20131105冷噴涂技術(shù)調(diào)研

1、冷噴涂調(diào)研一、原理介紹冷噴涂技術(shù)（CS：Cold Spray），又稱為氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)，是指當(dāng)具有一定塑性的高速固態(tài)粒子與基體碰撞后，經(jīng)過強(qiáng)烈的塑性變形而發(fā)生沉積形成涂層的方法。通常條件下，一般的概念是當(dāng)固態(tài)粒子碰撞到某種基體后將產(chǎn)生固態(tài)粒子對基體的沖蝕作用。通俗來講，冷噴涂技術(shù)不同于傳統(tǒng)熱噴涂（超速火焰噴涂，等離子噴涂，爆炸噴涂等傳統(tǒng)熱噴涂），它不需要將噴涂的金屬粒子融化，冷噴涂采用壓縮空氣加速金屬粒子到零界速度，經(jīng)噴嘴噴出，金屬粒子直擊到基體表面后發(fā)生物理形變。金屬粒子撞扁在基體表面并牢固附著，整個(gè)過程金屬粒子沒有被融化，噴涂基體表面產(chǎn)生的溫度不會(huì)超過150（加拿大材料科學(xué)院NRC技術(shù)不超

2、過200）。冷噴涂原理如圖1所示。冷噴涂過程中，高速粒子撞擊基體后，是形成涂層還是對基體產(chǎn)生噴丸或沖蝕作用，或是對基體產(chǎn)生穿孔效應(yīng)，取決于粒子撞擊基體前的速度。對于一種材料存在著一臨界速度Vc，當(dāng)粒子速度大于Vc時(shí)，粒子碰撞后將沉積于基體表面，而當(dāng)粒子速度小于Vc時(shí)，將發(fā)生沖蝕現(xiàn)象（基體表面損壞，金屬粒子掉落）。Vc因粉末種類而異，一般約500700m/s，具體見表1。因此，為了增加氣流的速度，從而提高粒子的速度，冷噴涂技術(shù)還可以將加速氣體預(yù)熱后送入噴槍，通常預(yù)熱溫度小于 600 ；同時(shí)為了獲得高的粒子速度與沉積效率，要求粉末粒子粒度及其分布范圍要小，一般為150um。表1 不同金屬粒子的臨界

3、速度（m/s）材料銅鎳鐵鋁臨界速度560580620640620640680700冷噴涂技術(shù)根據(jù)壓縮空氣的壓力不同，分為高壓冷噴涂和低壓冷噴涂，其中高壓冷噴涂使用的壓縮空氣為15個(gè)大氣壓（psi）以上，低壓冷噴涂使用的壓縮空氣為10個(gè)大氣壓（psi）以下。對比傳統(tǒng)熱噴涂技術(shù)，高壓以及低壓冷噴涂的技術(shù)有以下共同優(yōu)勢：可以用于噴涂多類別的、具有一定塑性的材料，獲得導(dǎo)電、導(dǎo)熱、防腐、耐磨等涂層等，比如純金屬鋅、鋁、銅、鐵、鎳、鈦等，不銹鋼、青銅等合金，也可以制備NICR基高溫合金等。冷噴涂粒子低溫而高速，可以避免粒子在加速與加熱過程發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)，適用于對溫度敏感（納米、非晶等）、對氧化敏感（C

4、u、Ti 等）和對相變敏感（金屬陶瓷）材料的涂層制備。對基體的熱影響小。被噴涂基體的表面瞬間溫度不超過150度，體感溫度為70度（具體溫度與噴涂粒子的速度、噴槍移動(dòng)的速度有關(guān)），可以避免基體熱變形、材料組織發(fā)生破壞?？梢栽谌魏谓饘佟⒉Ａ?、陶瓷和巖石表面噴涂。噴涂致密性好，涂層厚度大，可以達(dá)到10mm以上。由于高速粒子經(jīng)過劇烈塑性變形實(shí)現(xiàn)沉積，涂層組織致密，并在涂層將產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，可以制備厚涂層。金屬粒子可以回收。由于沒有經(jīng)歷明顯的熱過程，基本不發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的變化，未沉積的粒子，可以回收利用。圖2 冷噴涂涂層圖二、冷噴涂的發(fā)展及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀冷噴涂概念于1990年提出，其緣起于80年代中期前

