增材制造頂刊《AM》：冷噴涂沉積梯度Al-SiC復(fù)合材料！

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：本研究采用兩條送粉線，在冷噴涂過(guò)程中采用恒定的Al粉進(jìn)給速度和逐漸增加的SiC粉進(jìn)給速度來(lái)探索梯度復(fù)合材料的制造。通過(guò)對(duì)兩種SiC粉末尺寸的系統(tǒng)比較，可以識(shí)別復(fù)合材料形成的共同特征，并推導(dǎo)出獲得均勻、分級(jí)復(fù)合材料的技術(shù)前提。在此基礎(chǔ)上，闡明了在冷噴沉積中實(shí)現(xiàn)更大范圍硬相含量的要求，特別是對(duì)原料粉末和粉末給料器的要求。同時(shí)，所獲得的認(rèn)識(shí)也適用于其他梯度材料組合的冷噴涂。

硅基陶瓷材料如SiC在高溫下可提供低熱膨脹、高耐磨性和高強(qiáng)度，而鋁合金具有低密度、高導(dǎo)熱性和高韌性。因此，用 SiC 顆粒 (SiCP)增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料 (AMCs)被認(rèn)為是很有前途的功能應(yīng)用材料，如果可以相應(yīng)地調(diào)整金屬鋁合金基體中的陶瓷相含量，它可以滿足機(jī)械和熱物理性能的良好組合。然而，到目前為止，應(yīng)用的主要是具有宏觀均勻相分布的整體復(fù)合材料，這往往不能滿足具有挑戰(zhàn)性的情況，這需要不同性能的組合在一個(gè)部分。通過(guò)SiCP體積分?jǐn)?shù)的系統(tǒng)和可控的變化，可以構(gòu)思出具有調(diào)諧性能的梯度復(fù)合材料，用于各種潛在的應(yīng)用，包括結(jié)構(gòu)和電子元件。

為了制造這種梯度微結(jié)構(gòu)，研究人員采用了各種方法，或遵循液態(tài)路線，如離心鑄造，擠壓浸滲，或粉末冶金燒結(jié)工藝和可能的熱壓燒結(jié)。此外，采用了熱噴涂、漿料分解沉積、激光熔注等沉積技術(shù)。這些工藝的一個(gè)共同特點(diǎn)是Al和SiC預(yù)混粉末的熱加工。這些步驟涉及鋁基體的熔化或在接近熔化溫度的溫度下燒結(jié)。雖然SiCP的梯度分布成功實(shí)現(xiàn)，但最先進(jìn)的高溫工藝與缺陷的發(fā)生有關(guān)，如氣孔、氧化物夾雜、局部相變、Al基體和增強(qiáng)體之間可能的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，以及增強(qiáng)體顆粒的聚集和降解，這些都將嚴(yán)重影響材料的性能，限制其在應(yīng)用中的靈活性。

通過(guò)對(duì)AMC材料進(jìn)行固態(tài)冷噴涂，將熱對(duì)噴涂材料和堆積物的影響降到最低，可以避免高溫處理造成的缺陷，從而形成固體結(jié)合界面。已經(jīng)進(jìn)行了許多開(kāi)創(chuàng)性的嘗試來(lái)使用預(yù)混合金屬/陶瓷粉末來(lái)生產(chǎn) AMCs，例如Al-SiCP 、Al-Al2O3和Al-TiNP�；�于文獻(xiàn)綜述，冷噴涂復(fù)合材料在增強(qiáng)材料分類方面的主要特征及其對(duì)冷噴涂鋁基復(fù)合材料的影響可總結(jié)如下：沉積材料的力學(xué)性能、摩擦磨損性能和熱性能與其顯微組織和增強(qiáng)顆粒含量有很大的關(guān)系。例如，Sansoucy等人報(bào)道稱，在與Al12Si合金粉末的初始共混物中，SiC體積分?jǐn)?shù)的范圍從20 ~ 60 vol%，導(dǎo)致沉積物中SiC體積分?jǐn)?shù)的范圍較小，僅為10 ~ 20 vol%。相比純Al12Si，冷噴涂鍍層的顯微硬度由145 HV0.3提高到205 HV0.3。通過(guò)使用類似的混合原料粉末，Yandouzi等人證明，使用脈沖氣動(dòng)力噴涂工藝可以提高Al12Si-SiC復(fù)合材料的SiCP分?jǐn)?shù)，高達(dá)14-41 vol%。同樣，Yu等人采用15-60 vol%的預(yù)混合粉末，在冷噴涂Al5056-SiCP沉積中，SiCP含量在21.2 - 41.4 vol%之間。與純金屬沉積相比，這將磨損率降低了5倍以上。結(jié)合強(qiáng)度分別為107、147和113 MPa, SiCP含量分別為0、26.4和41.4 vol%。Eesley等發(fā)現(xiàn)純Al基體中SiCP含量在30-40 vol%范圍內(nèi)可以顯著降低鍍層的熱膨脹。根據(jù)上述實(shí)例，復(fù)合材料的力學(xué)性能、摩擦學(xué)性能和熱性能與復(fù)合材料沉積中增強(qiáng)顆粒的含量有關(guān)。研究還表明，SiCP增強(qiáng)體的沉積效率(DEs)與工藝參數(shù)、Al基體類型以及陶瓷顆粒在初始混合物中的比例有關(guān)。

