马广璐
, 沈艳芳
MA Guanglu, SHEN Yanfang
通讯作者:
收稿日期: 2016-04-21
网络出版日期: 2016-01-11
版权声明: 2017 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部
作者简介:
作者简介:马广璐, 女, 1986 年生, 博士生
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摘要
研究了基体材料的力学性能对冷喷涂316L不锈钢单颗粒沉积行为的影响. 结果表明, 除硬度之外, 弹性模量和Poisson比也会影响颗粒的沉积行为. 这是由于基体性质对颗粒/基体的能量分配和结合机制造成了影响. 其中, 沉积颗粒的变形行为与颗粒吸收的能量有关, 而沉积效率与基体吸收的能量及结合机制有关. 根据沉积颗粒的变形行为, 将基体分为2类: 颗粒几乎不变形, 此时基体的硬度和弹性模量皆低于颗粒材料, 颗粒与基体的结合主要是机械咬合, 推导出可用于推断相同颗粒在基体上沉积趋势的参数Epara, 并以AZ91镁合金为基体进行验证; 颗粒发生强烈变形, 此时基体的硬度或弹性模量高于颗粒材料, 结合机制更为复杂, 此时增加颗粒/基体新鲜表面接触面积有利于提高沉积效率.
关键词：
Abstract
Nowadays the theory of critical velocity of particles in cold spray has been already accepted generally. In the familiar semi-empirical formulas of the theory, only the properties and conditions of particles have been considered but there is no consideration of substrate. Yet most researches for effect of substrates' properties implied hardness of substrate was the most essential. However, little attention has been devoted to influence of other mechanical properties (e.g. Young's modulus and Poisson's ratio) and their cooperation on the deposition behavior. In order to study the effect systematically, 316L stainless steel particles were deposited by wipe test on six different substrates with a widely range of mechanical properties including Young's modulus, hardness and Poisson's ratio. They are pure Al, pure Cu, 7075T6 Al alloy, mild steel, Inconel625 and Ti6Al4V. The specimens have been investigated from morphology, cross-section and deposition efficiency. It is found that not only hardness but also Young's modulus and Poisson's ratio can affect deformation and deposition of bonded particles through playing a role in energy partition and bonding mechanism. In the case, the deformation of deposited particles is dependent on energy accepted by the particles, while the deposition efficiency is related to the bonding mechanism and energy accepted by substrate. According to the deformation level of the deposited particles, there are two kinds of substrate materials. On the one hand, bonding between particles with little deformation and their substrates is mainly dependent on mechanical interlock, in which both hardness and Young′s modulus of the substrates are lower than that of the particle. Then a parameter, Epara, has been calculated to predict the tendency of deposition efficiency for the situations. AZ91 alloy has been employed as substrate material in confirmatory experiment. Its result indicates that Epara is available for tendency prediction of the deposition efficiency of spherical-like deposited particle. On the other hand, the bonding mechanism of deposited particle with obviously flattening is more complex. In this situation, either hardness or Young′s modulus of the substrates is higher than that of the particle. The more area of fresh metal contacts on the interface, the higher deposition efficiency is.
Keywords：
冷气动力学喷涂, 简称冷喷涂, 是利用高速气体(氦气、氮气、压缩空气等)使固体粉末颗粒以高速撞击基体发生严重塑性变形沉积在基体材料上的一种材料制备技术[1]. 目前, 该技术已广泛应用于制备各类涂层以及喷涂成型和零件修复等[2].
