摘 要: 高速冷喷涂是一项发展迅速的工业表面喷涂新技术, 具有其它表面喷涂不可替代的优点, 拥有潜在的广泛应用市场。文中根据国外最新研究资料对高速冷喷涂加工原理、应用、加工设备和系统构成进行了较为详实的介绍和论述。
关键词: 冷喷涂; 设备; 加工原理; 应用
1 前 言
高速冷喷涂是一种先进的表面处理技术。是 1980 年代由前苏联科学院理论与力学研究所的 A.Papyrin 发明的一种表面处理方法。自该方法发明以来各国争相进行研究和推广应用。美国关于高速冷喷涂专利是 1994 年申请的, 欧洲高速冷喷涂专利是在 1995 年申请的。关于冷喷涂的研究目前注重于应用和实验研究。2000 年在加拿大召开的国际热喷涂大会上, 还没有把冷喷涂作为一项专门课题进行讨论, 在论文集中只有 3 篇关于冷喷涂论文。2001 年在新加坡召开的国际热喷涂大会上, 关于冷喷涂的论文为 6 篇, 其中 5 篇为理论研究, 一篇为试验研究。2003 年在美国佛罗里达召开的国际热喷涂大会上,冷喷涂作为专题进行讨论和研究, 论文为 16 篇, 基础研究为 7 篇, 试验和应用研究为 9 篇。由此可以看到冷喷涂已经逐渐从理论研究转向试验和生产应用。
2 高速冷喷涂工作原理
图 1 说明了高速冷喷涂工作原理。系统主要由压缩气体装置、加热器、送粉装置、喷抢和控制系统等构成。压缩气体主要是氮气、氦气或二者的混合气体。压缩装置把气体加压到 3.5MPa, 然后由加热器把气体加热到 600℃,气体在 DaLava 喷管中得到膨胀, 并在喷枪的出口处速度达到超音速 500～1200m/s。粉末在喷枪的前部与气体混合, 由膨胀的加热气体加速到 500～1200m/s, 在气体压力作用下粉末从喷枪射到工件的表面上。高速冷气体喷涂与热喷涂不同, 粉末粒子的温度始终低于其熔点温度。所使用的粉末的最小粒度( <5μm) 的含量一般要低于 5%。在冷喷涂中, 没有燃烧室, 气体被加热后导致气体和粉末的速度增加, 粉末粒子产生塑性变形冲击到工件表面上。由于粉末粒子的温度低于其熔点温度, 因此粉末在固态状态下与工件产生冲击结合。冷喷涂温度低, 其涂层不产生氧化和热应力。涂层的形成主要是粒子的动能冲击作用, 在涂层内粉末粒子的结合主要是粒子产生大量的塑性变形。在冷喷涂过程中, 粉末在冲击前没有被熔化, 涂层的强度取决于粉末特性和冲击条件。此外, 粉末粒子的冲击速度 Vp是一个重要的指标。当粉末粒子的速度小于Vp时, 粒子从工件表面反弹回来, 当粉末粒子的速度达到中等值时, 固体颗粒对表面产生冲蚀作用, 当粉末粒子超过临界速度时, 粒子产生塑性变形与工件结合。
3 涂层分析
在冷喷涂中使用各种粉末, 如纯金属粉( Al, Cu, Ni,Ti, Ag) , 合金( SS, Hastalloy, MCrAlYs) , 复合粉( 金属- 金属 Cu- W, 金属- 碳化物 Al- SiC, 金属- 氧化物 Al- Al2O3) ,因此产生不同的涂层。
( 1) 铜涂层：在冷喷涂过程中, 铜涂层有很低的气孔率, 氧的含量为 0.1%, 涂层表面硬度为 150HV0.3, 电导率达到铜的90%, 抗拉强度为 66MPa。( 2) 铝涂层：铝涂层氧的含量为 0.12%, 涂层硬度为 45HV0.3。( 3) 钢涂层：在冷喷涂条件下, 钢涂层与基体的结合处没有出现明显的缺陷, 涂层硬度为 275HV0.3。( 4) 钛涂层：钛涂层的结果取决于冷涂工艺参数, 因而出现两种不同密度的涂层, 一种为高密度, 另外一种为多孔涂层。多孔钛涂层应用到生物医学领域, 而高密度涂层应用到人体骨骼和器官移植。( 5) 合金涂层：合金涂层有很高的密度, 涂层硬度达到 575HV0.3。( 6) 复合涂层的孔细率很低, 在与基体的结合处没有缺陷, 具有均匀的两相分布。
4 加工设备
( 1) 喷枪
