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既強又韌綜合性能優(yōu)異的金屬材料，是結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域貫穿始終的研究目標(biāo)。但材料強塑性的同步提升，是極具挑戰(zhàn)性的課題。近日，中外科研團隊通過聯(lián)合攻關(guān)，利用先進冷噴涂技術(shù)，在金屬結(jié)構(gòu)材料增材制造方面取得了突破性成果，可在原位固態(tài)增材制造過程中，實現(xiàn)傳統(tǒng)純銅材料的強塑性協(xié)同提升。相關(guān)研究發(fā)表于Journal of Materials Science & Technology。

據(jù)了解，廣東省科學(xué)院新材料研究所教授級高級工程師劉敏團隊聯(lián)合上海大學(xué)教授任忠鳴團隊、愛爾蘭都柏林圣三一大學(xué)教授殷碩團隊、西安交通大學(xué)教授李文亞等團隊，通過冷噴涂固態(tài)增材制造技術(shù)，在材料內(nèi)部實現(xiàn)了完整的異質(zhì)微納梯度結(jié)構(gòu)，獲得了具有雙峰晶粒特征的純Cu塊材，獲得了優(yōu)異的強度和延展性（抗拉強度271 MPa，斷裂伸長率43.5%，均勻伸長率30%），同時解決了傳統(tǒng)冷噴涂脆性的局限問題，進一步提升了純銅這一傳統(tǒng)材料的強韌性。

研究結(jié)果表明，冷噴涂固態(tài)增材制造純Cu塊體具有獨特的異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，具有微米級和納米級晶粒雙峰分布的梯度晶粒結(jié)構(gòu)?；趩闻鲎差w粒的變形觀察，整個銅粒子在高速碰撞沉積后形成梯度微納晶粒結(jié)構(gòu)。梯度晶粒結(jié)構(gòu)的單個變形粒子作為一個微單元在冷噴涂的連續(xù)沉積過程中構(gòu)建了具有雙峰晶粒分布的異質(zhì)微結(jié)構(gòu)，可以通過控制晶粒細(xì)化和位錯密度來實現(xiàn)協(xié)同強化和韌化。這項工作為冷噴涂固態(tài)增材制造技術(shù)在制備具有高強度和良好延展性、而無需額外后處理的各種金屬部件提供了可能。

盡管冷噴涂增材制造的機械結(jié)合機制可以提供足夠高的極限抗拉強度，然而顆粒間不充分的冶金結(jié)合使其往往表現(xiàn)出顯著的脆性力學(xué)行為。冷噴涂增材制造顆粒在塑性變形過程中形成的高加工硬化效應(yīng)不能產(chǎn)生高塑性變形。延展性差通常在斷裂伸長率低的情況下發(fā)現(xiàn)，而類似解理的破壞通常以出現(xiàn)在顆粒間邊界處的斷裂表面為特征，表明脆性特征。雖然冷噴涂增材制造的脆性可以通過后熱處理得到改善，仍然無法避免抗拉強度的犧牲。

同時，值得注意的是，該工作中冷噴涂增材制造純Cu塊體的高強度和延展性可與表面塑性變形工藝（SMAT）、劇烈塑性變形（ECAP）和納米晶粒電鍍等工藝相媲美。然而，上述材料加工技術(shù)的復(fù)雜性是無法避免的。同時，通過高能束增材制造純銅一直是需要克服的主要問題。由于高能量輸入，基于激光或電子束的增材制造的純銅部件表現(xiàn)出與鑄造樣品接近的低強度和高延展性。因此，獨特的冷噴涂增材制造技術(shù)可以為高品質(zhì)純銅的增材制造提供出色的解決方案，并在強度和延展性之間取得理想的平衡，這與嚴(yán)重的塑性變形工藝相當(dāng)。

該項研究表明，在冷噴涂增材制造中可以實現(xiàn)平衡的強度和延展性。這種梯度晶粒結(jié)構(gòu)與粗晶基體相比，具有高出十倍的屈服強度和相當(dāng)?shù)睦焖苄?，并且可以承受超過100%的真實拉伸應(yīng)變而不會開裂。為了進一步揭示微結(jié)構(gòu)的形成機制，該工作開展了單粒子沉積實驗和分析。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.07.003

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