冷喷涂Cu/Al合金界面结合机制的原子尺度解析：分子动力学模拟与实验研究

为解决铝合金表面摩擦磨损性能不足及腐蚀防护需求，研究人员通过分子动力学模拟(MD)与实验结合，揭示了冷喷涂(CS)技术中铜粒子(Cu)与铝合金(Al)基底的结合机制。研究发现粒子速度(Vp)通过促进位错增殖、动态再结晶及Cu9Al4/CuAl金属间化合物形成，实现绝热剪切失稳(ASIs)主导的冶金结合，为优化CS工艺参数提供理论依据。

　　

铝合金因其轻质高强的特性，在航空航天、汽车制造等领域应用广泛，但表面易磨损和腐蚀的问题长期制约其性能发挥。铜涂层凭借优异的导电、耐蚀性成为理想保护层，而冷喷涂技术(CS)因其低温加工优势成为关键制备手段。然而，微米级粒子在纳秒级时间尺度下的结合机制始终是未解之谜，传统理论难以解释界面原子扩散与冶金结合的动态过程。

为破解这一难题，浙江某高校联合深圳华算科技的研究团队在《Materials Science and Engineering: A》发表研究，通过分子动力学模拟(MD)与实验验证，首次在原子尺度揭示了Cu/Al合金冷喷涂界面演化的多阶段机制。研究采用嵌入原子法(EAM)势函数，利用LAMMPS软件模拟不同速度(500-1000 m/s)下Cu粒子撞击Al基体的动态过程，结合SEM、XRD等实验手段，定量分析了温度场、冯米塞斯应力、位错密度等关键参数。

主要技术方法

1. 分子动力学模拟：采用EAM势函数模拟Cu/Al原子相互作用，时间分辨率达皮秒级
2. 冷喷涂实验：使用高纯度Cu粉末在Al基体上沉积涂层
3. 微观表征：SEM观察形貌，XRD分析相组成，OVITO软件解析晶体结构演化

研究结果

MD simulations and EAM potential
模拟显示Cu粒子撞击后发生剧烈塑性变形，速度增加导致位错密度从1.5×10¹⁶ m^-2(500 m/s)升至3.2×10¹⁶ m^-2(1000 m/s)，伴随晶粒细化。

Cold spraying process and crystal structure evolution
OVITO分析发现撞击瞬间界面形成非晶过渡层，随后原子扩散生成Cu₉Al₄和CuAl金属间相，证实冶金结合的分阶段形成机制。

Conclusions

1. 粒子速度是界面结合的关键因素：800 m/s时达到最佳穿透深度(4.2 nm)与扁平化率(2.8)
2. 绝热剪切失稳(ASIs)引发局部温升(>600 K)，促进动态再结晶
3. 界面处位错增殖与原子扩散协同作用，颠覆传统机械互锁主导理论

这项研究通过原子尺度动态捕捉，阐明CS技术中温度-应变-微观结构的多场耦合机制，为优化涂层工艺提供新视角。尤其发现的速度敏感效应和非晶过渡层形成机制，对开发高性能金属涂层具有重要指导意义。尽管模拟尺度与实验存在差异，但位错密度演化与实验观测的高度吻合，验证了MD模拟对实际工艺的预测能力。