喷枪是冷喷涂加工系统中最重要的部件。喷枪由两部分组成, 即前置混合室和喷嘴构成。前置混合室是粉末与压缩空气混合, 由压缩气体带动粉末通过喷嘴, 并与加热气体混合提高粉末速度, 使粉末通过喷嘴而达到超声速。喷嘴制造成整体结构, 采用耐高温的不锈钢或碳化钨, 由此可以延长喷嘴寿命。喷嘴采用 De- Laval, 直径为2mm。
( 2) 控制系统
控制系统分成两部分, 一部分为电子元件, 另一部分为气动元件。控制系统核心部分为西门子公司的 S7-300SPS 系统。控制电压采用 24V 和 220V。
( 3) 软件
软件采用 SIMATIC- MULTIPANEL 和 LABVIEW, 控制参数包括加热器的线圈温度、加热器出口气体温度、喷嘴的气体温度、加热器出口压力、喷嘴压力、气体消耗( 氮气和氦气) 、变压器的输出功率等。
( 4) 气体加热器
气体加热器主要是使气体被加热到一定的工作温度, 加热速度为 800°C/min。加热线圈采用耐高温的 CrNi钢。加热器保温层采用良好的保温材料以保证热量损失为最小。加热线圈的变压器功率为 25kVA。
( 5) 压力容器
压力容器采用高压罐, 承载压力为 3.5MPa。如果采用低压力容器, 需要有增压器, 增压器采用液压缸进行增压。气体一般采用氮气和氦气及二者的混合气体。冷喷涂压力要达到 1～3MPa。在冷喷涂过程中, 气体的使用取决于粉末的临界速度。临界速度是一个重要参数, 当粉末的粒子速度达到或超过其临界速度时, 表面涂层才能够形成, 材料不同其临界速度也不同。表 1 列出了几种不同材料的临界速度。使用氮气可以使粉末粒子的速度达到600～700m/s, 使用氦气粉末粒子的速度可以达到 1000~5 冷喷涂的优点和应用冷喷涂加工过程中温度保持在材料熔点以下, 对涂层表面的不利因素可以消除。冷喷涂加工具有如下优点:
( 1) 喷涂粉末在加工过程中没有材料发生氧化现象, 涂层表面组织均匀。( 2) 涂层中氧的含量比较低。( 3) 涂层密度大。( 4) 纯金属涂层具有很高的热传导率和电导率。( 5) 涂层表面组织硬度大。( 6) 可以产生耐腐蚀涂层。( 7) 金相组织稳定。( 8) 表面为塑性涂层, 不产生挥发物质。( 9) 涂层表面具有残余的压应力。
冷喷涂加工具有其它表面喷涂不可替代的优点, 因此得到一定应用和潜在的广泛市场。
应用于商业中的火箭发动机由于不能把更多的热能传递到燃料中来提供更大的推力, 由此其应用受到一定的限制。主要原因是在燃烧室中使用不锈钢制造管道系统, 限制了热量通过燃烧室的热壁进入到氢燃料中, 而且限制了循环参数来保持不锈钢管道具有较低的熔点温度。采用铜涂层就很好地解决了该问题。铜涂层有很高的热传导系数并能与基体很好地结合。
在汽车维修领域中, 采用冷喷涂技术可以给汽车涂上不同的金属, 同时可以降低车体的影响。对汽车的缸体、密封阀等也可以进行喷涂维修。在飞机制造业中, 由于冷喷涂不产生热影响, 因此可以对零部件进行防腐保护喷涂。冷喷涂在电力部门应用导电性能良好的铜涂层而大大降低电力损耗。此外, 高速冷喷涂技术还在生物医学、空间技术、化学工业、采矿、机械制造、电力、石油、建筑等领域得到应用。由于具有低温特点, 在材料中有 70%都适用于冷喷涂处理。冷喷涂技术对贵重材料可以进行收集和再利用, 因此在投资比较大的其它表面处理工程领域中具有一定的商业竞争能力, 如电力工业、生物工程、电子工业等。
高速冷喷涂技术在未来的应用中具有广泛的应用前景。随着其技术的不断发展和完善, 要求其系统具有可靠性、加工性、利用性、容易操作和安全可靠, 同时兼顾环保和工业卫生。高速冷喷涂技术的核心部分为喷枪, 要求喷枪具有长寿命, 可以在不同场合下进行操作, 喷枪的制造和设计要符合人机工程学。
[ 参考文献]略
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