20世纪80年代末至今, 人们对冷喷涂进行了大量研究[3]. 其中, 因金属单颗粒在基体上的沉积行为既影响涂层与基体的结合, 也影响涂层的制备效率, 一直受到人们的广泛关注. 2003年, Assadi等[4]提出了冷喷涂颗粒临界速度(vCr)的半经验公式:
为了系统研究基体材料硬度、弹性模量和Poisson比等力学性能对冷喷涂颗粒沉积行为的影响, 本工作选择316L不锈钢作为冷喷涂沉积材料, 纯Al, 纯Cu, 7075T6 铝合金, AISI1015低碳钢, Inconel625合金和Ti6Al4V合金作为基体材料,进行冷喷涂单颗粒沉积实验(即擦拭实验). 316L不锈钢的弹性模量、硬度和Poisson比介于6种基体材料之间, 且此沉积材料在多种金属基体上均能实现有效沉积. 通过分析316L不锈钢颗粒沉积在不同基体上的沉积形貌、变形行为和沉积效率, 本工作讨论了冷喷涂单颗粒的沉积行为随基体材料力学性能的变化规律及其原因, 并且以AZ91镁合金作为基体进行了验证. 本工作的研究结果对在新基体上制备冷喷涂涂层具有一定的指导价值.
冷喷涂材料采用市售球形316L不锈钢粉, 粒径范围10~50 μm, 颗粒形貌和粒径分布如图1所示. 基体分别采用市售工业纯Al (1XXX系), 纯Cu, 7075T6铝合金, AISI1015低碳钢, Inconel625合金和Ti6Al4V合金, 验证实验中的基体采用AZ91镁合金. 单颗粒沉积(即擦拭实验)样品由KINETICS® 4000冷喷涂系统制备. 喷涂参数中选择气体温度和压强作为2水平变量, 设计气体温度600和800 ℃, 气体压强3.5和4.0 MPa. 其它喷涂参数分别为: 工作气体N2, 喷涂距离40 mm, 喷枪移动速率1000 mm/s. 冷喷涂前先将基体材料切割成20 mm×50 mm×5 mm样品, 磨削、抛光至镜面效果. 截面样品镶样后经过磨削、6 μm和 1 μm金刚石抛光液抛光. 依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水(对AZ91镁合金, 用无水乙醇代替去离子水)分别对抛光后的样品进行超声波震荡清洗, 确保表面洁净.
利用Matsuzawa MTX-a型显微硬度计测试表面硬度, 实验压力0.98 N. 利用JSM-6301F扫描电子显微镜(SEM)观察喷涂态样品形貌及显微结构; 利用Oxford Link IsIs能谱仪(EDS)分析样品成分. 利用MEF4A型金相显微镜观察沉积颗粒及基体的截面形貌.
图1 冷喷涂316L不锈钢粉末的SEM像和粒度分布
Fig.1 SEM image (a) and particle size distribution (b) of 316L stainless steel feedstock powder
沉积效率用颗粒沉积率Rd表示:
式中, Nd为沉积颗粒数, Nc为冲击坑数.
然后, 利用Taguchi方法设计正交试验[13,14], 通过软件Statgraphic对气体温度、气体压强和颗粒沉积率进行分析.
利用Statgraphic软件, 得到气体温度和压强对316L不锈钢颗粒沉积在Al, Cu, AISI1015低碳钢, 7075T6铝合金, Inconel625合金和Ti6Al4V合金等基体材料上的影响及其交互影响. 6种基体材料的标准化主次排序和主要因素影响趋势类似, 为简单起见, 只给出了316L不锈钢颗粒在Inconel625合金上的沉积效率, 分别是: 气体温度600 ℃, 气体压强3.5 MPa时, Rd为(94.3±3)%; 800 ℃, 3.5 MPa时, Rd为(96.5±2)%; 600 ℃, 4.0 MPa时, Rd为(94.0±2)%; 800 ℃, 4.0 MPa时, Rd为(97.4±2)%. 其中, Rd随气体温度的升高而增加, 说明提高气体温度在不同基体的情况下都对沉积效率的提高起作用. Rd随气体温度提高的变化率用T表示, 代表气体温度的影响; Rd随气体压强提高的变化率用P表示, 代表气体压力的影响. 2者均大于零, 且前者明显大于后者(T>>P≈0), 说明气体温度对316L不锈钢颗粒沉积效率的影响力比气体压强大. 由于气体温度对颗粒沉积效率的影响明显而气体压强的影响微弱, 因此, 选择喷涂条件800 ℃和3.5 MPa得到的样品进行后续分析.
