《Scripta》：首次報(bào)道原位碎片燒結(jié)對(duì)冷噴涂鋁涂層彈性模量影響！

搞不銹鋼的

2021年11月11日 09:45

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冷噴涂是一項(xiàng)快速發(fā)展的技術(shù)，在表面工程和增材制造領(lǐng)域引起了研究者們極大的興趣。在這個(gè)過程中，固態(tài)金屬粉末顆粒以超高速沉積在基板上，制造的涂層表現(xiàn)出分層結(jié)構(gòu)，從大量的致密沉積物到微觀層面的單個(gè)變形顆粒或“碎片”。這些碎片構(gòu)成了冷噴涂涂層的特征構(gòu)件，它們的相互結(jié)構(gòu)和機(jī)械相互作用決定了涂層的宏觀性能。彈性模量是一個(gè)關(guān)鍵的特征參數(shù)，也是內(nèi)部碎片形式的主要體現(xiàn)。現(xiàn)有報(bào)道中，冷噴涂涂層的彈性模量通過宏觀層面的拉伸、壓縮、壓痕試驗(yàn)和 3 點(diǎn)彎曲試驗(yàn)等方法來衡量。在初步了解冷噴涂涂層的彈性模量的同時(shí)，這些方法有兩個(gè)難以解決的挑戰(zhàn)。首先，分層碎片結(jié)構(gòu)在施加的應(yīng)力和由此產(chǎn)生的應(yīng)變之間引入了延遲或相位滯后，這是準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試無法捕獲的；其次，局部納米壓痕試驗(yàn)雖然提供了對(duì)單個(gè)碎片內(nèi)部的洞察力，但不能全面詮釋內(nèi)部碎片彈性響應(yīng)。研究由涂層獨(dú)特的碎片結(jié)構(gòu)引起的相位滯后很重要。在循環(huán)載荷 ( 如疲勞 ) 應(yīng)用中，這種碎片結(jié)構(gòu)的形成會(huì)隨著時(shí)間的推移而累積，并受內(nèi)部碎片影響。這種循環(huán)變形是現(xiàn)有準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試無法描述的。

美國佛羅里達(dá)國際大學(xué)的研究人員探討了在噴涂和熱處理?xiàng)l件下使用空氣和氦氣制造的冷噴涂鋁(Al 6061)涂層中的原位碎片燒結(jié)現(xiàn)象。首次報(bào)道了原位碎片燒結(jié)對(duì)冷噴涂鋁涂層彈性模量的影響。相關(guān)論文以題為“Role of in-situ splat sintering on elastic and damping behavior of cold sprayed aluminum coatings”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114125

《Scripta》：首次報(bào)道原位碎片燒結(jié)對(duì)冷噴涂鋁涂層彈性模量影響！的圖1

本文將Al 6061粉末冷噴涂在Al 6061基材上，載氣分別為空氣和氦氣。對(duì)于噴涂的涂層，在氬氣氛圍下進(jìn)行176℃×1h熱處理。試驗(yàn)過程中靜態(tài)力為9.9N，動(dòng)態(tài)力為9.0N，振幅30μm，頻率為5.0Hz。試驗(yàn)時(shí)以3℃/min的速度緩慢加熱，從室溫加熱至400℃，持續(xù)2h 13min。

研究發(fā)現(xiàn)在整體水平上，所有涂層的彈性模量都隨著溫度的升高而降低，這是由于熱振動(dòng)增加導(dǎo)致原子鍵拉伸程度更高。空氣噴涂涂層在微觀層面比氦氣噴涂涂層彈性模量更低，這是由于沉積過程中氧化物夾雜物導(dǎo)致的碎片之間冶金結(jié)合和粘附力較差。隨著溫度升高，由于Al 6061和氧化物夾雜物的熱振動(dòng)更大，在空氣噴涂涂層中觀察到更高的阻尼能量損失。在氦氣噴涂涂層中，氧化物夾雜物明顯減少，這種現(xiàn)象不那么明顯。此外，在空氣噴涂涂層中，由于更顯著的碎片界面和孔隙率，這種能量損失在噴涂過程中比熱處理時(shí)更高。

《Scripta》：首次報(bào)道原位碎片燒結(jié)對(duì)冷噴涂鋁涂層彈性模量影響！的圖2

圖1 在空氣和氦冷噴涂和熱處理?xiàng)l件下，彈性模量和阻尼隨溫度的變化規(guī)律

《Scripta》：首次報(bào)道原位碎片燒結(jié)對(duì)冷噴涂鋁涂層彈性模量影響！的圖3

圖2 空氣和氦冷噴涂Al 6061涂層中原位碎片燒結(jié)示意圖

《Scripta》：首次報(bào)道原位碎片燒結(jié)對(duì)冷噴涂鋁涂層彈性模量影響！的圖4

圖3 不同條件下涂層中的孔隙密度和SEM觀察到的二維孔隙

碎片結(jié)構(gòu)和溫度是決定冷噴涂鋁涂層動(dòng)態(tài)彈性模量的主要影響因素。彈性模量隨著多孔邊界的減少呈指數(shù)級(jí)遞減，而多孔邊界的減少與氦噴涂和熱處理有關(guān)。本研究中的Al 6061涂層的碎片結(jié)構(gòu)表面能和平坦率決定了原位碎片燒結(jié)致密化的程度，而后者在熱處理涂層中的作用較小。本文為暴露在惡劣高溫環(huán)境中的冷噴涂結(jié)構(gòu)和航空航天部件提供了設(shè)計(jì)和指導(dǎo)意義。（文：破風(fēng)）