在铜冷喷涂中，原料粉粒径可以显著影响涂层的机械、电学和微观结构性能，因为它同时影响粒子速度和临界速度。粒子-临界速度比η常用于在改变喷涂参数时预测涂层颗粒间结合和性能。然而，在比较不同粒径的粉末时，其对诸如延展性和电导率等性能的适用性有限。在本工作中，研究人员通过冷喷涂三种不同粒径（分别为d50=29.5 μm、45.8 μm和69 μm）的铜粉制备了铜涂层，并评估了它们的机械、电学和微观结构性能。通过最大化气体压力和温度（4.9 MPa – 800 °C），由29.5 μm和45.8 μm粒径粉末制备的涂层获得了超过90% IACS（国际退火铜标准）的电导率和约6%的预测延展性。尽管达到了相同的η比，由69 μm粒径粉末制备的涂层却导致了0%的预测延展性和84% IACS的电导率。这一差异主要归因于与较粗粉末相比，较细粉末制备的涂层中通过从颗粒-颗粒界面（PPIs）去除颗粒间氧化物实现了更好的颗粒间结合。相反，粗粉涂层在其PPIs处含有厚的颗粒间氧化物，即使达到最高可能的η比也无法去除。最后，研究表明在当前情况下，减少弱结合PPIs是实现改进涂层性能的关键因素，而晶粒细化/再结晶的程度起着较小作用。
**论文解读文章**
**研究背景**
冷喷涂（Cold Spraying, CS）是一种固态涂层技术，铜因其面心立方（FCC）结构而具有优异的冷喷涂性，广泛应用于航空航天、电子等领域。然而，冷喷涂铜涂层在喷态下的延展性通常较低（很少超过3%），远低于无氧铜（OFC）的50%。这种局限性源于涂层中存在弱结合的颗粒-颗粒界面（PPIs），其中包含颗粒间氧化物和微孔，这些缺陷在机械加载时成为裂纹萌生点。为改善结合，研究人员引入粒子-临界速度比（η=vp/vcr）来预测涂层性能，η越高，颗粒间结合越好。但现有研究主要集中于细粉（d50<40 μm），对于中位粒径超过60 μm的粗粉，η与性能的关联尚不清楚。此外，在相同η下，不同粒径粉末能否获得相似性能？微观结构变化（如PPI结合改善与晶粒细化）对性能的具体贡献如何？这些问题尚未解答。为填补这一知识空白，研究人员通过冷喷涂三种不同粒径的铜粉（d50分别为29.5 μm、45.8 μm和69 μm），在相同η范围内制备涂层，系统评估了其机械性能、电导率和微观结构特征。
**关键方法**
研究人员采用三种气雾化球形纯铜粉（5NPlus生产，氧含量69-88 ppm），使用PCS-800 de Laval型喷枪（喉径3 mm、出口径6.5 mm、发散段长186 mm）进行冷喷涂。喷涂参数：氮气载气，气体温度800 °C，气体压力2.1-4.9 MPa，喷涂距离30 mm，横向速度300 mm/s，步长1 mm，喷涂15-20道次，涂层厚度6.8-8.5 mm。基材为Al6061铝合金板，喷涂前经乙醇清洗和氧化铝颗粒喷砂处理。粒子速度通过DPV-2000 CSM系统测量（5000个粒子，体积累积分布），临界速度采用Assadi半经验公式计算。机械性能通过剪切冲压测试（SPT）评估，获得有效延展性（εeff）并预测拉伸延展性；电导率采用四探针法测量。微观结构表征包括：光学显微镜定量缺陷面积分数（DAF）；扫描电子显微镜（SEM）电子通道衬度成像（ECCI）观察颗粒间氧化物；电子背散射衍射（EBSD）分析晶粒尺寸与取向；聚焦离子束（FIB）结合透射电子显微镜（TEM）对粗粉涂层PPI进行高分辨率形貌和成分分析。
