新的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)了在噴涂金屬涂層時(shí)使金屬粒子粘附于材料表面的最佳手段，出人意料的是，對(duì)被噴涂的材料表面進(jìn)行熔化不但不會(huì)有助于金屬粒子的粘附，反而會(huì)起到適得其反的效果。我們可以通過兩種手段將兩塊金屬接合在一起，即將熔化兩塊金屬的接合面或在這兩種金屬間使用另一種熔融的金屬進(jìn)行接合。在其凝固后，金屬就被牢牢地接合在一起。但麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，熔化對(duì)金屬間的接合起著適得其反的阻礙效果。

這項(xiàng)一反常理的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)對(duì)某些涂層工序的設(shè)計(jì)或3D打印造成巨大影響，因?yàn)閮烧叨夹枰獙⒉牧铣掷m(xù)地粘合在一起。

這項(xiàng)研究由兩位博士后Mostafa Hassani-Gangaraj 和David Veysset，以及Keith Nelson和 Christopher Schuh教授共同展開研究。Veysset開發(fā)了一款搭載高速相機(jī)的光學(xué)設(shè)備，該相機(jī)配有16個(gè)獨(dú)立的電荷耦合器件成像芯片，能在3納秒內(nèi)記錄圖像。這款相機(jī)拍攝速度非常快，能夠以超音速的速度追蹤記錄被噴射到材料表面上的單個(gè)粒子，而這在之前是不可能做到的。該團(tuán)隊(duì)使用這臺(tái)拍攝速度每秒可到達(dá)3億幀的相機(jī)觀察類似于向材料表面噴鍍金屬涂層的噴漆工序。

雖然類似的噴漆工序在不同行業(yè)中被廣泛使用，但到目前為止，它們的特征、特性都是由實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)而被總結(jié)得出的，Schuh教授道出了其中的原因，“因?yàn)閲娡抗ば虻倪M(jìn)行速度太快了，我們無法對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)，因此也無從得知究竟發(fā)生了什么，沒人能看到粒子撞擊到材料表面并粘著的瞬間，這使得研究人員一直在爭(zhēng)論當(dāng)金屬粒子撞擊材料表面時(shí)，它們是否會(huì)熔化材料表面。而這項(xiàng)新技術(shù)意味著研究人員可以觀察到粒子的撞擊和粘附瞬間并對(duì)其進(jìn)行研究?！?

利用高速照相機(jī)所拍攝的新圖像表明，在某些情況下，被噴涂的金屬粒子確實(shí)會(huì)熔化材料表面，同時(shí)阻礙粒子的粘附。研究人員還發(fā)現(xiàn)，這些金屬粒子發(fā)生反彈離開材料表面的時(shí)間要比表面完成凝固的時(shí)間短，這表明當(dāng)粒子離開時(shí)，被噴射表面仍處于熔化狀態(tài)。

當(dāng)工程師發(fā)現(xiàn)涂層材料粘合性能不佳時(shí)，他們可能會(huì)通過增加噴射速度或提高溫度的方式以增加材料表面熔化的幾率。但這項(xiàng)新研究結(jié)果表明使材料表面熔化并不能提升粘合性，同時(shí)會(huì)造成適得其反的效果。

研究結(jié)果表明當(dāng)撞擊粒子和被撞擊表面同時(shí)保持固體狀態(tài)且粒子像液體般“飛濺”于表面時(shí)，兩者的接合效果最佳。

Schuh認(rèn)為這個(gè)新觀測(cè)到的現(xiàn)象幫他們打開了新的思路，同時(shí)這一現(xiàn)象也存在于其他多種金屬加工方法中。如今在接合不同金屬時(shí)，他們所需做的是制造此類非液體狀態(tài)的“飛濺”，因?yàn)楣腆w狀態(tài)的“飛濺”能夠使金屬粘合，而液體“飛濺”則不可以。 Hassani-Gangaraj認(rèn)為有了這種新的觀測(cè)方式，他們就可以通過精確的測(cè)量數(shù)據(jù)來找到獲得最佳接合效果所需的條件。

這些研究結(jié)果可應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件的涂層涂裝，以便重復(fù)利用被磨損的部件，而不是將其丟棄。Schuh說“直接丟棄一臺(tái)掘土機(jī)的舊發(fā)動(dòng)機(jī)或?qū)⑵淙刍笾罔T都會(huì)花費(fèi)大量資金，但如果只是將它清洗干凈，然后使用噴涂涂層的方式對(duì)表面進(jìn)行翻新，就不會(huì)存在高昂的成本問題?！钡@種經(jīng)濟(jì)的做法需要確保被噴涂的涂層具有牢固良好的粘附性。

這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)除了能改善涂層的施用方式，還能幫助改進(jìn)某些金屬增材制造系統(tǒng)（如3D打?。┑脑O(shè)計(jì)。對(duì)于涂層來說，最重要的是確保一層涂料材料牢固地附著在上一層材料上。Schuh認(rèn)為通過這項(xiàng)研究他們有望掌握一種更為精確的、基于數(shù)學(xué)而不是實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)的方法，幫助他們了解什么才是獲得牢固接合的最佳條件。

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