冷噴涂7075鋁合金微觀組織和力學(xué)性能研究

王群 劉建武 李海峰 吳梓趙 饒宇琴 王海華

摘要：為了評(píng)估冷噴涂修復(fù)高強(qiáng)鋁合金的可行性，采用冷噴涂工藝在7075鋁合金基體板上沉積厚度約為10mm的7075鋁合金沉積層。采用X衍射儀、掃描電鏡、硬度計(jì)和電子拉伸機(jī)分別測(cè)試了7075鋁合金沉積層的相結(jié)構(gòu)、顯微組織和基本力學(xué)性能。結(jié)果表明，7075鋁合金粉末在冷噴涂過程中發(fā)生了劇烈的塑性變形，粉末與相應(yīng)冷噴涂沉積層的相結(jié)構(gòu)相同；所獲得的冷噴涂7075鋁合金沉積層的孔隙率約為0.7%，抗拉強(qiáng)度為365.2MPa，硬度為136.9HV0.025，沉積層與基體材料結(jié)合強(qiáng)度為75.6MPa。由此證明：冷噴涂7075鋁合金工藝適合高強(qiáng)鋁合金非主承力件的缺陷修復(fù)。

關(guān)鍵詞：冷噴涂；7075鋁合金；顯微組織；抗拉強(qiáng)度；結(jié)合強(qiáng)度

Keywords： cold spraying；7075 aluminum alloy；microstructure；ultimate tensile strength；bonding strength

*基金項(xiàng)目：湖南省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2019JJ40045）；傳動(dòng)系統(tǒng)適海性機(jī)匣增材修復(fù)技術(shù)研究（KY-1044-2021-0094）

0 引言

7075是一種典型的Al-Zn-Mg-Cu系高強(qiáng)鋁合金材料，廣泛應(yīng)用于航空和軌道交通領(lǐng)域的零件制造。由于7075鋁合金耐腐蝕和磨性都較差，在服役過程中，其表面容易受到機(jī)械和腐蝕作用而導(dǎo)致形狀和尺寸損傷[1-4]。因此，采用再制造技術(shù)對(duì)鋁合金零部件受損部位進(jìn)行修復(fù)，實(shí)現(xiàn)損傷零件再制造具有很大的必要性。通常，對(duì)表面發(fā)生損傷的金屬零件往往采用堆焊和熔覆工藝進(jìn)行修復(fù)，但是，由于這兩種方法都會(huì)使得材料局部熔化，從而對(duì)基體產(chǎn)生高的熱量輸入，容易導(dǎo)致零件變形和氧化。另外，由于7075鋁合金有應(yīng)力腐蝕開裂傾向，可焊性不好，修復(fù)處還容易出現(xiàn)氧化夾渣、氣孔和微裂紋等缺陷[5，6]，因此，開發(fā)新型可靠的高強(qiáng)鋁合金零部件修復(fù)技術(shù)在航空和軌道交通領(lǐng)域具有很大的市場(chǎng)需求[7，8]。

