冷喷涂增材制造技术研究现状及应用与挑战

冷喷涂增材制造技术是一种固态增材方法,其依靠粉末颗粒塑性变形形成结合,增材构件几乎没有氧化、相变及晶粒长大、裂纹等缺陷,较低的沉积温度对基体热影响较小,同时具有增材效率高和制造大构件等优势,已受到多个国家研究团队的关注,被认为是一种强大而有用的增材制造及增材修复技术。鉴于目前冷喷涂增材制造技术受到各国学者和工业界越来越多的关注,本文试图在阐述冷喷涂设备的基础上,总结典型冷喷涂沉积体（Cu、Al、Ti及Ta等材料）组织结构与性能,重点介绍冷喷涂增材制造技术在国防领域的应用和新进展。同时,也指出了目前冷喷涂增材制造技术存在的挑战。最后对冷喷涂增材制造技术发展尚存的问题与发展方向进行了展望。     

冷喷涂技术在增材制造和修复再制造领域的应用研究现状

冷喷涂是一种新型固态涂层制备方法,在制备高性能金属或金属基复合材料涂层方面表现出突出的优势。因此,通过工艺与设备设计,冷喷涂有望用于金属构件的近净成形或增材制造(3D打印),同时也是一种新型的修复技术。综述了冷喷涂技术的特点,并对其在增材制造和快速修复领域的国内外研究现状进行了综述,最后对目前存在的问题和发展方向进行了展望。     

冷喷涂技术的研究进展与应用

近年来,冷喷涂技术是一门备受关注的新兴技术,冷喷涂过程中超音速金属粒子以固态形式碰撞基体后产生剧烈的塑性变形从而形成沉积。 由于冷喷涂的沉积可以实现连续堆积而逐层增厚,从而使该技术从一种涂层加工技术发展成为一种快速的增材制造技术。 经历了 30 多年的迅猛发展,冷喷涂技术的研究方向正在从基础理论研究转变到应用开发,其中一些应用已经实现工业化量产。 文中介绍了冷喷涂的技术及工程化应用特点,展示了典型冷喷涂涂层性能等基础研究以及冷喷涂涂层应用等开发方面的工作,并且重点介绍了冷喷涂技术在航空航天、能源动力、电子电力、增材制造等领域的应用研究方面所取得的一些新进展。     

冷喷涂技术及其在增材制造中的应用专题研讨会(襄阳)通知

冷喷涂技术是利用加热的高压气体通过拉瓦尔喷嘴产生超音速气流,将送入气流的粉末颗粒加速到300~1500m/s后使其碰撞基体产生剧烈的塑性变形并与基体形成固相连接、进而实现涂层沉积的方法。因其具有涂层厚度不受限制、加工效率高等特点,目前已逐渐发展成为一种快速增材制造技术,备受业界关注。与传统热喷涂方法不同,其加工温度低,金属材料在喷涂过程中氧化程度低,材料受到的热影响较小,通过工艺控制制备的沉积体孔隙率极低,部分材料沉积体性能可与相应块材媲美。随着冷喷涂技术的研究与发展,其实际应用范围正在不断扩大。冷喷涂技术作为材料加工技术的新生一员,已进入实际应用阶段,将成为具有潜力的现代涂层制造以及快速增材制造技术之一。     

焊接/连接与增材制造(3D打印)

金属构件增材制造(3D打印)的技术基础是焊接/连接。近20年来,在国内外增材制造实现了两大突破:其一是把早期的激光快速成形(3D打印)光敏树脂等非金属材料制品向金属结构件的增材制造发展的突破;其二是把高能束流热源(电子束、激光束)的柔性和焊接成形技术与计算机辅助设计/制造(CAD/CAM)信息技术深度融合,实现了金属结构订制式无模制造,形成了新的产业发展方向。引入"广义增材制造"的概念,更是把其它类型能源用于增材制造也涵盖其中,扩大了热源范围,有利于增材制造产业面的扩展,如氩弧堆焊成形、焊接修复、等离子喷涂成形、冷喷涂成形、线性摩擦焊块体组焊成形等。北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室、航空连接技术重点实验室与中国搅拌摩擦焊接中心历年来研究开发了基于高能束流的增材制造技术和系列广义增材制造技术,简要论述了焊接/连接与增材制造的渊源,综述了研发并已工程应用的主要增材制造技术,为航空工业提供了新产品研发制造的快速响应。     

