導讀:與基于融合的增材制造(AM)方法相比，冷噴涂(CS)是一種固態金屬粉末沉積工藝，已從傳統的涂層方法發展為新型AM技術，即CSAM，用于制造部件和修復受損部件部分。在這項研究中，我們證明了CSAM金屬礦床長期存在的低延展性問題可以通過構建獨特的微觀結構來解決。使用適當的噴涂參數設置，可以生產出伸長率為29.7%、抗拉強度為270MPa的銅沉積物。銅沉積物的高延展性源于拉伸變形過程中的晶粒旋轉和合并，而孿晶邊界充當位錯滑移的橋梁，從而促進了這一點。對高延展性銅礦床的了解可能有助于開發其他高強度和高延展性的CSAM金屬材料。

冷噴涂(CS)是一種高度先進的固態金屬沉積工藝，首次開發于20世紀80年代。這項創新技術涉及微米級顆粒(5–50μm)的高速(300–1200m/s)沖擊沉積來制造涂層。CS已廣泛用于各種涂層應用，例如航空航天、汽車、能源、醫療、海洋等，以提供針對高溫、腐蝕、侵蝕、氧化和化學品的保護。如今，CS的技術興趣有兩個：(i)作為損壞部件的修復工藝，以及(ii)作為固態增材制造工藝。與其他基于融合的增材制造(AM)技術相比，冷噴涂增材制造(CSAM)是AM家族的新成員，可以在不熔化的情況下制造沉積物。由于氧化程度極低，從粉末到沉積物的化學成分基本上得以保留。與其他增材制造工藝相比，CSAM的顯著優勢包括生產率高、沉積尺寸不受限制、靈活性高以及適合修復受損零件。

此外，值得注意的是，CSAM特別適用于高反射率金屬，例如銅、鋁、鎂和銀，這些金屬很難使用激光增材制造技術生產。然而，重要的是要承認CSAM由于固有缺陷而具有明顯的缺點，特別是由顆粒堆積引起的加工硬化。因此，CSAM沉積物可能表現出較差的機械性能，例如在噴涂狀態下的延展性非常低。CS缺乏延展性目前限制了其從涂層技術向增材制造的擴展。然而，通過適當的后處理，可以減輕這些缺陷，從而提高機械性能。

在過去的二十年中，在增強冷噴涂沉積物的微觀結構和機械性能方面取得了重大進展。這些進步可分為三類：（i）預處理（例如粉末預退火），（ii）過程中（例如粉末加熱、原位微鍛造和激光輔助CS），(iii)后處理（例如后熱處理、熱等靜壓、熱軋和攪拌摩擦處理）。上述方法確實顯示出CSAM沉積物延展性的一定改善。然而，值得注意的是，這些方法具有額外繁瑣的程序和高昂的生產成本。

因此，西北工業大學聯合廣東省科學院旨在通過闡明延展性機理來調節工藝參數并直接制備高性能銅沉積物，通訊作者為李文亞和黃春杰。在他們最近發表的工作中，作者的研究團隊提出，CSAM銅沉積物中梯度晶粒的微觀結構可能是在不犧牲強度的情況下實現塑性的關鍵。然而，后來觀察到，沒有塑性的CSAM銅沉積物也表現出類似的微觀結構。因此，先前的結論可能需要進一步調查以確保其仍然有效。此外，最近的其他研究也證明了CSAM Cu的可塑性。然而，可塑性的機制還需要進一步研究，因為對此問題尚未達成共識。本研究采用原位拉伸測試和EBSD來檢查CSAM銅沉積物在拉伸變形過程中的微觀結構演變。研究結果表明，銅礦床通過晶粒旋轉、合并和生長經歷了塑性變形，而孿晶界似乎充當了重要的橋梁。

相關研究成果以“High ductility induced by twin-assisted grain rotation and merging in solid-state cold spray additive manufactured Cu”發表在Journal of Materials Science & Technology上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030224007138

圖1 用于CSAM的原始銅粉和由此產生的銅沉積物的微觀結構。(a)粒度分布；(b)單個Cu顆粒橫截面的SEM形貌和晶粒取向；(c)CSAM沉積和采樣位置；(d)原位EBSD預缺口和異位無缺口拉伸測試樣品的尺寸；(e)典型銅礦床的3DOM微觀結構和(f)3DEBSDIPF圖

圖2 通過無缺口樣品的異位拉伸測試分析的銅沉積物的機械性能和斷口圖。(a)保持氣體壓力為5MPa時不同溫度下噴射的銅沉積物的應力-應變曲線，以及(b)保持氣體溫度恒定在800°C時不同壓力下噴射的銅沉積物的應力-應變曲線；(c)強度延展性與銅沉積物的再結晶和孿晶比例之間的相關性；(d)銅礦典型脆性斷裂(N2,650℃-5MPa);(d)銅礦典型的韌性斷裂(N2,800℃-5MPa)

圖3 銅沉積物原位拉伸試驗過程中的EBSD分析（N2，800℃-5MPa）。(a)應力-應變曲線；(b1-d1)取自(b2-d2)的單個顆粒在伸長率分別為0%、5%和20%下的IPF圖；(b3-d3)銅礦床分別在0%、5%和20%伸長率下的再結晶圖；(b4-d4)伸長率分別為0%、5%和20%時的孿晶邊界分布。

圖4 Cu沉積物拉伸試驗過程中顆粒變形的延展性機制，顯示顆粒變形，晶粒合并和長大。

綜上所述，本研究從新的角度調控工藝參數，研究高性能CSAM Cu的延展性機理。通過將CSAM Cu沉積物的力學性能與不同工藝參數下獨特的微觀結構特征聯系起來，我們發現再結晶程度和孿晶含量存在一個閾值，該閾值應該足夠高才能使CSAM Cu具有良好的延展性。另一方面，通過原位EBSD分析，我們發現孿晶輔助下的晶粒旋轉和生長是CSAM銅礦延展性的根源。這項工作是解決長期困擾CSAM沉積物可塑性問題的一個良好的開始，但不是結束，該問題非常有希望擴展到其他CSAM金屬。