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《Acta Mater》: 深度剖析固态增材冷喷涂组织结构的演变

来源:乐鱼全站官网登录   发布时间:2022-05-13 10:42nbsp;  点击量:

本文摘要:导读:本研究解释了固态增材制造(冷喷涂)变形历程中,变形条件和微观组织的内在联系,提供了通过变形条件预测微观组织的方法,同时展现了冷喷涂等高速率、大塑性变形历程中的金属晶粒细化机制。有望强化冷喷涂作为固态3D 打印的优势,即通过实时改变工艺参数,在固态“增材”的历程中实现动态的组织结构调控,进而制备出高力学性能的质料。冷喷涂技术是将固态金属粉末在低于质料熔点温度下经由高压气体加速至超音速并一连喷射至基板,使粉末颗粒发生强烈塑性变形并聚集成块体的历程。

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导读:本研究解释了固态增材制造(冷喷涂)变形历程中,变形条件和微观组织的内在联系,提供了通过变形条件预测微观组织的方法,同时展现了冷喷涂等高速率、大塑性变形历程中的金属晶粒细化机制。有望强化冷喷涂作为固态3D 打印的优势,即通过实时改变工艺参数,在固态“增材”的历程中实现动态的组织结构调控,进而制备出高力学性能的质料。冷喷涂技术是将固态金属粉末在低于质料熔点温度下经由高压气体加速至超音速并一连喷射至基板,使粉末颗粒发生强烈塑性变形并聚集成块体的历程。

冷喷涂兴起于上个世纪末,是一种基于高变形速率、大变形的制造工艺。冷喷涂具有高沉积速率、涂层厚度不受限制、残余热应力较低、质料不易氧化等优点,对于易氧化、热稳定性差、塑性较好的质料具有奇特优势。比传统的激光增材制造方法(激光选区熔化SLM和激光沉积DED)制造速度快。现在冷喷涂已成为一种具有应用前景的固态增材制造(3D打印)技术。

然而喷涂历程中,金属颗粒高速一连碰撞,使得颗粒外貌及内部泛起极高且不匀称的温度、塑性应变、应变速率和应变梯度漫衍,导致成型质料内部泛起庞大多样且不行预测的微观组织。因此,深入明白金属颗粒在冷喷涂历程中组织结构的演变,进而调控后续工艺,成为提高冷喷涂质料力学性能的理论基础。

图1. 冷喷涂历程示意图以及喷射装置 图2. 冷喷涂与传统热喷涂的比力图3. 用冷喷涂工艺制备的涂层和块体质料(ASB Industries) 为明白以及预测冷喷涂变形条件下质料的组织结构演变,加拿大多伦多大学质料系邹宇教授课题组(https://mse.utoronto.ca/faculty-staff/professors/zou-yu/)和加拿大国家研究委员会(National Research Council Canada)聚焦于冷喷涂工艺和组织结构演变的关系,开展了一系列基础研究。他们对于纯铜和纯铝的组织结构举行深度剖析,其效果主要分为三部门:微观结构表征、有限元模拟、微观结构预测。相关事情于2020年划分揭晓在金属领域顶级期刊Acta Materialia 和 Scripta Materialia 上。

配合一作是多伦多大学博士生刘志颖和博士后王洪泽,其他作者包罗多伦多大学博士生Michel Haché 和博士后褚欣,邹宇教授为通讯作者。论文链接:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.04.041https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.09.018一、微观结构表征该团队将纯铜颗粒划分在873K,673K,473K和373K条件下喷射至316L不锈钢基板上,形成约500微米厚的沉积层,随后对差别温度下形成的沉积层举行EBSD和TEM 表征。研究发现,随着喷射温度逐渐降低,沉积层内微观组织结构划分为: 再结晶晶粒,剪切带,变形孪晶和纳米晶(图4),讲明冷喷涂变形条件和微观组织存在特定的内在联系。同时,冷喷涂大速率变形条件下形成的变形孪晶和纳米晶尺寸均低于其他报道,讲明冷喷涂具备极强的晶粒细化能力。

该团队继续深入,对高层错能、不易晶粒细化的金属纯铝举行冷喷涂实验,首次在颗粒界面处发现了大量晶粒尺寸低于10 nm的稳定的纯铝晶粒(图5),进一步证实了冷喷涂技术在晶粒细化上的庞大潜力。图4.差别温度条件下纯铜沉积层内TEM图。随着冷喷涂温度升高,显微组织结构演变顺序为:873K-动态再结晶(a)(b),673K-剪切带(c)(d),473K-变形孪晶(e)(f),和373K-纳米晶(g)(h)。

图5. 523K温度下纯铝沉积层内TEM图。(a)(b)颗粒碰撞界面处明场和暗场相。(c)和(f), (d)和(g), (e)和(f)划分表现图(a)中三个区域的晶粒及其尺寸漫衍。同一颗粒差别区域,晶粒尺寸差别,靠近界面处泛起大量晶粒尺寸小于10纳米的晶粒。

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二: 有限元模拟为展现微观组织演变和晶粒细化机理,研究人员举行了颗粒冷喷涂变形历程的有限元模拟。效果讲明,随着冷喷涂温度降低,颗粒界面处塑性应变和温度均降低,但应力增大且应变速率保持稳定。联合详细的模拟效果和理论盘算,证实了差别冷喷涂温度下特定组织结构的演变来自于颗粒内部差别的变形条件(图6)。

此外,相较于传统加工工艺,冷喷涂变形历程颗粒内部极大的应变(10)和极高的应变速率(10^9 s-1),推动了位错的聚集和演化,促进了超细小的动态再结晶晶粒的形成(图7),从而实现了质料的晶粒细化。另外,从颗粒的外貌到颗粒内部,冷喷涂变形的历程中发生了极大的应变以及应变速率梯度,导致质料组织结构多样化。图6. 纯铜颗粒冷喷涂变形历程中单颗粒界面处应变速率(a),应力(b),应变(c)和温度(d)随时间变化的有限元模拟效果。

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以及(e)多颗粒应变漫衍。图7. 纯铝颗粒冷喷涂变形历程中界面处TEM图(a)(b)(c),讲明晶粒尺寸小于10 nm的晶粒稳定存在。(d)动态再结晶历程中晶粒细化示意图。三: 组织结构预测通过对冷喷涂历程中组织结构和变形条件的系统分析和盘算,研究人员引入了包罗温度和应变速率等变量的Zener-Hollomon参数(Z参数),并联合有限元模拟的数据,盘算出差别变形条件下颗粒内部的Z值,进而构建出Z值-塑性应变-微观结构的关系图(图8),为预测特定Z值和塑性应变条件下的微观组织提供了实验和理论依据。

虽然经典的Zener-Hollomon参数曾广泛应用。


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