2.2.1 沉积形貌 在相同的喷涂条件下, 316L不锈钢颗粒沉积在不同基体上的形态不同. 下面以喷涂参数为气体温度800 ℃, 气体压强3.5 MPa的样品为例, 利用SEM观察不同基体上的颗粒形貌, 如图2所示. 由图可见, 316L不锈钢颗粒撞击后, 纯Al基体上留下了几乎垂直的井壁(图2a), 井深超过10 μm; 井口处的基体材料变形程度较小且呈射流状; 同时, 颗粒表面没有明显变化. 这说明在冷喷涂过程中Al基体发生了强烈的塑性变形. 图2a与King等[15]报道的Cu颗粒沉积在Al基体上的形貌相似: 颗粒整体变形较小, 纯Al基体变形明显, 这是由于喷涂颗粒的弹性模量、硬度和密度都高于Al基体. 316L不锈钢颗粒撞击Cu基体和7075T6铝合金基体后(图2b和d), 在基体上留下了几乎垂直的井壁, 井深明显小于其留在纯Al基体上的; 井口处的基体材料变形明显, 呈射流状且边沿出现明显开裂(图中箭头所示位置). 这说明在冷喷涂过程中Cu基体和7075T6铝合金基体都发生了塑性变形, 但变形程度小于受316L冲击的纯Al基体. 另外, 这2种基体上的316L不锈钢颗粒表面出现了较小的射流, 表明颗粒只是发生了不明显的塑性变形, 但其变形程度大于沉积在Al基体的颗粒.
图2 316L不锈钢颗粒沉积在不同基体上的SEM像(喷涂参数800 ℃, 3.5 MPa)
Fig.2 SEM images of as-sprayed single 316L particles on pure Al (a), pure Cu (b), AISI1015 mild steel (c), 7075T6 Al alloy (d), Inconel625 (e) and Ti6Al4V (f) (Spray condition: 800 ℃, 3.5 MPa)
316L不锈钢颗粒撞击低碳钢基体、Inconel625合金和Ti6Al4V合金时, 出现了与不锈钢颗粒撞击纯Al基体截然不同的形貌(图2c, e和f）: 基体基本不发生变形, 沉积的颗粒发生严重的变形, 出现明显扁平化现象(由球形变形为碟形)并出现明显射流且边缘出现卷边、开裂等现象(图中箭头所示位置). 3者对比结果表明, 在低碳钢基体上沉积的316L不锈钢颗粒尚保存有球体的部分形态, 而在Inconel625和Ti6Al4V基体上沉积的316L不锈钢颗粒扁平化现象非常明显, 说明在低碳钢基体上沉积的316L不锈钢颗粒变形程度小于在后2种材料基体上沉积的颗粒.
截面图更为直观地展示了沉积颗粒在不同基体上的变形程度(图3). 其中, 沉积在Al上的不锈钢颗粒保持了类似原始颗粒的球形形貌, 完全嵌入基体内部, 接触面光滑无空隙. 沉积在Cu上的颗粒呈椭球状, 同时基体出现了射流. 沉积在低碳钢上的不锈钢颗粒扁平化明显, 呈现碟状, 基体变形量小, 未见明显射流. 沉积在7075T6铝合金上的颗粒变形情况与Al和Cu相似, 变形不明显; 但是, 铝合金基体与沉积颗粒并未形成完全连续的结合, 而是在颗粒两侧形成紧密结合, 在颗粒底部与基体表面间存在空隙, 这说明颗粒在沉积过程后期发生回弹, 颗粒底部的回弹力超过结合力. Inconel625合金和Ti6Al4V上的不锈钢沉积颗粒形貌与低碳钢相似, 均变形为碟状, 而基体变形程度较小. 利用扁平度对沉积颗粒的变形程度进行量化分析, 扁平度用Rf表示:
式中, l为沉积颗粒的长轴径, μm, 如图3b所示; d0为颗粒的原始粒径, μm, 根据沉积颗粒截面面积计算得到. 基体材料的性能参数及沉积颗粒在不同基体上的Rf列于表1. 除了7075T6基体外, 沉积的316L不锈钢颗粒扁平度的变化趋势随硬度的提高而增加. 而7075T6的硬度(181 HV)高于低碳钢(150 HV), 扁平度却与Al相近, 这说明影响沉积颗粒形貌的主要原因包括基体硬度, 但其不是唯一的重要影响因素.
