摘 要: 冷喷涂技术是近年来发展起来的新型喷涂技术，该方法通过低温（< 600 ℃）的高速固态粒子与基体发生塑性碰撞而实现涂层沉积，可以避免喷涂材料在喷涂过程中受热影响而发生氧化、分解等，可以将喷涂材料的组织结构在不发生变化的条件下移植到基体表面。简要介绍了冷喷涂技术的原理与特点、冷喷涂层的组织结构与性能以及涂层沉积特性与行为的研究现状。粒子的速度对于涂层的沉积起着决定性作用，对于一定的材料存在一临界速度，约为500～600 m/s，当粒子速度超过该临界速度后，随着速度的增加，沉积效率增加，最高可以达到80%以上。迄今的研究表明，冷喷涂可以实现大多数金属材料甚至金属陶瓷材料的沉积。
1 引 言 ：
以等离子弧、电弧、燃烧火焰为热源的喷涂技术，粉末粒子或线材被加热到熔化状态，这种高温不可避免地使喷涂粒子在喷涂过程中发生相变、化学反应等现象。而近年来发展起来的冷喷涂工艺，可以实现低温状态下的金属涂层沉积。这种工艺过程对粉末粒子结构几乎无热影响，而对粒子的加速效果很好，金属材料沉积过程中的氧化可以忽略[1]。
2 冷喷涂技术的原理、特点与应用：
冷喷涂（CS：Cold Spray），又称冷空气动力学喷涂法（CGDSM：Cold Gas Dynamic Spray Method或CGDS、CGSM）。80年代中期前苏联科学院，在用示踪粒子进行超音速风洞试验时发现，当粒子的速度超过某一临界速度时，示踪粒子对靶材表面的作用从冲蚀转变为加速沉积，由此在1990提出了冷喷涂的概念[2]。在第一篇关于冷喷涂的论文[2]于1990年发表后，最先参与冷喷涂研究的原苏联研究者Papyrin于1995年在美国召开的全美热喷涂会议上与美国学者开始联合发表相关研究结果[3,4]，直到2000年在加拿大召开的国际热喷涂会议上才组织了专门的讨论会，由此，在国际上引起了广泛的关注。近几年来，美国与德国一部分研究机构也已开展了冷喷涂技术[5]。
冷喷涂是基于空气动力学原理的一种喷涂技术[2,6,7]。其原理如图1（略）所示，喷涂过程是利用高压气体通过缩放管产生超音速流动，将粉末粒子从轴向送入高速气流中，经加速后，在完全固态下撞击基体，通过较大的塑性流动变形而沉积于基体表面上形成涂层。为了增加气流的速度，从而提高粒子的速度，还可以将加速气体预热后送入喷枪，通常预热温度小于600 ℃。 冷喷涂过程中，高速粒子撞击基体后，是形成涂层还是对基体产生喷丸或冲蚀作用，或是对基体产生穿孔效应，取决于粒子撞击基体前的速度。对于一种材料存在着一临界速度Vc，当粒子速度大于Vc时，粒子碰撞后将沉积于基体表面，而当粒子速度小于Vc时，将发生冲蚀现象。Vc因粉末种类而异，一般约500～700 m/s。
冷喷涂主要用于喷涂具有一定塑性的材料，比如纯金属、金属合金、塑料以及复合材料等。特别是由于粒子加热温度低，基本无氧化，适用于对温度敏感（纳米、非晶等）、对氧化敏感（Cu、Ti等）和对相变敏感（金属陶瓷）材料的涂层制备。由于高速粒子碰撞时对基体或涂层表面强烈的喷丸效应，涂层内一般处于压应力状态，有利于沉积厚涂层。而且，由于粉末没有经历明显的热过程，基本不发生组织结构的变化，未沉积的粒子，可以回收利用。为了获得高的粒子速度与沉积效率，要求粉末粒子粒度及其分布范围要小，一般为1～50 mm[1,8,9]。
3 冷喷涂系统的构成
