淺談冷噴涂技術(shù)的應(yīng)用與前景

田寧，張萍（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學院，貴州畢節(jié) 551700）

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淺談冷噴涂技術(shù)的應(yīng)用與前景

田寧，張萍
（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學院，貴州畢節(jié) 551700）

摘要：冷噴涂是根據(jù)空氣動力學原理開發(fā)的先進噴涂技術(shù)。其過程是高壓氣體經(jīng)過一定低溫預(yù)熱（一般低于600 ℃）通過縮放噴管產(chǎn)生超音速氣體射流，將噴涂粒子從軸向送入氣體射流中加速，粒子以固態(tài)的形式撞擊基體形成涂層。冷噴涂技術(shù)可獲得低氧化物含量、低內(nèi)應(yīng)力、高硬度、大厚度涂層，冷噴涂納米材料將成為噴涂技術(shù)領(lǐng)域的研究前沿之一。

關(guān)鍵詞：冷噴涂，涂層，應(yīng)用

稿件編號:1512-1142

0 前言

噴涂就是把某種材料經(jīng)加熱加速噴射到工件的表面上形成涂層，以獲得某種需要性能的材料表面改性與強化技術(shù)。最早發(fā)展的是熱噴涂技術(shù)。近年來隨著材料科學和表面技術(shù)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出許多新型材料涂層，如納米涂層、非晶涂層及其他特種功能涂層。由于對涂層成分、組織均勻性和穩(wěn)定性的要求不斷提高，需要在保證噴涂材料高速噴射、致密沉積、良好結(jié)合的同時盡量降低加熱溫度，以減少氧化、燒損、相變、晶粒化等現(xiàn)象發(fā)生。因此，在現(xiàn)有高速氧氣燃料噴涂（HVOF）基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了高速空氣燃料噴涂（HVAF），后者噴涂速度與前者相同，但溫度下降至1 000 ℃，加之以空氣作為助燃劑，成本大幅下降。

冷噴涂亦作冷氣體動力噴涂（CGDS），它是以壓縮氣體（氮氣、氦氣、空氣或混合氣體）作為加速介質(zhì)，帶動金屬顆粒在固態(tài)下以極高的速度碰撞基板，使顆粒發(fā)生強烈塑性變形而沉積形成圖層的一種新型噴涂技術(shù)，如圖1所示[1]。冷噴涂技術(shù)用于材料的表面涂層，可以改善和提高材料的表面特性，如耐磨性、耐腐蝕性和材料的機械性能等，最終提高產(chǎn)品的質(zhì)量。冷噴涂可以實現(xiàn)低溫狀態(tài)下的金屬沉積，形成的涂層殘余應(yīng)力低，可以制備厚涂層,涂層厚度可達到毫米級。

圖1 冷噴涂原理示意圖[1]

1 冷噴涂的特點

冷噴涂涂層是固態(tài)顆粒高速沖擊形成的，顆粒通過溫度僅有幾百度的超音速氣體噴嘴加速。噴涂顆粒是形成涂層，還是對基體產(chǎn)生噴丸或沖蝕作用，主要取決于撞擊前的速度。對于一種材料存在一個臨界速度，低于該速度將發(fā)生沖蝕作用，超過該速度則形成涂層，但速度過高且基體很薄則容易發(fā)生穿透現(xiàn)象。因此，控制噴涂顆粒的速度是冷噴涂技術(shù)的關(guān)鍵。

而冷噴涂與熱噴涂最大的區(qū)別就是顆粒加熱程度不同導(dǎo)致其撞擊工件表面之前的狀態(tài)不同。冷噴涂為了達到氣流速度和對顆粒加速效果，有時也對氣體進行預(yù)熱處理，但溫度一般在0~600 ℃，粉末顆粒仍保持固態(tài)；而熱噴涂過程中顆粒被加熱到熔融狀態(tài)。

相對于熱噴涂，冷噴涂技術(shù)有諸多優(yōu)點[2-5]：①噴涂速度高，可達3 kg/h，沉積效率高，可達80%；②涂層化學成分以及顯微組織結(jié)構(gòu)可與原材料保持一致，基本不存在氧化、合金成分燒損。晶粒長大等現(xiàn)象，可以噴涂熱敏感材料和活性金屬及高分子材料，適用非晶、納米晶涂層制備；③可以用不同物理化學性質(zhì)的粉末機械混合制備復(fù)合材料涂層；④對基體熱影響小，具有穩(wěn)定的相結(jié)構(gòu)和化學成分，噴涂損失小；⑤涂層外形與基體表面形貌保持一致，可達高等級表面粗糙度；⑥噴涂殘余應(yīng)力較低，且均為壓應(yīng)力降低涂層厚度限制；⑦冷噴涂結(jié)合層強度較高，可達100 MPa以上，能夠滿足航空、航天等領(lǐng)域負荷和長壽命的要求；⑧涂層致密，氣孔少，致密度可達98%，可制備高熱導(dǎo)率、高電導(dǎo)率涂層；⑨涂層含氧率低，冷噴涂氧化物含量（質(zhì)量分數(shù)）僅為0.2%，遠低于熱噴涂的水準；⑩冷噴涂對環(huán)境基本無污染，噴涂飛濺的粉末可回收再利用；?操作簡便、安全，無熱輻射。

