《Surface and Coatings Technology》：A comparative study of cold-sprayed and slurry-painted Ti
6Al
4V coatings on AISI 316: Influence of sintering temperature on microstructure and properties
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本研究对比冷喷涂（CS）与浆料喷涂（SP）制备的Ti6Al4V涂层经真空烧结后的性能。结果显示冷喷涂在1150°C时摩擦系数最低（0.11），浆料喷涂在1100°C时腐蚀率最优（0.52 mmpy）。冷喷涂涂层致密连续，适合高端应用；浆料喷涂成本更低，通过优化烧结温度可满足需求。
Jung-Ting Tsai|Hsuan-Ming Liao|Wei-Lun Zhang|Cheng Liang|Marc Müggenburg|Klaus Thiele|Julian Unglaub
台湾国立科技大学机械工程系，台北市106335，中华民国
摘要
本研究比较了通过冷喷涂（CS）和浆料涂装（SP）技术在AISI 316基材上沉积的Ti6Al4V涂层，并在1050、1100和1150°C下进行真空烧结以形成金属间化合物（IMC）层。烧结后分析表明，Ti元素扩散到了基材中，而Fe、Cr和Ni元素则更快地扩散到了涂层中。在所有温度下，冷喷涂都形成了Ti4Fe2O和TiO。然而，由于Fe元素扩散不足，在1050°C和1100°C时，浆料涂装形成了-Ti、Ti3Al和TiO；仅在1150°C时形成了Ti4Fe2O。机械测试显示，涂层横截面存在硬度梯度，从表面向内部逐渐降低。电化学分析确定1100°C是最佳烧结温度，该温度下CS和SP处理的样品都具有较低的腐蚀速率（分别为0.23 mmpy和0.52 mmpy）。冷喷涂涂层具有更好的耐磨性能，在1150°C时摩擦系数最低（0.11）。冷喷涂涂层密度更高、更连续，且耐腐蚀性更强，适用于高端应用；而浆料涂装则是一种低成本、简单的替代方案，在正确烧结条件下也能提供足够的耐腐蚀性和耐磨性。
引言
奥氏体不锈钢，特别是AISI 316，在结构工程、承重应用和高压运输系统中起着基础性作用。其广泛应用得益于优异的成本性能比和出色的耐腐蚀性。这种耐腐蚀性主要归功于镍（Ni）和铬（Cr）等合金元素，它们有助于形成稳定的Cr2O3钝化层，从而将基材与环境应力隔离开来。此外，钼（Mo）的添加显著提高了抗点蚀能力。尽管如此，AISI 316在需要高温化学惰性和优异耐磨性的极端环境中仍存在局限性。在这种情况下，像Ti6Al4V这样的钛合金是理想选择，但由于成本较高，其应用主要限于航空航天和核能等高端领域。表面涂层技术是实现局部功能化的重要手段，可以延长组件寿命并减少昂贵原材料的使用[1]、[2]。
冷喷涂（CS）和浆料涂装（SP）是两种常用的表面改性方法。CS是一种高能量沉积工艺，通过压缩氮气（3.0–5.0 MPa）和预热（600–900°C）为颗粒提供足够的变形能量。本研究还使用了Inconel 625粘合层来增强AISI 316基材与Ti6Al4V顶层涂层之间的初始附着力。虽然CS能够精确控制涂层密度和厚度，但成本较高。相比之下，SP是一种低成本的简化化学工艺，使用Ti6Al4V:PVA:DI水浆通过3D打印模具进行涂覆。历史上，SP由于初始涂层密度低和附着力差而受到限制；沉积后的涂层通常存在孔隙，导致腐蚀速率较高（例如3.4 × 10?5 A/cm2），需要后处理才能满足工业标准[3]、[4]、[5]。
真空烧结对于通过致密微观结构和促进金属间化合物（IMC）的形成来转化机械键合至关重要。这一过程中的原子迁移遵循Arrhenius方程（D = D0 × e(?Q/kT)》，其中温度是扩散的主要驱动力。在Ti/钢体系中，Fe、Ni和Cr等基材元素在高温下比Ti（20 μm）扩散得更快（可达60 μm）。虽然IMC如Ti4Fe2O、Fe2Ti和FeTi对键合至关重要，但它们的生长必须严格控制，以避免过度脆化和接头拉伸强度下降[6]、[7]、[8]、[9]。Ghosh等人[10]指出，尽管在低至850°C的温度下即可开始键合，但界面微观结构仍受初始沉积状态的影响。现代固态工艺（如冷喷涂）利用高速冲击实现高密度，但Lett等人[11]指出，沉积材料通常存在残余孔隙和有限的延展性。同样，在浸涂或浆料涂装等经济可行的工艺中，也需要通过高温真空烧结来实现从机械附着力到连续金属键合的转变。Liang等人[12]证明，在1100–1200°C范围内烧结可以显著提高极化阻抗和表面硬度，通过“修复”界面孔隙并促进稳定的金属间“桥接”。因此，挑战在于优化热预算，以在不损害基材性能或导致界面脆性失效的情况下最大化扩散键合和界面密度[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。
