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(jié)合特征

來源：電鏡網(wǎng)

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(fā)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(jié)整理了大量的組織特征。作者還展望，新興技術(shù)和材料的引入將推進冷噴涂增材制造研究。

冷噴涂技術(shù)是將固態(tài)金屬粉末在低于材料熔點溫度下經(jīng)過高壓氣體加速至超音速并連續(xù)噴射至基板，使粉末顆粒發(fā)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(yōu)點，對于易氧化、熱穩(wěn)定性差、塑性較好的材料具有獨特優(yōu)勢。目前冷噴涂已成為一種具有應用前景的固態(tài)增材制造（3D打�。┘夹g(shù)。不同于常規(guī)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(fā)的問題（如氧化，晶化反應），從而使其在航空，汽車，海洋，生物醫(yī)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(xù)碰撞，使得顆粒表面及內(nèi)部出現(xiàn)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(nèi)部出現(xiàn)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(jié)構(gòu)的演變，進而進行調(diào)控后續(xù)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(tǒng)

圖 2：（a）冷噴涂（cold spray）以及其他熱噴涂技術(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)演變過程和結(jié)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(jié)整理了大量的組織特征，其中包括冷噴涂銅中的再結(jié)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(tài)再結(jié)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(jīng)驗，利用機器學習、納米力學測試、高熵合金等新興技術(shù)和材料，推進冷噴涂增材制造研究。

圖3. 未經(jīng)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(quán)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(jié)顆粒的應變分布在65 ns的FEA。兩個粘結(jié)的鋁顆粒的TEM圖像：(e)明場, (f) 暗場。(g)-(i) ：在(e)圖中的選中區(qū)域的TEM明場圖像。版權(quán)所有：2020 Acta Materialia Inc.

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(lián)邦理工學院、麥吉爾大學和北京航空航天大學材料專業(yè)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(shù)分會主席。