先进的冷喷涂技术

先进的冷喷涂技术（梁秀兵 徐滨士）

【摘要】冷喷涂是根据空气动力学原理开发的先进喷涂技术。其过程是高压气体经过一定低温预热通过缩放喷管产生超音速气体射流，将喷涂粒子从轴向送入气体射流中加速，粒子以固态的形式撞击基体形成涂层。冷喷涂技术可获得低氧化物含量、低内应力、高硬度、大厚度涂层，冷喷涂纳米材料将成为喷涂技术领域的研究前沿之一。

【关键词】冷喷涂技术超音速喷管纳米材料

        2000年5月在加拿大蒙特利尔召开的国际热喷涂大会上，来自俄罗斯、美国、德国和日本的几篇论文的题目与大会研讨主题“热喷涂”“背道而驰”，引起了会议代表的广泛关注，并与高速火焰喷涂技术一起成为了会议的两个热点技术。一种先进的喷涂技术———冷喷涂技术已经诞生。

        冷喷涂全名冷空气动力喷涂法，首先由前苏联科学院西伯利亚分部的理论与应用机械研究所开发，是基于空气动力学原理基础的一项喷涂技术。冷喷涂技术的过程是，经过一定低温预热的高压气体通过缩放喷管产生超音速气体射流，将喷涂粒子从轴向送入气体射流中加速，以固态的形式撞击基体形成涂层。冷喷涂技术中，喷涂粒子是能够形成涂层，还是对基体产生喷丸或冲蚀作用，取决于粒子撞击前的速度。一般情况下，粒子喷涂速度以500米/秒为界限，只有大于500米/秒才能形成喷涂层。因此，实现喷涂粒子的高速是冷喷涂技术的关键。影响喷涂粒子飞行速度的主要因素包括以下几点：超音速喷管的几何形状、工作气体的种类、工作气体的压力和预热温度及粒子的大小与密度等。

一、冷喷涂技术的主要优缺点

1、技术优点：

(1)冷喷涂技术是一种能够在不同的基体材料上喷涂金属、金属合金、塑料和合成材料的新技术。喷涂材料的粉末粒子在热的非氧化性气流束中加速，喷涂加热温度较低，涂层基本无氧化现象，适用于纳米、非晶等对温度敏感材料，Cu、Ti等对氧化敏感材料，碳化物复合材料等对相变敏感材料的喷涂。

(2)冷喷涂涂层是固态粒子高速冲击形成的，粒子通过温度仅有几百度的超音速气体喷嘴加速。与热喷涂技术相比，冷喷涂的粒子没有熔化，涂层对基体的热影响很小，使得涂层与基体间的热应力减少，并且冷喷涂层层间应力较低，且主要是压应力，有利于沉积较厚的涂层。

(3)喷涂粉末可以回收利用。

2、主要缺点：

 适用于喷涂的粒子直径范围比较小。

二、冷喷涂技术原理

冷喷涂技术的工作气体一般为He和N₂，而He比N₂的加速效果好。气体压力一般为1.5~3.5MPa，气体压力越高，粒子速度越大。预热温度一般为100~600℃，温度越高，得到的粒子速度越大。粒子直径小于40µm，在喷管的喉部之前加入，加速范围为500~1000m/s。喷涂距离为5~25mm。

三、冷喷涂工艺与涂层特点

德国H.Kreye^[1]等人研究了不同粒度尺寸范围内的Cu粉末在不同冷喷涂工艺参数下涂层的显微结构和性能，检测了涂层的显微结构、致密度、氧化物含量、硬度和结合强度。试验用喷管的喉部直径为2.7mm，出口直径为8.6mm。采用N₂作为喷涂用气，气体入口处的温度和压力范围分别为200~550℃和1.5~2.5 MPa。在Al、Cu和钢基体上喷涂Cu粉末，喷涂距离20~50mm。在三种实验中采用不同的Cu粉末，粒度分别为10~45µm和5~25µm。