5、蘇聯(lián)科學(xué)院，在用示蹤粒子進(jìn)行超音速風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粒子的速度超過某一臨界速度時(shí)，示蹤粒子對靶材表面的作用從沖蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀俪练e。1995年，最先參與冷噴涂研究的原蘇聯(lián)研究者Papyrin在美國召開的全美熱噴涂會(huì)議上與美國學(xué)者聯(lián)合發(fā)表相關(guān)研究結(jié)結(jié)果。2000年，在加拿大召開的國際熱噴涂會(huì)議上，組織了冷噴涂技術(shù)討論會(huì)，由此，冷噴涂技術(shù)在國際上引起了廣泛的關(guān)注。近幾年來，美國、德國、英國、日本、中國等世界主要國家的高校、研究機(jī)構(gòu)對冷噴涂技術(shù)開展了大量的研究工作。具體如下： 1、俄羅斯1990年，俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院理論與應(yīng)用力學(xué)研究所率先提出了“冷噴涂”概念，隨后科學(xué)家們對冷噴涂技術(shù)的理論、結(jié)構(gòu)

6、進(jìn)行了深入的研究，如對超音速雙相氣流的加速和阻尼的細(xì)致研究、建立數(shù)學(xué)公式，分析不同壓力、溫度和驅(qū)動(dòng)氣體情況下，評估粒子噴出的速度；建立了冷噴涂過程中的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型；研究了氣流與阻礙物的熱容量影響和顆粒沖擊阻礙物時(shí)的變形量，能得出噴涂技術(shù)的優(yōu)化條件；探索冷噴涂技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)的具體方案，力求以空氣作為驅(qū)動(dòng)氣體。這些研究為冷噴涂設(shè)備的研制奠定了基礎(chǔ)。俄羅斯奧柏尼斯克粉末噴涂中心，在奧·費(fèi)·克留也夫的領(lǐng)導(dǎo)下，徹底改變了氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。他們提出，只用10大氣壓以下的空氣就實(shí)現(xiàn)了純金屬與金屬粒子和陶瓷粉末混合物的氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)。他們在加速氣流中同時(shí)輸入陶瓷顆粒，以陶瓷顆粒的動(dòng)

7、能補(bǔ)充金屬顆粒動(dòng)能的不足。已加速的陶瓷顆粒與基體相互作用，對所形成的涂層進(jìn)行動(dòng)力加工。由此獲得密實(shí)均勻的塑性金屬涂層，例如，鋁、銅、鋅和鎳。這種動(dòng)力金屬化過程稱為”聚美特” （Dymet）技術(shù)。 “聚美特”技術(shù)采用了空氣噴涂，氣體消耗量為0.5立方米/分，壓力為58大氣壓。金屬顆粒沉積的效率比其他方法低，約為50%，因?yàn)榧尤腚p相混合物中的陶瓷顆粒，基本上被基體彈回?？偟某练e效率約20-30% 。由于氣體消耗小，總生產(chǎn)效率同樣受到粉末材料消耗的限制，為0.5-0.6克/秒 。圖3 “聚美特”技術(shù)原理示意圖2、烏克蘭在烏克蘭，科學(xué)家們對氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)進(jìn)行了研究。他們采用空氣（加熱250攝氏度，壓

