原位微鍛造(MF)輔助冷噴涂增材制造無夾雜的全致密金屬

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

近日，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室李長久&雒曉濤團隊聯(lián)合上海大學在增材國際頂刊《Additive Manufacturing》上發(fā)表了關(guān)于冷噴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”，雒曉濤教授為通訊作者。

新開發(fā)的原位微鍛造輔助冷噴涂(MFCS)是制備孔隙率低于0.1%的致密金屬的一種經(jīng)濟便捷的方法。在此過程中，大尺寸硬質(zhì)微鍛造顆粒沖擊引起的鍛造效應使沉積材料原位致密化。因此，可以在中等氣體溫度和壓力下生產(chǎn)完全致密的金屬沉積體，而無需使用昂貴的氦氣。然而，發(fā)現(xiàn)孔隙率在很大程度上取決于沉積材料的類型、噴丸粒度和噴涂參數(shù)。對于軟沉積材料，經(jīng)常觀察到噴丸強化顆粒沉積引起的夾雜物。這使得對該技術(shù)的應用具有一定挑戰(zhàn)，并且對通用的加工工藝圖有著很大需求。

該研究以不同硬度值的純Al、純Ti、純Ni、2219Al、6061Al、7055Al、TC4為例，探索MFCS的通用噴涂加工圖。研究了噴丸顆粒的沖擊速度和體積分數(shù)、沉積材料的類型和噴涂參數(shù)對致密化和噴丸顆粒沉積的影響。在沉積粉末中添加30vol.%的410不銹鋼MF顆粒會降低所有沉積體的孔隙率，并且在純Al、所有三種鋁合金和純Ti沉積物中觀察到顆粒沉積引起的夾雜物。單粒子沉積實驗和數(shù)值模擬表明，機械聯(lián)鎖是MF粒子沉積的主要機制。該工作定義了一個臨界嵌入MF粒子大小，高于該大小可以避免沉積體中包含MF粒子。為了綜合考慮影響沉積體致密化的所有主要因素，提出了MF強度（IMF）的新概念。最后，通過繪制臨界嵌入速度和IMF與沉積材料硬度的關(guān)系圖，建立了沉積全致密金屬且無MF顆粒夾雜物的優(yōu)化工藝圖。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，聚焦增材制造科研與工程應用！

論文亮點
1）闡明了微鍛造(MF)粒子的嵌入條件和機制;
2）提出了避免夾雜MF粒子的策略;
3）引入MF強度（IMF）概念，提出了制備全致密沉積體的標準;
4）建立了生產(chǎn)完全致密且無MF顆粒夾雜沉積體的通用加工工藝圖。

圖 1. 傳統(tǒng)冷噴涂和含30vol.% MF顆粒的MFCS產(chǎn)生的沉積體的橫截面微觀結(jié)構(gòu)比較。

圖 2. 在一系列噴涂條件下通過數(shù)值模擬得到的MF粒子速度(a)，以及MF粒子的實際測量速度(b)。

圖 3 中頻粒子撞擊誘發(fā)的所有可能性示意圖及相應的彈坑深度測量方法(a)；回彈MF粒子引起的彈坑示例（b和c）和部分穿透MF粒子引起的彈坑（d和e）；以及彈坑相對深度的計算值與實驗值的比較(f)。

論文關(guān)鍵結(jié)論
本研究以純鋁、純鈦、純鎳、2219鋁、6061鋁、7055鋁和TC4七種不同硬度的粉末為例，開發(fā)了一種通過原位微鍛造輔助冷噴涂（MFCS）制備全致密金屬沉積體的通用噴涂加工方法，不含微鍛造顆粒夾雜。研究了微鍛造顆粒的沉積機理和獲得全致密沉積物的關(guān)鍵參數(shù)。得出以下主要結(jié)論：

(1) 在給定的MF粒子條件下，較軟的沉積材料更容易原位致密化，但也更容易沉積，導致沉積體中包含MF粒子。
(2) 與冷噴涂中顆粒間的結(jié)合形成不同，MF顆粒的滲入引起與沉積物的機械互鎖是MF顆粒嵌入的主要機制。只有當撞擊坑的深度超過MF粒徑的0.8倍時，才能沉積。撞擊坑的深度主要受MF粒子的撞擊速度以及沉積材料的密度和硬度的影響。
(3) MF粒子在沉積體中的致密化程度主要取決于沉積材料單位體積的能量輸入（MF強度，IMF）和沉積材料的塑性變形抗力。IMF與MF粒子的沖擊速度和體積分數(shù)正相關(guān)。只有當IMF高于閾值時，微鍛造效應才能消除沉積物內(nèi)的孔隙。然而，較高的IMF可能導致沉積體的嚴重侵蝕。
(4) 通過繪制臨界嵌入速度和IMF與沉積材料硬度的關(guān)系圖，建立了用于沉積無MF顆粒夾雜的全致密金屬的優(yōu)化工藝圖，并在各種沉積體中進行了驗證。根據(jù)工藝圖，可以很容易地用MFCS沉積出高質(zhì)量的金屬，以滿足不同的要求。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，聚焦增材制造科研與工程應用！

論文鏈接:
https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103644