图3 316L不锈钢颗粒沉积在不同基体上的横截面SEM像 (喷涂参数800 ℃, 3.5 MPa)
Fig.3 Cross section SEM images of 316L particles deposited on pure Al (a), pure Cu (b), AISI1015 mild steel (c), 7075T6 Al alloy (d), Inconel625 (e) and Ti6Al4V (f) (l—long axis diameter of particle. Spray condition: 800 ℃, 3.5 MPa)
2.2.2 沉积效率 在本工作选用的4种喷涂条件下, 316L不锈钢在除7075T6铝合金外的5种基体材料上均表现良好的沉积性能, 沉积效率均超过65%. 为了使对比结果更加简洁明了, 本工作选择800 ℃和3.5 MPa条件下的实验结果为例(表1), 不同基体上的沉积效率为: 7075T6铝合金<低碳钢<Cu≤Ti6Al4V≤Al≤Inconel625. 对比316L不锈钢在6种不同材料基体上的单颗粒沉积效率与基体材料的力学性能后发现, 在相同喷涂条件下, 沉积效率不随基体硬度或弹性模量的增大而单调递增或递减. 这一现象与目前多数认为的沉积效率随着基板硬度的增大而单调变化[7,10~12]的规律不符.
表1 实验原材料的力学性能, 316L不锈钢颗粒在不同基体上的扁平度Rf和沉积效率Rd (800 ℃, 3.5 MPa )
Table 1 Mechanical properties of materials, flattening ratios (Rf) and deposition efficiencies (Rd) of 316L stainless steel particles on different substrates (800 ℃, 3.5 MPa )
| Material | Hardness | Young's | Poisson's ratio | Rf | Rd / % |
|---|---|---|---|---|---|
| HV | modulus / GPa | ||||
| 316L | 199 | 190 | 0.30 | ||
| Al | 27 | 69 | 0.33 | 1.10±0.10 | 96.2±2 |
| Cu | 98 | 120 | 0.34 | 1.38±0.20 | 95.5±2 |
| AISI1015 | 150 | 205 | 0.29 | 1.64±0.20 | 86.9±4 |
| 7075T6 | 181 | 71 | 0.33 | 1.25±0.05 | 20.9±6 |
| Inconel625 | 276 | 207 | 0.31 | 1.62±0.20 | 96.5±2 |
| Ti6Al4V | 352 | 114 | 0.34 | 1.88±0.20 | 95.9±3 |
| AZ91 | 72 | 45 | 0.35 | 55.0±6 |
实验结果表明, 虽然具体的影响系数不同, 但气体温度和压强的上升有利于提高冷喷涂沉积的316L不锈钢颗粒沉积效率, 且2者在不同基体上的影响力大小均为T>P. 这是由于冷喷涂是基于工作气体的拖拽使喷涂颗粒加速至超音速, 而冷喷涂的条件参数会直接影响颗粒速度, 从而影响颗粒沉积效果. 利用数学模型[16~19]和牛顿第二定律可以得到颗粒获得的速度[20~23]:
式中, mp为颗粒质量, kg; ρg为工作气体密度, kg/m3; ρp为颗粒材料密度, kg/m3; vg为气体速度, m/s; vp为颗粒速度, m/s; dp为颗粒直径, m; CD为拖拽系数; t为时间, s; s为距离, m. 随着气体压强升高, ρg增大, CD增大, 颗粒受到的拖拽力变大, 飞行速度提高, 颗粒沉积效率升高. Zhang等[24]的研究表明, 当气体压力过小时, 颗粒速度低于临界速度, 无法形成有效沉积; 当气体压力超过阀值时, 随着气体压力的增大, 颗粒沉积效率迅速提高.
