多倫多大學鄒宇教授：冷噴涂增材制造中的金屬粉末顆粒的組織演變和結合特征
時間：2021-11-22 13:08 來源：電鏡網 作者：admin 閱讀：次
近日，加拿大多倫多大學鄒宇教授的AMR述評文章 “Cold Spray Additive Manufacturing:
Microstructure Evolution and Bonding Features”
在線發表。文章著重討論冷噴涂過程中四種常見金屬（銅，鎳，鋁，鈦）的微觀組織演變，并總結整理了大量的組織特征。作者還展望，新興技術和材料的引入將推進冷噴涂增材制造研究。
冷噴涂技術是將固態金屬粉末在低于材料熔點溫度下經過高壓氣體加速至超音速并連續噴射至基板，使粉末顆粒發生強烈塑性變形并堆積成塊體的方法。冷噴涂興起于上個世紀末，是一種高速率，大變形的加工工藝。冷噴涂具有高沉積速率、涂層厚度不受限制、殘余熱應力較低、材料不易氧化等優點，對于易氧化、熱穩定性差、塑性較好的材料具有獨特優勢。目前冷噴涂已成為一種具有應用前景的固態增材制造（3D打印）技術。不同于常規的增材制造，冷噴涂增材制造能減少甚至避免在高溫加熱情況下所引發的問題（如氧化，晶化反應），從而使其在航空，汽車，海洋，生物醫學，以及能源領域上都擁有極大的應用前景。然而噴涂過程中，金屬顆粒高速連續碰撞，使得顆粒表面及內部出現極高且不均勻的溫度，塑性應變、應變速率和應變梯度分布，導致成型材料內部出現復雜多樣且不可預測的微觀組織。因此，深入理解金屬顆粒在冷噴涂過程中組織結構的演變，進而進行調控后續工藝，成為提高冷噴涂材料力學性能的理論基礎。
本文作者詳細論述冷噴涂過程中金屬粉末顆粒的組織結構演變過程和結合特征。該綜述將著重討論冷噴涂過程中四種常見金屬（銅，鎳，鋁，鈦）的微觀組織演變，并總結整理了大量的組織特征，其中包括冷噴涂銅中的再結晶晶粒、退火孿晶、剪切帶、亞微米晶粒、變形孿晶和納米晶粒，冷噴涂鎳中的動態再結晶，和冷噴涂鋁中的形成的尺寸小于10nm的晶粒。文章還介紹了冷噴涂材料的后處理熱處理和納米壓痕表征。最后，作者提出了借鑒舊經驗，利用機器學習、納米力學測試、高熵合金等新興技術和材料，推進冷噴涂增材制造研究。
作者簡介
鄒宇，多倫多大學材料科學與工程系助理教授。他分別在蘇黎世聯邦理工學院、麥吉爾大學和北京航空航天大學材料專業獲得博士學位、碩士學位和學士學位，并且2014年在京都大學做JSPS訪問博士生。2016-2017年在麻省理工學院機械工程系擔任博士后研究員。在多倫多大學，鄒宇教授領導著極限力學與增材制造實驗室，他團隊的研究方向包括新型金屬材料的設計、多尺度力學測試、金屬增材制造（3D
打印）和機器學習。教學方面，鄒宇教授講授“材料的力學行為”、“材料的斷裂與失效”和“先進工程材料的增材制造”。此外，鄒宇教授目前擔任加拿大冶金與材料學會材料技術分會主席。
冷噴涂技術是將固態金屬粉末在低于材料熔點溫度下經過高壓氣體加速至超音速并連續噴射至基板，使粉末顆粒發生強烈塑性變形并堆積成塊體的方法。冷噴涂興起于上個世紀末，是一種高速率，大變形的加工工藝。冷噴涂具有高沉積速率、涂層厚度不受限制、殘余熱應力較低、材料不易氧化等優點，對于易氧化、熱穩定性差、塑性較好的材料具有獨特優勢。目前冷噴涂已成為一種具有應用前景的固態增材制造（3D打印）技術。不同于常規的增材制造，冷噴涂增材制造能減少甚至避免在高溫加熱情況下所引發的問題（如氧化，晶化反應），從而使其在航空，汽車，海洋，生物醫學，以及能源領域上都擁有極大的應用前景。然而噴涂過程中，金屬顆粒高速連續碰撞，使得顆粒表面及內部出現極高且不均勻的溫度，塑性應變、應變速率和應變梯度分布，導致成型材料內部出現復雜多樣且不可預測的微觀組織。因此，深入理解金屬顆粒在冷噴涂過程中組織結構的演變，進而進行調控后續工藝，成為提高冷噴涂材料力學性能的理論基礎。
圖 1：（a）冷噴涂的示意圖，（b）冷噴涂增材制造系統
圖 2：（a）冷噴涂（cold spray）以及其他熱噴涂技術在氣體溫度和顆粒速度方面的對比，(b)冷噴涂（CS）以及其他增材制造技術的層積制造速度和工藝分辨率的對比
本文作者詳細論述冷噴涂過程中金屬粉末顆粒的組織結構演變過程和結合特征。該綜述將著重討論冷噴涂過程中四種常見金屬（銅，鎳，鋁，鈦）的微觀組織演變，并總結整理了大量的組織特征，其中包括冷噴涂銅中的再結晶晶粒、退火孿晶、剪切帶、亞微米晶粒、變形孿晶和納米晶粒，冷噴涂鎳中的動態再結晶，和冷噴涂鋁中的形成的尺寸小于10nm的晶粒。文章還介紹了冷噴涂材料的后處理熱處理和納米壓痕表征。最后，作者提出了借鑒舊經驗，利用機器學習、納米力學測試、高熵合金等新興技術和材料，推進冷噴涂增材制造研究。
圖3. 未經處理的冷噴涂銅材料的EBSD表征（冷噴涂條件：氣體溫度473 K, 氣壓30 bar）: (a) IPF圖像, (b) IQ圖像, (c) KAM 圖像, (d) 孿晶面邊界圖像。版權所有：2020 Acta Materialia Inc.
圖4. 冷噴涂鋁的SEM圖像：(a) 上表面, (b) 橫截面。(c)
橫截面的EBSD圖像。(d) 兩個粘結顆粒的應變分布在65 ns的FEA。兩個粘結的鋁顆粒的TEM圖像：(e)明場, (f)
暗場。(g)-(i) ：在(e)圖中的選中區域的TEM明場圖像。版權所有：2020 Acta Materialia Inc.
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