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冷喷涂固态成形钛及钛合金技术进入国家重点实验室

来源:      2020-1-3 8:44:17      点击:

  钛及钛合金因其高的比强度、优良的耐蚀性及生物相容性,广泛应用于航空、航天、化工、医学等领域。然而因钛及钛合金的活性高,易氧化,传统的制备工艺(铸造、电子束焊接和真空等离子喷涂等)须在真空或者惰性气体的保护下,无疑增加了制造成本。近几年,增材制造技术取得了巨大进展,传统增材制造技术(激光增材、电子束增材和电弧增材)过程中,粉末或者丝材经历熔化-凝固过程,近净成形零部件,为钛及钛合金的成形制造开辟了一个新方向。然而高温的工艺过程仍带来冶金缺陷,比如微裂纹、残余应力和变形等。

  冷喷涂(Cold Spraying,CS),自20世纪80年代中期发现以来,受到国内外学者的广泛关注。其工作原理是将高压气体(He、N2、空气或它们的混合气体)导入特殊设计的拉瓦尔(Laval)喷嘴,利用高压气体在较低的温度下(低于喷涂材料的熔点)加速微米尺度的颗粒,使其在固态下以较高的速度撞击基体,通过颗粒发生剧烈的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。迄今为止,冷喷涂技术能够用来制备大部分金属及其合金(Al、Cu、Ag、Mg、Sn、Zn、Ti、Ni、Fe、Ta、不锈钢、Ti6Al4V、高温合金、高熵合金等);金属-金属复合材料(Al-Cu、Al-Ti、Al-Ni、W-Cu等)、金属-陶瓷复合材料(Al-Al2O3、Al-SiC、Al-TiN、Ti-SiC等);甚至非晶(NiTiZrSiSn等)、纳米结构金属材料(nano-Al、Ni、Cu)等。近年来,冷喷涂从涂层制备扩展到成形制造与修复再制造领域,即冷喷涂固态增材制造技术。作为增材制造家族的新成员,冷喷涂在制造业中表现出了巨大的潜力,引起了全世界的关注。

  作为代表性材料,钛及钛合金的高质量冷喷涂成形备受关注。本文首先系统地探讨了冷喷涂钛及钛合金沉积体的沉积特性及其工艺影响因素。颗粒是如何沉积的?沉积体的组织和性能如何?工艺参数-组织-性能相关性?其次,现有研究表明钛及钛合金的结合机理与铜、铝等存在很大差别,因此理解钛及钛合金的结合机理变得尤其重要。最后,钛及钛合金沉积体的力学性能亟需提高,如何有效地提升其力学性能是另一个重要难题。目前,通过与其他加工技术复合来改善钛及钛合金沉积体的力学性能,称之为“冷喷涂复合技术”。想深入了解冷喷涂技术,特别是冷喷涂钛合金沉积体的组织和性能特性以及强塑化提高技术的科研达人,还在等什么呢?

  该成果受到国家自然科学基金(51875471)的资助,以及凝固技术国家重点实验室自主课题(2019-QZ-01)的大力支持。

  西北工业大学凝固技术国家重点实验室李文亚教授(第一作者和通讯作者)、曹聪聪在读博士、和爱尔兰都柏林大学的殷硕助理教授,在材料科学顶级期刊《Progress in Materials Science》(影响因子IF2018 = 23.725,5年影响因子IF = 33.01)上发表题为“Solid-state cold spraying of Ti and its alloys: a literature review”的长篇综述,以作者多年的研究成果为主线,深入探讨了冷喷涂钛及钛合金沉积体的影响因素和结合机制,并总结了冷喷涂与其他加工工艺的复合技术,旨在提升沉积体强塑性,随后总结了沉积体的应用,最后对沉积体的结合机制完善、强塑性的提升、在增材制造和修复再制造领域的应用等提出了展望。综述全文2万5千余字,分为7个大章节,共含9个重要表格和87张重要图片,引用了160余篇参考文献,内容涵盖了冷喷涂发现至今30多年来几乎所有关于冷喷涂钛及钛合金的研究成果。

  【图文导读】
  图1 论文封面
  图2 冷喷涂原理示意图
  图3 典型横截面组织
(a)和(c)为冷喷涂Ti沉积体,(b)和(d)为冷喷涂Ti6Al4V沉积体
  图4 Ti粒子撞击速度、沉积体孔隙率和显微硬度的关系
(a)为Ti粒子撞击速度和沉积体孔隙率的关系,(b)为Ti粒子撞击速度和沉积体显微硬度的关系,(c)为Ti沉积体孔隙率和显微硬度的关系
  图5 冷喷涂增材制造的主要工艺参数
  图6 Ti粒子撞击速度与沉积效率的关系
  图7 Ti6Al4V粒子撞击到Ti基板上剥离后的微观形貌
  图8 钛及钛合金沉积体与基板的结合强度和孔隙率
  图9 钛及钛合金沉积体内聚强度(自身强度)和孔隙率
  图10 喷后热处理改善Ti6Al4V沉积体的内聚强度
  图11 原位喷丸辅助冷喷涂致密化涂层原理示意图
  图12 激光辅助冷喷涂热过程示意图
  图13 Ti冷喷涂沉积体经过热轧处理后OM微观组织
  图14 Ti6Al4V沉积体经过热等静压处理后工程应力-应变曲线
  图15 Ti6Al4V沉积体经过搅拌摩擦加工处理后的微观组织