原位微锻造(MF)辅助冷喷涂增材制造无夹杂的全致密金属

来源： 增材制造硕博联盟

近日，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室李长久&雒晓涛团队联合上海大学在增材国际顶刊《Additive Manufacturing》上发表了关于冷喷涂增材制造最新研究文章“Processing map of the in-situ micro-forging (MF) assisted cold spray for additive manufacturing of fully dense metals without MF particle inclusion”，雒晓涛教授为通讯作者。

新开发的原位微锻造辅助冷喷涂(MFCS)是制备孔隙率低于0.1%的致密金属的一种经济便捷的方法。在此过程中，大尺寸硬质微锻造颗粒冲击引起的锻造效应使沉积材料原位致密化。因此，可以在中等气体温度和压力下生产完全致密的金属沉积体，而无需使用昂贵的氦气。然而，发现孔隙率在很大程度上取决于沉积材料的类型、喷丸粒度和喷涂参数。对于软沉积材料，经常观察到喷丸强化颗粒沉积引起的夹杂物。这使得对该技术的应用具有一定挑战，并且对通用的加工工艺图有着很大需求。

该研究以不同硬度值的纯Al、纯Ti、纯Ni、2219Al、6061Al、7055Al、TC4为例，探索MFCS的通用喷涂加工图。研究了喷丸颗粒的冲击速度和体积分数、沉积材料的类型和喷涂参数对致密化和喷丸颗粒沉积的影响。在沉积粉末中添加30vol.%的410不锈钢MF颗粒会降低所有沉积体的孔隙率，并且在纯Al、所有三种铝合金和纯Ti沉积物中观察到颗粒沉积引起的夹杂物。单粒子沉积实验和数值模拟表明，机械联锁是MF粒子沉积的主要机制。该工作定义了一个临界嵌入MF粒子大小，高于该大小可以避免沉积体中包含MF粒子。为了综合考虑影响沉积体致密化的所有主要因素，提出了MF强度（IMF）的新概念。最后，通过绘制临界嵌入速度和IMF与沉积材料硬度的关系图，建立了沉积全致密金属且无MF颗粒夹杂物的优化工艺图。关注公众号: 增材制造硕博联盟，聚焦增材制造科研与工程应用！

论文亮点
1）阐明了微锻造(MF)粒子的嵌入条件和机制;
2）提出了避免夹杂MF粒子的策略;
3）引入MF强度（IMF）概念，提出了制备全致密沉积体的标准;
4）建立了生产完全致密且无MF颗粒夹杂沉积体的通用加工工艺图。

图 1. 传统冷喷涂和含30vol.% MF颗粒的MFCS产生的沉积体的横截面微观结构比较。

图 2. 在一系列喷涂条件下通过数值模拟得到的MF粒子速度(a)，以及MF粒子的实际测量速度(b)。

图 3 中频粒子撞击诱发的所有可能性示意图及相应的弹坑深度测量方法(a)；回弹MF粒子引起的弹坑示例（b和c）和部分穿透MF粒子引起的弹坑（d和e）；以及弹坑相对深度的计算值与实验值的比较(f)。

论文关键结论
本研究以纯铝、纯钛、纯镍、2219铝、6061铝、7055铝和TC4七种不同硬度的粉末为例，开发了一种通过原位微锻造辅助冷喷涂（MFCS）制备全致密金属沉积体的通用喷涂加工方法，不含微锻造颗粒夹杂。研究了微锻造颗粒的沉积机理和获得全致密沉积物的关键参数。得出以下主要结论：

(1) 在给定的MF粒子条件下，较软的沉积材料更容易原位致密化，但也更容易沉积，导致沉积体中包含MF粒子。
(2) 与冷喷涂中颗粒间的结合形成不同，MF颗粒的渗入引起与沉积物的机械互锁是MF颗粒嵌入的主要机制。只有当撞击坑的深度超过MF粒径的0.8倍时，才能沉积。撞击坑的深度主要受MF粒子的撞击速度以及沉积材料的密度和硬度的影响。
(3) MF粒子在沉积体中的致密化程度主要取决于沉积材料单位体积的能量输入（MF强度，IMF）和沉积材料的塑性变形抗力。IMF与MF粒子的冲击速度和体积分数正相关。只有当IMF高于阈值时，微锻造效应才能消除沉积物内的孔隙。然而，较高的IMF可能导致沉积体的严重侵蚀。
(4) 通过绘制临界嵌入速度和IMF与沉积材料硬度的关系图，建立了用于沉积无MF颗粒夹杂的全致密金属的优化工艺图，并在各种沉积体中进行了验证。根据工艺图，可以很容易地用MFCS沉积出高质量的金属，以满足不同的要求。关注公众号: 增材制造硕博联盟，聚焦增材制造科研与工程应用！

论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103644