8、力為18大氣壓）作為驅(qū)動(dòng)氣體，確定了噴涂尺寸大于50微米顆粒應(yīng)用的可能，因?yàn)楫?dāng)超音速氣流處于絕熱冷卻時(shí)，它們在噴嘴擴(kuò)展部分，緩慢變涼。3、美國美國冷噴涂技術(shù)研究始于90年代中期，由巴比林和美國Sandia National Laboratories 實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開始研究，他們設(shè)計(jì)了氣體動(dòng)力噴涂的基礎(chǔ)裝置。Ktech 公司生產(chǎn)了工業(yè)化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的氣體動(dòng)力噴涂設(shè)備，氣壓達(dá)30大氣壓，功率為25千瓦。ASB工業(yè)公司改善了冷噴涂設(shè)備的操作性能。設(shè)備使用的關(guān)健問題在于，當(dāng)強(qiáng)加熱雙相混合物時(shí)，金屬顆粒在噴嘴臨界斷面處沉積很嚴(yán)重；并研究看尺寸為50-150微米顆粒的噴涂技術(shù)。美國國防研究實(shí)驗(yàn)室和賓夕尼亞大學(xué)

9、也從事了噴涂技術(shù)優(yōu)化的研究工作，其中從事改善驅(qū)動(dòng)噴嘴特性的優(yōu)化，最佳噴涂粉末材料的選擇，以及所噴制的涂層性質(zhì)研究和確定它們在各種技術(shù)任務(wù)中應(yīng)用。4、英國在英國有劍橋大學(xué)、利物浦大學(xué)和諾丁漢大學(xué)從事冷噴技術(shù)的研究，主要科研方向是研究采用純氦氣冷噴涂技術(shù)所獲得的涂層性質(zhì)，探索利用冷噴技術(shù)直接制造給定形狀零件的可能性。 5、加拿大加拿大材料科學(xué)研究院（CNRC NRC）的低溫噴涂技術(shù)能實(shí)現(xiàn)200以下溫度的噴涂，涂層厚度4mm。該技術(shù)噴射粒子速度達(dá)到1200米/秒，涂層硬度可以通過金屬粒子原料的硬度來控制。據(jù)NRC反映，其部分粒子供應(yīng)商來自中國。該技術(shù)可以對零件的內(nèi)外表面進(jìn)行噴涂，其中中空件內(nèi)部噴涂時(shí)

10、內(nèi)徑應(yīng)70mm，在噴涂之前需采用鋁砂對零件表面進(jìn)行處理。對于該技術(shù)，噴涂的設(shè)備、原料均可直接采購，重難點(diǎn)在于噴涂的工藝研究，NRC不制造設(shè)備，他們主要研究對不同的原料、不同的零件材料，進(jìn)行噴涂的具體工藝要求。加拿大渥太華大學(xué)采用了純氦氣和氮?dú)庾鳛閲娚錃怏w，對冷噴技術(shù)和涂層性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究，主要是改善噴嘴中顆粒驅(qū)動(dòng)技術(shù)和在各種工藝過程中應(yīng)用的可能性。 6、日本日本旬宿大學(xué)從事優(yōu)化噴嘴的研究工作。他們發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)重顆粒的噴嘴長度可以大大地增大；并在臨界斷面之后，采用垂直供金屬粒子的方法，避免了當(dāng)強(qiáng)預(yù)熱氣體時(shí)，在臨界斷面處沉積顆粒的毛病，而且縮短了加速的長度。 7、德國德國漢堡的博得斯維拉大學(xué)，對冷

