国内外冷喷涂领域的最新进展
熊天英
机械工人（热加工）
冷喷涂(又称冷气动力喷涂)是近年来发展起来的一种新型喷涂技术。20世纪80年代中期苏联科学家在用示踪粒子进行超音速风洞试验时发现，当示踪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由冲蚀变为沉积，由此提出了冷喷涂的概念。研究人员利用该技术在不同的基体上成功地沉积了纯金属、合金和金属复合涂层，并于90年代初形成了实用的专利技术。本文试对冷喷涂领域的一些基本问题及国内外的最新进展情况作一简要概述。
一、喷涂原理
冷喷涂是基于空气动力学原理的一种喷涂技术，系统结构如图l所示。它是利用高压气体(HZ、NZ、混合气体或空气)携带粉末颗粒经缩放管产生超音速双相流，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。喷枪是利用拉瓦尔(Laval)喷嘴原理设计的。喷涂过程中，高速粒子撞击基体是形成涂层还是对基体起喷丸或冲蚀作用，取决于粒子的速度。对于一种材料，存在一定的临界速度。当大于该速度时，粒子碰撞后沉积于基体表面，形成涂层;而当粒子速度小于该临界速度时，将发生冲蚀现象。下表给出了几种金属粉末的临界速度。
二、影响喷涂效果的因素
在喷涂过程中，粉末颗粒的速度决定了涂层的沉积速率和结合强度。因此，能够对粉末颗粒的速度产生影响的因素都将会影响喷涂效果。在研究冷喷涂的优化工艺中发现，影响喷涂效果的因素主要有以下儿个方面:
(l)气体压力这是粉末颗粒能否达到临界速度的决定因素。
(2)气体温度在气体压力一定的条件下，通过加热器预热气体，能够进一步提高粉末颗粒的速度。另外，气体温度的升高还将使粉末颗粒获得一定的温度，从而有助于在撞击基体时更易于产生塑性流动变形。
(3)颗粒尺寸由于气体的密度、粘滞系数相对较小，气体对粉末颗粒的作用力有限，所以粉末颗粒不能太大;但颗粒太小又将受到高速气流作用于基体表面产生冲击波的影响。试验表明，较为适中的颗粒尺寸为5一50µm。
(4)气体种类一般认为在相同的温度和压力下，不同种类的气体会产生不同的速度，且差别较大。试验中发现，相同条件下He气产生的速度远高于其他常用气体。
(5)喷涂距离超音速双相流离开喷嘴以后，受到空气的影响其速度、方向、温度都将发生变化图2、图3描述了粉末颗粒及气体的速度、温度随离开喷嘴距离变化而变动的趋势。在喷涂的过程中需要综合考虑各种因素的影响，选择最佳的工艺参数。
三、冷喷涂特点
冷喷涂是一种完全不同于热喷涂的新技术。以等离子弧、电弧、火焰为热源的喷涂技术，粉末颗粒或线材被加热到熔化状态。这种高温不可避免的使喷涂材料在喷涂的过程中发生相变、化学反应及辐射等现象。冷喷涂以高压气体为动力，可以实现低温状态下的涂层沉积。冷、热喷涂在喷涂过程中的差别，决定了冷喷涂具有以下技术特点。
(l)温度低金属材料在低温喷涂过程中的氧化非常有限，对于制备Ti及其合金等易于氧化材料的涂层具有十分重要的意义，所有的研究结果都表明，冷喷涂涂层中氧含量基本与涂层原始粉末一致;可以避免材料的熔化和蒸发，因此在制备塑料涂层时就可以避免其挥发。（2）对材料的组织结构影响小 可以用来制备纳米涂层和块体材料，也可以用来制备对温度敏感的非晶材料涂层。（3）对基体的热影响小 基本不改变集体材料的组织结构，因此基体材料的选择范围广泛，可以是金属、合金甚至塑料，也就是说可以实现异种材料的良好结合。（4）沉积率高粉末可以回收利用，直接使用压缩空气作为喷涂气体，降低了成本。(5)可以制备复合涂层例如，Al一Pb合金，由于其在常温下不相溶，采用常规方法很难获得均匀的组织，而采用冷喷涂的方法可以很容易地实现铝与铅的均匀混合。