在上述情況下，單片 AMCs 的 CS 通常需要在噴涂前對(duì)粉末進(jìn)行均勻的預(yù)混合。在冷噴涂期間使用兩個(gè)獨(dú)立的送粉器有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。一方面，可以避免粉末預(yù)混作為額外的工藝步驟。另一方面，可以通過(guò)不同沉積層的進(jìn)給速度來(lái)改變其組成，以獲得分級(jí)的微觀組織和性能。本研究采用了兩種不同粒度分布的SiC粉體。為了在鋁合金基體中獲得不同數(shù)量的SiCP組分，可以改變SiCP的進(jìn)給速率。赫爾穆特-施密特大學(xué)/漢堡聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué)的Chunjie Huang研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)研究確定了SiCP在均勻和梯度復(fù)合材料中的含量和分布，并與粉末尺寸和單次進(jìn)料速度測(cè)量的力學(xué)性能相關(guān)聯(lián)。這為冷噴涂制備梯度Al-SiCP復(fù)合材料提供了有效的指導(dǎo)。相關(guān)研究成果以題為“Cold spray deposition of graded Al-SiC composites”發(fā)表在《Additive Manufacturing》上。

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圖1所示為用激光衍射法測(cè)量了SiCP和Al粉末的尺寸分布(插入圖像顯示了粉末的宏觀形貌，SiC和Al粉末分別為黑色和白色)。插入的表中給出了尺寸分布的關(guān)鍵數(shù)據(jù)(D10, D50和D90)，參考的是整個(gè)尺寸分布中體積含量為10%，50%或90%的尺寸

圖2所示為兩種粉末進(jìn)給線CS沉積復(fù)合材料原理圖:(a)配備兩種粉末進(jìn)給器的噴涂系統(tǒng)主要部件(實(shí)際粉末進(jìn)給器技術(shù)細(xì)節(jié)見(jiàn)附圖S2a);  (b)b0 中的純鋁，b1、b2 和 b3 中的均質(zhì)復(fù)合材料 (Al-SiCP) 以及 b0-3 中的分級(jí)復(fù)合材料 (GMS/Al-SiCP)三種沉積類型的原理圖。(b)中的下標(biāo)字符表示SiCP給粉機(jī)對(duì)應(yīng)的送粉率。

圖3所示為冷噴涂實(shí)驗(yàn)中使用的粗 SiC-F220（a 和 b）、細(xì) SiC-F280（c 和 d）和 Al（e 和 f）原料粉末的形貌的 SEM 顯微照片（up ×500）和細(xì)節(jié)（down×5000）。

圖4所示為以5rpm的恒定速度沉積的純鋁樣品的參考顯微圖。(a)整個(gè)四層沉積OM的微觀結(jié)構(gòu)概覽，(a)中的插入物對(duì)應(yīng)于Al沉積表面的照片圖像。(b和c)基底和沉積表面界面OM顯微結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，(d)沉積內(nèi)部SEM顯微結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)高倍放大圖。紅色和黃色箭頭分別表示高度變形和較少變形的區(qū)域。

