基于材料性能的冷喷涂临界速度预测窗口研究取得新进展

正冷喷涂过程中,喷涂粒子被高速气流加速到较高的速度(200~1 200m/s),在固态下碰撞基体,通过粒子强烈的塑形变形沉积在基体上形成涂层。由于喷涂材料和碰撞速度不同,粒子或者从基体上反弹或者沉积于基体上,使得粒子开始沉积到基体上的速度被称为临界速度,它是冷喷涂技术的一个     

粉末结构对冷喷涂纳米结构WC-Co沉积行为的影响

纳米结构WC-Co具有比常规WC-Co更高的硬度,因此受到了广泛关注.冷喷涂制备纳米结构WC-Co涂层过程中,因粒子温度低于熔点,沉积过程需要依靠WC-Co粒子的塑性变形,然而WC-Co粒子变形能力有限,使得WC-Co涂层难以实现有效沉积.文中从粉末结构角度出发,选用3种不同孔隙结构的WC-12Co粉末,运用扫描电镜研究不同结构WC-12Co单个粒子在基体上的沉积行为,分析了3种粉末在相同喷涂工艺参数下沉积的涂层的组织结构.研究发现,定点喷涂容易实现,沉积的WC-12Co沉积层组织结构致密,硬度接近块材,为粉末的连续沉积制备涂层提供了可能.涂层的连续沉积需要粉末和基体材料均产生一定的变形,具有一定孔隙结构的纳米结构WC-Co粉末,因其多孔结构促进了粉末拟变形的发生,适合于冷喷涂制备纳米结构WC-Co涂层.     

金属喷涂、堆焊与修复

金属喷涂工艺与设备 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；降低热喷涂涂层孔隙率的方法；电弧喷涂铝基涂层耐腐蚀性能；电弧喷涂技术在转炉烟罩水冷壁防护上的应用；制备低孔隙超细涂层的高速电弧喷涂枪……     

低温高速喷涂法制造新型涂层

低温金属纳米粒子被高速喷涂到金属基体上的过程称为动能喷涂(KEM)。此法是由加州圣芭芭拉市的Inovati学院开发的。在该法中，金属粒子如Al、Ti或Cu与He或N在粉末流态化设备中混和，然后将其高速喷涂到金属基体上。当粒子打到基体上时，它产生足够的变形使表面积增大了约4倍，这使活性金属与基体冶金结合，通过仔细控制压力、速度、温度，防止粒子熔化、氧化或发生其它反应。因为粒子保持固态，粒子间形成金属混合物，而不像液态那样可互溶。若使用高温方式，纳米粒子在凝固时粒度增大，体现不了原始粒子横截面小的优势，但KEM法使纳米…     

冷喷涂技术的研究进展

冷喷涂是基于空气动力学原理的一种新型喷涂技术.它是利用低温(一般低于600℃)超音速气体射流加速喷涂粒子,使粒子不熔化,以固态形式与基体发生塑性碰撞而实现涂层沉积.相比于热喷涂技术,冷喷涂可以避免材料在喷涂过程中发生过热、氧化、晶粒长大等现象,适用于非晶、纳米晶涂层的制备.介绍了冷喷涂技术的原理、特点、沉积机制和工艺参数,总结了冷喷涂纳米涂层的研究进展.     

低温超音速喷涂团聚铁粒子沉积的SPH模拟

为了研究纳米团聚粒子形态对涂层特性的影响,应用SPH方法研究了低温超音速火焰喷涂金属团聚粒子的沉积行为.结果表明,纳米粒子团聚为微米级粒子后,基体碰撞出现了飞溅现象,应变变化明显.团聚粒子的等效塑性应变小于普通微米粒子,但团聚粒子的面积扩大比大于普通微米粒子.沉积过程中,当超过临界沉积速度后,金属团聚粒子与基体之间存在过渡区域,过渡区域随粒子速度的增加而扩大.     