而气体温度对颗粒沉积的影响分为2方面. 一方面, 气体压强相同的情况下, 气体温度升高, 气体体积膨胀, 使颗粒飞行速度提高. Schmidt等[25]利用激光技术测量飞行颗粒速度, 获得相似结果, 证明了该结论.另一方面, Assadi等[4]和李文亚等[26]模拟得到颗粒沉积的临界速率vCr半经验公式, 指出温度升高导致颗粒临界速率降低; Fukanuma等[27]以N2为工作气体喷涂不锈钢粒子, 发现当气体温度从200 ℃升至400 ℃, 临界速度由710 m/s降到680 m/s. 综合2方面原因, 提高气体温度能较大幅度提高颗粒沉积效率.
本工作中的喷涂材料固定为316L不锈钢, 具有相同的变形能力, 因此可以通过颗粒的变形程度Rf来表征沉积颗粒的塑性形变能, 得到颗粒获得的形变能依次为: Al<7075T6<Cu<Inconel625<低碳钢<Ti6Al4V. 巫湘坤等[28]通过模拟计算得到冷喷涂过程中颗粒与基体的能量分配系数K, K越大, 被颗粒吸收的初动能越高. 当颗粒材料相同、基体材料不同时, K大小依次是Al<Cu<Ni<钢<Ti[28]. 本工作的实验结果与该模拟结果类似, 但实验参数更复杂(本工作所选基体材料屈服强度的变化趋势与硬度的趋势一致), 不完全符合文献[28]中基体材料屈服强度对能量分配的影响规律. 另外, 316L不锈钢是常用的奥氏体不锈钢, 奥氏体的层错能较低(约40 mJ/m), 因此在冷喷涂过程中, 在高速应变的作用下, 颗粒内部晶粒界面交角处{111}面的堆垛次序发生错排, 即形成孪晶[29]. 这与冷喷涂Cu颗粒的沉积行为类似, 在颗粒相同、喷涂条件相同的前提下, 冷喷涂颗粒的整体形变和内部结构的不均匀形变主要受基体材料的力学性能影响[30].
除屈服强度外, 材料常用的力学性能包括硬度、弹性模量和Poisson比等. 其中, 弹性模量和Poisson比代表了材料抵抗弹性变形的能力, 硬度代表了材料抵抗塑性变形的能力. 基体的弹性模量越高, 喷涂过程中越难发生弹性变形, 相应的沉积颗粒越容易发生弹性变形; 这解释了7075T6铝合金硬度高于Cu和低碳钢, Rf却小于后二者的现象. 基体的硬度越高, 颗粒越难嵌入基体. 对于Al和7075T6铝合金而言, 相似的弹性模量、差异较大的硬度(但是二者的弹性模量和硬度均低于316L不锈钢的), 会使二者在弹性变形阶段产生类似的行为, 而在塑性变形阶段, 7075T6会释放出较多的弹性形变能, 提供了回弹力, 使颗粒发生回弹; 当回弹力大于结合强度时, 结合界面处出现空隙. Cu和Ti6Al4V的情况与2种铝材料的相似, 但钛合金硬度远高于颗粒材料, 因此推断二者在弹性变形初期阶段的行为相似, 而在颗粒冲击过程中, Ti6Al4V发生塑性变形的难度远高于Cu和316L不锈钢, 因此Ti6Al4V上的颗粒先于基体发生塑性变形, 发生颗粒扁平化. 316L不锈钢、低碳钢与Inconel625合金的弹性模量和Poisson比相似, 因此颗粒在这2种基体材料上的变形程度相近. 这说明, 沉积颗粒的变形行为受到材料弹性模量、Poisson比和硬度的共同影响,其中弹性模量为主要影响因素.
