冷噴涂7075鋁合金微觀組織和力學性能研究

王群 劉建武 李海峰 吳梓趙 饒宇琴 王海華

摘要：為了評估冷噴涂修復高強鋁合金的可行性，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、硬度計和電子拉伸機分別測試了7075鋁合金沉積層的相結構、顯微組織和基本力學性能。結果表明，7075鋁合金粉末在冷噴涂過程中發生了劇烈的塑性變形，粉末與相應冷噴涂沉積層的相結構相同；所獲得的冷噴涂7075鋁合金沉積層的孔隙率約為0.7%，抗拉強度為365.2MPa，硬度為136.9HV0.025，沉積層與基體材料結合強度為75.6MPa。由此證明：冷噴涂7075鋁合金工藝適合高強鋁合金非主承力件的缺陷修復。

關鍵詞：冷噴涂；7075鋁合金；顯微組織；抗拉強度；結合強度

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

*基金項目：湖南省自然科學基金面上項目（2019JJ40045）；傳動系統適海性機匣增材修復技術研究（KY-1044-2021-0094）

0 引言

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

冷噴涂是一種固態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生結合的材料沉積技術。冷噴涂氣流的低溫特性顯著降低了對基體材料的熱影響，高速粒子碰撞的噴丸效應產生殘余壓應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]，這為損傷高強鋁合金零件修復提供了很好的途徑。吳增榮等[1]采用壓力為5MPa的氮氣作為驅動氣體在1060純鋁板上沉積7075鋁合金涂層，發現當驅動氣體溫度從450℃升高到550℃時，鋁合金粒子的變形程度雖然增加，但相應的沉積層硬度和致密度并未顯著改善。當驅動氣體溫度為450℃時，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合強度超過55.3MPa。Xiong等[11]研究了7075和7050鋁合金涂層厚度對涂層和7050-T7351基體結合強度的影響，結果表明，涂層的剪切拉伸強度都隨著涂層厚度的增加而減小，且剪切強度最高只有18MPa，且涂層與基體的結合強度不足10MPa，相應力學性能明顯偏低。Rokni等[12]研究了熱處理對冷噴涂7075鋁合金微觀組織和力學性能的影響，發現經過熱處理后，冷噴涂7075鋁合金的強度和延伸率均有所提高。由上面這些冷噴涂高強鋁合金的研究結果來看，當采用氮氣作為粉末驅動氣體時，即使使用很高的壓力也很難獲得令人滿意的涂層結合強度；雖然采用高壓力的氦氣能獲得高質量的冷噴涂沉積層，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）的氦氣進行7075鋁合金沉積，并研究以這種較低壓力的氦氣為驅動氣體在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械性能，探索在較低成本下采用冷噴涂修復7075高強鋁合金零件損傷的可行性。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料及樣品制備

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。冷噴涂之前對基體表面進行除油脫脂、噴砂、酒精清洗處理等預處理。噴涂所使用的加速氣體為氦氣，相應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方向為沉積層的厚度方向，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性能分析和測試。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型電子拉伸試驗機對冷噴涂7075鋁合金沉積層進行抗拉強度測試，拉伸速度為2mm/min，拉伸方向為圖2所示X方向，拉伸測試采用的標準為“ASTM E8金屬拉伸試驗標準”。

通常，涂層的結合強度按照“ASTM C633熱噴涂涂層附著力或粘結強度試驗方法”標準規定的方法進行測試，但由于該方法采用膠粘法，對操作工藝要求很嚴格，并且在測試過程中常常由于斷口發生在膠接處而不能獲得涂層與基體的實際結合強度。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度測試方法來測試冷噴涂沉積層與基體件的結合強度。采用電火花線切割工藝沿圖2所示的Z方向取樣，結合強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驗方法對其進行結合強度測試，拉伸方向為圖2所示Z方向。

1.2 相結構測試

采用Miniflex 600 X-ray衍射儀對7075粉末和相應冷噴涂沉積層的相結構進行檢測，測試參數為：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，步進值為0.02°。

1.3 組織、性能和顯微硬度檢測

將冷噴涂沉積層切割成10mm×10mm×10mm的樣塊后進行冷鑲嵌（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試。其中，顯微組織觀察采用FEI-Quanta200型環境掃描電子顯微鏡。冷噴涂7075沉積層的顯微硬度采用上海泰明顯微硬度計（HXD-1000TM）進行測試，載荷為25g，保壓時間為15s，取10次測量結果的平均值。

2 實驗結果與分析

2.1 相結構

7075鋁合金粉末及其相應冷噴涂沉積層的相結構如圖5所示。

由圖5可以看出，粉末和相應冷噴涂沉積層的相結構基本相同，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℃的氦氣加熱和驅動7075鋁合金粉末，高速飛行的固態鋁合金粉末粒子撞擊到基體表面發生強烈的塑性變形而形成相應沉積層，因此，冷噴涂沉積層的相結構幾乎與相應粉末保持一致。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生沉積，因此，可以推測7075鋁合金沉積層中的合金元素也基本固溶在鋁基體中，7075鋁合金沉積層呈現出與相應噴涂粉末相同的相結構。

