导读:与基于融合的增材制造(AM)方法相比，冷喷涂(CS)是一种固态金属粉末沉积工艺，已从传统的涂层方法发展为新型AM技术，即CSAM，用于制造部件和修复受损部件部分。在这项研究中，我们证明了CSAM金属矿床长期存在的低延展性问题可以通过构建独特的微观结构来解决。使用适当的喷涂参数设置，可以生产出伸长率为29.7%、抗拉强度为270MPa的铜沉积物。铜沉积物的高延展性源于拉伸变形过程中的晶粒旋转和合并，而孪晶边界充当位错滑移的桥梁，从而促进了这一点。对高延展性铜矿床的了解可能有助于开发其他高强度和高延展性的CSAM金属材料。
冷喷涂(CS)是一种高度先进的固态金属沉积工艺，首次开发于20世纪80年代。这项创新技术涉及微米级颗粒(5–50μm)的高速(300–1200m/s)冲击沉积来制造涂层。CS已广泛用于各种涂层应用，例如航空航天、汽车、能源、医疗、海洋等，以提供针对高温、腐蚀、侵蚀、氧化和化学品的保护。如今，CS的技术兴趣有两个：(i)作为损坏部件的修复工艺，以及(ii)作为固态增材制造工艺。与其他基于融合的增材制造(AM)技术相比，冷喷涂增材制造(CSAM)是AM家族的新成员，可以在不熔化的情况下制造沉积物。由于氧化程度极低，从粉末到沉积物的化学成分基本上得以保留。与其他增材制造工艺相比，CSAM的显着优势包括生产率高、沉积尺寸不受限制、灵活性高以及适合修复受损零件。
此外，值得注意的是，CSAM特别适用于高反射率金属，例如铜、铝、镁和银，这些金属很难使用激光增材制造技术生产。然而，重要的是要承认CSAM由于固有缺陷而具有明显的缺点，特别是由颗粒堆积引起的加工硬化。因此，CSAM沉积物可能表现出较差的机械性能，例如在喷涂状态下的延展性非常低。CS缺乏延展性目前限制了其从涂层技术向增材制造的扩展。然而，通过适当的后处理，可以减轻这些缺陷，从而提高机械性能。
在过去的二十年中，在增强冷喷涂沉积物的微观结构和机械性能方面取得了重大进展。这些进步可分为三类：（i）预处理（例如粉末预退火），（ii）过程中（例如粉末加热、原位微锻造和激光辅助CS），(iii)后处理（例如后热处理、热等静压、热轧和搅拌摩擦处理）。上述方法确实显示出CSAM沉积物延展性的一定改善。然而，值得注意的是，这些方法具有额外繁琐的程序和高昂的生产成本。
因此，西北工业大学联合广东省科学院旨在通过阐明延展性机理来调节工艺参数并直接制备高性能铜沉积物，通讯作者为李文亚和黄春杰。在他们最近发表的工作中，作者的研究团队提出，CSAM铜沉积物中梯度晶粒的微观结构可能是在不牺牲强度的情况下实现塑性的关键。然而，后来观察到，没有塑性的CSAM铜沉积物也表现出类似的微观结构。因此，先前的结论可能需要进一步调查以确保其仍然有效。此外，最近的其他研究也证明了CSAM Cu的可塑性。然而，可塑性的机制还需要进一步研究，因为对此问题尚未达成共识。本研究采用原位拉伸测试和EBSD来检查CSAM铜沉积物在拉伸变形过程中的微观结构演变。研究结果表明，铜矿床通过晶粒旋转、合并和生长经历了塑性变形，而孪晶界似乎充当了重要的桥梁。
相关研究成果以“High ductility induced by twin-assisted grain rotation and merging in solid-state cold spray additive manufactured Cu”发表在Journal of Materials Science & Technology上
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030224007138
图1 用于CSAM的原始铜粉和由此产生的铜沉积物的微观结构。(a)粒度分布；(b)单个Cu颗粒横截面的SEM形貌和晶粒取向；(c)CSAM沉积和采样位置；(d)原位EBSD预缺口和异位无缺口拉伸测试样品的尺寸；(e)典型铜矿床的3DOM微观结构和(f)3DEBSDIPF图
图2 通过无缺口样品的异位拉伸测试分析的铜沉积物的机械性能和断口图。(a)保持气体压力为5MPa时不同温度下喷射的铜沉积物的应力-应变曲线，以及(b)保持气体温度恒定在800°C时不同压力下喷射的铜沉积物的应力-应变曲线；(c)强度延展性与铜沉积物的再结晶和孪晶比例之间的相关性；(d)铜矿典型脆性断裂(N2,650℃-5MPa);(d)铜矿典型的韧性断裂(N2,800℃-5MPa)
图3 铜沉积物原位拉伸试验过程中的EBSD分析（N2，800℃-5MPa）。(a)应力-应变曲线；(b1-d1)取自(b2-d2)的单个颗粒在伸长率分别为0%、5%和20%下的IPF图；(b3-d3)铜矿床分别在0%、5%和20%伸长率下的再结晶图；(b4-d4)伸长率分别为0%、5%和20%时的孪晶边界分布。
图4 Cu沉积物拉伸试验过程中颗粒变形的延展性机制，显示颗粒变形，晶粒合并和长大。
综上所述，本研究从新的角度调控工艺参数，研究高性能CSAM Cu的延展性机理。通过将CSAM Cu沉积物的力学性能与不同工艺参数下独特的微观结构特征联系起来，我们发现再结晶程度和孪晶含量存在一个阈值，该阈值应该足够高才能使CSAM Cu具有良好的延展性。另一方面，通过原位EBSD分析，我们发现孪晶辅助下的晶粒旋转和生长是CSAM铜矿延展性的根源。这项工作是解决长期困扰CSAM沉积物可塑性问题的一个良好的开始，但不是结束，该问题非常有希望扩展到其他CSAM金属。