11、噴技術(shù)也進(jìn)行的大力的研究。德國研究者在數(shù)學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，建立了冷噴技術(shù)的細(xì)致模型，并獲得了顆粒在涂層上固化的標(biāo)準(zhǔn)條件。他們確定，當(dāng)顆粒在沖擊阻礙物時(shí)，超過臨界速度會(huì)產(chǎn)生絕熱移動(dòng)的不穩(wěn)性，促使顆粒產(chǎn)生塑性變形，并固定在阻礙物上。他們在這些研究的基礎(chǔ)上，確定了各種金屬顆粒的臨界速度值，并研制了冷噴技術(shù)用的優(yōu)化圓口噴嘴。CGT公司在上述研究基礎(chǔ)上，生產(chǎn)了氣體動(dòng)力噴涂設(shè)備 ，功率為30千瓦。為了達(dá)到高效的沉積和高質(zhì)量的涂層，設(shè)備中采用氦氣作為工作氣體。8、中國我國也有很多大學(xué)和科研院所對冷噴涂技術(shù)展開了研究，主要西安交通大學(xué)、中科院金屬研究所、哈爾濱焊接研究所、大連理工大學(xué)、北京科技大學(xué)、上海

12、交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等。（1）西安交通大學(xué)西安交通大學(xué)材料學(xué)院金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、焊接研究所熱噴涂實(shí)驗(yàn)室，以青年教師和優(yōu)秀的研究生為生力軍，經(jīng)過20年的發(fā)展，獲得了如下技術(shù)成果：超音速火焰噴涂系統(tǒng)（1995年在國內(nèi)首創(chuàng)研制成功）；常壓/真空冷噴涂系統(tǒng)（2003年國內(nèi)率先研制成功）；微束等離子噴涂系統(tǒng)（1997年國內(nèi)首家研制成功）；液料火焰噴涂系統(tǒng)（2000年國內(nèi)率先研制成功）；高速飛行粒子狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)（1999年國內(nèi)率先研制成功）；真空等離子噴涂物理氣相沉積系統(tǒng)（PS-PVD）等噴涂制備設(shè)備（在建）等，形成了多樣化、國內(nèi)最齊全的涂層制備與檢測設(shè)備。實(shí)驗(yàn)室同時(shí)在冷噴涂特性，冷噴涂銅

13、粒子參量對碰撞行為的影響，冷噴涂納米結(jié)構(gòu)，利用冷噴涂制備WC-CO涂層、NiCrAlY涂層、鎳基金剛石涂層等方面形，取得了大量的研究成果，開發(fā)的高性能涂層技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電力、石化、機(jī)械、冶煉、材料等領(lǐng)域，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。焊接研究所熱噴涂實(shí)驗(yàn)室可承接冷噴涂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造、各式涂層工藝、零件噴涂修復(fù)等技術(shù)服務(wù)。圖4 西安交通大學(xué)冷噴涂設(shè)備系統(tǒng)圖（2）中科院金屬研究所（沈陽）中科院金屬研究所沈陽先進(jìn)材料研發(fā)中心在冷噴涂技術(shù)及涂層制備方面具有深入的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研制了IMRM6000冷噴涂設(shè)備，該設(shè)備具有手動(dòng)和自動(dòng)化控制可用機(jī)械手操作的兩種型號(hào)，獲得了多項(xiàng)國家專利，已為浙江工

14、業(yè)大學(xué)、江西恒大集團(tuán)、沈陽新同正公司、華北石油運(yùn)通公司、中科院嘉興工程中心等單位設(shè)計(jì)制造了氣體動(dòng)力噴涂設(shè)備多臺(tái)。圖5 IMRM6000冷噴涂設(shè)備（3） 哈爾濱焊接研究所（機(jī)械科學(xué)院）哈爾濱焊接研究所超2007音速冷氣噴涂設(shè)備、工藝的研究和開發(fā)取得了一定的研究成果，目前已經(jīng)獲得銅、鋅、鋁、鎳、鉬、鎳-鋁、鎳鉻合金等材料的超音速冷噴涂涂層。無論是冷噴涂設(shè)備還是涂層性能，都達(dá)到了俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院的水平。在超音速冷噴涂成套技術(shù)與設(shè)備方面，已經(jīng)具備了商品化的條件。此外，眾多專家預(yù)測超音速冷噴涂技術(shù)一個(gè)非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域是生產(chǎn)納米涂層或納米化層，目前哈爾濱焊接研究所已經(jīng)應(yīng)用超音速冷氣噴涂技術(shù)在31

