來源：【科學網(wǎng)】

既強又韌綜合性能優(yōu)異的金屬材料，是結構材料領域貫穿始終的研究目標。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，利用先進冷噴涂技術，在金屬結構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。相關研究發(fā)表于Journal of Materials Science & Technology。

據(jù)了解，廣東省科學院新材料研究所教授級高級工程師劉敏團隊聯(lián)合上海大學教授任忠鳴團隊、愛爾蘭都柏林圣三一大學教授殷碩團隊、西安交通大學教授李文亞等團隊，通過冷噴涂固態(tài)增材制造技術，在材料內(nèi)部實現(xiàn)了完整的異質(zhì)微納梯度結構，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)微觀結構，具有微米級和納米級晶粒雙峰分布的梯度晶粒結構?；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構。梯度晶粒結構的單個變形粒子作為一個微單元在冷噴涂的連續(xù)沉積過程中構建了具有雙峰晶粒分布的異質(zhì)微結構，可以通過控制晶粒細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合使其往往表現(xiàn)出顯著的脆性力學行為。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，上述材料加工技術的復雜性是無法避免的。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，這與嚴重的塑性變形工藝相當。

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。這種梯度晶粒結構與粗晶基體相比，具有高出十倍的屈服強度和相當?shù)睦焖苄裕⑶铱梢猿惺艹^100%的真實拉伸應變而不會開裂。為了進一步揭示微結構的形成機制，該工作開展了單粒子沉積實驗和分析。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.07.003

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