·1398· 北京科技大学学报 第34卷 度腐蚀，晶界也可以辨别，由图可见颗粒内部应变 Zou等)提出碰撞过程发生了类似动态再结晶过 小，晶粒相对比较粗大，而颗粒边界由于应变大，晶 程，冷喷涂碰撞前，颗粒中位错密度低，且分布均匀 粒形态也发生了变化.图12(c)为对应的Cu颗粒 碰撞中，位错扩展，晶格沿着压缩方向或者剪切方向 与C基板的模拟结果，颗粒内部等效应变小，而边 旋转，位错增加.短时间内，位错积聚，形成长条状 角处形成大应变区.在高速碰撞变形过程，颗粒边 的亚晶界.随着位错密度增加，长条状亚晶界被分 界的大应变区域形成了细小的亚晶或晶粒，如图12 隔成等轴亚晶.应变进一步增加，亚晶界调整，形成 (b)中椭圆所圈选区域.观察C山沉积层的透射照 大角度晶界，从而形成了等轴细小晶粒. 片（图12(d)),可以看到细小的亚晶或晶粒形成. 100m 等效塑性应变 d 1.6 1. 88 0. 02 500nm 图12铜涂层扫描电镜形貌(a):图(a)中方框所示区域高倍形貌(b):铜颗粒等效塑性应变模拟结果(c):铜涂层透射电镜形貌(d) Fig.12 Scanning eleetron micrographs of Cu coatings (a)and high-magnification as marked by a box in Fig.(a)(b),simulated effective plastic strain profiles of copper particles (c)and transmission electron micrographs of copper coatings (d) 参考文献 3结论 [King P C,Zahiri S H,Jahedi M.Focused ion beam micro-dissec- (1)采用有限元方法模拟了冷喷涂碰撞中多个 tion of cold-sprayed particles.Acta Mater,2008,56(19):5617 2]Xiong Y,Kang K,Bae G,et al.Dynamic amorphization and re- 颗粒的沉积过程.通过多颗粒的沉积模型，可以预 crystallization of metals in kinetic spray process.Appl Phys Lett, 测喷涂条件对颗粒沉积过程及涂层微观特征的影 2008,92(19):article No.194101 响，可预测不同的颗粒/基板组合时界面微观形貌， B] Kim K,Watanabe M,Kuroda S.Bonding mechanisms of thermal- 从而指导冷喷涂工艺过程，制备性能优异的涂层. ly softened metallic powder particles and substrates impacted at (2)碰撞速度低时，颗粒与基板碰撞后变形小， high velocity.Suf Coat Technol,2010,204(14):2175 扁平化程度低，多个颗粒的交界处容易形成孔洞，降 4]Bae G,Xiong Y,Kumar S,et al.General aspects of interface bonding in kinetie sprayed coatings.Acta Mater,2008,56(17): 低涂层致密性.碰撞速度增加，颗粒充分延展，扁平 4858 化变成长条状，流变填充交界处的孔洞，增加颗粒间 5] Gao H,Zhao L J,Zeng D L,et al.Molecular dynamics simula- 的结合力.大应变区主要集中在颗粒的边界上，剧 tion of Au nano-scale particle deposited on Au surface during cold 烈变形颗粒边界形成细小亚晶或晶粒 spraying.Acta Metall Sin,2006,42(11)1158 (3)软颗粒/硬基板，如A1/钢，颗粒沉积之后， (高虹，赵良举，曾丹苓，等.冷喷涂A山纳米粒子在金属表面 基板变形小，颗粒与基板界面粗糙度小，沉积层与基 沉积过程的分子动力学模拟.金属学报，2006,42(11)： 1158) 板缺少机械互锁作用，涂层容易开裂，甚至脱落.软 [6]Bae G,Kang K,Na H,et al.Effect of particle size on the micro- 基板变形剧烈，形成射流状金属挤入颗粒之间，强化 structure and properties of kinetic sprayed nickel coatings.Surf 涂层与基板的相互结合. Coat Technol,2010,204(20):3326北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 度腐蚀，晶界也可以辨别，由图可见颗粒内部应变 小，晶粒相对比较粗大，而颗粒边界由于应变大，晶 粒形态也发生了变化． 