如图2（略）所示，冷喷涂系统基本由6部分组成，分别为：喷枪系统、送粉系统、气体温度控制系统、气体调节控制系统、高压气源以及粉末回收系统。枪体为关键部件，主要由缩放Laval喷管构成。其内表面形状一般在喉部上游为圆锥形，下游可为长方体形，也可与上游相对应为圆锥形，前者涂层堆高是梯形，而后者堆高形态与热喷涂相似，呈锥形。粒子经过喷管被高速气流加速，温度有所增加，但远低于粒子熔点。图3（略）是粒子速度、温度沿轴向变化示意图。沿着喷嘴喉部以外轴向，气体速度Vg一直增加，粒子温度Tp一直降低。在喉部，气体速度达到音速。经过喉部以后，粒子速度继续增加，产生超音速流动。 冷喷涂工作气体可用压缩空气N2和He气，压力一般为1.5～3.5 MPa，工作气体的入口温度一般为室温约600 ℃，要求送粉气的压力高于工作气体压力，以保证送粉的稳定。喷涂距离为5～25 mm。
4 冷喷涂层组织结构特点及其沉积特性
4.1 冷喷涂层组织结构特点
由于涂层是粒子以很高的动能撞击基体后形成的，所以涂层的组织一般较致密。图4（略）是Al基体上制备Cu涂层的断面组织[10]。经过腐蚀后，由图5（略）可以明显观察到粒子发生了剧烈的塑性变形，呈延伸拉长的形貌[9]。
一般冷喷涂制备的涂层组织致密，气孔率低。文献[11]研究了涂层的气孔率与氧化状态的变化，发现Al涂层的气孔率为0.5%～12%，Fe涂层气孔率为0.1%～1%，而Cu涂层气孔率只有0～0.1%。而且涂层的含氧量和喷涂前粉末的含氧量几乎没有任何变化[3,4,8,9]。
4.2 冷喷涂层沉积特性
影响冷喷涂过程中粒子沉积特性的主要因素包括气体的压力、温度、气体的种类、粉末的种类与粒度以及喷枪结构等。在其他条件一定的情况下，气体的种类与压力以及温度主要决定了粒子的速度。粒子速度的大小决定其沉积特性。如前所述，只有当粒子速度超过临界速度时，才能在碰撞基体后实现沉积，否则将对基体（或涂层）产生冲蚀效应。图6（略）、图7（略）分别为粒子速度随加速气体压力和温度的变化。从图6可以发现，随气体压力的增加，粒子速度增加。从图7可以发现，在同样压力下，适当增加气体的温度，也有利于提高粒子的速度。 图8为粒子速度对沉积效率的影响。粒子速度对其沉积起决定作用。对于Cu，当小于临界速度500 m/s时，不发生沉积，而当大于该速度时，随速度的增加，沉积效率增加，可以达到80 %以上。
临界速度因喷涂材料而异，文献[12]给出了几种典型材料的临界速度。Cu、Fe、Ni、Al分别为560～580 m/s、620～640 m/s、620～640 m/s、680～700 m/s。应该指出，由于所采用粉末的粒度范围分布较大，而粒子的加速度与大小呈反比，因此，这种临界速度只有在使用粒子范围与其相同的粉末时才具有适用性。 采用He时，由于其比热比＝1.66，比N2或空气的＝1.4要大，在同样压力和预热温度下，能够获得更高的气流速度及粒子速度（图7）。因此，可以获得较高的沉积效率。 为了提高粒子速度，从而提高粒子沉积效率，通常采用粒径小于45 mm的粉末沉积涂层。对于Al，采用粒径为100 mm的粉末也可以实现涂层沉积。 如不同材料的临界速度所示，材料种类对沉积特性具有明显得影响。熔点低、塑性高的材料较易沉积，而塑性差的材料，则需要较高的粒子速度才能实现沉积。采用冷喷涂，迄今已经可以实现Al、Cu、Fe、Ni、Ti及合金等金属涂层的沉积。
文献[13]报道了冷喷涂沉积纳米结构WC-Co涂层的结果，尽管可以试验在金属基体上沉积数十微米的WC-Co涂层，但存在着涂层难以进一步增厚的问题。文献[14]报道了冷喷涂沉积附着了φ(Ti)25 %的纳米羟磷灰石颗粒的Ti粉。
4.3 涂层性能
