近發表的一篇論文證明了將冷噴涂增材制造用于帶有錫 (Sn) 涂層的碳纖維增強塑料 (CFRP) 金屬化的可行性。

 

CFRP 作為一種有效的輕質復合材料廣泛用于汽車和航空航天工業。然而，CFRP 具有低導電性，這是一個主要缺點，因為雷擊會嚴重損壞飛機中的 CFRP 部件，對機組人員和乘客構成風險。

 

為了解決這個問題，開發并研究了幾種雷擊保護 (LSP) 解決方案。在這些解決方案中，通過在 CFRP 上沉積涂層的聚合物表面金屬化可以有效地提高復合材料的導電性。

冷噴涂是一種增材制造工藝，主要涉及在低溫下進行粉末噴涂，導致顆粒在撞擊基材后發生變形。由于粒子的運動能通過會聚-發散針加速到高速，因此在該過程中發生固態致密化。

 

此外，基于加工條件的100g min -1及以上的高材料沉積速率有助于降低制造成本。因此，冷噴涂技術被認為是一種適用于聚合物基材料金屬化的表面處理技術，在冷噴涂加工過程中熱損傷小。

 

使用冷噴涂技術成功地將金屬涂層沉積在熱塑性 CFRP 基材上。然而，由于侵蝕造成的表面損傷，使用冷噴涂技術的熱固性 CFRP 表面金屬化具有挑戰性。

 

Sn 作為冷噴涂 LSP 的涂層材料，由于其易于在聚合物基基材上變形和低熔點而引起了相當大的關注。因此，冷噴涂 Sn 涂層可以作為 CFRP 的有效 LSP。

 

在 473 至 523 K 的氣體溫度下，使用低壓冷噴涂技術成功地將連續的 Sn 涂層應用于環氧基熱固性 CFRP 基材。然而，由于多涂層，冷噴涂涂層在 573 K 以上的溫度下受到阻礙CFRP 基板的層壓腐蝕。

 

動態再結晶 (DRX) 是在變形過程中發生的一種再結晶形式。在冷噴涂過程中，DRX 僅發生在基材-顆粒和/或顆粒-顆粒界面處。例如，在一項研究中觀察到在碳鋼基材上沉積鎳涂層時會形成超細晶粒。類似地，在銅基板和冷噴涂銅顆粒之間的界面處觀察到 DRX。

 

盡管之前的研究已經研究了冷噴涂過程中涂層的DRX，但迄今為止尚未充分研究沉積Sn涂層的微觀結構演變以及演變對涂層機械性能的影響。

 

在這項研究中，研究人員使用冷噴涂增材制造技術在環氧基熱固性 CFRP 復合材料上沉積純 Sn 涂層，在 473 K 氣體溫度下具有 96、48 和 24 三種不同的通過次數。后來，他們研究了可變通數對 Sn 涂層的機械性能和微觀結構演變的影響，并分析了冷噴涂后沉積的 Sn 涂層中 DRX 的發生。

 

在冷噴涂工藝中，通過次數是一個可變參數，可以顯著影響涂層質量。因此，通過數是增材制造的關鍵因素。在樣品制備過程中，液氮用于保持樣品架的低溫，以避免熱損傷。

 

將平均粒徑為 24 μm 的水霧化 Sn 粉末用作起始材料。通過將衛星顆粒附著到較粗的顆粒上獲得非球形 Sn 顆粒。CFRP 復合材料由碳纖維增強材料和熱固性環氧樹脂基體組成。在冷噴涂過程之前，使用丙酮對 30 × 30 × 2 mm 3 CFRP 樣品進行脫脂。

 

使用商業冷噴涂系統沉積 Sn 涂層。采用具有定制的收斂-發散結構的 de Laval 噴嘴來輸送加熱的壓縮空氣。材料沉積速率和噴涂距離分別保持在 7 g min -1和 20 mm。軋制的 Sn 板用作研究的參考。

 

InfRec R300 高分辨率紅外熱成像儀用于在冷噴涂實驗期間測量樣品的表面溫度。使用廣域三維 (3D) 測量系統表征橫截面形態和表面輪廓。

 

分別進行 X 射線計算機斷層掃描測量和電子背散射衍射 (EBSD) 分析以評估 Sn 涂層的孔隙率并監測涂層的微觀結構演變。透射電子顯微鏡用于表征錫涂層。進行維氏硬度測試以確定維氏硬度值。

 

使用冷噴涂技術在熱固性 CFRP 上成功沉積了純 Sn 涂層。與氣體溫度相比，實時測量的 Sn 涂層表面的溫度較低。

 

然而，由于與 CFRP 基板相比，Sn 具有更高的熱導率，由于 Sn 沉積量的增加，溫度隨著通過次數的增加而降低。

 

冷噴涂Sn涂層的晶粒尺寸隨著道次的增加而逐漸減小。通過 96 次沉積獲得了平均晶粒尺寸為 4.5 µm 的相對更細粒度的均勻顯微組織。

 

晶粒內部的幾何必要位錯 (GND) 密度/Sn 涂層的晶內局部取向錯誤隨著道次的增加而增加，表明在多道冷噴涂過程中位錯不斷累積。

 

同時觀察位錯亞結構形成和晶粒細化表明在多道次冷噴涂過程中 Sn 涂層中的 DRX。DRX的出現顯著提高了涂層微觀結構的強度。

 

Sn 冷噴涂過程中相對較高的歸一化變形溫度 (T/T m ) 加速了 DRX 動力學。此外，由于重復的粒子碰撞造成的搗固效應增加了 DRX 顆粒的體積分數。DRX 分數隨著道數的增加而增加，終在 96 道沉積后超過 60%。

 

沉積涂層的維氏硬度隨著道次的增加而顯著增加，導致在構建方向上的硬度分布更加均勻，這表明累積位錯和晶粒細化的協同強化作用。

 

總而言之，這項研究的結果證明了冷噴涂增材制造 Sn 涂層作為 CFRP 金屬化的 LSP 方法的有效性。