《Materials Characterization》：Heat treatment of Al-7075 powder prior to cold spray coating
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气雾化Al7075合金粉末经固溶和时效处理后，微观结构演变及对冷喷涂性能的影响被系统研究。通过SAXS、SEM和TEM分析发现，固溶处理（490℃×4h）消除树枝晶结构并显著降低溶质偏析，时效处理（120℃×48h）促进GP区和析出相形成，但粉末与块体合金的析出分布存在差异。研究揭示了粉末热处理对沉积层致密性和强化相分布的关键作用。
Tarun Babu Mangalarapu | M. Ramakrishna | S. Kumar | Phanikumar Gandham | Suresh Koppoju
国际先进粉末冶金与新材料研究中心（ARCI），Balapur PO，海得拉巴 500 005，印度
摘要
通过雾化制备金属粉末在制造和修复行业中具有巨大潜力。将雾化粉末用于固态或低温工艺（如冷喷涂技术）时，需要合适的微观结构以实现所需的性能。对雾化粉末进行热处理有助于获得其预期应用所需的微观结构。Al7075合金因其具有最高的强度而广泛应用于航空航天领域。对原始气体雾化粉末的微观结构研究表明，其具有树枝状结构，并且在枝晶间区域存在溶质偏析。将粉末在490°C下进行固溶处理长达4小时，结果树枝状结构消失，溶质偏析也得到减轻。此外，将固溶后的粉末在120°C下不同时间间隔进行时效处理，最长可达48小时。通过小角X射线散射（SAXS）研究了Al7075粉末中的沉淀现象，并与块状Al7075合金进行了比较。SAXS分析表明，固溶处理时间对散射幅度和范围没有影响。时效处理后的Al7075粉末样品的散射范围更宽，而块状合金样品的散射范围较窄。此外，块状合金表现出单一分散的尺寸分布，而粉末样品则表现出多分散性。此外，块状样品中GP区（沉淀物）的体积分数高于粉末样品。
引言
铝合金因其优异的表面质量、耐腐蚀性和高比强度而在工业上具有重要意义[1]、[2]、[3]、[4]。其中，Al7075合金因其密集分布的Guinier-Preston（GP）区或纳米级沉淀物而具有最高的抗拉屈服强度[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。这些优异的性能使其能够应用于汽车、军事和航空航天领域[3]、[4]、[9]、[10]。
随着增材制造（基于激光和电子束）、冷喷涂沉积等先进加工技术的出现，对具有特定微观结构的高质量铝合金粉末的需求持续增长[11]、[12]、[13]、[14]。在各种技术中，气体雾化是一种生产球形粉末的突出方法，这些粉末具有优异的流动性和狭窄的尺寸分布。该过程包括熔化所需的合金，然后通过高压气流通过喷嘴将其雾化成小液滴。在雾化过程中，液滴的冷却速率高达10^4–10^8 K/s[15]。这种极高的冷却速率导致粉末颗粒内部形成非平衡的树枝状微观结构[13]。
通过气体雾化制备的粉末颗粒呈球形[16]。气体雾化的铝合金粉末（如Al2024、Al6061和Al7075）在扫描电子显微镜（SEM）获得的背散射电子（BSE）图像中显示出特征性的树枝状细胞结构，细胞边界处对比度明显[13]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。枝晶间区域的对比度明显是由于溶质的偏析造成的。在Al-2024（一种Al-Cu合金）中，发现枝晶间区域存在Cu的偏析[24]。Al6061合金表现出Mg、Fe、Si和Cu的偏析[13]、[14]、[22]，而在Al7075合金中，枝晶细胞边界处存在Cu、Mg、Fe和Zn的偏析[17]、[21]。除了形成沉淀物的元素外，还在枝晶细胞边界观察到Fe、Mn、Cr等杂质元素的偏析[25]。溶质和杂质元素的偏析主要以化学计量比的金属间化合物形式存在[19]、[26]。在气体雾化的Al7075合金中，观察到T相（Zn-Al-Mg-Cu）存在于枝晶/细胞边界，以及内部的S相（Cu-Al-Mg-Si）[26]。
本研究基于先前关于冷喷涂沉积Al6061合金涂层沉淀行为的研究[25]。当Al6061涂层直接时效处理时，发现超细晶粒是强度的唯一来源，没有细小沉淀物。由于沉淀形成元素（Mg、Si）在枝晶/细胞边界处发生偏析，因此没有沉淀物形成[40]。因此，在直接时效过程中没有发生沉淀，因为沉淀所需的溶质原子在粉末和涂层中的枝晶/细胞边界处发生了偏析。这表明对粉末进行预喷涂热处理有助于制备更强的涂层。
