冷喷涂Ti涂层的颗粒变形行为及孔隙分布

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29316

材料工程与机械制造

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冷喷涂Ti涂层的颗粒变形行为及孔隙分布

周愁庭¹^,², 马玉娥²(), 杨泽轩², 李文亚³, 黄春杰⁴, 刘磊¹^,²

^1.中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院，西安 710089
^2.西北工业大学航空学院，西安 710072
^3.西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安 710072
^4.德国汉堡赫尔穆特-施密特大学/德国联邦国防军大学材料技术研究所，汉堡 22043

收稿日期:2023-07-12 修回日期:2023-08-14 接受日期:2023-09-11 出版日期:2023-11-14 发布日期:2023-09-27
通讯作者: 马玉娥 E-mail:ma.yu.e@nwpu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金中德国际合作与交流项目(52061135101)

Particle deformation behavior and pores distribution of cold sprayed Ti coatings

Chouting ZHOU¹^,², Yu’e MA²(), Zexuan YANG², Wenya LI³, Chunjie HUANG⁴, Lei LIU¹^,²

^1.AVIC The First Aircraft Institute，Xi’an 　710089，China
^2.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 　710072，China
^3.State Key Laboratory of Solidification Processing，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 　710072，China
^4.Materials Technology，Helmut-Schmidt-University/University of the Federal Armed Forces Hamburg，Hamburg 　22043，Germany

Received:2023-07-12 Revised:2023-08-14 Accepted:2023-09-11 Online:2023-11-14 Published:2023-09-27
Contact: Yu’e MA E-mail:ma.yu.e@nwpu.edu.cn
Supported by:
Cooperation Project （NSFC-DFG） of the National Natural Science Foundation of China(52061135101)

摘要/Abstract

摘要：

在冷喷涂（CS）的沉积过程中，颗粒间结合强度较弱，涂层内普遍存在孔隙和颗粒间边界等缺陷。为研究这些缺陷的形成机制，在不同载流温度下，制备了3种不同粒度分布的Ti金属涂层；根据试验参数，建立随机多颗粒沉积的Coupled Euler-Lagrange （CEL）模型，计算获得了颗粒沉积后的变形情况及涂层内部的孔隙分布规律。结果表明，数值模拟和试验结果吻合良好。碰撞作用导致颗粒的累积呈现方向性，随着速度提高，颗粒的变形增大且内层颗粒受速度影响比外层颗粒更大。在相同参数下，大粒径颗粒沉积获得孔隙尺寸更大，孔隙率更高。在低速情况下，涂层内部的孔隙会相互连通形成孔簇，而随着临界速度比增大，孔隙率降低。

关键词: 冷喷涂, Ti涂层, CEL模型, 颗粒变形, 孔隙分布

Abstract:

In the deposition process of Cold Spraying （CS）， the bonding strength between particles is small， and defectsas pores and interparticle boundaries are common in the coatings. In order to study the formation mechanism of these defects， three kinds of Ti coatings with different particle sizes distributions were prepared at different airflow temperatures. According to the experimental parameters， the Coupled Euler-Lagrange （CEL） model of random multi-particle deposition was established， and the deformation of particles after deposition and the pores distribution law inside the coatings were calculated. The results showed that the numerical simulation and experimental results were in good agreement. The collision action causes the accumulation of particles to be directional， and with the increase of velocities， the deformation of particles increases， and the inner particles are more affected by the velocities than the outer particles. Under the same parameters， the deposits with large particles have larger pores and higher porosities. At low velocities， the pores inside the coatings communicate with each other to form pore clusters， and as the velocities increase， the pore sizes decrease and the porosities decrease.

Key words: cold spraying, Ti coating, CEL model, particle deformation, pores distribution

中图分类号:

V261.93

周愁庭, 马玉娥, 杨泽轩, 李文亚, 黄春杰, 刘磊. 冷喷涂Ti涂层的颗粒变形行为及孔隙分布[J]. 航空学报, 2024, 45(12): 429316-429316.

Chouting ZHOU, Yu’e MA, Zexuan YANG, Wenya LI, Chunjie HUANG, Lei LIU. Particle deformation behavior and pores distribution of cold sprayed Ti coatings[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(12): 429316-429316.

图/表 21

表1

Ti金属粉末的粒度参数

参数	P1601	P1602	P1603
D₁₀/μm	13	28	41
D₅₀/μm	25	39	56
D₉₀/μm	34	45	66
n	3.424	7.081	6.749
$d ¯$ /μm	26.93	40.74	58.40