实验结果表明，采用N₂喷涂尺寸范围为10~45µm的Cu粉，沉积效率小于10%，涂层由40~50µm 的变形粒子组成，质量差。喷涂尺寸范围为5~25µm Cu粒子时可以获得致密的涂层。此时，入口N₂气压为2.5 MPa，气体温度为380℃，粒子沉积前的速度范围为370~630m/s，温度范围为60~120℃，粒子速度及温度值与粒子尺寸的大小关系密切，沉积效率为55~60%。尽管采用He气作为喷涂气粒子的速度更高，沉积效率超过80%，但是采用N₂的成本较低。

在Al基体上喷涂5mm厚的涂层，金相照片显示涂层的孔隙率为5~8%。化学分析表明，冷喷涂过程中没有氧化反应发生，粉末和涂层的氧化物含量重量百分比均在0.2%左右，涂层的硬度值HV_0.3为140~150，单个粒子在冲击过程中没有发生大的变形，涂层呈现出高度致密、高硬度的特点，结合强度约为3.5MPa。冷喷涂涂层的冲蚀速率为175mg/h，约为冷轧制铜冲蚀速率（81mg/h）的二倍。与热喷涂涂层相比，冷喷涂涂层的另一个优点是涂层高度致密，后处理以后冷喷涂层的韧性仍然较低，这主要是因为喷涂时粒子在冲击基体形成涂层的过程中产生了大量的加工硬化。此外，热处理还能改善涂层间粒子的结合强度。

美国R.C.Mccune等人^[2]的研究表明，冷喷涂高纯Cu和Fe涂层经过热处理可以引起再结晶或晶粒生长，使冷喷涂层的硬度增加。美国J.Karthikeyan等人^[3]研究了采用He和N₂冷喷涂Ti粉末工艺与涂层性能。实验结果表明，采用N₂气喷涂沉积效率可以达到60%，涂层孔隙率为10~30%；采用He气喷涂，沉积效率可以达到80%，涂层的孔隙率小于10%。考虑到成本问题，主要采用N₂喷涂。N₂冷喷涂Ti涂层的显微硬度为125HK，略高于Ti金属（100HK）。XRD分析表明，涂层中只含Ti相成分，而未发现氧化物相，主要是因为冷喷涂过程中采用了非氧化性气体，并且粒子没有融化，涂层硬度小幅度提高主要是因为粒子的塑性变形引起的。同时，还指出冷喷涂层经过切削加工，涂层孔隙率降到5%以下，仍能够提高涂层的结合强度和硬度。

日本K.Sakaki等人[4]将高速火焰喷涂技术(HVOF)用的喷枪喷嘴设计方法用于冷喷涂技术中，并研究了喷嘴收缩与扩张段尺寸对喷涂工艺的影响，喷嘴喉部直径7.8mm，入口直径12.5mm，出口直径12.6mm。喷涂材料为镍-铝青铜粉(1~50µm)。实验表明，在(HVOF)技术和冷喷涂技术中，喷嘴收缩段长度增加，喷涂粒子温度增加，但速度降低。冷喷涂时，当入口N2压力为2.0MPa，温度为750K，速度为0m/s，镍-铝青铜粉温度为300K，速度为10m/s时，通过超音速喷嘴加速后的气体速度达到950m/s（约为2.7马赫），气体温度减少到290K，此时，尺寸为20µm以下粒子速度大于600m/s温度大于400K。由实验可知，在冷喷涂过程中，入口气体的压力与温度是影响加速粒子的主要因素，入口气体的速度对加速粒子的影响很少。

冷喷涂技术诞生以来，引起了国内喷涂领域研究人员的高度重视，西安交通大学等单位开始了冷喷涂技术的开发与研究工作，目前尚处在实验室阶段，与实际应用尚有距离。

四、结论

冷喷涂技术是喷涂技术中的新秀，冷喷涂涂层具有氧化物含量低、涂层热应力低、硬度高、喷涂层厚度大等优点，但是，也存在着孔隙率较高，对喷涂粒子尺寸范围要求高等缺点。随着冷喷涂技术的不断改进与完善，喷涂层的质量将不断得到提高。近年来，先进的纳米材料研究升温，纳米喷涂技术成为热喷涂领域一个重要的研究方向。冷喷涂技术由于其特殊的喷涂特点和工艺，适用于喷涂纳米材料，纳米材料的冷喷涂技术研究将成为喷涂领域的研究前沿技术之一。 

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