解决奇特美丽的涡旋状结构令人费解的现象的方法可能会提高冷喷涂效率

上部显示了冷喷涂铜涂层，底部有一个非常明显的漩涡状结构围绕着铝基板旋转（EBSD图像）。

一个国际研究人员团队解决了一个令人费解的现象，即在沉积在多种环境中使用的工程部件上的材料之间出现了异常美丽的漩涡状结构，这些部件从航天飞机到家用物品和日常运输工具都可以使用。

这一发现可能最终提高了形成这些结构的“冷喷”（CS）沉积工艺的效率–从财务角度或功能角度考虑，考虑到CS产生的某些材料都是被推到了外太空的极限。

该发现刊登在国际期刊《材料与设计》的封面上。

冷喷涂（CS）和沉积效率（DE）

CS使得能够在基底材料上形成通常是金属的涂层。该技术非常有用，因为它不需要工程师达到材料的熔化温度即可结合涂层和基材。

具有典型直径约人发大小的½颗粒（或金属粉末）通过加速气体以超音速推进到基材表面。

在此过程中，塑性变形是关键。每个微小的颗粒在撞击时都会变形，并触发复杂的粘合过程，从而导致形成第一沉积层后导致基材粘附和颗粒与颗粒之间的粘附。

但是，并非所有颗粒都粘附。沉积效率（DE）衡量沉积与回弹的比率。例如，DE为50％意味着仅50％的进入焊剂的颗粒已粘附到涂层区域。

由于流程效率低下，因为它是一项昂贵的技术，因此是一个主要障碍，因此提高效率（并降低成本）是研究的重点。

漩涡状结构

一段时间以来，工程师一直在涂层和基材之间的界面位置观察到奇怪的，漩涡状的结构。它们比粒子小得多，这带来了一个难题：它们是什么以及它们如何形成？

而且，这些结构并不总是会出现，当它们出现时，它们会以相当随机的方式出现。

都柏林工程学院三一学院的助理教授Rocco Lupoi是工作负责人，他与中国，美国，捷克共和国的资深同事和专家以及Trinity的高级显微镜实验室（AML）合作解决了这一难题。

他说：

“我们发现界面涡流仅在CS工艺无法很好运行时形成，因此具有较低的DE值。在低沉积效率下，大多数喷涂粒子在撞击后会反弹。通过使第一层涂层和基材发生严重的塑性变形，这会导致“锤击效应”，从而导致形成涡旋。

“这种形成还取决于涂层-基底材料的组合，其中涂层材料必须具有足够高的密度以产生足够的能量，以使第一层涂层和基底产生较大的塑性变形。另外，基底材料不能太硬，以至于可以在其上引起塑性变形。

“潜在地，我们的发现可能有助于改善冷喷涂涂层与基材之间的附着力。为了从中受益，在保持合理的工艺经济性的同时，人们可以首先通过低DE沉积来创建混合界面，然后使用优化的工艺参数来生产涂层。”

三一工程学院助理教授Shuo Yin是该论文的第一作者，也是这项工作的首席科学家，他补充道：

“这是一项伟大的跨学科工作，为一种使社区困惑了一段时间的现象提供了一些启示。CS工艺不能通过原料材料的熔化而起作用，这是有利的，因为这意味着要限制在无热影响的区域，微观结构的变化或最终产品上需要担心的变形。

“尽管取得了进展，但CS仍在开发中，因此我们的工作重点是提高沉积性能，涂层质量和基材与涂层的粘合强度。我们希望这一发现为这方面的进一步改进打开了大门。”

参考：材料与设计：“朔阴，扬·齐泽克，扬·库佩拉，莫斯塔法·哈萨尼，罗小涛，理查德·詹金斯，谢迎春，李文亚和罗科·卢佩瓦在“冷喷涂中涡状混合界面的形成条件”，材料与设计，2020年12月30日。
10.1016 / j.matdes.2020.109444