Abstract Oxides, hydroxides, and other surface films act as impediments to metallurgical bonding during cold spray impact adhesion, raising the critical adhesion velocity and reducing the quality of the deposited coating. Using a single-particle impact imaging approach we study how altering the passivating surface oxides with exposures to various levels of heat and humidity affect the cold spray critical adhesion velocity in the case of aluminum. We analyze the thickness, composition and microstructure of the passivation layers with transmission electron microscopy (TEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and correlate our observations with a direct measurement of the critical adhesion velocity for each surface treatment. We conclude that exposures to temperatures as high as 300 °C for up to 240 min in dry air, or to room-temperature with humidity levels as high as 50% for 4 days, have negligible effect on the surface oxide layers, and by extension do not affect the critical adhesion velocity. In contrast, ambient-temperature exposure to 95% relative humidity levels for 4 days increases the critical adhesion velocity by more than 125 m/s, approximately a 14% percent increase. We observe that this distinct change in critical adhesion velocity is correlated with unique changes in the passivating layer thickness, thickness uniformity, crystallinity and composition resulting from exposure to high humidity. These results speak to particle surface treatments to improve the cold spray process.

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表面氧化物和氢氧化物对铝微粒冲击结合的影响

摘要 氧化物、氢氧化物和其他表面膜在冷喷涂冲击粘附过程中会阻碍冶金结合，提高临界粘附速度并降低沉积涂层的质量。使用单粒子冲击成像方法，我们研究了钝化表面氧化物如何随着暴露于不同程度的热量和湿度而改变铝的情况下的冷喷涂临界粘附速度。我们使用透射电子显微镜 (TEM)、X 射线光电子能谱 (XPS) 和傅立叶变换红外光谱 (FTIR) 分析钝化层的厚度、成分和微观结构，并将我们的观察结果与对临界温度的直接测量相关联。每种表面处理的附着速度。我们得出的结论是，在干燥空气中暴露于高达 300 °C 的温度长达 240 分钟，或暴露于湿度高达 50% 的室温下 4 天，对表面氧化层的影响可以忽略不计，并且由此延伸不影响临界粘附速度。相比之下，环境温度暴露于 95% 的相对湿度水平 4 天会使临界粘附速度增加超过 125 m/s，增加约 14%。我们观察到，临界粘附速度的这种明显变化与钝化层厚度、厚度均匀性、结晶度和因暴露于高湿度而导致的成分的独特变化相关。这些结果说明颗粒表面处理可以改善冷喷涂工艺。或在湿度高达 50% 的室温下放置 4 天，对表面氧化层的影响可以忽略不计，并且不会影响临界粘附速度。相比之下，环境温度暴露于 95% 的相对湿度水平 4 天会使临界粘附速度增加超过 125 m/s，增加约 14%。我们观察到，临界粘附速度的这种明显变化与钝化层厚度、厚度均匀性、结晶度和因暴露于高湿度而导致的成分的独特变化相关。这些结果说明颗粒表面处理可以改善冷喷涂工艺。或在湿度高达 50% 的室温下放置 4 天，对表面氧化层的影响可以忽略不计，并且不会影响临界粘附速度。相比之下，环境温度暴露于 95% 的相对湿度水平 4 天会使临界粘附速度增加超过 125 m/s，增加约 14%。我们观察到，临界粘附速度的这种明显变化与钝化层厚度、厚度均匀性、结晶度和因暴露于高湿度而导致的成分的独特变化相关。这些结果说明颗粒表面处理可以改善冷喷涂工艺。环境温度暴露于 95% 的相对湿度水平 4 天会使临界粘附速度增加超过 125 m/s，增加约 14%。我们观察到，临界粘附速度的这种明显变化与钝化层厚度、厚度均匀性、结晶度和因暴露于高湿度而导致的成分的独特变化相关。这些结果说明颗粒表面处理可以改善冷喷涂工艺。环境温度暴露于 95% 的相对湿度水平 4 天会使临界粘附速度增加超过 125 m/s，增加约 14%。我们观察到，临界粘附速度的这种明显变化与钝化层厚度、厚度均匀性、结晶度和因暴露于高湿度而导致的成分的独特变化有关。这些结果说明颗粒表面处理可以改善冷喷涂工艺。暴露在高湿度环境中导致的结晶度和成分。这些结果说明颗粒表面处理可以改善冷喷涂工艺。暴露在高湿度环境中导致的结晶度和成分。这些结果说明颗粒表面处理可以改善冷喷涂工艺。