當然，雖然冷噴涂技術(shù)優(yōu)點較多，但也存在一些不足之處：①對于高溫合金涂層必須使用氦氣，因此費用較高；②顆粒有效沉積以及穩(wěn)定的高質(zhì)量涂層的制備很大程度上依賴于顆粒與基板材料的特性。

冷噴涂所展示的優(yōu)點遠大于其不足之處，先進的氦氣循環(huán)裝置[6]以及低壓狀態(tài)下的噴槍下游粉末注入法[7]的出現(xiàn)，都表明業(yè)界根據(jù)需要已致力于上述缺點的改進與研究。

2 冷噴涂的應(yīng)用

2.1 防腐涂層

金屬的腐蝕是金屬材料應(yīng)用中亟待解決的問題之一，它不僅造成了材料與能源的巨大浪費，而且威脅著生產(chǎn)設(shè)備及人身安全。在噴涂工藝上隨著冷噴涂技術(shù)的日益成熟，涂層的致密度及粘附強度有了很大的改善。冷噴涂涂層具有涂層致密、氣孔少、致密度高的特點，因此能夠制備性能優(yōu)良的防腐蝕涂層。在鋼鐵的防腐蝕中，鋅、鋁、鈦的應(yīng)用十分廣泛，加之采用冷噴涂技術(shù)制備，防腐性和使用壽命均有優(yōu)勢。

Balani[8]的研究結(jié)果表明，冷噴涂制備1100鋁涂層的耐蝕性優(yōu)于1100鋁板。董彩常等人[9]采用冷噴涂工藝在Q235鋼基體上沉積鋁涂層，然后研究涂層在海水環(huán)境中和中性鹽霧中的腐蝕行為。結(jié)果表明，冷噴涂鋁涂層在海水中的腐蝕電位較為穩(wěn)定，可以為鋼基體提供陰極保護，并且鋁涂層的腐蝕產(chǎn)物屏蔽腐蝕介質(zhì)的擴散，從而降低涂層腐蝕速度；中性鹽霧中也存在類似的效果。李海祥等人[10]利用電化學法研究冷噴涂Zn-50Al涂層在天然海水環(huán)境中的耐蝕性，結(jié)果表明與純鋅、純鋁涂層相比，對于鋼基體，鋅鋁復(fù)合涂層更加適合陰極保護電位，可大大提高防護壽命，海水中涂層表面會形成一層致密的腐蝕產(chǎn)物膜，能有效阻止腐蝕介質(zhì)向內(nèi)部滲透，并保持較低的腐蝕速率。

冷噴涂Ti涂層也應(yīng)用廣泛，Ti具有很高的性能密度比及耐腐蝕能力。研究表明，通過優(yōu)化參數(shù)，冷噴涂Ti涂層可避免熱噴涂中的氧化和燃燒現(xiàn)象，殘余應(yīng)力低，結(jié)合強度高，同時涂層的使用壽命大大提高[11-14]。中國海洋大學[15]在1Cr13不銹鋼上制備了Ti涂層，優(yōu)化了制備工藝參數(shù)，分析涂層的耐蝕性發(fā)現(xiàn)，冷噴涂Ti涂層的1Cr13不銹鋼在中性鹽霧腐蝕環(huán)境中60天無紅銹滲出，不銹鋼基體得到了有效的保護。之后為了提高涂層致密度，適應(yīng)海洋環(huán)境的耐蝕性要求，利用Al2O3顆粒噴射不沉積的方法將冷噴涂Ti涂層進行致密化處理。處理后的研究結(jié)果表明，涂層硬度、致密度提升，涂層的腐蝕電流密度大幅降低，耐蝕性明顯提高。

在復(fù)合涂層上，孫裕昌等[16]研究了直接在未滲鋁的電站水冷壁管上冷噴涂鎳包鋁復(fù)合粉末，水冷壁管的耐高溫腐蝕強度效果好，可用于實際生產(chǎn)。

