佛罗里达国际大学研究人员：首次报道原位碎片烧结对冷喷涂铝涂层弹性模量影响

颗粒在线讯：冷喷涂是一项快速发展的技术，在表面工程和增材制造领域引起了研究者们极大的兴趣。在这个过程中，固态金属粉末颗粒以超高速沉积在基板上，制造的涂层表现出分层结构，从大量的致密沉积物到微观层面的单个变形颗粒或“碎片”。这些碎片构成了冷喷涂涂层的特征构件，它们的相互结构和机械相互作用决定了涂层的宏观性能。

弹性模量是一个关键的特征参数，也是内部碎片形式的主要体现。现有报道中，冷喷涂涂层的弹性模量通过宏观层面的拉伸、压缩、压痕试验和3点弯曲试验等方法来衡量。在初步了解冷喷涂涂层的弹性模量的同时，这些方法有两个难以解决的挑战。首先，分层碎片结构在施加的应力和由此产生的应变之间引入了延迟或相位滞后，这是准静态测试无法捕获的；其次，局部纳米压痕试验虽然提供了对单个碎片内部的洞察力，但不能全面诠释内部碎片弹性响应。研究由涂层独特的碎片结构引起的相位滞后很重要。在循环载荷(如疲劳)应用中，这种碎片结构的形成会随着时间的推移而累积，并受内部碎片影响。这种循环变形是现有准静态测试无法描述的。

美国佛罗里达国际大学的研究人员探讨了在喷涂和热处理条件下使用空气和氦气制造的冷喷涂铝(Al 6061)涂层中的原位碎片烧结现象。首次报道了原位碎片烧结对冷喷涂铝涂层弹性模量的影响。相关论文以题为“Role of in-situ splat sintering on elastic and damping behavior of cold sprayed aluminum coatings”发表在Scripta Materialia。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114125

本文将Al 6061粉末冷喷涂在Al 6061基材上，载气分别为空气和氦气。对于喷涂的涂层，在氩气氛围下进行176℃×1h热处理。试验过程中静态力为9.9N，动态力为9.0N，振幅30μm，频率为5.0Hz。试验时以3℃/min的速度缓慢加热，从室温加热至400℃，持续2h 13min。

研究发现在整体水平上，所有涂层的弹性模量都随着温度的升高而降低，这是由于热振动增加导致原子键拉伸程度更高。空气喷涂涂层在微观层面比氦气喷涂涂层弹性模量更低，这是由于沉积过程中氧化物夹杂物导致的碎片之间冶金结合和粘附力较差。随着温度升高，由于Al 6061和氧化物夹杂物的热振动更大，在空气喷涂涂层中观察到更高的阻尼能量损失。在氦气喷涂涂层中，氧化物夹杂物明显减少，这种现象不那么明显。此外，在空气喷涂涂层中，由于更显着的碎片界面和孔隙率，这种能量损失在喷涂过程中比热处理时更高。

图1 在空气和氦冷喷涂和热处理条件下，弹性模量和阻尼随温度的变化规律

图2 空气和氦冷喷涂Al 6061涂层中原位碎片烧结示意图

图3 不同条件下涂层中的孔隙密度和SEM观察到的二维孔隙

碎片结构和温度是决定冷喷涂铝涂层动态弹性模量的主要影响因素。弹性模量随着多孔边界的减少呈指数级递减，而多孔边界的减少与氦喷涂和热处理有关。本研究中的Al 6061涂层的碎片结构表面能和平坦率决定了原位碎片烧结致密化的程度，而后者在热处理涂层中的作用较小。本文为暴露在恶劣高温环境中的冷喷涂结构和航空航天部件提供了设计和指导意义。