市售的气体雾化粉末经过热处理（固溶处理和峰值时效处理）以利用沉淀物增强强度。热处理可以溶解导致沉淀强化的溶质，并提高冷喷涂沉积过程中的塑性变形能力。为了调整初始粉末的微观结构，对气体雾化的铝合金粉末（特别是Al6061和Al7075）进行了热处理[14]、[16]、[19]、[26]。Sabard等人[17]、[18]和Denny John等人[14]报告称，固溶处理可以消除Al7075粉末的树枝状结构并重新分布溶质偏析[14]、[17]。固溶后的粉末表现出粗大的Cu-Fe相、Mg偏析和孔隙[14]、[17]。固溶粉末的显微硬度（75 ± 4.9 HV_0.1）比原始气体雾化粉末（101 ± 5.7 HV_0.1）低25%[17]。固溶粉末在没有树枝状结构的情况下，在冷喷涂沉积过程中表现出更好的颗粒变形能力，从而使沉积厚度从40微米增加到300微米[17]、[18]。使用热处理后的粉末（无论是固溶处理还是T6状态）进行沉积，可以改善涂层内颗粒（飞溅物）之间的结合[18]、[27]。Denny John等人对Al7075粉末进行了系统的固溶和热时效处理研究[14]。观察到的雾化粉末、固溶粉末和时效处理后的粉末（T6状态）的显微硬度值分别为1.36 ± 0.02、1.11 ± 0.09和1.74 ± 0.02 GPa。然而，目前公开文献中尚未对Al7075粉末在热处理过程中的沉淀行为进行量化研究。因此，需要进一步研究时效硬化Al7075合金粉末的沉淀行为。
本研究详细探讨了气体雾化Al7075合金粉末在雾化状态（原始状态）以及热处理后的微观结构，特别是固溶和时效处理后的结构。为了研究粉末特性的变化（如树枝晶/细胞和偏析），使用了配备EDS的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）。此外，还使用小角X射线散射（SAXS）从相对较大的样品体积中收集信息，以获得具有统计代表性的沉淀物尺寸。透射电子显微镜（TEM）也被用来补充SAXS数据，提供关于沉淀物或GP区（η''/η'/η）的额外信息。这些发现将有助于确定获得最佳粉末条件，从而提高沉积效率并最大化Al7075粉末中强化沉淀物或GP区（η''/η'/η）的体积分数。
实验程序
本研究使用了美国Valimet?公司生产的气体雾化Al7075粉末。通过电感耦合等离子体光谱（ICP-OES）和光发射光谱（OES）测定了原始粉末的化学成分以及锻造商用Al7075合金的成分，结果见表1。使用基于激光的颗粒尺寸分析仪（MS300?，英国）测量了粉末的颗粒尺寸和分布。此后，将气体雾化粉末称为“粉末”，并将锻造商用Al7075……
气体雾化粉末和热处理粉末的微观结构
气体雾化的Al7075合金粉末呈球形，颗粒具有对数正态分布，平均粒径为25微米，D_0.1、D_0.5和D_0.9的累积尺寸分布分别为6.9微米、15.0微米和43.2微米（图1）。
原始气体雾化粉末颗粒的内部结构为树枝状细胞结构（图2a）。在背散射电子（BSE）图像中，细胞边界显示出连续的明亮对比度[13]、[20]、[35]。
讨论
Al7075合金样品经过固溶处理后，立即进行水淬处理以保持其过饱和固溶状态。在较低温度（120°C）下对固溶合金进行人工时效处理会导致沉淀物或GP区的形成。GP（Guinier–Preston）区分为两种类型，分别呈现球形和针状形态[6]、[41]。观察到η'相具有椭圆形……
结论
成功地对气体雾化的高强度Al7075合金粉末进行了热处理（固溶和时效处理），并使用SAXS进行了定量分析。根据研究结果，得出以下结论：
- •
原始气体雾化粉末具有树枝状/细胞状微观结构，沿细胞边界存在Mg、Cu、Fe和Zn的偏析。
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固溶处理有效地消除了树枝状/细胞结构，并显著减少了溶质偏析。
作者贡献声明
撰写——初稿、方法论、数据分析。
撰写——审稿与编辑、数据分析。
撰写——审稿与编辑、验证、数据分析。
撰写——审稿与编辑、验证、方法论、数据分析。
撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、项目管理、方法论、研究、数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢ARCI主任为完成这项工作提供的必要支持。作者还衷心感谢G. Ravichandra博士在整个研究过程中的持续支持和鼓励。作者感谢G. Janaki Rao先生和C. Prashanthi女士在SEM、TEM样品制备以及SAXS测量方面的协助。