大气物理气相沉积行为对层流等离子喷涂Mo涂层结构影响*

通过提高基体温度或粒子温度可以突破大气等离子喷涂涂层结合率一般不超过 1 / 3 的瓶颈，然而目前粒子温度难以通过提高功率等方式进一步提高。基于大气层流等离子喷涂的相关研究证明了层流等离子射流具有射流长度长、速度低、能量密度高等特点，能够有效通过提高粒子在等离子射流的滞留时间从而实现对粒子的充分加热。为了研究层流等离子喷涂高熔点 Mo 涂层的结构演变规律与关键影响因素，并推导出金属与陶瓷涂层的一般沉积行为，使用扫描电子显微镜对三种喷涂参数下制备的 Mo 涂层的结构进行了表征与分析。结果表明，喷涂过程中，在等离子射流以及高温粒子对基体的原位加热作用下，Mo 的氧化物蒸气能够在等离子射流扫掠中与扫掠后附着、沉积在涂层表面，从而影响后续 Mo 粒子的沉积而改变涂层的微观结构。涂层的结构主要与 Mo 粒子的蒸发和基体温度有关。粒子蒸发越剧烈，基体温度越高，涂层越趋向于呈现出多孔岛状凸起结构；粒子蒸发越弱，涂层越趋向于呈现出层状结构，有利于实现低氧化、高致密金属涂层的制备，拓宽等离子喷涂的应用。综合以上研究结果，揭示层流等离子射流中的粒子大量蒸发现象与气相沉积过程，为其作为一种大气环境物理气相沉积的实施方式奠定了基础。     

冷喷涂特性

冷喷涂技术是近年来发展起来的新型喷涂技术，该方法通过低温（＜600℃）的高速固态粒子与基体发生塑性碰撞而实现涂层沉积，可以避免喷涂材料在喷涂过程中受热影响而发生氧化，分解等，可以将喷涂材料的组织结构在不发生变化的条件下移植到基体表面，简要介绍了冷喷涂技术的原理与特点，冷喷涂层的组织结构与性能以及涂层沉积特性与行为的研究现状，粒子的速度对于涂层的沉积起着决定性作用，对于一定的材料存在一临界速度，约为500－600m/s，当粒子速度超过该临界速度后，随着速度的增加，沉积效率增加，最高可以达到80％以上，迄今的研究表明，冷喷涂可以实现大多数金属材料甚至金属陶瓷材料的沉积。     

超音速火焰喷涂Ni/MoS_2涂层形成及拉伸破坏机理

采用喷雾造粒方法对镍包二硫化钼与纳米碳化硅粉末进行了造粒,并应用超音速火焰喷涂技术制备了镍包二硫化钼涂层、镍包二硫化钼与纳米碳化硅复合涂层.镍包二硫化钼粉末粒子涂层形成过程中,喷涂粒子嵌入软基体材料,形成弹坑,有利于涂层的形成过程,而撞击形成的破碎粒子间存在孔隙、气孔,削弱了涂层机械强度.不同的喷涂粉末粒子对涂层的拉伸结合强度有很大影响,镍包二硫化钼涂层结合强度为13.679MPa,镍包二硫化铜与纳米碳化硅复合涂层结合强度为29.748 MPa.实验结果表明,复合粉末涂层形成过程中,高硬度的纳米粒子碳化硅在喷涂过程中嵌入基体表面,同时撞击破碎的二硫化钼粒子间被纳米碳化硅粒子及金属镍所充填,减少了破碎的二硫化钼粒子间的气孔和孔隙,提高了涂层的拉伸结合强度.     

Fe粒子参数对低温超音速火焰喷涂层构建的影响

应用LS-DYNA大应变有限元耦合算法,研究了低温超音速火焰喷涂Fe粒子参数对喷涂层构建的影响.结果表明,随着粒子温度或者速度的升高,粒子所含内能的增加,使得涂层界面温度不断升高,粒子的沉积塑性应变发生变化.粒子在不同基体上的沉积特征表明基体硬度将影响沉积粒子与基体界面的结合状态.随着涂层的构成,后续粒子对已沉积粒子的高速撞击使得先沉积的粒子产生二次塑性变形,并引发温变.先沉积的粒子塑性变形引起的粗化作用将降低后续粒子沉积的临界速度.这些将导致涂层在拉应力作用下发生脆性断裂.     