另外, 从实验结果来看, 316L不锈钢颗粒的沉积效率和基体的力学性能(硬度、弹性模量和Poisson比)之间并非简单的单调关系. 这是由于基体和颗粒相对力学性能发生变化后, 沉积机制发生了改变, 因此需要针对不同的沉积机制分别讨论基体性能对沉积效率的影响.
目前, 关于冷喷涂颗粒与基体的结合机制, 最为常见的有物理结合机制[31,32]、机械互锁机制[33,34]、冶金结合机制[35]和化学结合机制[36]等. 冷喷涂过程中, 颗粒和基体接触界面的氧化物由于塑性变形破裂后被挤出, 露出新鲜的金属表面在压应力下发生物理结合. Grujicic等[31]由模拟得到部分界面区域发生绝热剪切失稳, 导致高度变形的材料界面发生射流, 从而移除材料的表面氧化膜, 得到清洁的金属表面, 促进颗粒/基体形成物理结合. Grujicic等[33]发现冷喷涂Cu/Al体系中2种材料发生螺旋形涡流, 这种卷边和旋涡增大了界面处的结合面积, 导致在界面上发生2种材料间的机械互锁和混合, 使2者形成有效结合. 另外, 由于颗粒沉积过程极短(≤100 ns), 撞击产生的热量来不及扩散, 使界面温度迅速升高, 当达到材料熔点时, 可形成冶金结合. Li等[35]在低碳钢基体上分别沉积了2319铝合金, Al12Si合金, Ti, Ti6Al4V, Ni和NiCoCrAlTaY合金的颗粒; 除Ni之外, 其它颗粒/基体界面上均出现了金属熔化现象, 说明涂层与基体间存在局部冶金结合. 界面温度升高也可以促进颗粒/基体形成金属间化合物, 实现化学结合. Bolesta等[36]通过XRD分析发现, Al颗粒沉积在Ni基体上时在界面处可以检测到Ni3Al化合物层, 厚度为20~50 nm. 有时, 在同一喷涂过程中出现多种结合机制的证据, 但不同机制对冷喷涂颗粒沉积的影响程度不同.
本工作中, 颗粒沉积形貌可大致分为2类, 一类是316L不锈钢颗粒几乎不发生塑形变形(Rf≤1.5,如Al, Cu和7075T6合金基体),另一类是颗粒发生严重塑性变形(Rf≥1.5,如低碳钢、Inconel625和Ti6Al4V合金基体). 在颗粒不发生塑性变形的条件下, 基体变形过程和冲蚀过程有相似之处. 根据能量守恒定理和Johnson等[37]的报道, Levin等[38]提出一种固体颗粒冲蚀塑性合金的行为模型, 推演得到:
式中, Epd为基体塑性形变能, J; m为冲击颗粒质量, kg; Vi为颗粒初始速度, m/s; H为被冲击材料硬度, N/m2; μp为颗粒材料的Poisson比; μt为被冲击材料的Poisson比; Ep为颗粒材料的弹性模量, N/m2; Et为被冲击材料的弹性模量, N/m2. 该模型的前提条件是: (1) 冲击颗粒是球形的且不受冲击过程影响; (2) 在冲击过程中, 被冲击材料的温度升高不会对其本身的力学性能造成明显影响. 由于冷喷涂金属颗粒沉积过程时间极短(10-8~10-7 s), 目前得到较广泛认同的观点是颗粒与基体的结合过程是绝热过程, 即产生的热量只能影响极小范围内的材料, 从而使界面温度迅速提高, 但基本不影响基体材料力学性能[39]. 因此,冷喷涂满足该模型的第2个条件. 本实验采用球形316L不锈钢颗粒, 当颗粒塑性变形不明显时满足模型的第1个条件. 综上所述, 在Cu, Al和7075T6合金等基体上的沉积过程可以参考式(4), 发现沉积效率的规律. 由于本工作中采用不同基体、相同颗粒的沉积效率进行对比, 因此式(4)中的m, Vi, ρp, μp和Ep等均为固定值, 可推出:
