西北工业大学等校联合：冷喷涂增材制造高强金属的方法、机理和性能特征

| 3DScienceValley · 2023/09/30

近日，爱尔兰都柏林圣三一大学机械制造及生物医学工程学院殷硕教授团队，联合西北工业大学材料学院凝固技术国家重点实验室李文亚教授等，在Journal of Materials Science & Technology发表题为“Towards high-strength cold spray additive manufactured metals: methods, mechanisms, and properties”的综述论文。

该论文结合作者团队多年的研究经验与成果，全面回顾了冷喷涂增材制造高强金属的方法、强化机理及性能特征。爱尔兰都柏林圣三一大学机械制造及生物医学工程学院和西北工业大学凝固技术国家重点实验室为共同通讯作者单位，该研究成果获得了爱尔兰自然科学基金、国家自然科学基金、国家留学基金管理委员会等基金的支持。

论文链接：

DOI: 10.1016/j.jmst.2023.05.047

全文概述

冷喷涂作为一种新型固态增材制造技术，近年来引起了学术界和工业界的广泛关注。然而，与传统金属加工方法以及基于熔化-凝固的增材制造技术相比，冷喷涂沉积体在喷涂态往往具有较差的力学性能，这主要是由于冷喷涂沉积体中的颗粒界面的固有缺陷（例如孔隙和不完整的粒子间界面结合）。这些缺陷的存在在一定程度上限制了冷喷涂作为一种快速增材制造技术的广泛应用。

近些年，为了追求“高强”，许多涂层强化技术被团队开发或引入到冷喷涂技术中，以改善冷喷涂沉积体的微观结构和力学性能。本文中的“强化”一词特指提高冷喷涂沉积体的力学性能，尤其是抗拉强度。根据在冷喷涂过程中使用强化技术的阶段，它们可以分为三类：喷涂前（粉末热处理），喷涂中（如，粉末原位预热、原位微锻造辅助冷喷涂、激光辅助冷喷涂）和喷涂后处理（如后热处理、热等静压、热轧、搅拌摩擦加工）。本文对这些强化技术进行了全面回顾，以阐明各种强化技术的机理与冷喷涂沉积体微观结构和力学性能之间潜在的关系。

图文解析

图1

冷喷涂沉积体的拉伸性能与其他金属加工技术制备的块材拉伸性能对比：(a) Cu和 (b) Ti。

图2

冷喷涂沉积体强化技术的示意图。根据这些强化技术在冷喷涂过程中应用的阶段，将其分为喷涂前、喷涂中和喷涂后三类。(a) 粉末热处理，(b) 粉末原位预热，(c) 原位微锻造辅助冷喷涂，(d) 激光辅助冷喷涂，(e) 后热处理，(f) 热等静压，(g) 热轧，(h) 搅拌摩擦加工。

图3

气雾化粉末与热处理粉末的比较。(a) 具有树突状细胞且晶粒大小不均匀的气雾化Al 6061粉末和具有粗大晶粒的热处理粉末的EBSD显微组织结构，(b) 气雾化和固溶热处理Al 7075颗粒在Al 6061 – T6基体上的单粒子沉积形貌，(c) 分别使用气雾化和热处理粉末制备的冷喷涂Al – 2Cu沉积体的SEM图像和EBSD结果，(d) 分别使用气雾化和热处理粉末制备的两种Al 6061沉积体的应力-应变曲线。

图4

使用未预热粉末及预热粉末作为粉末原料制备的冷喷涂沉积体微观组织和力学性能。(a) 沉积在Ti基板上的Ti沉积体，(b) 冷喷涂 Fe沉积体的典型拉伸应力-应变曲线，(c) 冷喷涂 Fe沉积体的EBSD表征结果。

图5

原位微锻造辅助冷喷涂制备的沉积体微观组织和力学性能。(a) 采用不同Inconel粉末与微锻造颗粒混合比例，通过原位微锻造辅助冷喷涂制备的Inconel 718沉积体的截面显微组织，(b) 原位微锻造辅助冷喷涂制备的Al 6061沉积体的EBSD结果，(c) 原位微锻造辅助冷喷涂和冷喷涂制备的Inconel 718沉积体的力学性能。