冷噴涂是一種固態(tài)粒子在較低溫度下以超過臨界速度撞擊基體，通過粒子的劇烈塑性變形與基體產(chǎn)生結(jié)合的材料沉積技術(shù)。冷噴涂氣流的低溫特性顯著降低了對(duì)基體材料的熱影響，高速粒子碰撞的噴丸效應(yīng)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力一方面有助于提高零件的抗疲勞性能[8，9]，另一方面還有助于沉積大厚度的沉積層[10]，這為損傷高強(qiáng)鋁合金零件修復(fù)提供了很好的途徑。吳增榮等[1]采用壓力為5MPa的氮?dú)庾鳛轵?qū)動(dòng)氣體在1060純鋁板上沉積7075鋁合金涂層，發(fā)現(xiàn)當(dāng)驅(qū)動(dòng)氣體溫度從450℃升高到550℃時(shí)，鋁合金粒子的變形程度雖然增加，但相應(yīng)的沉積層硬度和致密度并未顯著改善。當(dāng)驅(qū)動(dòng)氣體溫度為450℃時(shí)，所沉積的7075鋁合金層的孔隙率低（0.14%），涂層與純鋁基體的結(jié)合強(qiáng)度超過55.3MPa。Xiong等[11]研究了7075和7050鋁合金涂層厚度對(duì)涂層和7050-T7351基體結(jié)合強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，涂層的剪切拉伸強(qiáng)度都隨著涂層厚度的增加而減小，且剪切強(qiáng)度最高只有18MPa，且涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度不足10MPa，相應(yīng)力學(xué)性能明顯偏低。Rokni等[12]研究了熱處理對(duì)冷噴涂7075鋁合金微觀組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過熱處理后，冷噴涂7075鋁合金的強(qiáng)度和延伸率均有所提高。由上面這些冷噴涂高強(qiáng)鋁合金的研究結(jié)果來看，當(dāng)采用氮?dú)庾鳛榉勰?qū)動(dòng)氣體時(shí)，即使使用很高的壓力也很難獲得令人滿意的涂層結(jié)合強(qiáng)度；雖然采用高壓力的氦氣能獲得高質(zhì)量的冷噴涂沉積層，但由于要消耗大量昂貴的氦氣，使得涂層制備成本很高。因此，本文采用較低壓力（2MPa）的氦氣進(jìn)行7075鋁合金沉積，并研究以這種較低壓力的氦氣為驅(qū)動(dòng)氣體在7075鋁合金板材上制備大厚度7075鋁合金沉積層的顯微組織和機(jī)械性能，探索在較低成本下采用冷噴涂修復(fù)7075高強(qiáng)鋁合金零件損傷的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及樣品制備

冷噴涂采用平均粒徑為35μm的7075鋁合金粉末，其形貌如圖1所示，其化學(xué)成分如表1所示。

冷噴涂的基體材料是10mm厚的7075T6鋁合金板。選擇高壓冷噴涂設(shè)備（PCS-1000，Plasma Giken Co.，Ltd.，Japan）將上述7075鋁合金粉末噴涂在7075鋁合金板材上。冷噴涂之前對(duì)基體表面進(jìn)行除油脫脂、噴砂、酒精清洗處理等預(yù)處理。噴涂所使用的加速氣體為氦氣，相應(yīng)氣體壓力和溫度分別為2MPa和500℃，噴距距離為30mm，噴射角為90°，送粉速率為30g/min。噴涂完成后得到約10mm厚的7075鋁合金沉積層。線切割后冷噴涂制備的7075沉積樣品的宏觀照片如圖2所示。

噴涂過程中噴槍在XY平面上沿X方向噴涂，Z方向?yàn)槌练e層的厚度方向，采用電火花線切割從冷噴涂沉積層上切割樣塊，用于顯微組織和力學(xué)性能分析和測(cè)試。其中，拉伸樣品沿圖2所示的X方向取樣，拉伸樣品的形狀和尺寸如圖3所示。

采用Instron 3369型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)冷噴涂7075鋁合金沉積層進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，拉伸速度為2mm/min，拉伸方向?yàn)閳D2所示X方向，拉伸測(cè)試采用的標(biāo)準(zhǔn)為“ASTM E8金屬拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)”。

通常，涂層的結(jié)合強(qiáng)度按照“ASTM C633熱噴涂涂層附著力或粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)方法”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試，但由于該方法采用膠粘法，對(duì)操作工藝要求很嚴(yán)格，并且在測(cè)試過程中常常由于斷口發(fā)生在膠接處而不能獲得涂層與基體的實(shí)際結(jié)合強(qiáng)度。鑒于本文中的冷噴涂沉積層的厚度較大（～10mm），因此可以借鑒材料抗拉強(qiáng)度測(cè)試方法來測(cè)試?yán)鋰娡砍练e層與基體件的結(jié)合強(qiáng)度。采用電火花線切割工藝沿圖2所示的Z方向取樣，結(jié)合強(qiáng)度樣品的形狀和尺寸如圖4所示。

