冷喷涂奥氏体不锈钢中变形诱导马氏体转变的数值预测

《steel research international》：Numerical Prediction of Deformation-Induced Martensitic Transformation in Cold-Sprayed Austenitic Stainless Steel

抗空化腐蚀不锈钢冷喷涂涂层中应变诱导马氏体相变机理及数值模拟研究。采用氦气冷喷涂在304不锈钢基体上沉积粉末，通过X射线衍射证实温度低于马氏体起始温度（Ms=231K）时，实现了36%的相变体积分数。结合1D等熵气体动力学分析与有限元数值模拟，揭示了颗粒温度（< Ms）、冲击速度（>750m/s）及应变率对相变的影响规律，表明延长喷嘴扩张段可降低颗粒温度至186K，促进近完全马氏体相变（>40%）。研究为液压系统关键部件的耐空化腐蚀涂层设计提供了理论依据。

　　本研究评估了使用冷喷涂（Cold Spray, CS）技术沉积不锈钢粉末的可行性，特别是针对奥氏体不锈钢粉末，如SS304，用于海洋环境中的应用，尤其是液压系统。通过X射线衍射分析，确认了在CS沉积的SS304涂层中发生了马氏体转变，转变的马氏体体积占比为36%，具体取决于沉积加工参数。为了探索这一转变过程，研究结合了1D等熵气体动力学建模、粒子撞击的数值模拟以及实验沉积过程。分析工作表明，使用氦气，在473 K和2.0 MPa的条件下，通过商业可用的喷嘴将20 μm的SS304不锈钢粉末颗粒的温度降低至217 K，低于马氏体转变起始温度（Ms），从而促进沉积过程中的马氏体转变。进一步延长喷嘴的扩散段可增强冷却效果，使得沉积涂层中几乎实现完全的马氏体转变。数值模拟预测了在1000 m/s的撞击速度下，局部区域的马氏体体积占比约为40%，转变更倾向于低到中等应变（应变范围：0.3–1.0）的区域。本研究提供了关于通过受控的马氏体转变来优化冷喷涂涂层微观结构的见解，以提升其机械性能。

冷喷涂技术因其高能固态沉积特性而受到关注，这种特性有助于提升零件的性能。粉末在高压气体流中被加速至超音速速度，通过德莱尔（de-Laval）收敛-扩散喷嘴实现。载体气体在加速过程中会加热至约500°C，而粉末材料在高速撞击基底时发生变形。这种在高应变率下的极端变形能够通过机械嵌合和冶金结合实现强附着。因此，冷喷涂过程能够保留基底的微观结构，避免热损伤。冷喷涂特别适用于热敏感材料，因为它可以减少氧化，同时在沉积过程中保留原始材料的性能。

在冷喷涂过程中，粒子高速撞击基底会产生严重的塑性变形。根据粉末的化学成分和特性，这些溅落的粉末可能会发生一种称为应变诱导马氏体转变（Strain-Induced Martensitic Transformation, SIMT）的相变。奥氏体不锈钢（如SS304或SS316）在室温下通常具有稳定的奥氏体相（γ，面心立方结构），但它们的奥氏体相接近相图中的不稳定边界。当受到高塑性应变和绝热加热的影响时，晶格中的能量增加，导致奥氏体变得不稳定，从而发生相变，转变为α′-马氏体（体心四方结构）或有时转变为ε-马氏体（六方紧密堆积结构）作为中间阶段。在冷喷涂过程中，粉末颗粒的高速撞击会产生极端的局部应变和绝热加热，这有助于奥氏体部分转变为马氏体。这种经过调控的马氏体相能够提升涂层的表面硬度和耐磨性，而保留的奥氏体则有助于改变材料的延展性和韧性。这种平衡的微观结构在对抗空蚀方面特别有吸引力，因为需要同时具备高硬度和抗裂纹扩展的能力。

为了验证这一机制，研究还对两种不同喷嘴进行了1D等熵气体动力学分析，以预测在不同气体温度和压力条件下可实现的粒子速度和温度范围。研究结果表明，喷嘴的扩散段越长，粒子的温度下降越明显，这有助于诱导马氏体转变。在沉积过程中，粒子温度和速度的选择对于实现所需的应变和能量至关重要。通过调整加工参数，如气体温度、气体压力、喷嘴几何形状、喷嘴与基底之间的距离以及初始粒子温度，可以有效控制粒子在撞击时的温度，使其低于马氏体转变起始温度。这样可以在不依赖冷却的情况下，通过塑性变形诱导马氏体转变。

数值模拟预测了在1000 m/s的撞击速度下，局部区域的马氏体体积占比约为40%。在该速度范围内，应变和温度的分布对马氏体转变的诱导有重要影响。当粒子温度较低时，即使应变率较高，马氏体的形成仍具有较高的可能性。在模拟过程中，研究采用有限元模型和已有的分析模型，结合实际的应变和温度分布，以预测在不同撞击条件下可获得的马氏体体积。模拟结果表明，马氏体的形成在粒子和基底接触区域较为显著，而在远离该区域的部位则相对较少。这说明马氏体转变对温度的影响比对应变的影响更为敏感。

通过X射线衍射分析（XRD），研究进一步验证了这些预测。实验结果表明，在213 K的初始温度和1000 m/s的撞击速度下，冷喷涂的SS304涂层中确实发生了马氏体转变，其体积占比约为36%。这一结果支持了计算模拟的预测，表明在冷喷涂过程中，通过控制加工参数，可以实现对马氏体体积的调控。此外，XRD分析还检测到了新的马氏体相（α′），这表明在高应变率下，奥氏体能够成功转变为马氏体。因此，计算结果与实验结果高度一致，验证了SIMT机制的可行性。

研究还探讨了冷喷涂沉积过程中粒子和基底之间的相互作用。当粒子以高速撞击基底时，会产生较大的压缩力，特别是在轴对称轴附近。随着远离轴对称轴，剪切分量逐渐增加，从而产生更多的热量。这些热量通过摩擦和粘性流动被局部集中，导致材料软化并发生剪切不稳定性，进而形成喷射现象。在喷射区域，温度的上升有助于促进马氏体的形成，但同时也可能抑制该过程。因此，需要在温度和应变之间找到最佳的平衡，以实现理想的马氏体转变。

此外，研究还对不同初始温度和撞击速度下的马氏体体积进行了详细分析。当初始温度较低时，如213 K，粒子和基底的温度分布更有利于马氏体的形成。而在较高温度下，如293 K，马氏体的体积占比显著减少，甚至在某些情况下未观察到马氏体的形成。这表明，在冷喷涂过程中，温度的控制对于诱导马氏体转变至关重要。同时，研究还发现，即使在较高的应变率下，只要温度足够低，马氏体的形成仍具有较高的可能性。

通过综合分析，研究确认了冷喷涂技术在沉积奥氏体不锈钢粉末时能够诱导马氏体转变的可行性。这一发现为未来在液压系统中使用冷喷涂技术进行零件修复或制造提供了理论支持。研究还指出，为了进一步优化这一过程，需要在不同沉积条件下进行更多的实验验证，并结合XRD、微观结构和机械性能分析，以全面了解冷喷涂涂层的性能。未来的研究可以基于当前的数值模型，通过调整喷嘴几何结构和加工参数，实现更精确的马氏体体积控制，从而提升涂层的机械性能和抗蚀能力。