增材制造頂刊《AM》：冷噴涂沉積梯度Al-SiC復合材料！

來源：材料學網

導讀：本研究采用兩條送粉線，在冷噴涂過程中采用恒定的Al粉進給速度和逐漸增加的SiC粉進給速度來探索梯度復合材料的制造。通過對兩種SiC粉末尺寸的系統(tǒng)比較，可以識別復合材料形成的共同特征，并推導出獲得均勻、分級復合材料的技術前提。在此基礎上，闡明了在冷噴沉積中實現(xiàn)更大范圍硬相含量的要求，特別是對原料粉末和粉末給料器的要求。同時，所獲得的認識也適用于其他梯度材料組合的冷噴涂。

硅基陶瓷材料如SiC在高溫下可提供低熱膨脹、高耐磨性和高強度，而鋁合金具有低密度、高導熱性和高韌性。因此，用 SiC 顆粒 (SiCP)增強的鋁基復合材料 (AMCs)被認為是很有前途的功能應用材料，如果可以相應地調整金屬鋁合金基體中的陶瓷相含量，它可以滿足機械和熱物理性能的良好組合。然而，到目前為止，應用的主要是具有宏觀均勻相分布的整體復合材料，這往往不能滿足具有挑戰(zhàn)性的情況，這需要不同性能的組合在一個部分。通過SiCP體積分數(shù)的系統(tǒng)和可控的變化，可以構思出具有調諧性能的梯度復合材料，用于各種潛在的應用，包括結構和電子元件。

為了制造這種梯度微結構，研究人員采用了各種方法，或遵循液態(tài)路線，如離心鑄造，擠壓浸滲，或粉末冶金燒結工藝和可能的熱壓燒結。此外，采用了熱噴涂、漿料分解沉積、激光熔注等沉積技術。這些工藝的一個共同特點是Al和SiC預混粉末的熱加工。這些步驟涉及鋁基體的熔化或在接近熔化溫度的溫度下燒結。雖然SiCP的梯度分布成功實現(xiàn)，但最先進的高溫工藝與缺陷的發(fā)生有關，如氣孔、氧化物夾雜、局部相變、Al基體和增強體之間可能的復雜化學反應，以及增強體顆粒的聚集和降解，這些都將嚴重影響材料的性能，限制其在應用中的靈活性。

通過對AMC材料進行固態(tài)冷噴涂，將熱對噴涂材料和堆積物的影響降到最低，可以避免高溫處理造成的缺陷，從而形成固體結合界面。已經進行了許多開創(chuàng)性的嘗試來使用預混合金屬/陶瓷粉末來生產 AMCs，例如Al-SiCP 、Al-Al2O3和Al-TiNP。基于文獻綜述，冷噴涂復合材料在增強材料分類方面的主要特征及其對冷噴涂鋁基復合材料的影響可總結如下：沉積材料的力學性能、摩擦磨損性能和熱性能與其顯微組織和增強顆粒含量有很大的關系。例如，Sansoucy等人報道稱，在與Al12Si合金粉末的初始共混物中，SiC體積分數(shù)的范圍從20 ~ 60 vol%，導致沉積物中SiC體積分數(shù)的范圍較小，僅為10 ~ 20 vol%。相比純Al12Si，冷噴涂鍍層的顯微硬度由145 HV0.3提高到205 HV0.3。通過使用類似的混合原料粉末，Yandouzi等人證明，使用脈沖氣動力噴涂工藝可以提高Al12Si-SiC復合材料的SiCP分數(shù)，高達14-41 vol%。同樣，Yu等人采用15-60 vol%的預混合粉末，在冷噴涂Al5056-SiCP沉積中，SiCP含量在21.2 - 41.4 vol%之間。與純金屬沉積相比，這將磨損率降低了5倍以上。結合強度分別為107、147和113 MPa, SiCP含量分別為0、26.4和41.4 vol%。Eesley等發(fā)現(xiàn)純Al基體中SiCP含量在30-40 vol%范圍內可以顯著降低鍍層的熱膨脹。根據(jù)上述實例，復合材料的力學性能、摩擦學性能和熱性能與復合材料沉積中增強顆粒的含量有關。研究還表明，SiCP增強體的沉積效率(DEs)與工藝參數(shù)、Al基體類型以及陶瓷顆粒在初始混合物中的比例有關。

在上述情況下，單片 AMCs 的 CS 通常需要在噴涂前對粉末進行均勻的預混合。在冷噴涂期間使用兩個獨立的送粉器有兩個優(yōu)點。一方面，可以避免粉末預混作為額外的工藝步驟。另一方面，可以通過不同沉積層的進給速度來改變其組成，以獲得分級的微觀組織和性能。本研究采用了兩種不同粒度分布的SiC粉體。為了在鋁合金基體中獲得不同數(shù)量的SiCP組分，可以改變SiCP的進給速率。赫爾穆特-施密特大學/漢堡聯(lián)邦國防軍大學的Chunjie Huang研究團隊通過微觀結構研究確定了SiCP在均勻和梯度復合材料中的含量和分布，并與粉末尺寸和單次進料速度測量的力學性能相關聯(lián)。這為冷噴涂制備梯度Al-SiCP復合材料提供了有效的指導。相關研究成果以題為“Cold spray deposition of graded Al-SiC composites”發(fā)表在《Additive Manufacturing》上。