基體和冷噴塊體的交界面為圖4的截面積最小處（虛線所示），采用與圖3所示樣品同樣的拉伸實(shí)驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試，拉伸方向?yàn)閳D2所示Z方向。

1.2 相結(jié)構(gòu)測(cè)試

采用Miniflex 600 X-ray衍射儀對(duì)7075粉末和相應(yīng)冷噴涂沉積層的相結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試參數(shù)為：陽極靶為Cu靶，管壓為40kV，掃描速度為20°/min，掃描角度30°～80°，管流為15mA，步進(jìn)值為0.02°。

1.3 組織、性能和顯微硬度檢測(cè)

將冷噴涂沉積層切割成10mm×10mm×10mm的樣塊后進(jìn)行冷鑲嵌（磨拋面為圖2所示的YZ面），依次采用320目、600目、1000目、2000目和3000目的砂紙進(jìn)行打磨，再依次用粒度為2.5mm和0.5mm的金剛石噴霧拋光劑以及粒度為40nm的SiO2懸浮液拋光。拋光后的樣品采用凱樂試劑腐蝕后進(jìn)行顯微組織觀察，截面拋光后未腐蝕的平行樣品用于顯微硬度測(cè)試。其中，顯微組織觀察采用FEI-Quanta200型環(huán)境掃描電子顯微鏡。冷噴涂7075沉積層的顯微硬度采用上海泰明顯微硬度計(jì)（HXD-1000TM）進(jìn)行測(cè)試，載荷為25g，保壓時(shí)間為15s，取10次測(cè)量結(jié)果的平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 相結(jié)構(gòu)

7075鋁合金粉末及其相應(yīng)冷噴涂沉積層的相結(jié)構(gòu)如圖5所示。

由圖5可以看出，粉末和相應(yīng)冷噴涂沉積層的相結(jié)構(gòu)基本相同，都是鋁的固溶體相，即在冷噴涂過程中7075鋁合金從粉末沉積成塊體過程中幾乎沒有相變發(fā)生，這主要得益于冷噴涂采用較低溫度惰性氣體的緣故。本研究采用500℃的氦氣加熱和驅(qū)動(dòng)7075鋁合金粉末，高速飛行的固態(tài)鋁合金粉末粒子撞擊到基體表面發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形而形成相應(yīng)沉積層，因此，冷噴涂沉積層的相結(jié)構(gòu)幾乎與相應(yīng)粉末保持一致。另外，冷噴涂粉末采用氣霧化工藝制粉，由于制粉過程中快速凝固的緣故，7075鋁合金粉末中的合金元素大部分固溶在基體鋁相中。在冷噴涂過程中，粉末被快速加熱和加速后撞擊到基體上發(fā)生沉積，因此，可以推測(cè)7075鋁合金沉積層中的合金元素也基本固溶在鋁基體中，7075鋁合金沉積層呈現(xiàn)出與相應(yīng)噴涂粉末相同的相結(jié)構(gòu)。

2.2 冷噴涂7075鋁合金微觀結(jié)構(gòu)