沉积的Ti6Al4V涂层的功能性能常受到沉积过程中固有结构缺陷的阻碍。Khun等人的研究[18]表明，CS沉积的Ti6Al4V涂层比块状Ti6Al4V具有更低的耐腐蚀性，表现为更高的腐蚀电流密度（3.4 × 10?5 A/cm2对比8.3 × 10?8 A/cm2）和较低的电荷转移电阻。这种性能差异主要归因于涂层内部的孔隙和表面粗糙度，这些因素增加了暴露于电解质的有效表面积，促进了腐蚀性物质的渗透。
类似地，这些涂层的摩擦学可靠性更多取决于摩擦系数的操作稳定性，而非其绝对值。虽然CS沉积的Ti6Al4V涂层通常保持与块状材料一致的摩擦系数（0.50–0.60），但Shao等人[19]强调，摩擦系数随时间的波动是磨损抗性的关键指标。滑动过程中的较大变化或上升趋势表明摩擦行为不稳定，通常是由于抗磨能力不足或界面附着力差所致。这些观察结果突显了沉积后热处理（如真空烧结）的必要性，通过致密微观结构和建立稳定的金属键合来弥补性能差距，从而抵抗化学和机械降解。
本研究的主要目的是在高能量动力学沉积（CS）和低能量浆料沉积（SP）之间建立机制上的“直接”比较。这里解决的一个核心科学问题是确定热力学收敛阈值——即SP工艺在微观结构和功能性能上达到与工业标准CS工艺相当的温度。通过将相变（通过TEM和XRD确定）与功能结果（微观硬度梯度、耐磨稳定性和电化学阻抗）相关联，本研究旨在确定一个最佳处理窗口——大约在1100–1150°C范围内——以验证用简化浆料方法替代高成本喷涂技术的可行性。
材料选择
错误！找不到参考来源指出了本研究中使用的材料，包括经过喷砂处理至表面粗糙度为Ra = 4.5 ± 0.5 μm的AISI 316块状基材。Ti6Al4V粉末由Fullwell Tech Material Co., Ltd.（台湾）提供。在CS或SP处理之前，使用#1500砂纸打磨AISI 316块状基材的表面，以去除钝化膜和表面杂质。打磨过程有助于在AISI 316上沉积CS和SP层，并促进元素扩散。
微观结构和扩散特性
图3(a–c)展示了CS涂层的横截面SEM形态。可以看出典型的三层结构，包括烧结的Ti6Al4V层、通过扩散形成的金属间化合物（IMC）层以及AISI 316基材。值得注意的是，在所有三个烧结温度下都观察到了连续的烧结层和IMC层，这表明冷喷涂工艺产生了致密的预涂层，有利于元素的有效扩散。
烧结后对界面质量的影响
本研究调查了通过CS和SP技术在AISI 316上沉积的Ti6Al4V涂层的微观结构演变。两种沉积方法在真空烧结后均形成了典型的三层结构：烧结层、金属间化合物（IMC）层和基材。元素分析（SEM-EDS和EPMA-WDS）显示，Ti元素从烧结层向基材方向扩散，而Fe、Ni和Cr元素则从基材向外扩散。
结论
本研究评估了通过CS和SP技术在AISI 316上制备的Ti6Al4V涂层的微观结构和功能性能。两种方法均实现了由双向元素扩散驱动的三层结构（烧结层、IMC层、基材）。虽然CS始终能生成致密、连续的涂层，并含有稳定的Ti4Fe2O和TiO相，但浆料涂装需要更高的烧结温度（1150°C）才能达到同样的效果。
CRediT作者贡献声明
Jung-Ting Tsai：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源提供。Hsuan-Ming Liao：初稿撰写、正式分析、数据管理。Wei-Lun Zhang：初稿撰写、可视化处理、资源提供、方法论设计、数据管理。Cheng Liang：结果验证、监督、软件使用、资源提供、方法论设计。Marc Müggenburg：可视化处理、结果验证、资源提供、方法论设计、实验研究。Klaus Thiele：监督、资源提供、项目管理、资金筹集。Julian
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Jung-Ting Tsai报告称，她的研究得到了国家科学技术委员会（NSTC）的资助，以及台湾国立科技大学与布伦瑞克工业大学（Technische Universit?t Braunschweig）2024年学术合作项目的种子资金支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益冲突。
致谢
本研究得到了NSTC 114-2637-E-011-001、NSTC 114-2923-E-011-005-MY3和NSTC 114-2221-E-011-089的支持。此外，还得到了台湾国立科技大学与布伦瑞克工业大学2024年学术合作项目的种子资金支持，该项目名为“CRAFT：耐疲劳技术的冷喷涂修复评估”（项目编号：TUBS-NTUST-2024-04）。