冷喷涂制备金属涂层及其在增材制造应用中的研究进展

冷喷涂由于具有粉末加热温度低、涂层中氧含量及孔隙率较常规热喷涂涂层显著降低等特点,而广泛应用于制备各种类型的涂层或块体材料。近年来,冷喷涂设备及工艺的改善使其在增材制造和零件修复方面也具有极大的应用前景。综述了冷喷涂制备高性能软质相金属和硬质相金属/非金属涂层的研究进展,重点围绕原始颗粒结构、冷喷涂工艺参数、添加第二相和后处理手段对涂层制备及性能优化的效果进行总结,并对冷喷涂制备复合涂层的结合机理进行了阐述,包括软质相颗粒形成单一涂层和添加硬质相颗粒复合涂层的结合机理,且涂层中颗粒之间的结合主要为机械结合、物理结合、冶金结合和化学结合中的一种或多种结合形式。同时,介绍了冷喷涂技术在增材制造领域和零件修复方面的研究进展和存在的问题。最后,分析总结了冷喷涂的应用前景和存在的问题。     

铝合金电弧增材制造技术研究进展

增材制造技术是制造业信息化、数字化、智能化的重要组成内容,而电弧增材技术在铝合金成形中具有较好的应用优势。从金属增材制造技术分类、发展历程、标准规范、技术原理等方面,对比分析了不同增材制造技术的优势与局限。特别介绍了以冷金属过渡技术为代表的电弧增材技术,讨论了电弧增材技术的自身优势与局限性,及其应用于铝合金结构件一体化制造的优势。从成形工艺、气孔缺陷、强韧化技术等多方面综述了国内外铝合金电弧增材技术的研究发展,介绍了目前国内外在铝合金电弧增材制造方向的研究工作以及遇到的主要问题,重点分析了铝合金电弧增材制造样品强韧化方法与效果,介绍了国内外的相关优秀案例。最后总结了未来铝合金电弧增材制造技术需要着重解决的问题与方向,包括原材料质量问题、几何精度问题、气孔、热裂纹和残余应力问题、组织和力学性能问题。     

数字孪生驱动增材制造的研究进展

数字孪生技术是充分利用物理模型、传感器信息、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程。该技术与增材制造相结合,是实现制造物理世界和信息世界智能互联与交互融合、减少工艺参数试错实验、控制增材制造打印件组织性能和节省打印成本的潜在手段。因此讨论了数字孪生驱动增材制造的背景与意义;介绍了建立增材制造数字孪生系统的关键要素;阐述了增材制造的模型优化设计、分层切片、路径规划、机理模型、传感与控制、统计模型、大数据和机器学习等方面的发展现状以及目前存在的一些挑战;提出了数字孪生驱动增材制造的未来发展方向和研究重点。     

金属熔丝增材制造技术的研究现状与展望

随着现代计算机技术的快速发展,增材制造技术在诸多工业领域得到了广泛应用,逐渐成为智能制造技术的典型代表。其中,金属熔丝增材制造由于其成形效率高、成本低、材料利用率高等优势,已逐渐成为国内外增材制造研究的热点。介绍了金属熔丝增材制造技术的分类、应用范围、各自的优缺点和研究现状,重点讨论电弧熔丝增材制造技术的细分领域现状及应用,分析金属熔丝增材制造技术的未来研究目标与发展趋势。     

基于电弧的多能场复合增材制造技术研究现状

增材制造主要分为激光增材制造技术、电子束增材制造技术和电弧增材制造技术。相较于其他增材制造技术和传统加工方式,电弧增材制造技术具有成形速度快、成本低、材料利用率高,以及成形件化学成分均匀且性能优良等优势,被广泛应用于大型金属零件制造。电弧增材制造因具有多样化的应用方向,可以满足不同标准零部件的加工制造,已经逐步成为当下主流的零部件加工技术。主要介绍了单一热源(如钨极)气体保护增材制造技术、等离子弧增材制造技术、熔化极气体保护增材制造技术、冷金属过渡增材制造技术和多能场辅助电弧复合增材制造技术,包括磁场–电弧、激光–电弧和电场–电弧等复合增材制造技术等。从宏观形貌、微观组织和力学性能3个角度出发,分析了工艺参数或工艺自身特性对增材制造成形件宏观形貌的影响,讨论了成形件显微组织演变机制及其力学性能,同时提出了单一热源与多能场辅助电弧增材制造技术在现阶段存在的问题,并给出了建议。     

冷喷涂技术及其系统的研究现状与展望

与传统的热喷涂相比,冷喷涂具有沉积温度低、沉积效率高、孔隙率低,以及粉末在沉积过程中不易发生氧化、分解、相变和纳米结构材料的晶粒长大等问题,这使得氧化敏感、温度敏感和相变敏感等材料的高质量涂层制备成为可能.更值得一提地是,近年来冷喷涂工艺与设备的大力发展使冷喷涂作为一种快速固态成形工艺,在金属增材制造和航空航天等关键零...     