冷噴涂7075鋁合金沉積層的截面經(jīng)過凱樂試劑腐蝕后的掃描電子顯微照片如圖6所示。

由圖6可見，冷噴涂鋁合金組織致密，缺陷少，在放大倍數(shù)較低（見圖6a））時(shí)僅能看到很少量的小孔隙（橢圓虛線框）。在截面高倍形貌中（見圖6b））可以明顯看到7075鋁合金的粉末顆粒發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，粉末顆粒與顆粒相接觸的邊界處出現(xiàn)了細(xì)晶結(jié)構(gòu)（見圖6b）中箭頭處），而顆粒內(nèi)部（橢圓實(shí)線框）的晶粒尺寸明顯大于顆粒邊界處。這些微觀結(jié)構(gòu)特征和其他研究人員報(bào)道的冷噴涂7075鋁合金基本一致。另外，Rokni等[13]還發(fā)現(xiàn)冷噴涂組織有微觀區(qū)域硬度分布不均勻的情況，顆粒內(nèi)部的顯微硬度小于顆粒邊界處且有著更高密度的位錯(cuò)和大角度晶界。從冷噴涂7075鋁合金和基體之間的界面處能看出，兩者之間結(jié)合的很好，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜、裂紋和孔隙之類的缺陷。冷噴涂粉末顆粒部分嵌入基體內(nèi)部，基體也發(fā)生了一定程度的變形?；诶鋰娡?075鋁合金粉末的冷噴涂沉積過程及其截面顯微組織形貌，可以推測(cè)冷噴涂過程中粒子的沉積過程，如圖7所示。

在冷噴涂過程中，分布于加速氣流不同位置的粉末粒子的速度也不盡相同，低于臨界速度的鋁合金粉末撞擊到基體后發(fā)生反彈，超過臨界速度的鋁合金粉末撞擊到基體后發(fā)生塑性變形，部分粉末顆粒嵌入基體而發(fā)生黏粘沉積，形成第一層冷噴涂沉積層（見圖7a））。第一層粉末和基體的結(jié)合情況決定了冷噴涂沉積層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度（Bonding Strength）。后續(xù)的粉末粒子撞擊到先沉積的顆粒發(fā)生塑性變形而沉積，在這一過程中，先沉積的粉末粒子會(huì)被后沉積的粒子撞擊而繼續(xù)發(fā)生塑性變形，使得先沉積層冷噴涂7075鋁合金層進(jìn)一步被夯實(shí)，有效地降低了沉積層的孔隙率，并產(chǎn)生了顆粒間的結(jié)合，如圖7b）所示。涂層的這種后續(xù)生長形成的層間結(jié)合強(qiáng)度（Cohesion Strength）取決于所沉積粉末顆粒之間的結(jié)合力。已經(jīng)沉積的粉末顆粒表面會(huì)成為新的結(jié)合界面，隨著噴涂的進(jìn)行，沉積物受到持續(xù)的碰撞壓力，發(fā)生進(jìn)一步變形和致密化，形成如圖7c）所示形貌。后續(xù)粉末顆粒的持續(xù)碰撞對(duì)底層沉積層的影響隨著沉積層厚度的增加而逐漸減弱，而距離新結(jié)合界面越近的沉積層受到的碰撞影響越大。粉末顆粒內(nèi)部晶粒會(huì)沿著變形方向被拉長，并且顆粒邊界處可能會(huì)有細(xì)晶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。據(jù)大量的文獻(xiàn)報(bào)道，冷噴涂過程中高速飛行的粒子撞擊到基體或先沉積的粒子時(shí)會(huì)發(fā)生“絕熱剪切失穩(wěn)”現(xiàn)象，即機(jī)械能迅速轉(zhuǎn)變成熱量來不及散失，較高的溫度使得發(fā)生塑性變形的粒子邊緣發(fā)生微熔或再結(jié)晶，最終在所沉積粒子邊界獲得細(xì)小的晶粒，冷噴涂7075鋁合金沉積層典型組織形貌可用圖7d）所示的示意圖來表示。

