冷噴涂作為一種高性能的固態涂層制備技術，通過微米級金屬粉末顆高速撞擊和強烈塑性變形，使粒子與基體在不發生熔化的條件下形成有效結合。冷噴涂技術不僅可以應用于制備高質量金屬涂層，還可用于增材制造和零件修復，在重要工業和國防領域廣受青睞。雖然冷噴涂基礎研究已有二十多年，在制備先進金屬/復合涂層、增材制造和修復方面顯示出巨大潛力和應用前景，但研究表明，盡管優化冷噴涂工藝參數能使涂層達到較高的強度，但其幾乎無塑性，這種“高強度、無塑性”特點嚴重阻礙了冷噴涂沉積體作為結構材料的應用。因此，絕大多數研究嘗試通過噴涂后處理改善涂層的強度和塑性。近年來，李文亞教授團隊及其合作團隊，通過解析冷噴涂工藝的“關鍵因子”，成功制備出具有高塑性的銅和鋅沉積體，并解釋了其產生塑性的來源與機制，為冷噴涂固態增材制造技術發展提供了重要的理論基礎與創新研究方向。
原位拉伸及組織結構-性能關聯性結果
合作研究團隊創新性地利用原位EBSD拉伸實驗手段，觀察到冷噴涂銅在拉伸過程中發生晶粒旋轉合并，同時孿晶輔助銅沉積體塑性變形的實驗現象。該工作將銅沉積體工藝參數與材料微觀組織結構做關聯，發現銅沉積體的再結晶程度與孿晶含量足夠高是其獲得塑性的必要條件，找到了冷噴涂銅工藝與材料組織結構的“塑性區”，利用成本更低的氮氣作為加速氣體制備銅沉積體，使其極限抗拉強度達到270MPa，塑性近30%，攻克了冷噴涂層長期以來“無塑性”的缺點，為冷噴涂金屬材料增材制造強韌化提供新思路。相關成果以“High ductility induced by twin-assisted grain rotation and merging in solid-state cold spray additive manufactured Cu”為題，發表在金屬材料頂刊《Journal of Materials Science & Technology》。
全文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.06.032
此外，合作研究團隊還以金屬鋅為對象，研究冷噴涂制備金屬沉積體的力學性能與拉伸斷裂行為。金屬鋅具有較低熔點，是研究高應變速率變形和局部溫升效應現象的理想模型，研究發現在較低的噴涂氣體溫度下制備的鋅沉積體發生明顯的動態再結晶行為，在更高的噴涂氣體溫度下制備的鋅沉積體再結晶程度也隨之增加。
粉末-涂層組織-性能一體化研究思路
研究團隊通過調整工藝參數及涂層關鍵質量因子，獲得極限抗拉強度135MPa，延伸率18.4%的鋅沉積體，性能與激光增材制造鋅相當。研究發現鋅沉積體的力學性能與缺陷尺寸及密度高度相關。鋅沉積體的缺陷密度越高，特別是非結合區域，會直接降低沉積體的塑性，同時利于裂紋形核及擴展。鋅沉積體的大角度晶界的含量高達91.2%，有助于應變硬化，從而提高材料強度，同時這也為裂紋形成提供了更多的形核點。該工作相關成果以“Ductility and fracture behavior of cold spray additive manufactured zinc”為題，發表在增材制造領域頂刊《Additive Manufacturing》。
全文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104310
通訊作者簡介：李文亞
西北工業大學材料學院教授，博士生導師，國家級領軍人才，陜西省摩擦焊接工程技術重點實驗室主任。主要從事先進固相連接技術研究。榮獲國家自然科學二等獎、陜西省科學技術一等獎、二等獎等學術獎勵。在國內外知名期刊物發表第一或通訊作者SCI論文240余篇，WOS他引10000余次；授權發明專利39件。擔任國際期刊Welding in the World、Welding International副主編，International Journal of Minerals Metallurgy and Materials學科編輯，Additive Manufacturing、Journal of Materials Science & Technology、Science and Technology of Welding and Joining、焊接學報、中國表面工程、表面技術等期刊編委。
（文案：李文亞；審核：禹亮）
