高速圧縮粒子の変形と微細組織変化

Deformation and Microstructural Evolution of Particles under High-Speed Compression

粒子の変形挙動は、コールドスプレーにおける付着を達成するうえで重要な役割を果たします。粒子の変形挙動は、酸化膜の破壊や再結晶と関連しており、これらはコールドスプレーの品質を左右する主要な要素です。粒子の変形挙動を理解するため、これまでに粒子圧縮に関する研究が行われてきました。しかし、制御された荷重および高精度かつ高ひずみ速度下における粒子の変形挙動については、いまだ十分に研究されていません。

本研究では、制御された荷重と高精度な高ひずみ速度の下で観察された、酸化膜の破壊パターンと再結晶の領域を示します。我々の観察によれば、酸化膜の亀裂はまず粒子の赤道付近に現れ、粒子上面の端部へと進展していきました。一方で、粒子上面には円周方向の亀裂が形成されました。 また、ナノインデンテーションの結果からは、高ひずみ速度下で圧縮された粒子が通常とは異なる荷重–変位挙動を示すことが明らかとなりました。我々の結果は、酸化膜の破壊挙動が、これまでの研究で提案されていた付着メカニズムと一致することを示しています。さらに、高ひずみ速度下で粒子内部に再結晶が生じることも明らかになりました。

これらの知見は、コールドスプレー中の粒子の変形挙動に対する一般的な理解を深めるものと期待されます。たとえば、あるひずみ速度における再結晶挙動を予測することができれば、機械的特性に関係する結晶粒のサイズや形状も予測可能となります。加えて、最適な付着を形成するために必要なひずみ量やひずみ速度を評価することも可能になります。

The deformation behavior of particles plays a significant role in achieving adhesion during cold spray. The deformation behavior of the particles is associated with the fracture of the oxide layer and recrystallization, which are the key elements of the quality of cold spray. Studies of particle compression have been made to understand the deformation behavior of a particle.

However, the deformation behavior of particle under controlled load and precise and high strain rate is yet to be studied. Here, we show the oxide layer fracture pattern and recrystallization regime under controlled load with a precise and high strain rate. We found that the cracks in the oxide layer initially appeared on the equator of the particle and propagated towards the edge of the top surface. Meanwhile, on the top surface, the circumferential crack was developed. On the other hand, the nanoindentation result showed that the compressed particle under a high strain rate has an unusual load-displacement behavior. Our results demonstrate that the oxide layer fracture behavior corresponds to the adhesion mechanism suggested by previous studies. Our study also revealed that recrystallization takes place within the particle under a high strain rate.

We anticipate this finding to give a general insight into the deformation behavior of particles during cold spray. For instance, since the recrystallization behavior at a given strain rate can be predicted through this study, the resultant grain size and shape, which is associated with mechanical properties, can also be predicted. Furthermore, the amount of strain and strain rate to form optimal adhesion can be evaluated.

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