式中, C代表颗粒材料、质量和初速度都为固定值时的常数. 分别以基体材料的硬度和弹性模量为变量, 作能量参数Epara随变量变化的趋势图(图4), 发现在Al,Cu和7075T6合金等基体上, Epara与沉积效率随硬度或弹性模量的趋势一致. 为了证实该能量参数与沉积效率的变化趋势一致, 以AZ91镁合金作为基体进行气体温度800 ℃, 气体压力3.5 MPa条件下冷喷涂316L不锈钢单颗粒的擦拭实验. 将其沉积效率与之前的3种基体材料对比(表1), 结果证明316L不锈钢颗粒在AZ91镁合金基体上的沉积效率与Epara的趋势基本吻合(图4). 由此可以认为, 当沉积在基体上的颗粒变形小、基体变形明显时, 相同的冷喷涂条件下, 相同颗粒在不同基体上的沉积效率可以参考Epara, 即颗粒沉积效率受到基体吸收能量的能力影响. 巫湘坤等[28]证实, 能量分配系数K越大, 被颗粒吸收的初动能越高, 即被基体吸收的颗粒初动能越低. 据此可以推断相同条件下, Al基体吸收的初动能大于Cu基体. 这与之前得到的Epara变化趋势相同.
图4 316L不锈钢颗粒在弱基体上的沉积效率(Rd)与能量参数(Epara)随基体硬度和弹性模量的变化
Fig.4 Graphic of comparison of Rd and Epara vs hardness (a) and Young's modulus (b) for 316L stainless steel particles on weak substrates
对比Al, Cu, 7075T6铝合金和AZ91镁合金这4种基体与316L不锈钢的力学性能, 可以发现能够形成基体明显变形且颗粒基本无变形的条件为: 基体的弹性模量和硬度都低于颗粒材料, 而且Poisson比均高于颗粒. 将这类材料定义为弱基体. 且在此前提下, 基体弹性模量和Poisson比升高对颗粒沉积有利, 硬度升高对颗粒沉积不利. AZ91镁合金的弹性模量低于Al, 硬度和Poisson比高于Al, 故316L不锈钢颗粒在镁合金上的沉积效率明显低于在Al基体上的; 7075T6铝合金基体的弹性模量与Poisson比都与纯Al近似, 硬度远高于纯Al, 冲击造成的基体弹性形变能更多作用于颗粒回弹, 而不是被基体吸收, 所以7075T6铝合金基体上的沉积效率远低于Al基体. 另外, Al及其合金表面覆盖有纳米级致密氧化膜, 颗粒碰撞导致的塑性变形使Al2O3破裂. Al基体的塑性变形量大, 露出的新鲜表面较多, 结合面积相对较大, 有利于提高沉积效率; 而7075T6铝合金的变形量小, 露出的新鲜表面较少, 结合面积相对较小, 不利于提高沉积效率. 此外, Cu的热导率为375~400 W/(Km) (0 ℃~熔点), 远高于其它基体材料, 因此10-7 s以内热量在Cu基体内的影响范围大于其它基体, 出现热软化影响[10], 此时基体的硬度随温度的升高而迅速下降, 基体的变形能力提高, 相应的Epara升高, 这是颗粒在Cu基体上沉积效率提高的原因之一. 不锈钢表面会形成一层极薄且稳定的富Cr氧化膜, 在基体的力学性能比316L不锈钢弱时, 316L不锈钢颗粒表面的氧化膜基本不发生破裂, 故在弱基体上沉积的316L不锈钢颗粒主要是基于机械咬合的结合, 基体吸收的能量越多, 沉积效率越高. 因此, 颗粒几乎不变形时沉积效率符合Epara的变化趋势.