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圖1所示為用激光衍射法測量了SiCP和Al粉末的尺寸分布(插入圖像顯示了粉末的宏觀形貌，SiC和Al粉末分別為黑色和白色)。插入的表中給出了尺寸分布的關鍵數(shù)據(jù)(D10, D50和D90)，參考的是整個尺寸分布中體積含量為10%，50%或90%的尺寸

圖2所示為兩種粉末進給線CS沉積復合材料原理圖:(a)配備兩種粉末進給器的噴涂系統(tǒng)主要部件(實際粉末進給器技術細節(jié)見附圖S2a);  (b)b0 中的純鋁，b1、b2 和 b3 中的均質復合材料 (Al-SiCP) 以及 b0-3 中的分級復合材料 (GMS/Al-SiCP)三種沉積類型的原理圖。(b)中的下標字符表示SiCP給粉機對應的送粉率。

圖3所示為冷噴涂實驗中使用的粗 SiC-F220（a 和 b）、細 SiC-F280（c 和 d）和 Al（e 和 f）原料粉末的形貌的 SEM 顯微照片（up ×500）和細節(jié)（down×5000）。

圖4所示為以5rpm的恒定速度沉積的純鋁樣品的參考顯微圖。(a)整個四層沉積OM的微觀結構概覽，(a)中的插入物對應于Al沉積表面的照片圖像。(b和c)基底和沉積表面界面OM顯微結構細節(jié)，(d)沉積內部SEM顯微結構細節(jié)高倍放大圖。紅色和黃色箭頭分別表示高度變形和較少變形的區(qū)域。

圖5所示為SEM和EDS測圖顯示了Al-SiCFP復合材料的表面形貌(a-d) 1rpm和(e-f) 3rpm。(a-b)和(c-d)分別對應圖5d中的表面區(qū)域Slow和表面區(qū)域Shigh。(a和c)中的插圖顯示了更高放大倍率下SiCP的影響(對應于藍色矩形)。(e、f)分別對應圖5f中的表面區(qū)域Slow和表面區(qū)域Shigh。EDS測繪使用Si (kα)輻射進行，局部高SiC含量在這里顯示為藍色(對于圖中顏色參考的解釋，讀者可以參考本文的Web版本)

圖6所示為均勻處理的Al-SiCFP樣品的微觀結構概況和細節(jié)(OM顯微圖的截面)共沉積的固定SiCFP粉末投遞率(a-b): 4.6 g/min (1 rpm)， (c-d): 9.2 g/min (2 rpm)和(e-f): 13.8 g/min (3 rpm)表面區(qū)域Slow (左) 和Shigh (右).。圖中的藍色矩形。A-f表示以更高倍率顯示的區(qū)域，以顯示細節(jié)。

圖7所示為(a) 噴涂鋁、(b) Al-SiCCP3 和 (c) Al-SiCFP3 沉積物在拉伸試驗后的斷裂表面。

圖8所示為梯度Al-SiCFP沉積中各層厚度(左縱坐標)和SiCFP組分(右縱坐標)與對應層的相關性。

圖9所示為不同冷噴涂 AMCS沉積物中獲得的 SiCP體積分數(shù)與原料粉末中陶瓷含量的比較。

本研究表明，在冷噴涂中使用兩條粉末進料線可用作沉積Al-SiCP 復合材料的適當增材制造工具。不同硬質相含量的單個沉積特征與使用預混合粉末混合物獲得的特征相似。然而，與使用粉末混合物相比，調整單個進料速率的給定靈活性允許更好地微調硬相含量并易于構建多層分級復合材料。

復合材料形成均勻的理想前提是Al和硬相粉末的尺寸相近，以及適當?shù)膰娡繀��?shù)設置。原則上，使用較粗的粉末作為鋁基復合材料的增強體是可能的，但會導致沉積不均勻性和內部缺陷。尺寸相近的Al和SiC粉末在沉積物中形成較為均勻的硬相，且硬相分布較為明確，從而產生了明確的功能特性，例如導電性或硬度。單個沉積效率，以及它們隨著硬相含量的增加而降低的差異，可以通過各自的顆粒表面相互作用和絕熱剪切失穩(wěn)達到鍵合所需的條件來解釋。

將產生均勻沉積的條件轉移到在整個成分范圍內沉積具有致密和無孔微觀結構的四層分級Al-SiCP 復合材料。因此，使用單獨調整的粉末進料線的冷噴涂共沉積是實現(xiàn)良好分級復合材料增材制造的重要一步。單獨成分和更細的梯度可以通過粉末進料速率和機器人運動學進行調整。通過調整好參數(shù)集，基本原理也可以轉移到其他材料組合，如金屬-金屬(Cu-W, Cu-Mo, Ti6Al4V-Steel等)或金屬-陶瓷(Ni-Al2O3, Ti-TiC等)。然而，這種分級復合材料的個別性能還需要進一步評估，如果需要，可以通過后期處理進行調整。