2.3 冷噴涂7075鋁合金的力學(xué)性能

冷噴涂7075鋁合金沉積層的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，冷噴涂7075鋁合金沉積層密度（2.78 g/mm3）接近于7075鋁合金的理論密度（2.8 g/mm3），這也說明冷噴涂7075鋁合金的致密性非常好，理論致密度為99.3%。原始狀態(tài)的冷噴涂7075鋁合金具有較高的抗拉強(qiáng)度（365.2MPa），受冷噴涂沉積層尺寸限制，拉伸樣品材料尺寸小，再加上其延伸率很低。因此，材料的實(shí)際延伸率很難準(zhǔn)確獲得。另外，冷噴涂沉積的7075鋁合金沉積層與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度為75.6MPa，遠(yuǎn)低于冷噴涂沉積層的抗拉強(qiáng)度（365.2MPa），主要原因可能是粉末粒子與基體材料間的嵌合程度遠(yuǎn)小于粉末粒子間的嵌合程度。雖然7075沉積層的結(jié)合強(qiáng)度低于沉積層自身的抗拉強(qiáng)度，但相對(duì)于大多數(shù)文獻(xiàn)[1]報(bào)道的沉積層與基體的結(jié)合強(qiáng)度來說，該結(jié)合強(qiáng)度值已經(jīng)是較理想的了。例如，“ASTM C633熱噴涂涂層附著力或粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)方法”規(guī)定的超音速火焰噴涂WC基涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度值也只有69MPa。

冷噴涂沉積7075鋁合金拉伸斷口的微觀形貌如圖8所示。

由圖8可以看出，未發(fā)現(xiàn)塑性斷裂的韌窩特征。斷口表面大部分為凸起或凹下的光滑粒子表面，可以推測(cè)：在拉伸過程中主要是7075鋁合金粉末粒子和粒子間脫開，可見，冷噴涂沉積7075鋁合金沉積層中粒子間結(jié)合主要以機(jī)械結(jié)合為主。另外，在圖8b）中還可以發(fā)現(xiàn)少量的粗糙的撕裂表面（箭頭所指位置），這可能是粒子發(fā)生劇烈塑性變形而發(fā)生嵌合和局部微熔形成的微區(qū)冶金結(jié)合造成的。再有，在斷口中還能發(fā)現(xiàn)很少量的尺寸很小的未變形球形粒子（見圖8b）圓圈中）?？赡艿脑?yàn)椋豪鋰娡窟^程中存在一定比例的鋁合金粒子處于氣流邊緣，這些粒子得不到高速氣流的充分加速，飛行速度低。通常來說，這些未達(dá)到冷噴涂臨界速度的粒子是不能發(fā)生沉積的，但這些低速飛行的鋁合金粒子中可能有極少部分被其他粒子裹挾，正好填充在較大粉末之間的縫隙中，造成粒子幾乎未發(fā)生扁平化。另外，由于受到四周高出部分材料的遮蔽作用，這種幾乎沒有發(fā)生塑性變形的粒子不會(huì)受到后續(xù)高速飛行粒子的撞擊，因此基本呈球形保留在冷噴涂沉積層中?？梢灶A(yù)見，這類球形粒子與周圍材料結(jié)合不緊密，會(huì)成為冷噴涂沉積層中的缺陷，在外力作用下，這種粒子所在的位置會(huì)成為裂紋萌生的裂紋源。

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)制備的7075鋁合金沉積層具有致密的組織結(jié)構(gòu)和較好的力學(xué)性能強(qiáng)度，滿足非承力件和次承力高強(qiáng)鋁合金件表面缺陷修復(fù)對(duì)沉積層的性能要求[14]。但是，冷噴涂的各項(xiàng)性能與軋制7075鋁合金的力學(xué)性能相比還有一定的差距。因此，后續(xù)還要繼續(xù)開展噴槍結(jié)構(gòu)、粉末粒子分布和噴涂工藝優(yōu)化等方面的研究工作，最大程度地降低冷噴涂沉積層中的缺陷。還可以結(jié)合基體表面預(yù)處理優(yōu)化和冷噴涂沉積層后期熱處理，進(jìn)一步提高冷噴涂鋁合金沉積層與基體的結(jié)合強(qiáng)度以及沉積層的塑性，擴(kuò)大冷噴涂修復(fù)發(fā)生損傷高強(qiáng)鋁合金零件的應(yīng)用范圍。

3 結(jié)論

本文采用冷噴涂，在7075鋁合金基體板上沉積了大厚度的7075鋁合金層，并對(duì)其微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。獲得結(jié)果如下：