图6

通过激光辅助冷喷涂( LACS )和传统冷喷涂制备的沉积体微观结构和XRD物相。(a) Cu – Al2O3沉积体的截面形貌；(b) Cu沉积体腐蚀后的截面微观结构；(c) 钴铬合金- 6粉末和相应的LACS沉积体的XRD结果；(d) AISI 4340钢沉积体的EBSD反极图(IPF)；(e) 通过LACS在钢管上制备的 Ti沉积体。

图7

冷喷涂沉积体在喷涂态和退火态的微观结构和力学性能。(a) 冷喷涂Ti6Al4V沉积体准原位观察；在不同退火温度下分别获得了多孔沉积体和致密沉积体，(b) 冷喷涂Cu沉积体在350℃ 退火处理1 h前后的EBSD 反极图和晶界图，(c) 冷喷涂Al 6061沉积体在450℃退火处理45 min前后的TEM照片，( d )冷喷涂Al、Cu、Ti和316不锈钢沉积体在不同退火温度下的应力-应变曲线。AF指喷涂态；AT指退火处理。

图8

冷喷涂316L不锈钢沉积体在喷涂态、真空退火和热等静压处理后的微观组织和力学性能。(a) 截面显微组织，(b) 腐蚀后的截面显微组织，(c) 热等静压前后的X射线CT重建孔隙缺陷，(d) HIP前后冷喷涂沉积体的极限拉伸和延伸率对比。AF指喷涂态；VA指真空退火态。

图9

冷轧前后冷喷涂沉积体的微观组织和力学性能。(a) 冷喷涂Al380合金沉积体腐蚀后的截面显微组织，(b) 冷喷涂Al380合金沉积体的EBSD反极图，(c) 冷喷涂Al380合金沉积体的拉伸应力-应变曲线，(d) 冷喷涂Al + B4C沉积体的拉伸应力-应变曲线。HR – 20、40、60 ‘是指厚度减薄20 %、40 %、60 %的热轧态涂层。

图10

搅拌摩擦加工(FSP)前后冷喷涂沉积体的显微组织和力学性能。(a) FSP前后冷喷涂Cu沉积体的腐蚀截面显微组织和EBSD IPF图，(b) FSP前后冷喷涂TiB2 – AlSi10Mg沉积体的TEM照片，( c ) FSP前后冷喷涂Cu沉积体的应力-应变曲。

结论展望

综上所述，冷喷涂作为一种新兴的固态增材制造技术，与传统的基于熔化的增材制造技术相比具有独特的冶金优势，在工业领域具有巨大的应用潜力。近年来，通过将冷喷涂与多种强化技术相结合，显著改善了冷喷涂块材的力学性能，特别是拉伸强度。本综述首次从强化方法的机理及强化后的冷喷涂沉积体微观结构和力学性能关系的角度出发，对这些强化技术进行了全面的回顾。冷喷涂与强化技术的结合使用能够改善冷喷涂沉积体的微观结构和力学性能，但使用不同的强化技术产生的强化效果也存在差异。每种强化技术都有其优点和缺点，因此，在选择这些强化技术之前，需要充分了解每种技术，根据实际情况，选择适合的强化策略来满足需求。

此外，作者团队在充分理解冷喷涂沉积体强化技术及机理的基础上，成果制备出沉积态冷喷涂高强度以及高塑性的Cu块材，相关机理的揭示将为后续冷喷涂技术的进一步推广奠定了理论基础，目前正在追求“高强高韧”。请关注团队后续报道。

来源 l 材料科学和技术

论文引用信息：

Shuo Yin*, Ningsong Fan, Chunjie Huang, Yingchun Xie, Chao Zhang, Rocco Lupoi, Wenya Li*, Towards high-strength cold spray additive manufactured metals: Methods, mechanisms, and properties, J. Mater. Sci. Technol. 170 (2024) 47-64.