**研究结果**
**3.1 粉末表征**
通过激光粒度分析、SEM、EDS和光学显微镜，确认三种粉末的粒径分布（d10、d50、d90），表面氧化物为Cu2O，厚度计算值分别为4.3-8.4 nm（细粉）、5.8-10.7 nm（中粉）、8-14.6 nm（粗粉）。粉末内部晶粒尺寸随粒径增大而增大（细粉10.6 μm，中粉13.6 μm，粗粉17 μm），但显微硬度相近（约65 HV）。
**3.2 粒子速度和η比**
粒子速度测量表明，相同气体压力下，细粉获得更高速度。在4.9 MPa-800 °C下，细粉、中粉、粗粉的中位粒子速度（vp,50）分别为631 m/s、611 m/s、555 m/s。相应的中位η比（η50）分别为1.81、1.90、1.85，达到相似水平。
**3.3 涂层表征**
**3.3.1 微观结构**
光学显微镜结果显示，细粉和中粉在高η下DAF降至约0.5%，而粗粉在高η下DAF为0.96%（从低η的2.4%降至0.96%）。ECCI观察发现，细粉和中粉的PPI处氧化物被射流去除形成碎片，而粗粉PPI处仍存在连续厚氧化物（约250-300 nm），且氧化物厚度随原料粉粒径线性增加。FIB-TEM进一步确认粗粉PPI由两侧Cu2O层（各约75-130 nm）和中心窄空隙（30-70 nm）组成，并观察到靠近PPI的细晶与颗粒内部粗大变形晶粒的梯度结构。EBSD分析显示，细粉和中粉在高η下晶粒显著细化（细粉晶粒细化度65%，中粉56.7%），粗粉在高η下晶粒细化度仅41.5%（从40.6%略增），且仍以粗大拉长晶粒为主。
**3.3.2 机械和电学性能**
剪切冲压测试表明，细粉和中粉在高η下获得有效延展性εeff=0.75，预测拉伸延展性约6%，断裂面呈现韧窝（韧性）与解理（脆性）混合特征；粗粉在高η下εeff=0.64，预测拉伸延展性为0%，断裂面仅为解理脆性。细粉和中粉的极限剪切强度（USS）分别达163 MPa和156 MPa，粗粉仅124 MPa。电导率方面，细粉和中粉达到92.2% IACS和93.5% IACS，粗粉为83.9% IACS。相关性分析显示，DAF与εeff、USS、电导率均呈强线性关系（R2>0.9），而晶粒细化程度与性能关联较弱；细粉和中粉的性能随η增加而提升，但粗粉在相同η下性能显著低于细粉和中粉。
**讨论与结论**
讨论部分指出，即使达到相似η比，粗粉涂层性能仍显著低于细粉和中粉，根本原因是粗粉颗粒在撞击时表面氧化物更厚（源于粉末生产时冷却速度慢及喷涂过程中更高温度导致更严重氧化），这些厚氧化物即使在最高η下也无法被射流去除，从而形成连续弱结合PPI。相比之下，细粉和中粉的较薄氧化物被射流破碎排出，实现了良好的冶金结合。因此，减少弱结合PPIs是提升延展性和电导率的关键因素，而晶粒细化的作用较小。该发现与Taherkhani等（2024）在Inconel 625中的结果一致，也解释了文献中不同研究间性能差异（如Li等2025年获得29.7%延展性需用更细粉末）。研究结论翻译如下：
1. 在高压（4.9 MPa）和高温（800 °C）条件下，由中位粒径29.5 μm和45.8 μm粉末制备的涂层获得了超过90% IACS的电导率和约6%的预测拉伸延展性。
2. 在相同条件下喷涂中位粒径69 μm的粗粉，预测延展性为0%，电导率为83.9% IACS。
3. 即使达到相同η比，粗粉涂层的性能仍低于细粉和中粉涂层。
4. 该差异归因于粗粉颗粒在撞击时表面氧化物更厚，细粉和中粉通过射流去除了颗粒间氧化物实现良好结合，而粗粉未发生此现象，这是良好结合的关键。
5. 粗粉表面氧化物更厚归因于粉末生产时冷却速度慢和喷涂中更高温度导致更显著氧化。
6. 对于当前涂层，延展性和电导率取决于颗粒间结合，而机械强度可受动态再结晶程度影响。