15、6L和40Cr鋼表面制作出平均為30納米的納米化層。（4） 大連理工大學(xué)大連理工大學(xué)熱力渦輪機(jī)教研室于1996年建立了常溫下超音速起、固兩相流制備功能涂層實(shí)驗(yàn)裝置，就金屬粒子（鋅粉、鈦粉等）進(jìn)行了冷噴涂實(shí)驗(yàn)，獲得了優(yōu)質(zhì)涂層。該實(shí)驗(yàn)裝置為冷噴涂機(jī)理的研究提供了實(shí)驗(yàn)、分析手段。同時(shí)，近年來該教研室在冷氣體動(dòng)力學(xué)噴涂制備功能涂層機(jī)理、超音速氣流冷噴涂材料改性方法等方面展開了研究工作。三、冷噴涂設(shè)備供應(yīng)商冷噴涂設(shè)備的基本原理如圖6所示。由6部分組成，分別為：噴槍系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、氣體溫度控制系統(tǒng)、氣體調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、高壓氣源以及粉末回收系統(tǒng)。目前市場上的冷噴涂設(shè)備均在這個(gè)框架內(nèi)設(shè)計(jì)。圖6 冷噴涂系統(tǒng)構(gòu)成圖

16、國際上第一套臺(tái)式冷噴涂裝置由俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院理論與應(yīng)用力學(xué)研究所研制，后來為了便于現(xiàn)場使用，設(shè)計(jì)了便攜式裝置及手提噴槍。目前冷噴涂設(shè)備能批量生產(chǎn)供應(yīng)市場的單位有：CGT公司（德國）、IMC公司（新西伯利亞）、Inovati公司（美國）、OPSC公司（俄羅斯）和Plasma Giken公司（日本）等。其中，德國、美國、新西伯利亞只對高壓進(jìn)行研究，俄羅斯的OPSC中心研究低壓冷噴涂技術(shù)。因?yàn)楦邏杭夹g(shù)存在一定的弊端，目前被廣泛推廣的冷噴涂設(shè)備仍集中于低壓冷噴涂技術(shù)。五家主要技術(shù)參數(shù)列入下表：企業(yè)名稱CGT（德國）Plasma Giken日本Inovati（美國）IMC（新西伯利亞）OPSC（

17、俄羅斯）設(shè)備型號(hào)KineticsPCSKMHTA-5Dymet工作氣體氮/氦氮氦氦空氣空氣壓力，大氣壓25-405-63515-205-8耗氣量，立方米/分2-40.220.4功率，千瓦30-47602.5183.3同時(shí)，國內(nèi)也有一些科研院所如西安交通大學(xué)、中科院金屬研究所、西北工業(yè)大學(xué)等自制了冷噴涂設(shè)備，這些自制的設(shè)備是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)計(jì)制造的；它們大多數(shù)，不是單臺(tái)為從事實(shí)驗(yàn)研究工作用，就是為了某項(xiàng)特定任務(wù)的需要而設(shè)計(jì)制造的，因此僅制造了少量臺(tái)數(shù)，沒有大批量生產(chǎn)。（1）CGT公司（德國）CGT公司在俄羅斯專利基礎(chǔ)上研發(fā)了冷噴涂裝置，于2001年向市場推出了Kinetiks-3000型，后經(jīng)改進(jìn)推

18、出了Kinetiks-4000型、Kinetiks-8000型Kinetiks-2000型手提式型。該在電氣工業(yè)中得到應(yīng)用，即在散熱片上涂銅層。設(shè)備如圖7所示。Kinetiks-3000型試用氦/氮混合氣、高壓送粉器、噴嘴為圓形標(biāo)準(zhǔn)Delaval噴嘴，超音速段長76mm，氣體加熱器可達(dá)600。Kinetiks-4000型有三種型號(hào)Kinetiks-4000/17型，Kinetiks-4000/34型Kinetiks-4000/47型,可以實(shí)現(xiàn)三級加熱。Kinetiks-8000型為2009年推出，實(shí)現(xiàn)了更高的粒子沉積效率，更寬的可噴涂材料范圍，提高了涂層質(zhì)量。Kinetiks-2000型手提式

