西北工業(yè)大學(xué)《JMST》固態(tài)冷噴涂增材制造高塑性金屬銅

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀:與基于融合的增材制造(AM)方法相比，冷噴涂(CS)是一種固態(tài)金屬粉末沉積工藝，已從傳統(tǒng)的涂層方法發(fā)展為新型AM技術(shù)，即CSAM，用于制造部件和修復(fù)受損部件部分。在這項(xiàng)研究中，我們證明了CSAM金屬礦床長期存在的低延展性問題可以通過構(gòu)建獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)來解決。使用適當(dāng)?shù)膰娡繀��?shù)設(shè)置，可以生產(chǎn)出伸長率為29.7%、抗拉強(qiáng)度為270MPa的銅沉積物。銅沉積物的高延展性源于拉伸變形過程中的晶粒旋轉(zhuǎn)和合并，而孿晶邊界充當(dāng)位錯(cuò)滑移的橋梁，從而促進(jìn)了這一點(diǎn)。對高延展性銅礦床的了解可能有助于開發(fā)其他高強(qiáng)度和高延展性的CSAM金屬材料。

冷噴涂(CS)是一種高度先進(jìn)的固態(tài)金屬沉積工藝，首次開發(fā)于20世紀(jì)80年代。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)涉及微米級顆粒(5–50μm)的高速(300–1200m/s)沖擊沉積來制造涂層。CS已廣泛用于各種涂層應(yīng)用，例如航空航天、汽車、能源、醫(yī)療、海洋等，以提供針對高溫、腐蝕、侵蝕、氧化和化學(xué)品的保護(hù)。如今，CS的技術(shù)興趣有兩個(gè)：(i)作為損壞部件的修復(fù)工藝，以及(ii)作為固態(tài)增材制造工藝。與其他基于融合的增材制造(AM)技術(shù)相比，冷噴涂增材制造(CSAM)是AM家族的新成員，可以在不熔化的情況下制造沉積物。由于氧化程度極低，從粉末到沉積物的化學(xué)成分基本上得以保留。與其他增材制造工藝相比，CSAM的顯著優(yōu)勢包括生產(chǎn)率高、沉積尺寸不受限制、靈活性高以及適合修復(fù)受損零件。

此外，值得注意的是，CSAM特別適用于高反射率金屬，例如銅、鋁、鎂和銀，這些金屬很難使用激光增材制造技術(shù)生產(chǎn)。然而，重要的是要承認(rèn)CSAM由于固有缺陷而具有明顯的缺點(diǎn)，特別是由顆粒堆積引起的加工硬化。因此，CSAM沉積物可能表現(xiàn)出較差的機(jī)械性能，例如在噴涂狀態(tài)下的延展性非常低。CS缺乏延展性目前限制了其從涂層技術(shù)向增材制造的擴(kuò)展。然而，通過適當(dāng)?shù)暮筇幚�，可以減輕這些缺陷，從而提高機(jī)械性能。

在過去的二十年中，在增強(qiáng)冷噴涂沉積物的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能方面取得了重大進(jìn)展。這些進(jìn)步可分為三類：（i）預(yù)處理（例如粉末預(yù)退火），（ii）過程中（例如粉末加熱、原位微鍛造和激光輔助CS），(iii)后處理（例如后熱處理、熱等靜壓、熱軋和攪拌摩擦處理）。上述方法確實(shí)顯示出CSAM沉積物延展性的一定改善。然而，值得注意的是，這些方法具有額外繁瑣的程序和高昂的生產(chǎn)成本。

因此，西北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合廣東省科學(xué)院旨在通過闡明延展性機(jī)理來調(diào)節(jié)工藝參數(shù)并直接制備高性能銅沉積物，通訊作者為李文亞和黃春杰。在他們最近發(fā)表的工作中，作者的研究團(tuán)隊(duì)提出，CSAM銅沉積物中梯度晶粒的微觀結(jié)構(gòu)可能是在不犧牲強(qiáng)度的情況下實(shí)現(xiàn)塑性的關(guān)鍵。然而，后來觀察到，沒有塑性的CSAM銅沉積物也表現(xiàn)出類似的微觀結(jié)構(gòu)。因此，先前的結(jié)論可能需要進(jìn)一步調(diào)查以確保其仍然有效。此外，最近的其他研究也證明了CSAM Cu的可塑性。然而，可塑性的機(jī)制還需要進(jìn)一步研究，因?yàn)閷Υ藛栴}尚未達(dá)成共識。本研究采用原位拉伸測試和EBSD來檢查CSAM銅沉積物在拉伸變形過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變。研究結(jié)果表明，銅礦床通過晶粒旋轉(zhuǎn)、合并和生長經(jīng)歷了塑性變形，而孿晶界似乎充當(dāng)了重要的橋梁。

相關(guān)研究成果以“High ductility induced by twin-assisted grain rotation and merging in solid-state cold spray additive manufactured Cu”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上
鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1005030224007138

圖1 用于CSAM的原始銅粉和由此產(chǎn)生的銅沉積物的微觀結(jié)構(gòu)。(a)粒度分布；(b)單個(gè)Cu顆粒橫截面的SEM形貌和晶粒取向；(c)CSAM沉積和采樣位置；(d)原位EBSD預(yù)缺口和異位無缺口拉伸測試樣品的尺寸；(e)典型銅礦床的3DOM微觀結(jié)構(gòu)和(f)3DEBSDIPF圖

圖2 通過無缺口樣品的異位拉伸測試分析的銅沉積物的機(jī)械性能和斷口圖。(a)保持氣體壓力為5MPa時(shí)不同溫度下噴射的銅沉積物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及(b)保持氣體溫度恒定在800°C時(shí)不同壓力下噴射的銅沉積物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(c)強(qiáng)度延展性與銅沉積物的再結(jié)晶和孿晶比例之間的相關(guān)性；(d)銅礦典型脆性斷裂(N2,650℃-5MPa);(d)銅礦典型的韌性斷裂(N2,800℃-5MPa)

圖3 銅沉積物原位拉伸試驗(yàn)過程中的EBSD分析（N2，800℃-5MPa）。(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b1-d1)取自(b2-d2)的單個(gè)顆粒在伸長率分別為0%、5%和20%下的IPF圖；(b3-d3)銅礦床分別在0%、5%和20%伸長率下的再結(jié)晶圖；(b4-d4)伸長率分別為0%、5%和20%時(shí)的孿晶邊界分布。

圖4 Cu沉積物拉伸試驗(yàn)過程中顆粒變形的延展性機(jī)制，顯示顆粒變形，晶粒合并和長大。

綜上所述，本研究從新的角度調(diào)控工藝參數(shù)，研究高性能CSAM Cu的延展性機(jī)理。通過將CSAM Cu沉積物的力學(xué)性能與不同工藝參數(shù)下獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)特征聯(lián)系起來，我們發(fā)現(xiàn)再結(jié)晶程度和孿晶含量存在一個(gè)閾值，該閾值應(yīng)該足夠高才能使CSAM Cu具有良好的延展性。另一方面，通過原位EBSD分析，我們發(fā)現(xiàn)孿晶輔助下的晶粒旋轉(zhuǎn)和生長是CSAM銅礦延展性的根源。這項(xiàng)工作是解決長期困擾CSAM沉積物可塑性問題的一個(gè)良好的開始，但不是結(jié)束，該問題非常有希望擴(kuò)展到其他CSAM金屬。