Deposition Behavior of Copper Fine Particles onto Flat Substrate Surface in Cold Spraying

Cold spray is a promising process to fabricate high-quality metallic coatings. However, it is necessary to improve some properties, especially the adhesive strength of the coating to the substrate to clarify deposition mechanism of the solid particles onto substrate surface. In this study, deposition behavior of the cold sprayed copper fine particles was observed precisely and the adhesive strength of the coating was evaluated. The deposition behavior of the sprayed individual copper particles on mirror polished stainless steel substrate was fundamentally investigated. The interface microstructure between sprayed particle and substrate revealed that an amorphous-like band region was recognized at interface during coating fabrication at high power conditions. For the deposition mechanism of the cold sprayed particles onto substrate surface, it was indicated that the deformation of the particles initially induce the destruction of its surface oxide and an appearance of the active fresh surface of the material may enhance the bonding between particles and substrate. On the other hand, in coating fabrication at high power condition, bonding between particle and substrate may be possibly formed via oxygen-rich amorphous-like layer at interface.     

一种新的磁控溅射在二氧化钛纳米颗粒表面负载纳米金的方法

目的将通常不适用于颗粒基底的磁控溅射方法应用于纳米颗粒基底,以探索简单、快速、无污染的纳米颗粒表面负载金属新方法。方法采用往复摆动样品台和变频振动发生器,将二氧化钛纳米颗粒充分分散,用磁控溅射方法在其表面负载了金属金纳米点,并初步研究了不同溅射功率对实验结果的影响。借助扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)与X射线光电子能谱分析(XPS)对所制备的纳米复合颗粒进行了形貌、结构和成分表征。结果使用磁控溅射方法,在平均粒径为21 nm的二氧化钛颗粒表面成功负载了粒径约1~10 nm的金属金纳米点,其分布均匀,与基底产生了紧密结合。结论磁控溅射方法可以应用于纳米颗粒表面负载金属。     

基体表面粗糙度对冷喷涂粒子沉积过程影响的物质点法数值分析

目的 解决有限元法模拟冷喷涂粒子沉积过程时存在的网格畸变等问题,并探讨粒子和粗糙基板的结合方式。方法 基于物质点法建立冷喷涂粒子沉积的仿真模型。利用FORTRAN语言自编程序对铜粒子冷喷涂铜基板的过程进行仿真分析,并与其他研究中的试验结果进行对照,结果吻合较好,表明物质点法模拟冷喷涂粒子沉积问题是可行且有效的。此外,分析基体表面粗糙度对粒子沉积过程的影响规律,并探讨粒子在不同位置沉积的结合机理。结果 随着表面粗糙度的增大,粒子扁平化趋势增大,回弹动能减小。表面粗糙度足够大时,粒子射流可能和基板形成机械咬合结构;粒子在波谷处沉积时受两侧波峰作用难以扁平化,但是凹坑深度增大,回弹动能减小,粒子基板结合强度增大;粒子在左侧半腰处沉积时,其在切向速度分量作用下与右侧波峰形成二次接触,形成了较长的射流。结论 粒子与基板的结合强度随着表面粗糙度的增大而增大。粒子在波峰处可以形成机械咬合结构;在波谷处凹坑深度增大、回弹动能减小,起填充作用;在半腰处能够与右侧波峰产生二次接触,增大结合强度。研究结果可为冷喷涂工艺生产提供一定指导。     

