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凝固技術國家重點實驗室李文亞教授在《Progress in Materials Science》發表綜述:冷噴涂固態成形鈦及鈦合金

發布日期:2020-01-02  瀏覽次數:52
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  【論文簡介】
  鈦合金因其高的比強度、優良的耐蝕性及生物相容性,廣泛應用于航空、航天、化工、醫學等領域。然而因鈦及鈦合金的活性高,易氧化,傳統的制備工藝(鑄造、電子束焊接和真空等離子噴涂等)須在真空或者惰性氣體的保護下,無疑增加了制造成本。近幾年,增材制造技術取得了巨大進展,傳統增材制造技術(激光增材、電子束增材和電弧增材)過程中,粉末或者絲材經歷熔化-凝固過程,近凈成形零部件,為鈦及鈦合金的成形制造開辟了一個新方向。然而高溫的工藝過程仍帶來冶金缺陷,比如微裂紋、殘余應力和變形等。
  冷噴涂(Cold Spraying,CS),自20世紀80年代中期發現以來,受到國內外學者的廣泛關注。其工作原理是將高壓氣體(He、N2、空氣或它們的混合氣體)導入特殊設計的拉瓦爾(Laval)噴嘴,利用高壓氣體在較低的溫度下(低于噴涂材料的熔點)加速微米尺度的顆粒,使其在固態下以較高的速度撞擊基體,通過顆粒發生劇烈的塑性變形而沉積于基體表面形成涂層。迄今為止,冷噴涂技術能夠用來制備大部分金屬及其合金(Al、Cu、Ag、Mg、Sn、Zn、Ti、Ni、Fe、Ta、不銹鋼、Ti6Al4V、高溫合金、高熵合金等);金屬-金屬復合材料(Al-Cu、Al-Ti、Al-Ni、W-Cu等)、金屬-陶瓷復合材料(Al-Al2O3、Al-SiC、Al-TiN、Ti-SiC等);甚至非晶(NiTiZrSiSn等)、納米結構金屬材料(nano-Al、Ni、Cu)等。近年來,冷噴涂從涂層制備擴展到成形制造與修復再制造領域,即冷噴涂固態增材制造技術。作為增材制造家族的新成員,冷噴涂在制造業中表現出了巨大的潛力,引起了全世界的關注。
  作為代表性材料,鈦及鈦合金的高質量冷噴涂成形備受關注。本文首先系統地探討了冷噴涂鈦及鈦合金沉積體的沉積特性及其工藝影響因素。顆粒是如何沉積的?沉積體的組織和性能如何?工藝參數-組織-性能相關性?其次,現有研究表明鈦及鈦合金的結合機理與銅、鋁等存在很大差別,因此理解鈦及鈦合金的結合機理變得尤其重要。最后,鈦及鈦合金沉積體的力學性能亟需提高,如何有效地提升其力學性能是另一個重要難題。目前,通過與其他加工技術復合來改善鈦及鈦合金沉積體的力學性能,稱之為“冷噴涂復合技術”。想深入了解冷噴涂技術,特別是冷噴涂鈦合金沉積體的組織和性能特性以及強塑化提高技術的科研達人,還在等什么呢?
  論文已在線發表
 ?。╤ttps://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2019.100633/),
  原文鏈接如下:
  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S007964251930115X
  該成果受到國家自然科學基金(51875471)的資助,以及凝固技術國家重點實驗室自主課題(2019-QZ-01)的大力支持。
  西北工業大學凝固技術國家重點實驗室李文亞教授(第一作者和通訊作者)、曹聰聰在讀博士、和愛爾蘭都柏林大學的殷碩助理教授,在材料科學頂級期刊《Progress in Materials Science》(影響因子IF2018 = 23.725,5年影響因子IF = 33.01)上發表題為“Solid-state cold spraying of Ti and its alloys: a literature review”的長篇綜述,以作者多年的研究成果為主線,深入探討了冷噴涂鈦及鈦合金沉積體的影響因素和結合機制,并總結了冷噴涂與其他加工工藝的復合技術,旨在提升沉積體強塑性,隨后總結了沉積體的應用,最后對沉積體的結合機制完善、強塑性的提升、在增材制造和修復再制造領域的應用等提出了展望。綜述全文2萬5千余字,分為7個大章節,共含9個重要表格和87張重要圖片,引用了160余篇參考文獻,內容涵蓋了冷噴涂發現至今30多年來幾乎所有關于冷噴涂鈦及鈦合金的研究成果。
  【圖文導讀】
  圖1 論文封面
  圖2 冷噴涂原理示意圖
  圖3 典型橫截面組織
(a)和(c)為冷噴涂Ti沉積體,(b)和(d)為冷噴涂Ti6Al4V沉積體
  圖4 Ti粒子撞擊速度、沉積體孔隙率和顯微硬度的關系
(a)為Ti粒子撞擊速度和沉積體孔隙率的關系,(b)為Ti粒子撞擊速度和沉積體顯微硬度的關系,(c)為Ti沉積體孔隙率和顯微硬度的關系
  圖5 冷噴涂增材制造的主要工藝參數
  圖6 Ti粒子撞擊速度與沉積效率的關系
  圖7 Ti6Al4V粒子撞擊到Ti基板上剝離后的微觀形貌
  圖8 鈦及鈦合金沉積體與基板的結合強度和孔隙率
  圖9 鈦及鈦合金沉積體內聚強度(自身強度)和孔隙率
  圖10 噴后熱處理改善Ti6Al4V沉積體的內聚強度
  圖11 原位噴丸輔助冷噴涂致密化涂層原理示意圖
  圖12 激光輔助冷噴涂熱過程示意圖
  圖13 Ti冷噴涂沉積體經過熱軋處理后OM微觀組織
  圖14 Ti6Al4V沉積體經過熱等靜壓處理后工程應力-應變曲線
  圖15 Ti6Al4V沉積體經過攪拌摩擦加工處理后的微觀組織
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