【背景介紹】

鈦及鈦合金因其高的比強度、優(yōu)良的耐蝕性及生物相容性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。然而因鈦及鈦合金的活性高，易氧化，傳統(tǒng)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(shù)取得了巨大進展，傳統(tǒng)增材制造技術(shù)（激光增材、電子束增材和電弧增材）過程中，粉末或者絲材經(jīng)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(yīng)力和變形等。

冷噴涂（Cold Spraying，CS），是一種基于微米級顆粒高速固態(tài)碰撞而結(jié)合的成形技術(shù)（結(jié)合機理與爆 炸焊接類似，也可稱作微型固相焊接），自20世紀(jì)80年代中期發(fā)現(xiàn)以來，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)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(dǎo)入特殊設(shè)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(tài)下以較高的速度撞擊基體，通過顆粒/基體發(fā)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(shù)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(fù)合材料（Al-Cu、Al-Ti、Al-Ni、W-Cu等）、金屬-陶瓷復(fù)合材料（Al-Al2O3、Al-SiC、Al-TiN、Ti-SiC等）；甚至非晶（NiTiZrSiSn、Al基、Fe基等）、納米結(jié)構(gòu)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(fù)再制造領(lǐng)域，即冷噴涂固態(tài)增材制造技術(shù)。作為增材制造家族的新成員，冷噴涂在制造業(yè)中表現(xiàn)出了巨大的潛力，引起了全世界重要工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注。

作為代表性材料之一，鈦及鈦合金的高質(zhì)量冷噴涂成形面臨巨大挑戰(zhàn)，備受國際同行關(guān)注。本文首先系統(tǒng)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(shù)-組織-性能相關(guān)性？其次，現(xiàn)有研究表明鈦及鈦合金的結(jié)合機理與銅、鋁等存在很大差別，因此理解鈦及鈦合金的結(jié)合機理變得尤其重要。最后，鈦及鈦合金沉積體的力學(xué)性能亟需提高，如何有效地提升其力學(xué)性能是另一個重要難題。目前，通過與其他加工技術(shù)復(fù)合來改善鈦及鈦合金沉積體的力學(xué)性能，稱之為“冷噴涂復(fù)合技術(shù)”。

想深入了解冷噴涂技術(shù)，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(shù)的科研達(dá)人，還在等什么呢？

論文已在線發(fā)表：https://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(xué)基金(51875471)的資助，以及凝固技術(shù)國家重點實驗室自主課題(2019-QZ-01)的大力支持。

【成果簡介】

西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)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(xué)的殷碩助理教授，在材料科學(xué)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(fā)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(jié)合機制，并總結(jié)了冷噴涂與其他加工工藝的復(fù)合技術(shù)，旨在提升沉積體強塑性，隨后總結(jié)了沉積體的應(yīng)用，最后對沉積體的結(jié)合機制完善、強塑性的提升、在增材制造和修復(fù)再制造領(lǐng)域的應(yīng)用等提出了展望。綜述全文2萬5千余字，分為7個大章節(jié)，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(xiàn)，內(nèi)容涵蓋了冷噴涂發(fā)現(xiàn)至今30多年來幾乎所有關(guān)于冷噴涂鈦及鈦合金的研究成果。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 冷噴涂原理示意圖

圖2 典型冷噴涂Ti及Ti6Al4V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3 Ti粒子撞擊速度、沉積體孔隙率和顯微硬度的關(guān)系

(a)為Ti粒子撞擊速度和沉積體孔隙率的關(guān)系，(b)為Ti粒子撞擊速度和沉積體顯微硬度的關(guān)系，(c)為Ti沉積體孔隙率和顯微硬度的關(guān)系

圖4 冷噴涂Ti及Ti6Al4V增材制造的主要工藝參數(shù)

圖5 Ti粒子撞擊速度與沉積效率的關(guān)系

圖6 Ti6Al4V粒子撞擊到Ti基板上剝離后的微觀形貌

圖7 Ti及Ti6Al4V沉積體與基板的結(jié)合強度和孔隙率

圖8 Ti及Ti6Al4V沉積體內(nèi)聚強度（自身強度）和孔隙率

圖9 后熱處理改善冷噴涂Ti6Al4V沉積體內(nèi)聚強度

圖10 原位噴丸輔助冷噴涂致密化涂層原理示意圖

圖11 激光輔助冷噴涂熱過程示意圖

圖12 冷噴涂Ti沉積體經(jīng)過熱軋?zhí)幚砗驩M微觀組織

圖13 冷噴涂Ti6Al4V沉積體經(jīng)過熱等靜壓處理后工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖14 冷噴涂Ti6Al4V沉積體經(jīng)過攪拌摩擦加工處理后的微觀組織