联合涂层技术期刊之《冷喷涂增材制造铜在喷涂状态下的块状延展性》

### 摘要 近年来，冷喷涂工艺越来越多地用于金属部件的增材制造，被称为冷喷涂增材制造(CSAM)。与基于熔融的增材制造工艺不同，CSAM是在固态下实现的，具有一些优势，例如不存在严重的氧化或粗相组成变化。目前，CSAM的主要限制是喷涂态沉积物普遍较低的延展性。在本文中，我们以铜作为模型材料，展示了一种克服这一限制的方法。重要的是，在不牺牲机械强度的情况下，实现了喷涂态沉积物的高延展性。此外，我们表明，在没有任何后热处理的情况下，CSAM铜的性能与块状铜增材制造相当。 **关键词**：冷喷涂；铜；高延展性；增材制造 ### 1. 介绍 近来，冷喷涂技术(CS)正逐渐被认为是一种新型增材制造(AM)技术。在冷喷涂工艺中，微米级的粉末颗粒在推进气体的作用下加速，推进气体通过拉瓦尔喷嘴供给。然后，颗粒以超音速撞击到芯部基材上，并发生广泛的塑性变形，与底层材料形成牢固的结合[1-3]。冷喷涂具有生产时间短、工艺经济性好、几乎无限的零件尺寸能力以及局部沉积的灵活性。鉴于这些，CS工艺实际上提供了独特的优势与增材制造技术相比，热能是主要的沉积原理（选择性激光熔化、电子束熔化、激光工程净成形和激光金属沉积）[4,5]。此外，由于CSAM是在固态下完成的，因此金属零件的生产没有严重的氧化或粗相存在，[7]更重要的是，CS更适合于高反射率金属（如铜）的增材制造，而这些金属使用激光辅助增材制造工艺处理时存在问题[8]。 冷喷涂工艺现在是一种成熟的技术，用于各个行业的金属沉积。它已被用于生产保护性或性能增强涂层，以及接近终形状的零件[9]。除此之外，CS也已被证明是一种经济高效的工艺，用于修复和恢复损坏的航空航天部件（在[10]中，修复使用CS修复海鹰直升机模块的案例，从而节省了高达新组件制造成本的35-50%）。 目前，冷喷涂工艺的主要限制是沉积物极低的延展性，这是由于粉末颗粒的严重塑性变形以及相关的冷作硬化现象引起的。为了恢复延展性，CSAM材料通常要经过热处理以诱导再结晶和固结[11]。这种在喷涂态下具有高机械强度但几乎为零的延展性，以及通过热处理提高延展性的方法，已被多位研究人员报道。例如，Meng等人[12]观察到冷喷涂304不锈钢的延伸率低于1%，经过热处理后提高了5倍。对于Inconel 718，观察到喷涂态材料的延伸率仅为0.5%，退火后增加了8-10倍[13-15]。Yu等人(2019)也观察到Cu具有高机械强度和较差的延展性，几乎没有延伸率，经过热处理后，延展性再次得到改善[16]。Yin等人(2018)报道，冷喷涂Cu在喷涂态下的延伸率约为2.5%，在500 °C下退火4小时后提高了7.6% [17]。 本研究展示了一种克服该问题的方法。我们的Cu沉积物在喷涂态下表现出高延展性，无需任何热处理。重要的是，这在没有任何显著的机械强度折衷的情况下实现的，并且使用更便宜的氮气作为工艺气体（不需要氦气）。在本文中，介绍了粉末粒度和工艺参数对微观结构和力学性能的影响，并将我们的CSAM Cu在喷涂态下的性能与块状Cu进行了比较。  为了帮助理解其基本原理，通过CSM EVOLUTION冷喷涂仪（Tecnar Automation Inc.，加拿大）测量的飞行中粉末颗粒的速度，该设备配备了连续二极管激光源，用于照亮颗粒羽流（790 nm波长，3.3 W功率，70 mrad发散角）。 #### 2.2 沉积过程 使用了具有中央喷射系统的SS5/8高压枪和OUT1喷嘴（膨胀比5.6）进行定位。氮气用作推进剂和原料载气体。结合两种敷种粉末（细粉、粗粉）和两组建议的工艺参数（低-低压、高-高压，表1），准备了四个样本集。LP和HP的参数是在初步的内部研究中获得的。对于所有四个沉积实验，使用了500mm/s的枪速、30mm的距离和1mm的步长。沉积参数矩阵见表1。对于每组，使用尺寸为70×70mm²的两块铝板作为基底沉积5-6mm厚的铜涂层。沉积后，移除铝板以获得自由站立的铜涂层。未进行额外的热处理。为了帮助理解基本原理，使用配备连续二极管激光源的CSM进化冷喷射仪（Tecnar Automation Inc.