表1

图1

图 2

图3

图4

图5

表2

表3

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

图14

图15

图 16

图 17

图18

参考文献 27

1	YIN S， CAVALIERE P， ALDWELL B， et al. Cold spray additive manufacturing and repair： Fundamentals and applications［J］. Additive Manufacturing， 2018， 21： 628-650.
2	ASSADI H， KREYE H， GÄRTNER F， et al. Cold spraying—A materials perspective［J］. Acta Materialia， 2016， 116： 382-407.
3	吴洪键，李文波，邓春明，等. 冷喷涂增材制造关键技术［J］. 中国表面工程， 2020， 33（4）： 1-15.
	WU H J， LI W B， DENG C M， et al. Key techniques of cold spray additive manufacturing［J］. China Surface Engineering， 2020， 33（4）： 1-15 （in Chinese）.
4	YANG K， LI W Y， YANG X W， et al. Effect of heat treatment on the inherent anisotropy of cold sprayed copper deposits［J］. Surface and Coatings Technology， 2018， 350： 519-530.
5	SAMPLE C M， CHAMPAGNE V K， NARDI A T， et al. Factors governing static properties and fatigue， fatigue crack growth， and fracture mechanisms in cold spray alloys and coatings/repairs： A review［J］. Additive Manufacturing， 2020， 36： 101371.
6	GUO D L， WANG Y， FERNANDEZ R， et al. Cold spray for production of in situ nanocrystalline MCrAlY coatings—Part I： Process analysis and microstructure characterization［J］. Surface and Coatings Technology， 2021， 409： 126854.
7	管宇，陈亮，曹奇凯. 基于增量考核的飞机延寿方法与应用［J］. 航空学报， 2021， 42（8）： 525782.
	GUAN Y， CHEN L， CAO Q K. Aircraft life extension based on incremental assessment： Method and application［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（8）： 525782 （in Chinese）.
8	LI W Y， CAO CC， YIN S. Solid-state cold spraying of Ti and its alloys： A literature review［J］. Progress in Materials Science， 2020， 110： 100633.
9	YU T Y， CHEN M J， WU Z R. Experimental and numerical study of deposition mechanisms for cold spray additive manufacturing process［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2022， 35（2）： 276-290.
10	BAE G， KUMAR S， YOON S， et al. Bonding features and associated mechanisms in kinetic sprayed titanium coatings［J］. Acta Materialia， 2009， 57（19）： 5654-5666.
11	YIN S， SUO X K， SU J Q， et al. Effects of substrate hardness and spray angle on the deposition behavior of cold-sprayed Ti particles［J］. Journal of Thermal Spray Technology， 2014， 23（1）： 76-83.
12	ZAHIRI S H， MAYO， JAHEDI M. Characterization of cold spray titanium deposits by X-ray microscopy and microtomography［J］. Microscopy and Microanalysis， 2008， 14（3）： 260-266.
13	CAVALIERE P， SILVELLO A. Processing conditions affecting residual stresses and fatigue properties of cold spray deposits［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2015， 81（9）： 1857-1862.
14	WONG W， IRISSOU E， VO P， et al. Cold spray forming of inconel 718［J］. Journal of Thermal Spray Technology， 2013， 22（2）： 413-421.
15	SANSOUCY E， KIM G E， MORAN A L， et al. Mechanical characteristics of Al-Co-Ce coatings produced by the cold spray process［J］. Journal of Thermal Spray Technology， 2007， 16（5）： 651-660.
16	BHATTIPROLU V S， JOHNSON K W， OZDEMIR O C， et al. Influence of feedstock powder and cold spray processing parameters on microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V cold spray depositions［J］. Surface and Coatings Technology， 2018， 335： 1-12.
17	CHEN C Y， XIE Y C， YAN X C， et al. Effect of hot isostatic pressing （HIP） on microstructure and mechanical properties of Ti6Al4V alloy fabricated by cold spray additive manufacturing［J］. Additive Manufacturing， 2019， 27： 595-605.
18	REN Y Q， KING P C， YANG Y S， et al. Characterization of heat treatment-induced pore structure changes in cold-sprayed titanium［J］. Materials Characterization， 2017， 132： 69-75.
19	AHMED F， BERNDT CHRISTOPHER C， REHAN A. Numerical modelling of particle impact and residual stresses in cold sprayed coatings： A review［J］. Surface and Coatings Technology， 2021， 409： 126835.
20	YIN S， WANG X F， XU B P， et al. Examination on the calculation method for modeling the multi-particle impact process in cold spraying［J］. Journal of Thermal Spray Technology， 2010， 19（5）： 1032-1041.
21	SCHMIDT T， ASSADI H， GÄRTNER F， et al. From particle acceleration to impact and bonding in cold spraying［J］. Journal of Thermal Spray Technology， 2009， 18（5）： 794-808.
22	SONG X， NG K L， CHEA J M K， et al. Coupled Eulerian-Lagrangian （CEL） simulation of multiple particle impact during metal cold spray process for coating porosity prediction［J］. Surface and Coatings Technology， 2020， 385： 125433.
23	WEILLER S， DELLORO F. A numerical study of pore formation mechanisms in aluminium cold spray coatings［J］. Additive Manufacturing， 2022， 60： 103193.
24	JOHNSON G R， COOK W H. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains， strain rates， temperatures and pressures［J］. Engineering Fracture Mechanics， 1985， 21（1）： 31-48.
25	KUMAR S， BAE G， LEE C. Influence of substrate roughness on bonding mechanism in cold spray［J］. Surface and Coatings Technology， 2016， 304： 592-605.
26	GRUJICIC M， ZHAO C L， DEROSSET W S， et al. Adiabatic shear instability based mechanism for particles/substrate bonding in the cold-gas dynamic-spray process［J］. Materials & Design， 2004， 25（8）： 681-688.
27	SCHMIDT T， GÄRTNER F， ASSADI H， et al. Development of a generalized parameter window for cold spray deposition［J］. Acta Materialia， 2006， 54（3）： 729-742.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
密度ρ/（kg·m^-3）	451
弹性模量E/GPa	116
比热容c/（J·（kg·K）^-1）	528
导热系数λ/（W·（m·K）^-1）	16
泊松比ν	0.34
初始屈服强度A/MPa	806.57
硬化系数B/MPa	481.61
应变-硬化指数n	0.319
应变率常数C	0.019 4
软化指数m	0.655
参考温度T₀/K	298
熔点T_m/K	1 923

编号	载流温度/K	平均温度/K	平均速度/（m·s^-1）
P1601	1 173	776	731
	1 273	844	759
	1 373	913	786
P1602	1 173	888	694
	1 273	965	718
	1 373	1 042	740
P1603	1 173	942	657
	1 273	1 023	677
	1 373	1 104	695

冷喷涂Ti涂层的颗粒变形行为及孔隙分布

Particle deformation behavior and pores distribution of cold sprayed Ti coatings

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