[論文レビュー] Bonding mechanisms in cold spray deposition of gas atomised and solution heat-treated Al 6061 powder by EBSD

Alexandre Sabard, Tanvir Hussain|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2018

High-Temperature Coating Behaviors参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、溶液熱処理が冷間スプレー法で堆積されたAl 6061の接着力を向上させるメカニズムを、微細組織の変化に着目して調査している。電子バックスクattering回折（EBSD）を用いた分析により、熱処理された粉末における析出相の溶解が、粒子界面で局所的変形および不純物欠陥の蓄積を引き起こし、亜粒界の回転を促進することで粒子間接着力が向上することを特定した。これは、堆積効率の向上を説明するメカニズム的解明である。

ABSTRACT

The heat-treatment of a number of gas atomised aluminium alloys prior to cold spraying recently showed that the resultant microstructural modification was accompanied by an improvement in deposition; however, the relationship between the microstructural homogenisation occurring after recrystallisation and the increase in deposition efficiency and particle-particle bonding had not been investigated. In this study, AL 6061 gas atomised feedstock powder, before and after solution heat-treatment, was cold sprayed and these materials were charaterised using electron backscatter diffraction. The solution heat-treated Al 6061 powder showed large stress-free grains as opposed to the as-atomised feedstock powder which exhibited a homogeneous distribution of misorientation and lattice defects throughout the particles, whereas the coating produced from solution heat-treated powder showed an accumulation of dislocations in the interfacial zones. For the first time, a mechanism was proposed where this phenomenon was attributed to localised deformation of the heat-treated particle's exterior due to the dissolution of precipitates in the intermetallic network. The accumulation of dislocations in the interfacial area enhanced the rotation of subgrains to accomodate the plastic deformation, thus improving the particle-particle bonding.

研究の動機と目的

• 溶液熱処理を施したAl 6061粉末が冷間スプレー堆積効率に与える微細組織的変化を理解すること。
• 冷間スプレー過程における析出相の溶解と不純物欠陥のダイナミクスが粒子間接着力に果たす役割を調査すること。
• 再結晶化後の微細組織の均一化と堆積性能の向上との間のメカニズム的関連を明確にすること。
• アトマイズドおよび熱処理済みAl 6061粉末のEBSD分析を用いて、冷間スプレーにおける支配的接着力メカニズムを同定すること。

提案手法

• 冷間スプレー堆積前後におけるガスアトマイズおよび溶液熱処理されたAl 6061粉末の微細組織的特徴を分析するために、電子バックスクattering回折（EBSD）が用いられた。
• 微細組織の特徴の特定には、ミスオリエントーション分布、格子欠陥、および不純物欠陥密度に注目した。両方の粉末（アトマイズドおよび熱処理済み）の分析が行われた。
• アトマイズドおよび熱処理済み粉末から作成された冷間スプレー堆積膜の界面領域を比較し、変形および不純物欠陥の蓄積を評価した。
• 塑性変形メカニズムの評価のために、界面領域における亜粒界の回転および不純物欠陥の活動を分析した。
• 金属間化合物ネットワーク内の析出相の溶解が、熱処理された粒子における局所的変形を引き起こす要因であるかを評価した。
• EBSDデータに基づき、不純物欠陥の蓄積が亜粒界の回転と界面接着力を向上させることを示す、新しい接着力メカニズムを提唱した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 溶液熱処理は、冷間スプレー堆積の前段階において、ガスアトマイズされたAl 6061粉末の微細組織にどのように影響を与えるか？
• RQ2 冷間スプレー堆積膜の界面領域における不純物欠陥の蓄積が果たす役割は何か？
• RQ3 金属間化合物ネットワーク内の析出相の溶解が、熱処理されたAl 6061粒子における局所的変形および亜粒界の回転にどのように影響を与えるか？
• RQ4 熱処理されたAl 6061粉末に見られるどの微細組織的特徴が、堆積効率の向上および粒子間接着力の向上と相関しているか？
• RQ5 EBSD分析によって明らかになった、溶液熱処理されたAl 6061の冷間スプレー堆積における支配的接着力メカニズムは何か？

主な発見

• 溶液熱処理されたAl 6061粉末は、応力フリーな大きな粒を示したのに対し、アトマイズド粉末は均一に分布したミスオリエントレーションおよび格子欠陥を示した。
• 熱処理粉末から作成された冷間スプレー堆積膜では、界面領域に顕著な不純物欠陥の蓄積が観察され、局所的塑性変形が進行していることが示された。
• 不純物欠陥の蓄積は、金属間化合物ネットワーク内の析出相の溶解に起因し、粒子表面での局所的変形を強化した。
• 熱処理された粒子の界面領域における亜粒界は、塑性変形を吸収するために回転を経験し、粒子界面での接着力が向上した。
• 本研究では、析出相の溶解が不純物欠陥の蓄積と亜粒界の回転を促進し、結果として粒子間接着性が向上するという、新しい接着力メカニズムを提唱した。
• 本研究は、再結晶化後の微細組織の均一化が冷間スプレーにおけるAl 6061の堆積効率の向上に寄与することを、EBSDを用いた直接的証拠で示した。