冷喷涂过程中气固两相流动行为及喷涂工艺优化研究新进展

冷喷涂技术因其固态沉积特性及突出的冶金优势,在金属或金属基复合材料涂层制备、增材制造与修复再制造等领域获得了国内外研究者的广泛关注。 近十年来,国内外对冷喷涂技术的基础理论研究也取得了重要进展。 冷喷涂粒子加速加热行为是结合机理研究的先决条件。 因此,文中结合作者多年的研究经验,对冷喷涂过程中气固两相流动行为及喷涂工艺优化的最新进展进行了综述。 首先,分析了冷喷涂喷嘴内外的气体流动特性;其次,讨论了冷喷涂粒子的加速与加热行为;然后,阐述了冷喷涂过程中工艺参数优化的策略;最后,给出了相关研究的发展方向。     

‘Cold spray +’ as a new hybrid additive manufacturing technology: a literature review

ABSTRACT

Cold spray (CS) is a new solid state coating technique that has attracted considerable attention as it is quite suitable for mass production of metallic materials or metal matrix composites. More recently, cold spray additive manufacturing (CSAM) has been proposed to fabricate/repair components or produce welding joint. However, inherently deficient in ductility/plasticity of CSAMed materials limits its application. Therefore, many hybrid processes have been proposed to further explore CS, which can be grouped together as ‘cold spray +’ hybrid processes (laser, shot peening and friction stir processing). This review will summarise the state-of-the-art of the ‘cold spray +’ processes to show their abilities and their effectiveness. Recommendations for further research and development have been incorporated to help widespread the process.     

Cold Spray Deposition of Freestanding Inconel Samples and Comparative Analysis with Selective Laser Melting

Cold spray offers the possibility of obtaining almost zero-porosity buildups with no theoretical limit to the thickness. Moreover, cold spray can eliminate particle melting, evaporation, crystallization, grain growth, unwanted oxidation, undesirable phases and thermally induced tensile residual stresses. Such characteristics can boost its potential to be used as an additive manufacturing technique. Indeed, deposition via cold spray is recently finding its path toward fabrication of freeform components since it can address the common challenges of powder-bed additive manufacturing techniques including major size constraints, deposition rate limitations and high process temperature. Herein, we prepared nickel-based superalloy Inconel 718 samples with cold spray technique and compared them with similar samples fabricated by selective laser melting method. The samples fabricated using both methods were characterized in terms of mechanical strength, microstructural and porosity characteristics, Vickers microhardness and residual stresses distribution. Different heat treatment cycles were applied to the cold-sprayed samples in order to enhance their mechanical characteristics. The obtained data confirm that cold spray technique can be used as a complementary additive manufacturing method for fabrication of high-quality freestanding components where higher deposition rate, larger final size and lower fabrication temperatures are desired.     

热喷涂技术的新发展

在过去的几年里，热喷涂技术在喷涂工艺、喷涂材料、涂层质量监控等方面都有很大发展，喷涂层应用领域也进一部扩大。其主要标志为新三阴极等离子喷涂系统、微等离子喷涂工艺、冷喷工艺的开发和应用，高速火焰喷涂工艺的进一步改进和完善，亚微米及纳米结构等新型喷涂材料的开发，喷涂粒子和基体诊断分析系统的开发和应用以及喷涂层在汽车发动机上的应用。     

Cold Spraying of Armstrong Process Titanium Powder for Additive Manufacturing

Titanium parts are ideally suited for aerospace applications due to their unique combination of high specific strength and excellent corrosion resistance. However, titanium as bulk material is expensive and challenging/costly to machine. Production of complex titanium parts through additive manufacturing looks promising, but there are still many barriers to overcome before reaching mainstream commercialization. The cold gas dynamic spraying process offers the potential for additive manufacturing of large titanium parts due to its reduced reactive environment, its simplicity to operate, and the high deposition rates it offers. A few challenges are to be addressed before the additive manufacturing potential of titanium by cold gas dynamic spraying can be reached. In particular, it is known that titanium is easy to deposit by cold gas dynamic spraying, but the deposits produced are usually porous when nitrogen is used as the carrier gas. In this work, a method to manufacture low-porosity titanium components at high deposition efficiencies is revealed. The components are produced by combining low-pressure cold spray using nitrogen as the carrier gas with low-cost titanium powder produced using the Armstrong process. The microstructure and mechanical properties of additive manufactured titanium components are investigated.