西北工大《JMST》綜述：全面回顧高強(qiáng)度金屬冷噴涂增材制造：方法,、機(jī)理和性能,！

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導(dǎo)讀：冷噴涂作為一種固態(tài)增材制造工藝,，引起了科學(xué)界和工業(yè)界的越來(lái)越多的關(guān)注,。然而,，與傳統(tǒng)制造和熔融基于添加制造相比,，冷噴涂沉積物在其制造狀態(tài)下通常具有不利的力學(xué)性能，這是由于沉積物中固有的微觀結(jié)構(gòu)缺陷（例如孔隙性和不完全的顆粒間結(jié)合）所導(dǎo)致的,。這個(gè)缺點(diǎn)降低了它的競(jìng)爭(zhēng)力,，并限制了它作為一種增材制造工藝的廣泛應(yīng)用。在過(guò)去的幾年里,，許多強(qiáng)化技術(shù)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)或引入,，以改善冷噴涂沉積物的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。本文中的“強(qiáng)化”一詞特指改善冷噴涂塊體沉積物的機(jī)械強(qiáng)度,，特別是抗拉強(qiáng)度,。根據(jù)在冷噴涂過(guò)程中使用強(qiáng)化技術(shù)的階段，它們可以分為三類(lèi)：預(yù)處理（即粉末熱處理）,，過(guò)程中（即粉末預(yù)熱,、原位微鍛熱噴涂、激光輔助冷噴涂）和后處理（即后熱處理,、熱等靜壓,、熱軋、摩擦攪拌加工）,。因此,，對(duì)這些強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行全面回顧，以闡明強(qiáng)化機(jī)制與結(jié)果沉積物微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能之間可能的相關(guān)性,。本綜述旨在幫助研究人員和工程師充分理解不同的強(qiáng)化方法,，并為冷噴涂社區(qū)提供指導(dǎo)，以開(kāi)發(fā)未來(lái)高質(zhì)量大規(guī)模生產(chǎn)的新的強(qiáng)化策略,。

冷噴涂是一種固態(tài)材料沉積工藝,，最早在1980年代開(kāi)發(fā)出來(lái)。在這個(gè)過(guò)程中,，利用加壓氣體（如空氣,、氮?dú)饣蚝�氣）在高溫下作為推進(jìn)氣體,，通過(guò)一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的收斂-擴(kuò)張噴嘴將金屬甚至陶瓷粉末原料加速到速度從300到1200 m/s。當(dāng)這些高速粉末顆粒撞擊基底表面時(shí),，它們經(jīng)歷嚴(yán)重的塑性變形，然后沉積形成薄涂層或塊體沉積物,。冷噴涂沉積物的形成主要依靠撞擊前的顆粒動(dòng)能而非熱能,，因此在整個(gè)沉積過(guò)程中，冷噴涂顆粒始終保持固態(tài),。顆粒的固化主要通過(guò)機(jī)械咬合和顆粒間界面的局部冶金結(jié)合實(shí)現(xiàn),。

增材制造是一種通過(guò)逐層構(gòu)建直接從數(shù)字文件中生產(chǎn)出凈或接近凈形狀的零件的過(guò)程。在過(guò)去的幾年里,，冷噴涂已成功發(fā)展為一種固態(tài)增材制造技術(shù),。作為增材制造家族的新成員，冷噴涂可以制造出獨(dú)立的金屬零件,，并恢復(fù)受損的金屬零件,。與常用的基于熔融的增材制造技術(shù)相比，冷噴涂具有許多獨(dú)特優(yōu)勢(shì),，如生產(chǎn)時(shí)間較短,、產(chǎn)品尺寸無(wú)限制、熱效應(yīng)較低和靈活性較高,。有關(guān)冷噴涂增材制造與其他基于熔融的增材制造工藝之間的詳細(xì)比較可以在作者之前的綜述工作中找到,。然而，冷噴涂的主要缺點(diǎn)是制造過(guò)程中沉積物的強(qiáng)度和延展性不足,。圖1對(duì)比了制造過(guò)程中銅和鈦沉積物的代表性強(qiáng)度和延展性與其他工藝制造的銅和鈦塊材料的數(shù)據(jù),。文獻(xiàn)中提供了更多冷噴涂沉積物的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。

幾乎所有冷噴涂沉積物的力學(xué)性能在制造狀態(tài)下都不理想,，無(wú)論使用何種冷噴涂系統(tǒng),、氣體參數(shù)（壓力、溫度和種類(lèi)）,、粉末供給速率,、噴嘴掃描策略（掃描步長(zhǎng)、噴嘴遍歷速度和掃描模式）以及試樣制備（尺寸,、測(cè)試裝置和取向）,。雖然使用更高的氣體壓力或溫度，或者使用氦氣作為推進(jìn)氣體,，可以在一定程度上改善沉積物的強(qiáng)度和延展性,，但這種改善還不足以從實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的角度得到令人滿意的冷噴涂沉積物。較差的力學(xué)性能明顯減緩了冷噴涂作為一種快速高效的增材制造工藝向進(jìn)一步發(fā)展和工業(yè)化的步伐,。西北工業(yè)大學(xué)李文亞教授團(tuán)隊(duì)相關(guān)研究成果以題“Towards high-strength cold spray additive manufactured metals: methods, mechanisms, and properties”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上,。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1005030223005479