1）7075鋁合金粉末在冷噴涂沉積過程中未發(fā)生相變，粉末與相應(yīng)的冷噴涂沉積層都是鋁固溶體相；

2）冷噴涂7075鋁合金中的粉末顆粒在沉積過程中經(jīng)歷了嚴(yán)重的塑性變形，在粉末邊緣的部分微區(qū)發(fā)生了熔融或再結(jié)晶而形成了細(xì)晶結(jié)構(gòu)，使得粉末顆粒邊緣處的晶粒尺寸小于粉末顆粒內(nèi)部的晶粒尺寸；

3）冷噴涂7075鋁合金沉積層中粒子間的結(jié)合以及沉積層與基體的結(jié)合以機(jī)械結(jié)合為主，微區(qū)冶金結(jié)合為輔；

4）冷噴涂7075鋁合金組織致密，孔隙率低（0.7%），且具有較高的抗拉強(qiáng)度（365.2MPa）和硬度（136.9HV0.025），適用于高強(qiáng)鋁合金非主承力件的缺陷修復(fù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳增榮，胡永俊，代明江，等.氣體溫度對(duì)冷噴涂7075鋁合金涂層性能的影響[J]. 表面技術(shù)，2020，49（1）：318-325.

[2] Dixon B，Barter S，Mazeika R. Quantification of the fatigue severity of porosity in aluminum alloy 7050- T7451 thick plate[J]. International journal of fatigue，2018，114：217-225.

[3] Dursun T，Soutis C. Recent developments in advanced aircraft aluminum alloys[J]. Materials and design，2014，56：862-871.

[4] Sirven P，Garrido M A，ClaudioJ M，et al. Effect of higher deposition temperatures on the microstructure and mechanical properties of Al 2024 cold sprayed coatings[J]. Surface & Coatings Technology，2018，337：461- 470.

[5] 張偉，郭永明，陳永雄. 熱噴涂技術(shù)在產(chǎn)品再制造領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 中國表面工程，2011，24（6）：1-10.

[6] 石仲川，劉德鑫，張曉云，等.冷噴涂技術(shù)的研究現(xiàn)狀及在航空工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用[J]. 材料導(dǎo)報(bào)，2012，26（9）：70-74.

[7] Assadi H，Hkreye H，Hgartner F，et al. Cold spraying—A materials perspective[J]. Acta Materialia，2016，116：382-407.

[8] Suhonen T，Varis T，Dosta S，Torrell M，et al. Residual stress development in cold sprayed Al，Cu and Ti coatings[J]. Acta Materialia，2013，61：632-6337.

[9] Ghelichi R，Macdonald D，Bagherifard S，et al. Microstructure and fatigue behavior of cold spray coated Al5052[J]. Acta Materialia，2012，60（19）：6555–6561.

[10] Wei Y，Luo X，Ge Y，et al. Deposition of fully dense Al-based coatings via in-situ micro-forging assisted cold spray for excellent corrosion protection of AZ31B magnesium alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds，2019，806：1116-1126.

[11] Xiong Y，Zhuang W，Zhang M. Effect of the thickness of cold sprayed aluminum alloy coating on the adhesive bond strength with an aluminum alloy substrate[J]. Surface and Coatings Technolo- gy，2015，270：259-265.

[12] Rokni M R，Widener C A，Champagne V K，et al. The effects of heat treatment on 7075 Al cold spray deposits[J]. Surface & Coatings Technology，2016，310：1-8.

[13] Rokni M R，Widener C A，Crawford G A，et al. An investigation into microstructure and mechanical properties of cold sprayed 7075 Al deposition[J]. Materials Science & Engineering A，2015，625（11）：19-27.

[14] Victor K，Champagne JR，VICTOR K，et al. Cold-spray coatings recent trends and future perspectives[M]. Springer International Publishing，2018.

作者簡介

王群，副教授，博士，主要從事表面工程及再制造技術(shù)研究。