多伦多大学邹宇教授：冷喷涂增材制造中的金属粉末颗粒的组织演变和结合特征

来源：电镜网

近日，加拿大多伦多大学邹宇教授的AMR述评文章 “Cold Spray Additive Manufacturing: Microstructure Evolution and Bonding Features” 在线发表。文章着重讨论冷喷涂过程中四种常见金属（铜，镍，铝，钛）的微观组织演变，并总结整理了大量的组织特征。作者还展望，新兴技术和材料的引入将推进冷喷涂增材制造研究。

冷喷涂技术是将固态金属粉末在低于材料熔点温度下经过高压气体加速至超音速并连续喷射至基板，使粉末颗粒发生强烈塑性变形并堆积成块体的方法。冷喷涂兴起于上个世纪末，是一种高速率，大变形的加工工艺。冷喷涂具有高沉积速率、涂层厚度不受限制、残余热应力较低、材料不易氧化等优点，对于易氧化、热稳定性差、塑性较好的材料具有独特优势。目前冷喷涂已成为一种具有应用前景的固态增材制造（3D打印）技术。不同于常规的增材制造，冷喷涂增材制造能减少甚至避免在高温加热情况下所引发的问题（如氧化，晶化反应），从而使其在航空，汽车，海洋，生物医学，以及能源领域上都拥有极大的应用前景。然而喷涂过程中，金属颗粒高速连续碰撞，使得颗粒表面及内部出现极高且不均匀的温度，塑性应变、应变速率和应变梯度分布，导致成型材料内部出现复杂多样且不可预测的微观组织。因此，深入理解金属颗粒在冷喷涂过程中组织结构的演变，进而进行调控后续工艺，成为提高冷喷涂材料力学性能的理论基础。

图 1：（a）冷喷涂的示意图，（b）冷喷涂增材制造系统

图 2：（a）冷喷涂（cold spray）以及其他热喷涂技术在气体温度和颗粒速度方面的对比，(b)冷喷涂（CS）以及其他增材制造技术的层积制造速度和工艺分辨率的对比

本文作者详细论述冷喷涂过程中金属粉末颗粒的组织结构演变过程和结合特征。该综述将着重讨论冷喷涂过程中四种常见金属（铜，镍，铝，钛）的微观组织演变，并总结整理了大量的组织特征，其中包括冷喷涂铜中的再结晶晶粒、退火孪晶、剪切带、亚微米晶粒、变形孪晶和纳米晶粒，冷喷涂镍中的动态再结晶，和冷喷涂铝中的形成的尺寸小于10nm的晶粒。文章还介绍了冷喷涂材料的后处理热处理和纳米压痕表征。最后，作者提出了借鉴旧经验，利用机器学习、纳米力学测试、高熵合金等新兴技术和材料，推进冷喷涂增材制造研究。

图3. 未经处理的冷喷涂铜材料的EBSD表征（冷喷涂条件：气体温度473 K, 气压30 bar）: (a) IPF图像, (b) IQ图像, (c) KAM 图像, (d) 孪晶面边界图像。版权所有：2020 Acta Materialia Inc.

图4. 冷喷涂铝的SEM图像：(a) 上表面, (b) 横截面。(c) 横截面的EBSD图像。(d) 两个粘结颗粒的应变分布在65 ns的FEA。两个粘结的铝颗粒的TEM图像：(e)明场, (f) 暗场。(g)-(i) ：在(e)图中的选中区域的TEM明场图像。版权所有：2020 Acta Materialia Inc.

作者简介

邹宇，多伦多大学材料科学与工程系助理教授。他分别在苏黎世联邦理工学院、麦吉尔大学和北京航空航天大学材料专业获得博士学位、硕士学位和学士学位，并且2014年在京都大学做JSPS访问博士生。2016-2017年在麻省理工学院机械工程系担任博士后研究员。在多伦多大学，邹宇教授领导着极限力学与增材制造实验室，他团队的研究方向包括新型金属材料的设计、多尺度力学测试、金属增材制造（3D 打印）和机器学习。教学方面，邹宇教授讲授“材料的力学行为”、“材料的断裂与失效”和“先进工程材料的增材制造”。此外，邹宇教授目前担任加拿大冶金与材料学会材料技术分会主席。