19、型為高壓便攜式裝置，適合于現(xiàn)場修復(fù)。 圖7 CGT公司Kintics設(shè)備（2）IMC公司（新西伯利亞）IMC公司采用經(jīng)典氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)，設(shè)計(jì)制造了HTA型號(hào)的噴涂設(shè)備，如圖8所示。其供粉末的位置，在噴嘴的臨界斷面處。但該設(shè)備目前尚未找到廣泛的應(yīng)用。由于功率小和氣體消耗少，它可以手動(dòng)操作。 圖8 HTA-5型噴涂設(shè)備（3）Inovati公司（美國）Inovati公司是全球較早而且頗為成功的一家低壓冷噴涂設(shè)備制造商，總部位于美國的加州。Inovati 公司生產(chǎn)的KM型冷噴涂設(shè)備，可提供三種不同配置選擇，分別可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室或手動(dòng)及自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域。KM型冷噴涂設(shè)備既可以在鋼結(jié)構(gòu)件上噴涂局部鋁涂層，也

20、可以在航天和航空技術(shù)中制造專用涂層。盡管該產(chǎn)品粉末沉積效率高，但其應(yīng)用范圍也是有限的，因?yàn)樗仨毑捎煤怛?qū)趕顆粒。采用氦氣回收裝置，可以擴(kuò)大它的應(yīng)用范圍。KM型噴涂設(shè)備如圖8所示。為了實(shí)現(xiàn)氦氣的回收，整個(gè)噴涂過程必須在密閉環(huán)境中進(jìn)行。 KM-PCS生產(chǎn)型 KM-CDS研發(fā)型 KM-MCS現(xiàn)場移動(dòng)型圖9 Inovati公司生產(chǎn)的KM型噴涂設(shè)備 （4）OPSC（俄羅斯）低壓冷噴涂設(shè)備奧柏尼斯粉末噴涂中心（OPSC）生產(chǎn)的Dymet 型低壓冷噴涂設(shè)備，具有非常低的驅(qū)動(dòng)氣體的要求和夠低的功率要求。它們主要是手動(dòng)操作，也可以利用操作器進(jìn)行自動(dòng)操作。盡管該設(shè)備的生產(chǎn)效率較低，但它可以解決局部修理和小批量生

21、產(chǎn)中的許多技術(shù)任務(wù)。由于Dymet 設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊和對工作氣體要求很低，該設(shè)備已得到了廣泛的應(yīng)用。目前已有幾百臺(tái)設(shè)備應(yīng)用在俄羅斯和國外被使用。有17個(gè)國家在應(yīng)用，北美購買了低壓冷噴涂技術(shù)，生產(chǎn)了產(chǎn)品，但只能在北美銷。該設(shè)備以在全球范圍內(nèi)已經(jīng)被1000多家企業(yè)、學(xué)校和科研單位使用，已用于電解槽的鋁觸點(diǎn)上噴涂銅；在大型銅母線接觸面上噴涂錫和鋁；在強(qiáng)電流鋁母線接觸表面上噴涂鎳和銅等。 圖10 OCSP生產(chǎn)的便攜式低壓冷噴涂裝置（5） Plasma Giken公司（日本）Plasma Giken公司研制了兩款冷噴涂設(shè)備：PCS-1000型和PCS-800型。PCS-1000型冷噴涂設(shè)備使用溫度可達(dá)1000，可制備致密的高溫合金、鈦合金等涂層，涂層厚度可達(dá)10mm，同時(shí)具有較高的沉積效率。加拿