西北工大《JMST》綜述：全面回顧高強度金屬冷噴涂增材制造：方法、機理和性能！

來源：材料學網

導讀：冷噴涂作為一種固態(tài)增材制造工藝，引起了科學界和工業(yè)界的越來越多的關注。然而，與傳統(tǒng)制造和熔融基于添加制造相比，冷噴涂沉積物在其制造狀態(tài)下通常具有不利的力學性能，這是由于沉積物中固有的微觀結構缺陷（例如孔隙性和不完全的顆粒間結合）所導致的。這個缺點降低了它的競爭力，并限制了它作為一種增材制造工藝的廣泛應用。在過去的幾年里，許多強化技術已經被開發(fā)或引入，以改善冷噴涂沉積物的微觀結構和力學性能。本文中的“強化”一詞特指改善冷噴涂塊體沉積物的機械強度，特別是抗拉強度。根據(jù)在冷噴涂過程中使用強化技術的階段，它們可以分為三類：預處理（即粉末熱處理），過程中（即粉末預熱、原位微鍛熱噴涂、激光輔助冷噴涂）和后處理（即后熱處理、熱等靜壓、熱軋、摩擦攪拌加工）。因此，對這些強化技術進行全面回顧，以闡明強化機制與結果沉積物微觀結構和力學性能之間可能的相關性。本綜述旨在幫助研究人員和工程師充分理解不同的強化方法，并為冷噴涂社區(qū)提供指導，以開發(fā)未來高質量大規(guī)模生產的新的強化策略。

冷噴涂是一種固態(tài)材料沉積工藝，最早在1980年代開發(fā)出來。在這個過程中，利用加壓氣體（如空氣、氮氣或氦氣）在高溫下作為推進氣體，通過一個特殊設計的收斂-擴張噴嘴將金屬甚至陶瓷粉末原料加速到速度從300到1200 m/s。當這些高速粉末顆粒撞擊基底表面時，它們經歷嚴重的塑性變形，然后沉積形成薄涂層或塊體沉積物。冷噴涂沉積物的形成主要依靠撞擊前的顆粒動能而非熱能，因此在整個沉積過程中，冷噴涂顆粒始終保持固態(tài)。顆粒的固化主要通過機械咬合和顆粒間界面的局部冶金結合實現(xiàn)。

增材制造是一種通過逐層構建直接從數(shù)字文件中生產出凈或接近凈形狀的零件的過程。在過去的幾年里，冷噴涂已成功發(fā)展為一種固態(tài)增材制造技術。作為增材制造家族的新成員，冷噴涂可以制造出獨立的金屬零件，并恢復受損的金屬零件。與常用的基于熔融的增材制造技術相比，冷噴涂具有許多獨特優(yōu)勢，如生產時間較短、產品尺寸無限制、熱效應較低和靈活性較高。有關冷噴涂增材制造與其他基于熔融的增材制造工藝之間的詳細比較可以在作者之前的綜述工作中找到。然而，冷噴涂的主要缺點是制造過程中沉積物的強度和延展性不足。圖1對比了制造過程中銅和鈦沉積物的代表性強度和延展性與其他工藝制造的銅和鈦塊材料的數(shù)據(jù)。文獻中提供了更多冷噴涂沉積物的力學性能數(shù)據(jù)。

幾乎所有冷噴涂沉積物的力學性能在制造狀態(tài)下都不理想，無論使用何種冷噴涂系統(tǒng)、氣體參數(shù)（壓力、溫度和種類）、粉末供給速率、噴嘴掃描策略（掃描步長、噴嘴遍歷速度和掃描模式）以及試樣制備（尺寸、測試裝置和取向）。雖然使用更高的氣體壓力或溫度，或者使用氦氣作為推進氣體，可以在一定程度上改善沉積物的強度和延展性，但這種改善還不足以從實際工業(yè)應用的角度得到令人滿意的冷噴涂沉積物。較差的力學性能明顯減緩了冷噴涂作為一種快速高效的增材制造工藝向進一步發(fā)展和工業(yè)化的步伐。西北工業(yè)大學李文亞教授團隊相關研究成果以題“Towards high-strength cold spray additive manufactured metals: methods, mechanisms, and properties”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1005030223005479

圖1 冷噴涂沉積層的力學性能與其他工藝制備的塊狀沉積層的數(shù)據(jù)比較：( a ) Cu和( b ) Ti。

圖2 冷噴涂沉積層可用的強化技術示意圖。根據(jù)這些強化技術在冷噴涂過程中應用的階段，將強化技術分為事前、事中和事后3類。( a )粉末熱處理，( b )工藝粉末預熱，( c )原位微鍛造，( d )激光輔助冷噴涂，( e )后處理，( f )熱等靜壓，( g )熱軋，( h )攪拌摩擦加工。