圖1 冷噴涂沉積層的力學(xué)性能與其他工藝制備的塊狀沉積層的數(shù)據(jù)比較：( a ) Cu和( b ) Ti,。

圖2 冷噴涂沉積層可用的強(qiáng)化技術(shù)示意圖。根據(jù)這些強(qiáng)化技術(shù)在冷噴涂過(guò)程中應(yīng)用的階段,，將強(qiáng)化技術(shù)分為事前,、事中和事后3類(lèi)。( a )粉末熱處理,，( b )工藝粉末預(yù)熱,，( c )原位微鍛造，( d )激光輔助冷噴涂,，( e )后處理,，( f )熱等靜壓，( g )熱軋,，( h )攪拌摩擦加工,。

圖3 氣霧化粉末與熱處理粉末的比較。( a )具有樹(shù)突狀細(xì)胞的不均勻晶粒的氣霧化Al 6061粉末和具有粗大晶粒的熱處理粉末的EBSD表征,，( b )氣霧化和固溶熱處理Al 7075顆粒在Al 6061 - T6基體上的沖擊形貌,，( c )由氣霧化和熱處理粉末制備的冷噴涂Al - 2Cu沉積層的SEM圖像和EBSD結(jié)果，( d )由氣霧化和熱處理粉末制備的兩種Al 6061沉積層的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,。

圖4 對(duì)比了有,、無(wú)粉末預(yù)熱的冷噴涂沉積層的微觀組織和力學(xué)性能。( a ) Ti基體上Ti沉積層的SEM照片,，( b ) Fe沉積層的代表性拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,，( c ) Fe沉積層的EBSD表征結(jié)果。

圖5 原位微鍛造輔助冷噴涂制備沉積層的微觀組織和力學(xué)性能,。( a )不同Inconel粉末與微鍛造顆�,；旌媳壤�下原位微鍛造輔助冷噴涂制備的Inconel 718沉積層的橫截面顯微組織，( b )原位微鍛造輔助冷噴涂制備的Al 6061沉積層的EBSD結(jié)果,，( c )原位微鍛造和未原位微鍛造制備的冷噴涂Inconel 718沉積層的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,。

圖6 通過(guò)激光輔助冷噴涂( LACS )和傳統(tǒng)冷噴涂制備的沉積層的微觀結(jié)構(gòu)和物相。( a ) Cu - Al2O3沉積層的截面形貌,；( b ) Cu沉積層的刻蝕截面微結(jié)構(gòu),；( c )鈷鉻合金- 6粉末和相應(yīng)的LACS沉積層的XRD圖譜；( d ) AISI 4340鋼沉積層的EBSD反極圖( IPF ),；( e )鋼管上的LACS Ti沉積層,。

圖7 不同冷噴涂沉積層在其制備態(tài)和退火處理態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。( a )冷噴涂Ti6Al4V沉積層準(zhǔn)原位觀察,；在不同退火溫度下獲得了多孔沉積層和致密沉積層,，( b )冷噴涂Cu沉積層在350℃退火處理1 h前后的EBSD IPF和晶界圖，( c )冷噴涂Al 6061沉積層在450℃退火處理45 min前后的TEM照片,，( d )冷噴涂Al,、Cu,、Ti和不銹鋼316沉積層在不同退火溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。AF指的是預(yù)制的,；AT指退火處理,。

圖8 冷噴涂316L不銹鋼沉積層在制備態(tài)、真空退火和熱等靜壓處理后的微觀組織和力學(xué)性能,。( a )橫截面顯微組織,，( b )刻蝕橫截面顯微組織，( c )熱等靜壓前后的X射線CT重建,，( d ) HIP前后冷噴涂沉積層的拉伸應(yīng)力和延伸率對(duì)比。AF指的是預(yù)制的,；VA是指真空退火,。

圖9 冷軋前后冷噴涂沉積層的微觀組織和力學(xué)性能。( a )冷噴涂Al 380合金沉積層的腐蝕截面組織,，( b )冷噴涂Al 380合金沉積層的EBSD IPF圖,，( c )冷噴涂Al 380合金沉積層的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，( d )冷噴涂Al + B4C沉積層的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,。HR - 20,、40、60 '是指厚度減薄20 %,、40 %,、60 %的熱軋態(tài)鍍層。

圖10  FSP前后冷噴涂沉積層的顯微組織和力學(xué)性能( a ) FSP前后冷噴涂Cu沉積層的腐蝕截面顯微組織和EBSD IPF圖,，( b ) FSP前后冷噴涂TiB2 - Al Si10Mg沉積層的TEM照片,，( c ) FSP前后冷噴涂Cu沉積層的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

綜上所述,，冷噴涂作為一種新興的固態(tài)增材制造工藝,，由于其相對(duì)于傳統(tǒng)的基于熔融的增材制造工藝的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在多種工業(yè)部門(mén)具有巨大的應(yīng)用潛力,。近年來(lái),，許多強(qiáng)化技術(shù)已被開(kāi)發(fā)或引入用于冷噴涂，以緩解其固有的缺點(diǎn),，如不利的強(qiáng)度和延展性,。本文首次從強(qiáng)化機(jī)理以及強(qiáng)化沉積層的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的角度對(duì)這些強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行了全面的綜述。大量報(bào)道證實(shí),，這些強(qiáng)化技術(shù)能夠改善冷噴涂沉積層的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能,，但在不同的莊園中，強(qiáng)化效果不同,。研究還發(fā)現(xiàn),，每種強(qiáng)化方法都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),，如表4所示。因此,，在使用它們來(lái)強(qiáng)化冷噴涂沉積之前,，有必要對(duì)每種方法都有很好的了解。