冷喷涂涂层的微观硬度高于同种材料的块材。在Al管上喷涂多孔性Ti粉，虽然涂层的气孔率较高，但涂层的微观硬度（125 HK）值比Ti块材（100 HK）的高[1]。而且随着工作气体入口温度的提高，微观硬度有增加的趋势。文献[5,8,11,15,16]也报道了同样结果。Cu涂层的硬度平均为1.02 GPa (Vickers 硬度)，而相应的块材平均为0.81 GPa[11]。涂层微观硬度提高是因为粒子形成涂层时发生很大的塑性变形，涂层内可能出现密度很高的位错。涂层的弹性模量测试结果表明，Cu涂层的模量为108 9 MPa，比同种材料块材的126 MPa低[5]，且随着工作气体入口温度的提高而增大[1]。
Cu涂层电阻率测试表明，约为2.4 mWcm，比纯Cu的1.7 mWcm稍高[5]。利用冷喷Cu涂层的良好导电性能，文献[17]在电缆接头上来喷涂Cu涂层，避免全部使用Cu，节约了成本。文献[8]测试了Cu涂层的结合强度。拉伸强度约35 MPa（EN 582标准），且断在涂层和基体界面；当断裂发生在涂层与基体界面时，涂层的剪切强度约30 MPa，在涂层内剪切强度约为18 MPa。文献[11]用拉销（Stug）试验测试了Cu、Fe、Al涂层的结合强度，用胶将直径2.69 mm的拉销粘到涂层上，然后拉下来，涂层的结合强度为68～82 MPa，且断在胶上。
文献[15]用冷喷涂技术在2618 Al基体上沉积了Ni-Al青铜耐磨涂层。并用销盘试验测试了涂层的耐磨性能，涂层的平均磨损率为7.53E10-6 cm3/m。另外还测定了涂层的剪切强度（三键剪切法），平均70 MPa以上。 McCune R C.等人对冷喷涂试样的应力分布进行了测定，表明涂层中存在很大的压应力，而基体侧受拉应力[5,16]。
文献[18]研究了后热处理对冷喷涂Cu和Fe涂层性能的改善，主要是使涂层内产生再结晶。而文献[19]报道了后热处理对冷喷涂Ni涂层的影响，使Ni涂层结构和细晶的Ni块材类似。
4.4 冷喷涂层沉积行为
关于冷喷涂涂层的沉积过程行为，一般认为是高速粒子撞击基体时，粒子的动能使粒子与已形成的涂层或基体产生较大的塑性变形，从而结合在一起实现粒子的沉积。文献[20]对粒子碰撞基体的扁平化进行了试验和计算分析。如图9（略）所示，观察到700 m/s的Cu粒子撞击抛光的不锈钢基体后的扁平粒子和基体侧凹坑，表明粒子和基体发生了明显的塑性变形。
然而也有人认为，粒子撞击到基体上时，有可能产生冲击波使被碰粒子与相邻粒子在界面处局部温度达到材料的熔点以上，局部熔化，达到局部的冶金结合[5]。该过程与爆炸焊的过程类似。 在上述观点中，粒子的速度Vp是涂层形成的关键因素。当粒子的速度超过临界值Vc后，粒子的速度越高，制备涂层的性能越好。
5 结 论
冷喷涂技术是近年来发展起来的新型喷涂技术，与传统的热喷涂技术不同，该方法是通过低温（< 600 ℃）高速的固体粒子与基体产生塑性碰撞而实现沉积的。因此，具有可以避免喷涂材料在喷涂过程中存在的氧化、喷涂过程对喷涂粒子的热影响小、可以将喷涂材料的组织结构在不发生变化的状态下移植到基体表面等许多优点。 粒子的速度对于涂层的沉积起着决定性作用，对于一定的材料存在一临界速度，约为500～600 m/s，当粒子速度超过该临界速度后，随着速度的增加，沉积效率增加，最高可以达到80 %以上。气体温度的提高可以增加粒子的速度，从而提高沉积效率。冷喷涂层组织致密，金属涂层的含氧量与原始粉末基本相当。迄今的研究表明，冷喷涂可以实现大多数金属材料甚至金属陶瓷的沉积。因此，该工艺发展将为制备优越性能的金属涂层、金属陶瓷涂层、非晶与纳米结构的金属涂层提供有效的方法。
参考文献: （略）
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