增材制造（AM）（也称为快速原型制作或3D打印）通过逐层沉积材料来制造复杂的几何形状[1,2]。它被广泛认为是21世纪制造业最具变革性的技术之一。AM使得航空航天、汽车、生物医学工程和航空等关键行业能够生产出功能齐全的金属部件[3]。目前，常见的增材制造技术包括选择性激光熔化（SLM）、选择性激光烧结（SLS）、电子束熔化（EBM）以及线材和电弧增材制造（WAAM）[4], [5], [6], [7], [8]]。然而，这些方法所固有的较高加工温度常常会导致氧化、晶粒粗化、残余热应力以及相变，从而限制了它们在Ti、Cu、Al及其合金等热敏材料中的应用。
冷喷涂（CS）是一种成熟的固态涂层技术[9], [10], [11]，其中微米级粉末颗粒在预热压缩气体的推动下以300–1200 m/s的速度通过收敛-发散（De Laval）喷嘴加速[12], [13], [14]。颗粒撞击基底时会在极高的应变率下发生严重的塑性变形，从而促进附着并形成致密的涂层。由于工艺温度远低于材料的熔点，因此热诱导的缺陷被降至最低，使得CS成为在Ti、Cu、Al及其合金等热敏材料上沉积涂层的一种高效且经济的技术[3]。作为一种固态沉积技术，CS具有较高的粉末沉积效率，并能够快速形成较厚的沉积层。这一特性使得可以制造出独立的部件[15,16]，这一过程通常被称为冷喷涂增材制造（CSAM）。迄今为止的研究表明，结合工业机器人的CSAM技术可以生产出大规模、几何形状复杂的部件[8], [17], [18], [19]]。
在CSAM沉积过程中，高速颗粒首先撞击基底形成沉积层的初始层，随后后续颗粒撞击已沉积的层，从而逐层累积最终形成厚沉积层[20]。CJ Li等人[21]发现，后续颗粒的撞击会对已沉积的层产生额外的变形，这种现象被称为“压实效应”。许多研究证实，这种效应会导致硬度、残余应力和孔隙率的梯度变化[22], [23], [24]]。最近，Gao P等人[25]通过分子动力学（MD）模拟研究了冷喷涂Cu涂层中的压实效应。他们的研究表明压实效应对底层颗粒的变形和原子尺度上的原子扩散产生了影响。此外，XT Luo等人开发了一种原位喷丸辅助的冷喷涂技术。通过将大颗粒喷丸加入原料粉末中，这些颗粒由于临界速度过高而无法成功沉积，但会对已沉积的颗粒产生原位致密化作用，从而增强颗粒的塑性变形并提高涂层密度[21,26,27]。此外，许多研究人员利用这种方法通过将硬质颗粒加入金属粉末中来制备金属基复合材料涂层[28], [29], [30], [31]]。例如，Jasthi B K等人[32]向Cu-Cr-Nb粉末中添加了Fe-Ni-Cr颗粒，从而降低了涂层的孔隙率。同样，James B L等人[30]将氧化锆（ZrO2）陶瓷颗粒加入Al6061粉末中，进一步增强了Al颗粒的塑性变形并提高了涂层的力学性能。此外，YC Xie等人[33,34]和Vinay G等人[22]证明，冷喷涂中的压实效应可以通过增强已沉积颗粒的变形来增强颗粒间的冶金结合。
大量研究表明，冷喷涂的固有压实效应在提高沉积层密度的同时，也会导致沉积层的微观结构和性能出现不均匀性。Rokni M R等人[35]发现，在冷喷涂的Al 7075涂层中，靠近基底的区域的塑性变形程度显著高于表面区域，从而在涂层厚度方向上形成了明显的硬度梯度。一些学者[36]还研究了热处理后冷喷涂Ti64涂层中的氢致损伤，发现非均匀的压实会导致硬度和氢损伤敏感性的显著变化。此外，Zhou等人[23]使用原位喷丸辅助的冷喷涂技术制备了Ti64涂层，通过全面的微观结构分析发现，喷丸引起的原位压实效应在涂层内部产生了局部微观结构的不均匀性。然而，使用相同工艺制备的Al涂层中并未观察到这种局部微观结构的不均匀性[37]。这表明，后续颗粒撞击引起的原位压实效应导致了沉积结构的不均匀性，且这种不均匀性在不同材料中表现出不同的特征。目前，尽管一些研究已经探讨了冷喷涂中的压实效应对微观结构和性能的影响，但对其背后的机制仍缺乏深入研究。此外，由于材料属性的固有差异，压实效应的表现也会因材料而异；然而，这一主题的系统研究仍然不足。
压实效应是冷喷涂的一个固有特征，无需外部介质即可提升涂层性能。在冷喷涂增材制造中，这种效应对微观结构和力学性能的影响更为显著。本研究制备了Ti、Cu和Al的厚沉积层，并将其从基底界面划分为五层。逐层研究了这些沉积层的微观结构和力学性能，并比较了不同材料之间的不均匀性。研究结果为冷喷涂增材制造中的沉积层形成和性能提供了理论见解。
