《Results in Surfaces and Interfaces》：Influence of substrate surface roughness on single-particle impact deformation, interfacial bonding, and critical velocity prediction in cold spray
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基体表面形貌强烈影响冷喷涂过程中的颗粒变形、界面接触演化及结合行为。研究人员采用耦合欧拉-拉格朗日（CEL）模型计算多种金属颗粒的临界速度，并考察基体粗糙度（Ra=3 μm与6 μm）对金属颗粒（即铜（Cu））界面响应的影响。该模型可靠复现了颗粒冲击的关键热机
基体表面形貌强烈影响冷喷涂过程中的颗粒变形、界面接触演化及结合行为。研究人员采用耦合欧拉-拉格朗日（CEL）模型计算多种金属颗粒的临界速度，并考察基体粗糙度（Ra=3 μm与6 μm）对金属颗粒（即铜（Cu））界面响应的影响。该模型可靠复现了颗粒冲击的关键热机械特征，包括界面温升、塑性变形、应力演化、扁平化、嵌入与射流（jetting），与已发表结果及实验观测吻合良好。结果表明，粗糙表面显著改变界面温度、塑性应变与应力松弛，进而影响热软化与绝热剪切失稳。相较于平面，粗糙基体诱发更复杂的变形模式，包括局部嵌入、谷底填充、轮廓跟随流动与机械互锁。然而粗糙度效应强烈依赖基体硬度：软基体上增大粗糙度增强局部热积累、应变局域化与失稳发展；硬基体上则抑制整体扁平化与连续界面流动，促进局部变形与机械锁合。相应地，主导结合机制由平面上的绝热剪切辅助边缘接触演变为粗糙面上的局部嵌入与机械互锁。
研究背景与问题提出
冷喷涂（cold spray）是一种固态沉积工艺，金属颗粒被加速至超音速并通过冲击时的剧烈塑性变形沉积于基体，全过程无整体熔化。涂层性能由颗粒-基体界面在冲击瞬间的瞬态热机械响应主导。已有数值研究多将基体理想化为完全平面，而实际经打磨、喷砂或激光织构化的表面必然存在微凸体、沟谷与曲率变化，这些几何特征改变初始接触条件，使冲击行为偏离平面假设。尽管实验已证实粗糙度显著影响沉积与结合强度，但表面形貌如何调控接触演化、界面塑性流动、绝热剪切局域化及机械互锁发育的深层机制仍不清楚。该研究发表于《Results in Surfaces and Interfaces》，旨在以单颗粒尺度阐明粗糙度的作用路径，为基体预处理与工艺优化提供理论依据。
主要技术方法
研究人员在Abaqus/Explicit建立三维耦合欧拉-拉格朗日（CEL）模型：颗粒用拉格朗日（Lagrangian）描述，随机粗糙基体（Ra=3 μm、6 μm，补充1 μm、9 μm用于相对粗糙度分析）嵌入欧拉（Eulerian）域并以体积分数工具定义材料分布；接触区网格0.6 μm（约d/42），其余5 μm；25 μm铜颗粒以500 m/s法向撞击298 K基体，Johnson-Cook（J-C）本构配合Mie-Grüneisen状态方程描述应变硬化、应变率敏感与热软化；绝热假设下提取界面参考点温度、等效塑性应变（PEEQ）、应力与应变率，并以局部能量集中系数Γ与绝热剪切失稳指数η判定临界速度，模型经Schmidt等20 μm Cu/Steel20实验及Lagrange模型交叉验证。
研究结果
3.1 Cu临界速度：在400–600 m/s区间以50 m/s步进模拟，界面PEEQ、应变率、温度随速度显著上升；500 m/s时界面温度约1008 K（>0.6Tm=814 K），失稳指数η=2.44>1，确认进入绝热剪切失稳；由能量转换式推得热软化启动速度425 m/s，临界速度477–500 m/s。扩展至Al、Ti、316L、Ni、Zn、Sn、Pb等典型金属，临界速度随强度/熔点升高而增大，与Schmidt经验趋势一致。
3.2 粗糙基体对绝热剪切失稳的影响：相对粗糙度R=Ra/d从0.04到0.36扫描显示，R=0.12（3 μm）界面温升与PEEQ最高、应力松弛最早最显著；R=0.24（6 μm）因接触不连续、谷底未填满，温度与应变回落但仍在0.6Tm以上；R=0.36出现非接触区与缺陷。十组同名义粗糙度平均响应排序为3 μm>平面>6 μm，表明适度粗糙度促进局部绝热剪切，过大粗糙度分散变形、抑制失稳。
3.3 粗糙基体对颗粒变形的影响：平面颗粒呈对称碗状扁平，结合靠剪切带塑性接触；3 μm粗糙面诱发底部局部嵌入、沟槽填充与轮廓跟随流动，最大PEEQ达6.16，实际接触面积扩大；6 μm粗糙面虽局部嵌入加深，但峰顶接触为主、深谷未填，界面连续性下降，PEEQ降至5.28。结合机制由平面“绝热剪切辅助边缘接触”转为粗糙面“局部嵌入+机械互锁”，且软基体增糙促失稳、硬基体增糙促锁合。
讨论与结论翻译
讨论指出，粗糙度并非单纯几何缺陷，而是通过局部接触压力、应力波传播与薄层绝热剪切带（adiabatic shear band）热积累三重途径调制界面响应；其净效应受基体硬度制衡——软基体上粗糙度降低临界速度、硬基体上抬高临界速度。结论部分明确：建立的CEL框架可同时捕捉扁平/粗糙基体下的扁平化、嵌入、射流与绝热剪切失稳；铜颗粒在500 m/s、Ra=3 μm时获得最优热机械耦合与结合潜力；临界速度预测式Vc∝√(CpTm/Γ) 可推广至其他金属，其中Γ由J-C参数与模拟标定，η=0.7–0.75Tm为失稳阈值；基体预处理应依据颗粒/基体硬度匹配选取Ra，避免过度粗糙引入界面孔隙。该研究将单颗粒冲击机制从平面理想化推进至形貌真实化，为冷喷涂界面设计提供了可量化的粗糙度窗口。