图 12( c) 为对应的 Cu 颗粒 与 Cu 基板的模拟结果，颗粒内部等效应变小，而边 角处形成大应变区． 在高速碰撞变形过程，颗粒边 界的大应变区域形成了细小的亚晶或晶粒，如图 12 ( b) 中椭圆所圈选区域． 观察 Cu 沉积层的透射照 片( 图 12( d) ) ，可以看到细小的亚晶或晶粒形成． Zou 等［13］提出碰撞过程发生了类似动态再结晶过 程，冷喷涂碰撞前，颗粒中位错密度低，且分布均匀． 碰撞中，位错扩展，晶格沿着压缩方向或者剪切方向 旋转，位错增加． 短时间内，位错积聚，形成长条状 的亚晶界． 随着位错密度增加，长条状亚晶界被分 隔成等轴亚晶． 应变进一步增加，亚晶界调整，形成 大角度晶界，从而形成了等轴细小晶粒． 图 12 铜涂层扫描电镜形貌( a) ; 图( a) 中方框所示区域高倍形貌( b) ; 铜颗粒等效塑性应变模拟结果( c) ; 铜涂层透射电镜形貌( d) Fig． 12 Scanning electron micrographs of Cu coatings ( a) and high-magnification as marked by a box in Fig． ( a) ( b) ，simulated effective plastic strain profiles of copper particles ( c) and transmission electron micrographs of copper coatings ( d) 3 结论 ( 1) 采用有限元方法模拟了冷喷涂碰撞中多个 颗粒的沉积过程． 通过多颗粒的沉积模型，可以预 测喷涂条件对颗粒沉积过程及涂层微观特征的影 响，可预测不同的颗粒/基板组合时界面微观形貌， 从而指导冷喷涂工艺过程，制备性能优异的涂层． ( 2) 碰撞速度低时，颗粒与基板碰撞后变形小， 扁平化程度低，多个颗粒的交界处容易形成孔洞，降 低涂层致密性． 碰撞速度增加，颗粒充分延展，扁平 化变成长条状，流变填充交界处的孔洞，增加颗粒间 的结合力． 大应变区主要集中在颗粒的边界上，剧 烈变形颗粒边界形成细小亚晶或晶粒． ( 3) 软颗粒/硬基板，如 Al /钢，颗粒沉积之后， 基板变形小，颗粒与基板界面粗糙度小，沉积层与基 板缺少机械互锁作用，涂层容易开裂，甚至脱落． 软 基板变形剧烈，形成射流状金属挤入颗粒之间，强化 涂层与基板的相互结合． 参 考 文 献 ［1］ King P C，Zahiri S H，Jahedi M． Focused ion beam micro-dissec￾tion of cold-sprayed particles． Acta Mater，2008，56( 19) : 5617 ［2］ Xiong Y，Kang K，Bae G，et al． Dynamic amorphization and re￾crystallization of metals in kinetic spray process． Appl Phys Lett， 2008，92( 19) : article No． 194101 ［3］ Kim K，Watanabe M，Kuroda S． Bonding mechanisms of thermal￾ly softened metallic powder particles and substrates impacted at high velocity． Surf Coat Technol，2010，204( 14) : 2175 ［4］ Bae G，Xiong Y，Kumar S，et al． General aspects of interface bonding in kinetic sprayed coatings． Acta Mater，2008，56( 17) : 4858 ［5］ Gao H，Zhao L J，Zeng D L，et al． Molecular dynamics simula￾tion of Au nano-scale particle deposited on Au surface during cold spraying． Acta Metall Sin，2006，42( 11) : 1158 ( 高虹，赵良举，曾丹苓，等． 冷喷涂 Au 纳米粒子在金属表面 沉积过程的分子动力学模拟． 金 属 学 报，2006，42 ( 11 ) : 1158) ［6］ Bae G，Kang K，Na H，et al． Effect of particle size on the micro￾structure and properties of kinetic sprayed nickel coatings． Surf Coat Technol，2010，204( 20) : 3326 ·1398·