冷噴涂作為一種高性能的固態(tài)涂層制備技術(shù)，通過(guò)微米級(jí)金屬粉末顆高速撞擊和強(qiáng)烈塑性變形，使粒子與基體在不發(fā)生熔化的條件下形成有效結(jié)合。冷噴涂技術(shù)不僅可以應(yīng)用于制備高質(zhì)量金屬涂層，還可用于增材制造和零件修復(fù)，在重要工業(yè)和國(guó)防領(lǐng)域廣受青睞。雖然冷噴涂基礎(chǔ)研究已有二十多年，在制備先進(jìn)金屬/復(fù)合涂層、增材制造和修復(fù)方面顯示出巨大潛力和應(yīng)用前景，但研究表明，盡管優(yōu)化冷噴涂工藝參數(shù)能使涂層達(dá)到較高的強(qiáng)度，但其幾乎無(wú)塑性，這種“高強(qiáng)度、無(wú)塑性”特點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了冷噴涂沉積體作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。因此，絕大多數(shù)研究嘗試通過(guò)噴涂后處理改善涂層的強(qiáng)度和塑性。近年來(lái)，李文亞教授團(tuán)隊(duì)及其合作團(tuán)隊(duì)，通過(guò)解析冷噴涂工藝的“關(guān)鍵因子”，成功制備出具有高塑性的銅和鋅沉積體，并解釋了其產(chǎn)生塑性的來(lái)源與機(jī)制，為冷噴涂固態(tài)增材制造技術(shù)發(fā)展提供了重要的理論基礎(chǔ)與創(chuàng)新研究方向。
原位拉伸及組織結(jié)構(gòu)-性能關(guān)聯(lián)性結(jié)果
合作研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用原位EBSD拉伸實(shí)驗(yàn)手段，觀(guān)察到冷噴涂銅在拉伸過(guò)程中發(fā)生晶粒旋轉(zhuǎn)合并，同時(shí)孿晶輔助銅沉積體塑性變形的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。該工作將銅沉積體工藝參數(shù)與材料微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)做關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)銅沉積體的再結(jié)晶程度與孿晶含量足夠高是其獲得塑性的必要條件，找到了冷噴涂銅工藝與材料組織結(jié)構(gòu)的“塑性區(qū)”，利用成本更低的氮?dú)庾鳛榧铀贇怏w制備銅沉積體，使其極限抗拉強(qiáng)度達(dá)到270MPa，塑性近30%，攻克了冷噴涂層長(zhǎng)期以來(lái)“無(wú)塑性”的缺點(diǎn)，為冷噴涂金屬材料增材制造強(qiáng)韌化提供新思路。相關(guān)成果以“High ductility induced by twin-assisted grain rotation and merging in solid-state cold spray additive manufactured Cu”為題，發(fā)表在金屬材料頂刊《Journal of Materials Science & Technology》。
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https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.06.032
此外，合作研究團(tuán)隊(duì)還以金屬鋅為對(duì)象，研究冷噴涂制備金屬沉積體的力學(xué)性能與拉伸斷裂行為。金屬鋅具有較低熔點(diǎn)，是研究高應(yīng)變速率變形和局部溫升效應(yīng)現(xiàn)象的理想模型，研究發(fā)現(xiàn)在較低的噴涂氣體溫度下制備的鋅沉積體發(fā)生明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為，在更高的噴涂氣體溫度下制備的鋅沉積體再結(jié)晶程度也隨之增加。
粉末-涂層組織-性能一體化研究思路
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)及涂層關(guān)鍵質(zhì)量因子，獲得極限抗拉強(qiáng)度135MPa，延伸率18.4%的鋅沉積體，性能與激光增材制造鋅相當(dāng)。研究發(fā)現(xiàn)鋅沉積體的力學(xué)性能與缺陷尺寸及密度高度相關(guān)。鋅沉積體的缺陷密度越高，特別是非結(jié)合區(qū)域，會(huì)直接降低沉積體的塑性，同時(shí)利于裂紋形核及擴(kuò)展。鋅沉積體的大角度晶界的含量高達(dá)91.2%，有助于應(yīng)變硬化，從而提高材料強(qiáng)度，同時(shí)這也為裂紋形成提供了更多的形核點(diǎn)。該工作相關(guān)成果以“Ductility and fracture behavior of cold spray additive manufactured zinc”為題，發(fā)表在增材制造領(lǐng)域頂刊《Additive Manufacturing》。
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https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104310
通訊作者簡(jiǎn)介：李文亞
西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才，陜西省摩擦焊接工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。主要從事先進(jìn)固相連接技術(shù)研究。榮獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)等學(xué)術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)。在國(guó)內(nèi)外知名期刊物發(fā)表第一或通訊作者SCI論文240余篇，WOS他引10000余次；授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利39件。擔(dān)任國(guó)際期刊Welding in the World、Welding International副主編，International Journal of Minerals Metallurgy and Materials學(xué)科編輯，Additive Manufacturing、Journal of Materials Science & Technology、Science and Technology of Welding and Joining、焊接學(xué)報(bào)、中國(guó)表面工程、表面技術(shù)等期刊編委。
（文案：李文亞；審核：禹亮）