基于SPH的超音速火焰喷涂WC-12Co粒子速度对其沉积行为的影响

目的 以超音速火焰喷涂过程为基础,探究粒子撞击速度对粒子在基体上沉积行为的影响。方法 应用SPH方法,模拟分析WC-12Co粒子速度在400～800 m/s内,单个粒子在相同基体上的沉积行为。结果 粒子撞击速度与粒子扁平率、粒子基体结合面积、结合方式等有密切关系。随着粒子撞击速度的增加,基坑深度持续增大至最小深度的4.6倍,金属射流对提高粒子扁平化程度及粒子与基体的有效结合面积起到促进作用,总接触面积最大可达到原有效接触面积的2.7倍。撞击速度的提升使得有效塑性应变及应变区域增加,形变区域增大。同时,结合面温升总体增加,增强了粒子与基体的结合条件。沉积过程存在能量耗散,初始能量的提高有利于粒子与基体总能量的增加,强化了压实效应,进一步促进粒子与基体的结合。结论 在数值模拟选取的范围内,超音速火焰喷涂WC-12Co粒子的撞击速度越高,粒子与基体的结合状态越好。     

Thermosonic bonding of crossed strip Au bumps

Abstract

Gold strip bumps for electronic packaging are bonded using the thermosonic process. The Au strip bumps on the chip and substrate are aligned in a crossed configuration, and ultrasound is applied longitudinally on the chip to form a solid state bond between the crossed strip Au bumps. Deformed bump shapes are calculated numerically, and the shear force and fractured surface profile are measured to evaluate the bond quality. The deformed Au bump shape is similar to a saddle, which provides larger contact surface area and greater friction force. The bond strength of crossed strip bumps reaches the yield strength of Au, which is much higher than that previously obtained for bonding between Au bumps and a planar pad.     

Effect of the substrate temperatures on the epitaxial rearrangement of the deposited Au nanoclusters

As the existence of charged clusters in the gas phase, which were predicted by the charged cluster model, has been confirmed for many thin film processes, it becomes important to understand the deposition dynamics of the clusters. In this study, deposition behaviors of the cluster of 1985 Au atoms on the (100) gold surface were studied at the deposition temperatures of 300, 700 and 1000 K by molecular dynamics (MD) simulation using the embedded atom method (EAM) potential. After 320 picoseconds of cluster landing on the surface at 300 and 700 K, only a part of the cluster rearranged into the epitaxial orientation with the substrate with the rest of the cluster making a grain boundary at 300 K and a twin at 700 K. At 1000 K, however, the cluster fully underwent epitaxial recrystallization. These results imply that the high rate of epitaxial deposition by clusters of a few nanometers is possible as long as the substrate temperature is sufficiently high as was previously suggested in the charged cluster model.     

Au / Ni / Cu 多层薄膜热带海洋气候腐蚀失效机制研究

目的了解Au/Ni/Cu多层金属薄膜在热带海洋气候下的失效机制,为研究电子元器件表面腐蚀失效的早期预警提供参考。方法采用磁控溅射法在p型单晶Si(100)基片上沉积Au/Ni/Cu薄膜,在热带海洋气候环境下进行时效实验,采用原子力显微镜及俄歇电子能谱对薄膜失效表面与界面结构微观变化进行研究。结果时效实验初期,Au/Ni/Cu薄膜表面发生了Au原子聚集,形成了不再连续的岛状结构,岛与岛之间产生了表面微裂纹。随着时效时间的延长,表面形成腐蚀洞,腐蚀洞附近有Ni和Cu扩散至Au层表面。时效时间进一步延长后,腐蚀洞的数量增加,面积增大,此时样品处于腐蚀末期;与此同时,在未产生腐蚀洞的区域,Au/Ni/Cu薄膜界面未出现明显粗化。结论 Au/Ni/Cu薄膜在热带海洋气候中的失效主要是通过表面产生的腐蚀洞进行的。     