2.2 冷噴涂7075鋁合金微觀結構

冷噴涂7075鋁合金沉積層的截面經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，在放大倍數較低（見圖6a））時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生了嚴重的塑性變形，粉末顆粒與顆粒相接觸的邊界處出現了細晶結構（見圖6b）中箭頭處），而顆粒內部（橢圓實線框）的晶粒尺寸明顯大于顆粒邊界處。這些微觀結構特征和其他研究人員報道的冷噴涂7075鋁合金基本一致。另外，Rokni等[13]還發現冷噴涂組織有微觀區域硬度分布不均勻的情況，顆粒內部的顯微硬度小于顆粒邊界處且有著更高密度的位錯和大角度晶界。從冷噴涂7075鋁合金和基體之間的界面處能看出，兩者之間結合的很好，沒有發現明顯的夾雜、裂紋和孔隙之類的缺陷。冷噴涂粉末顆粒部分嵌入基體內部，基體也發生了一定程度的變形。基于冷噴涂7075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生反彈，超過臨界速度的鋁合金粉末撞擊到基體后發生塑性變形，部分粉末顆粒嵌入基體而發生黏粘沉積，形成第一層冷噴涂沉積層（見圖7a））。第一層粉末和基體的結合情況決定了冷噴涂沉積層與基體之間的結合強度（Bonding Strength）。后續的粉末粒子撞擊到先沉積的顆粒發生塑性變形而沉積，在這一過程中，先沉積的粉末粒子會被后沉積的粒子撞擊而繼續發生塑性變形，使得先沉積層冷噴涂7075鋁合金層進一步被夯實，有效地降低了沉積層的孔隙率，并產生了顆粒間的結合，如圖7b）所示。涂層的這種后續生長形成的層間結合強度（Cohesion Strength）取決于所沉積粉末顆粒之間的結合力。已經沉積的粉末顆粒表面會成為新的結合界面，隨著噴涂的進行，沉積物受到持續的碰撞壓力，發生進一步變形和致密化，形成如圖7c）所示形貌。后續粉末顆粒的持續碰撞對底層沉積層的影響隨著沉積層厚度的增加而逐漸減弱，而距離新結合界面越近的沉積層受到的碰撞影響越大。粉末顆粒內部晶粒會沿著變形方向被拉長，并且顆粒邊界處可能會有細晶結構出現。據大量的文獻報道，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會發生“絕熱剪切失穩”現象，即機械能迅速轉變成熱量來不及散失，較高的溫度使得發生塑性變形的粒子邊緣發生微熔或再結晶，最終在所沉積粒子邊界獲得細小的晶粒，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鋁合金的力學性能

冷噴涂7075鋁合金沉積層的力學性能實驗結果如表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%。原始狀態的冷噴涂7075鋁合金具有較高的抗拉強度（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，材料的實際延伸率很難準確獲得。另外，冷噴涂沉積的7075鋁合金沉積層與基體材料的結合強度為75.6MPa，遠低于冷噴涂沉積層的抗拉強度（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小于粉末粒子間的嵌合程度。雖然7075沉積層的結合強度低于沉積層自身的抗拉強度，但相對于大多數文獻[1]報道的沉積層與基體的結合強度來說，該結合強度值已經是較理想的了。例如，“ASTM C633熱噴涂涂層附著力或粘結強度試驗方法”規定的超音速火焰噴涂WC基涂層與基體結合強度值也只有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，未發現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：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合主要以機械結合為主。另外，在圖8b）中還可以發現少量的粗糙的撕裂表面（箭頭所指位置），這可能是粒子發生劇烈塑性變形而發生嵌合和局部微熔形成的微區冶金結合造成的。再有，在斷口中還能發現很少量的尺寸很小的未變形球形粒子（見圖8b）圓圈中）。可能的原因為：冷噴涂過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，這些未達到冷噴涂臨界速度的粒子是不能發生沉積的，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，這種幾乎沒有發生塑性變形的粒子不會受到后續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。可以預見，這類球形粒子與周圍材料結合不緊密，會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成為裂紋萌生的裂紋源。

綜上所述，本實驗制備的7075鋁合金沉積層具有致密的組織結構和較好的力學性能強度，滿足非承力件和次承力高強鋁合金件表面缺陷修復對沉積層的性能要求[14]。但是，冷噴涂的各項性能與軋制7075鋁合金的力學性能相比還有一定的差距。因此，后續還要繼續開展噴槍結構、粉末粒子分布和噴涂工藝優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。還可以結合基體表面預處理優化和冷噴涂沉積層后期熱處理，進一步提高冷噴涂鋁合金沉積層與基體的結合強度以及沉積層的塑性，擴大冷噴涂修復發生損傷高強鋁合金零件的應用范圍。

3 結論

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，并對其微觀組織和力學性能進行了測試和分析。獲得結果如下：

1）7075鋁合金粉末在冷噴涂沉積過程中未發生相變，粉末與相應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歷了嚴重的塑性變形，在粉末邊緣的部分微區發生了熔融或再結晶而形成了細晶結構，使得粉末顆粒邊緣處的晶粒尺寸小于粉末顆粒內部的晶粒尺寸；

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

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度（365.2MPa）和硬度（136.9HV0.025），適用于高強鋁合金非主承力件的缺陷修復。

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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研究。