉末顆粒發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形并堆積成塊體的方法。冷噴涂興起于上個(gè)世紀(jì)末，是一種高速率，大變形的加工工藝。冷噴涂具有高沉積速率、涂層厚度不受限制、殘余熱應(yīng)力較低、材料不易氧化等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于易氧化、熱穩(wěn)定性差、塑性較好的材料具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。目前冷噴涂已成為一種具有應(yīng)用前景的固態(tài)增材制造（3D打�。┘夹g(shù)。不同于常規(guī)的增材制造，冷噴涂增材制造能減少甚至避免在高溫加熱情況下所引發(fā)的問(wèn)題（如氧化，晶化反應(yīng)），從而使其在航空，汽車(chē)，海洋，生物醫(yī)學(xué)，以及能源領(lǐng)域上都擁有極大的應(yīng)用前景。然而噴涂過(guò)程中，金屬顆粒高速連續(xù)碰撞，使得顆粒表面及內(nèi)部出現(xiàn)極高且不均勻的溫度，塑性應(yīng)變、應(yīng)變速率和應(yīng)變梯度分布，導(dǎo)致成型材料內(nèi)部出現(xiàn)復(fù)雜多樣且不可預(yù)測(cè)的微觀組織。因此，深入理解金屬顆粒在冷噴涂過(guò)程中組織結(jié)構(gòu)的演變，進(jìn)而進(jìn)行調(diào)控后續(xù)工藝，成為提高冷噴涂材料力學(xué)性能的理論基礎(chǔ)。

圖 1：（a）冷噴涂的示意圖，（b）冷噴涂增材制造系統(tǒng)

圖 2：（a）冷噴涂（cold spray）以及其他熱噴涂技術(shù)在氣體溫度和顆粒速度方面的對(duì)比，(b)冷噴涂（CS）以及其他增材制造技術(shù)的層積制造速度和工藝分辨率的對(duì)比

本文作者詳細(xì)論述冷噴涂過(guò)程中金屬粉末顆粒的組織結(jié)構(gòu)演變過(guò)程和結(jié)合特征。該綜述將著重討論冷噴涂過(guò)程中四種常見(jiàn)金屬（銅，鎳，鋁，鈦）的微觀組織演變，并總結(jié)整理了大量的組織特征，其中包括冷噴涂銅中的再結(jié)晶晶粒、退火孿晶、剪切帶、亞微米晶粒、變形孿晶和納米晶粒，冷噴涂鎳中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，和冷噴涂鋁中的形成的尺寸小于10nm的晶粒。文章還介紹了冷噴涂材料的后處理熱處理和納米壓痕表征。最后，作者提出了借鑒舊經(jīng)驗(yàn)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)、納米力學(xué)測(cè)試、高熵合金等新興技術(shù)和材料，推進(jìn)冷噴涂增材制造研究。

圖3. 未經(jīng)處理的冷噴涂銅材料的EBSD表征（冷噴涂條件：氣體溫度473 K, 氣壓30 bar）: (a) IPF圖像, (b) IQ圖像, (c) KAM 圖像, (d) 孿晶面邊界圖像。版權(quán)所有：2020 Acta Materialia Inc.

圖4. 冷噴涂鋁的SEM圖像：(a) 上表面, (b) 橫截面。(c) 橫截面的EBSD圖像。(d) 兩個(gè)粘結(jié)顆粒的應(yīng)變分布在65 ns的FEA。兩個(gè)粘結(jié)的鋁顆粒的TEM圖像：(e)明場(chǎng), (f) 暗場(chǎng)。(g)-(i) ：在(e)圖中的選中區(qū)域的TEM明場(chǎng)圖像。版權(quán)所有：2020 Acta Materialia Inc.

作者簡(jiǎn)介

鄒宇，多倫多大學(xué)材料科學(xué)與工程系助理教授。他分別在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、麥吉爾大學(xué)和北京航空航天大學(xué)材料專(zhuān)業(yè)獲得博士學(xué)位、碩士學(xué)位和學(xué)士學(xué)位，并且2014年在京都大學(xué)做JSPS訪問(wèn)博士生。2016-2017年在麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系擔(dān)任博士后研究員。在多倫多大學(xué)，鄒宇教授領(lǐng)導(dǎo)著極限力學(xué)與增材制造實(shí)驗(yàn)室，他團(tuán)隊(duì)的研究方向包括新型金屬材料的設(shè)計(jì)、多尺度力學(xué)測(cè)試、金屬增材制造（3D 打�。┖蜋C(jī)器學(xué)習(xí)。教學(xué)方面，鄒宇教授講授“材料的力學(xué)行為”、“材料的斷裂與失效”和“先進(jìn)工程材料的增材制造”。此外，鄒宇教授目前擔(dān)任加拿大冶金與材料學(xué)會(huì)材料技術(shù)分會(huì)主席。