超音速火焰喷涂镍基涂层颗粒沉积特性的数值模拟

目的 考虑后续不同粒径颗粒随机冲击的影响,探索热喷涂涂层颗粒的沉积特性。方法 利用ABAQUS建立颗粒与基底冲击模型,通过颗粒冲击的凹坑深度和应力分布进行网格收敛性研究。通过实验验证模型的可行性。随后,应用验证模型研究颗粒以不同入射角和速度冲击基底时的沉积特性,以及4个颗粒重叠冲击基底及多颗粒随机冲击基底表面时的沉积特性。结果 在颗粒入射角从15°增至60°时,颗粒更好地附着于基底表面;当颗粒速度从350 m/s增至500 m/s时发生了溅射现象,可能造成绝热剪切失稳现象,形成有效结合;在4个颗粒冲击基底时,第2个颗粒对第1个颗粒及基底的影响都最明显;当多颗粒随机冲击基底时,在后续颗粒的冲击和沉积作用下,填充颗粒的形状不规则,同时第1层颗粒可能与基底形成机械咬合。结论 在超音速火焰喷涂时应当倾斜一定角度,同时提升颗粒速度,这对制备涂层更有利;在颗粒重叠冲击时,后续颗粒增大了第1个颗粒的压缩效果,且更深入地嵌入不锈钢基底,这有利于颗粒与颗粒之间的后续黏结;当多颗粒随机冲击基底时,在第1层沉积颗粒与基底之间,以及涂层内相邻颗粒之间均观察到高塑性应变,表明涂层出现黏结,同时后期沉积的颗粒未完整压缩变形。     

几种金属基板上冷喷涂铜涂层的试验与模拟

采用自主研制的冷喷涂设备在三种典型基板上进行喷涂试验,相同的工艺参数下,在铜和铝基板上得到良好的铜涂层,而在钢基板上则没有沉积.实验结果表明:涂层与基板界面、涂层内部颗粒界面结合良好,铜涂层组织致密,显微硬度高达150HV0.1;从涂层表面形貌扫描电镜(SEM)照片中可以观察到射流状的金属,说明颗粒发生了巨大变形,经计算知颗粒在碰撞中压缩率达69%;粉末和涂层的X射线衍射(XRD)结果表明铜粉末在冷喷涂过程中没有发生氧化.同时,数值模拟了铜颗粒与三种基板的碰撞过程,讨论了形成有效结合的判断准则,根据该准则,计算出铜颗粒在铜、铝、钢基板上的临界沉积速度分别为600m/s,500m/s,800m/s,从而解释了铜颗粒在三种基板上不同的沉积行为.     

Influence of process parameters on the deposition footprint in plasma-spray coating

This paper presents an investigation of the influence of plasma spray process conditions on the in-flight particle behavior and their cumulative deposition to form a coating on the substrate. Three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) analyses were performed to model the in-flight particle behavior in the plasma-spray process and their deposition on the substrate. The plasma spray was modeled as a jet issuing from the torch nozzle through the electrical heating of the arc gas. In the model, particles were injected into the plasma jet where they acquired heat and momentum from the plasma, some got melted and droplets were formed. By means of a droplet splatting model, the particle in-flight data generated by the CFD analyses were further processed to build up an imaginary three-dimensional deposition profile on a flat stationary substrate. It is found that the powder carrier gas flow rate influences the particle distribution on the substrate by imparting an injection momentum to the particles that were directed radially into the plasma jet in a direction perpendicular to the plasma jet. The larger sized particles will acquire higher injection momentum compared with the smaller sized particles. This causes particle distribution at the substrate surface that is elliptical in shape with the major axis of ellipse parallel to the particle injection port axis as illustrated in Fig. 1. Larger particles tend to congregate at the lower part of the ellipse, due to their greater momentum. The distribution of particle size, temperature, velocity, and count distribution at the substrate was analyzed. Further, based on the size and the computed particle temperature, velocity histories, and the impact sites on the substrate, the data were processed to build up a deposition profile with the Pasandideh-Fard model. The shapes of deposition profiles were found to be strongly driven by the segregation effect.