另一方面, 沉积在低碳钢、Inconel625和Ti6Al4V等基体上的316L不锈钢颗粒变形程度大, 基体变形程度小, 说明颗粒的初始动能大部分转化为颗粒的变形能, 基体吸收能量较小, 式(4)和能量参数不适用于此类情况. 将这类材料(弹性模量或硬度高于316L不锈钢的金属材料)定义为强基体. 316L不锈钢颗粒在这3种基体上的沉积效率都高于85%, 其中在Inconel625上的沉积效率最高, Ti6Al4V略低于Inconel625, 低碳钢最低. 对比这3种基体材料与316L不锈钢的力学性能(表1), 可以看出, 316L不锈钢颗粒在弹性模量、Poisson比略高于颗粒, 但硬度大于颗粒的基体(Inconel625)上颗粒沉积效率最高; 在弹性模量低于颗粒材料、Poisson比高于颗粒材料、硬度远高于颗粒材料的基体(Ti6Al4V)上沉积效率略低; 在弹性模量略高、Poisson比略低、硬度低的基体(低碳钢)上颗粒沉积效率最低.
该现象也可以从颗粒与基体的结合机理来解释. 当基体的力学性能高于316L不锈钢颗粒时, 颗粒表面的氧化膜会发生破裂, 露出新鲜的金属表面; 根据Rahmati等[39]的报道, 颗粒-基体界面处极小范围内温度会升至颗粒材料熔点温度, 故在强基体(弹性模量或硬度高于316L不锈钢的金属材料)上沉积的316L不锈钢颗粒在机械结合的基础上增加了冶金结合或物理结合. 在本工作中, 低碳钢的弹性模量略高于316L不锈钢, 硬度明显低于沉积材料, 基体撞击面有明显冲蚀坑, 说明低碳钢的力学性能不足以使颗粒表面氧化膜完全破裂; Inconel625的弹性模量与低碳钢相近, 但硬度高于颗粒材料, 有利于打破颗粒表面氧化膜, 达到高的沉积效率; Ti6Al4V弹性模量低于316L不锈钢, 但硬度远高于颗粒材料, 能够打破颗粒表面氧化膜, 达到较高的沉积效率. 由此推测, 当颗粒发生明显变形而基体不发生明显变形时, 沉积效率总体趋势随弹性模量的上升而增加; 弹性模量相近的材料硬度越高, 沉积效率越大; 但当2种基体硬度相差非常大时, 高弹性模量对沉积效率的贡献降低, 如低碳钢和Ti6Al4V. 同理可以推断, 因为Cu的力学性能和7075T6铝合金的硬度明显高于Al基体和AZ91镁合金, 所以沉积在前2种基体上的颗粒发生变形, 颗粒表面氧化膜部分破碎, 沉积效率提高. 因此, Cu基体和7075T6铝合金上的沉积效率总体符合根据Epara预测得到的相应趋势, 同时略高于根据Epara预测得到的相应具体位置. 目前并没有合适的理论模型来描述这种情况下力学性能和沉积效率的定量关系, 还需进一步的理论和实验研究.
(1) 对冷喷涂基体材料来说, 硬度并非是影响316L不锈钢颗粒沉积效率的唯一因素, 其硬度、弹性模量和Poisson比等力学性能对316L不锈钢颗粒沉积行为具有共同影响.
(2) 通过对基体材料性能和沉积效率的比较发现, 基体材料性能对沉积行为的影响可分为2种. 当基体材料相对颗粒为弱基体时, 沉积颗粒不发生明显塑性变形, 基体发生剧烈变形, 此时结合机制主要是机械互锁机制, 颗粒沉积效率变化符合推导得到的能量参数Epara的变化规律, 因此利用相应的Epara能够预测颗粒在基体的沉积效率; 当基体材料相对颗粒为强基体时, 沉积颗粒发生明显塑性变形, 基体几乎不变形, 颗粒/基体的结合由机械互锁向物理结合或冶金结合转变, 越有利于破坏颗粒表面氧化膜的基体表现出越高的沉积效率.
The authors have declared that no competing interests exist.
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