圖3 氣霧化粉末與熱處理粉末的比較。( a )具有樹突狀細胞的不均勻晶粒的氣霧化Al 6061粉末和具有粗大晶粒的熱處理粉末的EBSD表征，( b )氣霧化和固溶熱處理Al 7075顆粒在Al 6061 - T6基體上的沖擊形貌，( c )由氣霧化和熱處理粉末制備的冷噴涂Al - 2Cu沉積層的SEM圖像和EBSD結果，( d )由氣霧化和熱處理粉末制備的兩種Al 6061沉積層的應力-應變曲線。

圖4 對比了有、無粉末預熱的冷噴涂沉積層的微觀組織和力學性能。( a ) Ti基體上Ti沉積層的SEM照片，( b ) Fe沉積層的代表性拉伸應力-應變曲線，( c ) Fe沉積層的EBSD表征結果。

圖5 原位微鍛造輔助冷噴涂制備沉積層的微觀組織和力學性能。( a )不同Inconel粉末與微鍛造顆�；旌媳壤�下原位微鍛造輔助冷噴涂制備的Inconel 718沉積層的橫截面顯微組織，( b )原位微鍛造輔助冷噴涂制備的Al 6061沉積層的EBSD結果，( c )原位微鍛造和未原位微鍛造制備的冷噴涂Inconel 718沉積層的應力-應變曲線。

圖6 通過激光輔助冷噴涂( LACS )和傳統(tǒng)冷噴涂制備的沉積層的微觀結構和物相。( a ) Cu - Al2O3沉積層的截面形貌；( b ) Cu沉積層的刻蝕截面微結構；( c )鈷鉻合金- 6粉末和相應的LACS沉積層的XRD圖譜；( d ) AISI 4340鋼沉積層的EBSD反極圖( IPF )；( e )鋼管上的LACS Ti沉積層。

圖7 不同冷噴涂沉積層在其制備態(tài)和退火處理態(tài)的微觀結構和力學性能。( a )冷噴涂Ti6Al4V沉積層準原位觀察；在不同退火溫度下獲得了多孔沉積層和致密沉積層，( b )冷噴涂Cu沉積層在350℃退火處理1 h前后的EBSD IPF和晶界圖，( c )冷噴涂Al 6061沉積層在450℃退火處理45 min前后的TEM照片，( d )冷噴涂Al、Cu、Ti和不銹鋼316沉積層在不同退火溫度下的應力-應變曲線。AF指的是預制的；AT指退火處理。

圖8 冷噴涂316L不銹鋼沉積層在制備態(tài)、真空退火和熱等靜壓處理后的微觀組織和力學性能。( a )橫截面顯微組織，( b )刻蝕橫截面顯微組織，( c )熱等靜壓前后的X射線CT重建，( d ) HIP前后冷噴涂沉積層的拉伸應力和延伸率對比。AF指的是預制的；VA是指真空退火。

圖9 冷軋前后冷噴涂沉積層的微觀組織和力學性能。( a )冷噴涂Al 380合金沉積層的腐蝕截面組織，( b )冷噴涂Al 380合金沉積層的EBSD IPF圖，( c )冷噴涂Al 380合金沉積層的拉伸應力-應變曲線，( d )冷噴涂Al + B4C沉積層的拉伸應力-應變曲線。HR - 20、40、60 '是指厚度減薄20 %、40 %、60 %的熱軋態(tài)鍍層。

圖10  FSP前后冷噴涂沉積層的顯微組織和力學性能( a ) FSP前后冷噴涂Cu沉積層的腐蝕截面顯微組織和EBSD IPF圖，( b ) FSP前后冷噴涂TiB2 - Al Si10Mg沉積層的TEM照片，( c ) FSP前后冷噴涂Cu沉積層的應力-應變曲線。

綜上所述，冷噴涂作為一種新興的固態(tài)增材制造工藝，由于其相對于傳統(tǒng)的基于熔融的增材制造工藝的獨特優(yōu)勢，在多種工業(yè)部門具有巨大的應用潛力。近年來，許多強化技術已被開發(fā)或引入用于冷噴涂，以緩解其固有的缺點，如不利的強度和延展性。本文首次從強化機理以及強化沉積層的微觀結構和力學性能的角度對這些強化技術進行了全面的綜述。大量報道證實，這些強化技術能夠改善冷噴涂沉積層的微觀結構和力學性能，但在不同的莊園中，強化效果不同。研究還發(fā)現(xiàn)，每種強化方法都有其獨特的優(yōu)點和缺點，如表4所示。因此，在使用它們來強化冷噴涂沉積之前，有必要對每種方法都有很好的了解。