，加拿大）测量了粉体颗粒在飞行过程中的速度，以照亮颗粒羽流（波长790nm，功率3.3W，发散角70mrad）。

样品表征 使用标准程序从沉积物中制备金相样品，并使用1微米金刚石研磨膏进行“终抛光”。使用EVO MA分析样品横截面15扫描电子显微镜（Carl Zeiss，德国）。通过使用FEG/SEM Zeiss Ultra Plus（Carl Zeiss，德国）进行高级电子背散射衍射（EBSD）映射，扩展了微观结构分析，该设备配备了HKL Nordlys EBSD探测器（Oxford Instruments，英国）。EBSD数据是在20 kV的加速电压下采集的，在高/电流模式下使用Aztec软件（Oxford Instruments，英国），孔径为120微米。采集步长为120纳米，相机合并经过调整，以实现可视的模式识别（在本例中为4×4）。 样品的致密性通过使用氦气泄漏检测器（Qualytest HTL 260，Pfeiffer Vacuum GmbH，Asslar，德国）在德国Forschungszentrum Jülich的IEK-1中进行气密性测试来评估。在沉积物的一侧保持He的流动，同时在其另一侧抽取真空。记录通过样品泄漏的He的量。 对于机械性能测试，选择了拉伸测试和硬度测量。对于前者，从独立式Cu中电火花线切割出扁平试样（长度为60毫米），并根据ENISO 6892-1标准使用传统拉伸试验机进行测试，不同之处在于建议的机械引伸计被虚拟数字图像（D相关IC）引伸计取代。此前已评估该装置是进行材料表征的有效方法[18, 19]，并且表明非接触式引伸计产生的结果与机械引伸计获得的结果完全相当。使用虚拟引伸计的另一个优点是，最大限度地减少了由于引伸计刀具刮擦样品表面而导致裂纹萌生的可能性。以0.4毫米/分钟的恒定速率施加拉伸载荷，直至断裂，并记录材料的应力响应。使用Q10A+（Qness，奥地利）通过维氏法测量沉积物的硬度。考虑到晶粒尺寸和微观结构特征，所有样品均选择300gf的载荷（HV0.3）。测量按照ISO6507-1标准进行（压痕间距至少为压痕尺寸的3倍）。使用20个压痕来计算每个样品的平均值。对于细粉和细粉，使用双尾非配对t检验来确定在低压（LP）和高压（HP）下生产的沉积物的硬度之间的统计显著性。使用的显著性水平为*p* = 0.01。 样品的热conductivityλ值是根据热扩散系数a、密度ρ和比热容Cp的测量结果，按照公式λ=a×ρ×cp计算得出。热扩散系数的测量采用激光闪法，在真空条件下使用LFA 1000测试仪（德国林赛斯公司）。为了确保吸收均匀，激光脉冲中的吸收均匀且表面的辐射特性相等，将10×10×2mm³样品涂上一层薄薄的石墨。对于所有样品，在每个温度下（从20到800 °C）进行五次测量。样品的密度ρ使用阿基米德方法（将样品浸入水中）测量，其各自的温度依赖性是基于纯块状铜的密度-温度依赖性计算的。对于计算，使用了纯铜的热容C。 将通过各种方法获得的性能与块状铜材料进行比较。为了避免混入潜在的第二影响并保持完全的相互可比性，Cu块体是用与雾化此处置用的两种粉末相同的材料。 ### 图1. 使用的(a)细铜粉(b)粗铜粉的粒度分布。 （此处插入图1：使用的(a)细铜粉(b)粗铜粉的粒度分布的图片） ### 图2. 所用细铜粉和粗铜粉的球形形貌。 （此处插入图2：所用细铜粉和粗铜粉的球形形貌的图片） ### 图3. 四种CSAM铜沉积物的致密微观结构。 （此处插入图3：四种CSAM铜沉积物的致密微观结构的图片） ### 图4. 四种CSAM铜沉积物和块状铜的导热率。 （此处插入图4：四种CSAM铜沉积物和块状铜的导热率的图片） ### 图5. 应力-应变曲线显示了在高工艺参数下沉积的冷喷涂铜具有高强度和延展性，与块状铜的性能完全相当。 （此处插入图5：应力-应变曲线显示了在高工艺参数下沉积的冷喷涂铜具有高强度和延展性，与块状铜的性能完全相当的图片） （此处插入图6：冷喷涂铜沉积和地面沉积的EBSD IPF图，显示双峰晶粒分布的图片） ### 图7. CSAM Cu沉积物中的面状晶粒尺寸分布。 （此处插入图7：CSAM Cu沉积物中的面状晶粒尺寸分布的图片） （此处插入图8：两张分别标注“Fine-LP”“Fine-HP”的图片）