(6)形成的涂层承受压应力由于涂层可以承受压应力，因而可以制备厚涂层。有些研究者制备的铜、铝及其合金涂层厚度大于smm，美国pennsylvaniaSta一eU，liversity在钦表面沉积Cr3CZ-20Ni一SC:涂层，涂层厚度可达1.5mm。(7)涂层孔隙率低由于冷喷涂的颗粒以高速撞击而产生强烈塑性变形形成涂层，而后续粒子的冲击又对前期涂层产生夯实作用，而且涂层没有由熔融状态冷却的体积收缩过程，故孔隙率较低。(8)冷喷涂具有较高的结合力如在铝基体上喷涂铜涂层结合力可以达到66MPa，400℃回火后可以达到195MPa，
四、冷喷涂的发展与应用
在1990年第一篇关于冷喷涂的论文发表以后，最先参与冷喷涂研究的原苏联科学家于1995年在美国召开的全美热喷涂会议上与美国科学家开始联合发表相关研究成果到2000年在加拿大召开的国际热喷涂会议上组织了专门的讨论会，2002年在德国召开的国际热喷涂会议上收录了4篇与冷喷涂相关的论文，而今年在美国召开的国际热喷涂大会上冷喷涂的文章已经上升到16篇，而且文章涉及的研究内容也由单纯的喷涂工艺优化的理论与实验研究、喷涂装置优化设计模拟等转向冷喷涂涂层在工业应用开发，可见冷喷涂在国际上引起了广泛的关注。
在应用研究方面也取得了很大的进展。目前的研究表明，冷喷涂可以实现包括金属Al、zn、Cu、Ni、Ca、Ti、Ag、Co、Fe、Nb、NICr合金、MCrAIY合金、高熔点M。、Ta以及高硬度的金属陶瓷Cr3CZ一25NICr、WC一ZICo等涂层的制备，可沉积涂层的材料包括大部分金属涂层、金属陶瓷涂层、有机涂层、可以实现用异种材料制备复合涂层或合金涂层以及纳米材料涂层等，并且可以在金属、陶瓷或玻璃等基体表面上形成涂层。如美国除用冷喷涂技术制备高纯铜涂层，已用于一级火箭发动机集束管，制备的锌铝涂层用于汽车底盘的防腐蚀，还用冷喷涂技术生产汽车和飞机用的新型韧性涂层，在梯度涂层中连接异种金属，制造小型涂层复合件以及进行低温涂覆等;德国已将冷喷涂的涂层用于汽车尾气排气管的防护，解决了原采用热喷涂涂层易疲劳断裂的问题，提高了寿命;日本也将冷喷涂的高性能导电涂层用于电子工业。俄罗斯的冷喷涂已经在电器、机械制造和汽车行业应用，并在西伯利亚钢铁厂建立了钢管内表面防腐涂层(Al，zn)制备的自动生产线，可以处理管径在65mm以上，长度在6000mm以内的钢管。在我国冷喷涂的研究及应用还处于起步阶段，关于冷喷涂的报道还很少。中科院沈阳金属所与俄罗斯理论与应用力学研究所自2000年开始合作，共同开展了利用冷喷涂技术制备新型涂层的研究，引进了冷气动力喷涂设备，在以下两个方面取得了一些有实际应用价值的研究成果。
(l)制备功能涂层包括耐腐蚀、抗高温氧化涂层，耐磨损与固体润滑减摩涂层，导体上喷涂绝缘涂层或绝缘体上喷涂导电涂层，表面改性涂层，有机高分子涂层和热塑性树脂涂层。
(2)利用超音速气固双相流进行金属部件的表面自身纳米化该方法使金属表面发生严重塑性变形，晶粒细化至纳米量级，从而实现表面纳米化。表面纳米化有着极大的开发应用潜力，如提高金属结构件的抗磨损、耐疲劳等机械性能，加速渗碳、渗氮及渗金属等化学热处理的速度及改善渗层质量，改善焊接接头中焊缝、热影响区和基体材料的组织不均匀性。
五、结语
综上所述，冷喷涂技术对于扩展及补充热喷涂的领域具有极其重要的意义，为表面工程技术的应用开辟了新的途径。。它不仅在涂层的制备技术和金属材料表面自身纳米化方面具有重要价值，而且在制备复杂结构材料的复合技术方面也将发挥巨大的作用。
参考文献略
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