西安交大：一種原位微鍛造 冷噴塗工藝，製備高性能鋁合金！

2020-10-18 材料科學與工程

雷射增材製造工藝不能有效地生產由高反射率材料製造的零件。冷噴塗則特別適用於增材製造高反射率的金屬（例如銅和鋁）。西安交通大學雒曉濤等人開發了一種原位微鍛造輔助冷噴塗工藝，製備了高性能鋁合金AA6061，通過T6熱處理可保證AA6061最佳的整體機械性能，但延展性仍有待進一步提高。

目前為止，已經開發了許多基於融合的金屬基增材製造（AM）方法，例如選擇性雷射熔化（SLM），雷射工程網成形（LENS），雷射金屬沉積（LMD）和電子束熔化（EBM）。然而，基於雷射增材製造工藝不能有效地生產由高反射率材料製造的零件。電子束熔化金屬基增材製造通常可以生產高質量的零件，但是由於高真空要求和相對較低的效率而在商業市場上不太常見。冷噴塗則特別適用於增材製造高反射率的金屬（例如銅和鋁）。此外，冷噴塗還具有許多獨特的優勢，例如部件尺寸不受限制，不需要保護性氣體氣氛，氧化程度最小，沒有殘餘應力引起的開裂以及易於生產複合材料。

日前，西安交通大學雒曉濤等人開發了一種原位微鍛造輔助冷噴塗工藝（MF-CS）。與傳統的冷噴塗方法相比，原位MF-CS工藝可以噴塗由目標粉末和大型（150-300μm）微鍛造顆粒組成的混合物。相關論文以題為「Solid-stateadditive manufacturing high performance aluminum alloy 6061 enabled by an in-situ micro-forging assisted cold spray 」於3月3日發表在Materials Science and Engineering: A。

論文連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509320301131

在沉積過程中，具有高衝擊能的大MF顆粒就地鍛造並進一步壓實了暴露的多孔層（就地MF效應）。隨後，由於相對較低的衝擊速度，大尺寸的MF顆粒被反彈，並且不會汙染目標材料。研究表明：冷噴塗沉積物是通過以下方式建立的：在高速衝擊下，通過嚴重的顆粒塑性變形，固體顆粒會在固態中聚集。

圖1（a）原料製備，（b）MF-CS工藝和去除基板前後AA6061沉積物的圖像，（c）噴塗後熱處理條件和（d）拉伸試驗尺寸的示意圖

結果表明，原位微鍛造輔助冷噴塗工藝製造的 AA6061孔隙率非常低，抗拉強度（UTS）和彈性模量（E）也很高。此外，該技術製造的 AA6061由具有各向同性等軸亞微米級細Al晶粒組成。但是，在沉積過程中由於強烈的顆粒塑性變形，導致嚴重加工硬化，因此延展性非常低。為了消除此限制，對原位微鍛造輔助冷噴塗工藝製造的 AA6061進行三種熱處理策略（消除應力，重結晶退火和T6）。發現熱處理對顆粒間鍵合和內部顆粒的微觀結構（晶粒尺寸，位錯密度和沉澱）均產生複雜的影響，並且不同的策略導致AA6061的機械性能不同。其中，經T6熱處理的A6061沉積物具有最佳的總體機械性能，具有較好的UTS和E，且延展性僅次於相應的T6塊體。

圖2（a）MF-CS AA6061沉積物的橫截面顯微組織；（b）MF-CS AA6061沉積物，LAM製造的AA6061和鍛造的AA6061-O機械性能比較

圖3  AA6061沉積物的略微蝕刻的橫截面（a）沉積的；（b）SR；（c）RA；（d）T6

圖4 （a）熱處理過的AA6061鍍層的特徵工程應力-應變曲線和彈性模量；（b）沉積樣品、不同熱處理樣品以及經過T6熱處理的LAM製成的AA6061和塊狀體AA6061的YS，UTS和伸長率的比較

綜上所述，該研究採用低成本氮氣代替高成本氦氣的冷噴塗法，製備了高性能鋁合金AA6061。在所有三種熱處理條件中，T6熱處理可保證AA6061最佳的整體機械性能。另外，雖然T6熱處理的AA6061延展性較塊狀的延展性差，但本文的結果仍可指導進一步研究通過使用低氧含量的粉末來改善延展性。（文：33）

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