2.2 耐磨涂層

為了降低物料對設(shè)備的沖刷造成的磨損，在金屬設(shè)備部件表面噴涂陶瓷、合金、氧化物、氟塑料等就能形成耐磨涂層。利用冷噴涂方法制備WC-Co等涂層是代替?zhèn)鹘y(tǒng)耐磨耐蝕硬鉻鍍層的良好途徑。關(guān)于冷噴涂方法制備WC-Co涂層結(jié)果很多[17~21]，發(fā)現(xiàn)WC-Co涂層結(jié)合良好，沒有發(fā)生熱噴涂中的相變、脫碳和晶粒長大等現(xiàn)象；當用氦氣做動力氣體時，顆粒預(yù)熱500℃制備的涂層硬度可超過2000 HV，遠優(yōu)于基體硬度。

2.3 耐高溫涂層

冷噴涂技術(shù)可以用于火箭發(fā)動機的高溫保護涂層，如MCrAlY高溫保護涂層、TBCs熱障涂層粘合層、Cu-Cr-Al抗氧化保護層等。

2.4 其他功能涂層

冷噴涂技術(shù)也可以用于功能涂層材料。如非晶涂層、生物Ti材料及其復(fù)合材料、金屬間化合物涂層、光催化TiO2涂層、熱塑性材料沉積物等。

冷噴涂在電力部門應(yīng)用于導(dǎo)電性能良好的銅涂層而大大降低電力損耗。此外，高速冷噴涂技術(shù)還在生物醫(yī)學、空間技術(shù)、化學工業(yè)、采礦、機械制造、電力、石油、建筑等領(lǐng)域得到應(yīng)用。由于具有低溫特點，在材料中有70%都適用于冷噴涂處理。冷噴涂技術(shù)對貴重材料可以進行收集和再利用，因此在投資比較大的其它表面處理工程領(lǐng)域中具有一定的商業(yè)競爭能力，如電力工業(yè)、生物工程 、電子工業(yè)等。

3 結(jié)束語

目前，冷噴涂技術(shù)作為一種新的工藝受到廣泛關(guān)注。冷噴涂技術(shù)制備的涂層具有氧化物含量低、涂層熱應(yīng)力小、硬度高、結(jié)合強度好，可將噴涂材料的組織結(jié)構(gòu)在不發(fā)生變化的條件下轉(zhuǎn)移到基體表面等優(yōu)點，對于涂層的制備技術(shù)具有重要價值，同時在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料的復(fù)合技術(shù)方面也發(fā)揮很大的作用。

冷噴涂技術(shù)為制備納米結(jié)構(gòu)金屬涂層及塊體材料提供了有效方法。同時，也為制備耐磨的金屬陶瓷復(fù)合涂層，以及陶瓷功能涂層提供了工藝保證[1]。鑒于目前對冷噴涂技術(shù)的研究，冷噴涂技術(shù)可以制備導(dǎo)電、導(dǎo)熱、防腐、耐磨等涂層及功能涂層，且有希望用于生產(chǎn)和修復(fù)許多工業(yè)零部件，如渦輪盤、汽缸、閥門、密封件、套管等。冷噴涂技術(shù)的設(shè)計與研究正向工業(yè)化應(yīng)用的方向轉(zhuǎn)化，同時也將在各個工業(yè)等得到廣泛的應(yīng)用。

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Introduction on application and prospect of cold spray technology

TIAN Ning, ZHANG Ping
(Guizhou University of Engineering Science, Bijie 551700, Guizhou, China)

Abstract：Cold spray is an advanced coating technology developed by the principle of aerodynamics.The process is that the high pressure gas is preheated at a temperature (typically less than 600 ℃) and sprayed as supersonic gas jet with a Laval nozzle.The particles are accelerated into the gas jet and coated as a solid substrate.The coating with low oxide content, low internal stress, high hardness and thickness is obtained by cold spray technology and the cold spray nano materials is become one of the research frontier in the fi eld of spray technology.

Keywords：cold spray;coating;application

中圖分類號：TG174.44；

文獻標識碼：A；

文章編號:1006-9658（2016）03-0013-03

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.03.004

基金項目：貴州省普通高等學校煤化工過程裝備與控制創(chuàng)新團隊(黔教合人才團隊字[2015]73)；貴州省科學技術(shù)廳、畢節(jié)市科學技術(shù)局、貴州工程應(yīng)用技術(shù)學院科學技術(shù)聯(lián)合基金項目(黔科合LH字[2015]7583)；基于汽車車身NVH的剛度研究分析與應(yīng)用(黔科合LH[2014]7527)

收稿日期:2015-12-02

作者簡介：田寧（1984—），男，博士，主要從事特種加工及金屬成型研究工作.