圖5所示為SEM和EDS測(cè)圖顯示了Al-SiCFP復(fù)合材料的表面形貌(a-d) 1rpm和(e-f) 3rpm。(a-b)和(c-d)分別對(duì)應(yīng)圖5d中的表面區(qū)域Slow和表面區(qū)域Shigh。(a和c)中的插圖顯示了更高放大倍率下SiCP的影響(對(duì)應(yīng)于藍(lán)色矩形)。(e、f)分別對(duì)應(yīng)圖5f中的表面區(qū)域Slow和表面區(qū)域Shigh。EDS測(cè)繪使用Si (kα)輻射進(jìn)行，局部高SiC含量在這里顯示為藍(lán)色(對(duì)于圖中顏色參考的解釋，讀者可以參考本文的Web版本)

圖6所示為均勻處理的Al-SiCFP樣品的微觀結(jié)構(gòu)概況和細(xì)節(jié)(OM顯微圖的截面)共沉積的固定SiCFP粉末投遞率(a-b): 4.6 g/min (1 rpm)， (c-d): 9.2 g/min (2 rpm)和(e-f): 13.8 g/min (3 rpm)表面區(qū)域Slow (左) 和Shigh (右).。圖中的藍(lán)色矩形。A-f表示以更高倍率顯示的區(qū)域，以顯示細(xì)節(jié)。

圖7所示為(a) 噴涂鋁、(b) Al-SiCCP3 和 (c) Al-SiCFP3 沉積物在拉伸試驗(yàn)后的斷裂表面。

圖8所示為梯度Al-SiCFP沉積中各層厚度(左縱坐標(biāo))和SiCFP組分(右縱坐標(biāo))與對(duì)應(yīng)層的相關(guān)性。

圖9所示為不同冷噴涂 AMCS沉積物中獲得的 SiCP體積分?jǐn)?shù)與原料粉末中陶瓷含量的比較。

本研究表明，在冷噴涂中使用兩條粉末進(jìn)料線可用作沉積Al-SiCP 復(fù)合材料的適當(dāng)增材制造工具。不同硬質(zhì)相含量的單個(gè)沉積特征與使用預(yù)混合粉末混合物獲得的特征相似。然而，與使用粉末混合物相比，調(diào)整單個(gè)進(jìn)料速率的給定靈活性允許更好地微調(diào)硬相含量并易于構(gòu)建多層分級(jí)復(fù)合材料。

復(fù)合材料形成均勻的理想前提是Al和硬相粉末的尺寸相近，以及適當(dāng)?shù)膰娡繀��?shù)設(shè)置。原則上，使用較粗的粉末作為鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)體是可能的，但會(huì)導(dǎo)致沉積不均勻性和內(nèi)部缺陷。尺寸相近的Al和SiC粉末在沉積物中形成較為均勻的硬相，且硬相分布較為明確，從而產(chǎn)生了明確的功能特性，例如導(dǎo)電性或硬度。單個(gè)沉積效率，以及它們隨著硬相含量的增加而降低的差異，可以通過(guò)各自的顆粒表面相互作用和絕熱剪切失穩(wěn)達(dá)到鍵合所需的條件來(lái)解釋。

將產(chǎn)生均勻沉積的條件轉(zhuǎn)移到在整個(gè)成分范圍內(nèi)沉積具有致密和無(wú)孔微觀結(jié)構(gòu)的四層分級(jí)Al-SiCP 復(fù)合材料。因此，使用單獨(dú)調(diào)整的粉末進(jìn)料線的冷噴涂共沉積是實(shí)現(xiàn)良好分級(jí)復(fù)合材料增材制造的重要一步。單獨(dú)成分和更細(xì)的梯度可以通過(guò)粉末進(jìn)料速率和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)調(diào)整好參數(shù)集，基本原理也可以轉(zhuǎn)移到其他材料組合，如金屬-金屬(Cu-W, Cu-Mo, Ti6Al4V-Steel等)或金屬-陶瓷(Ni-Al2O3, Ti-TiC等)。然而，這種分級(jí)復(fù)合材料的個(gè)別性能還需要進(jìn)一步評(píng)估，如果需要，可以通過(guò)后期處理進(jìn)行調(diào)整。