冷噴涂(金屬氣體動(dòng)力噴涂GDS)技術(shù)冷方法的產(chǎn)生和它的現(xiàn)狀

..冷噴涂〔金屬涂層氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)方法的產(chǎn)生和它的現(xiàn)狀卡史林阿·伊·.——奧柏尼斯克粉末噴涂中心執(zhí)行經(jīng)理史柯得金阿·弗·——奧柏尼斯克粉末噴涂中心總工藝師〔本文寫于20XX金屬涂層的氣體動(dòng)力噴涂方法是大約在二十年前,由俄羅斯學(xué)者第一次提出的,并得到研究人員和專家們的廣泛關(guān)注。在20XX以前,氣體動(dòng)力噴涂是一個(gè)夠新的技術(shù),并不被重視﹝1﹞。近十幾年以來,本方法在各領(lǐng)域發(fā)展得如此之快﹝2﹞﹝3﹞,是與它的基本特性有直接的關(guān)系。這個(gè)特性就是能采用.未熔融金屬顆粒,在被加工表面上制造金屬涂層。氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)與眾所周知的熱氣噴涂方法不同,涂層氣孔率很低,基體材料和涂層的熱負(fù)荷很小,材料氧化少,消除了涂層中結(jié)晶化不均勻的現(xiàn)象。〔一氣體動(dòng)力噴涂方法的產(chǎn)生原蘇聯(lián)科學(xué)院西伯利亞分院理論和應(yīng)用力學(xué)所﹝4﹞的學(xué)者阿·巴·阿爾赫莫夫、弗·費(fèi)·柯沙列夫和阿·尼·馬比林,將鋁以超音速雙相流繞過阻礙物時(shí),發(fā)現(xiàn)它沉積在阻礙物的頂部。這便是氣體動(dòng)力噴涂金屬涂層方法的歷史起源。他們研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)粒子流的速度超過一定值,即所謂的臨界速度時(shí),在阻礙物上沉積一層硬厚的金屬粉末涂層。作者們稱它為"冷氣動(dòng)力噴涂"﹝5﹞﹝6﹞。方法的實(shí)質(zhì),原則上是夠簡(jiǎn)單的。被驅(qū)動(dòng)的未熔融金屬顆粒的速度達(dá)到500-1000米/秒時(shí),與阻礙物發(fā)生碰撞,會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的變形,并在表面固化形成厚涂層。利用這種方法,作者們獲得了許多金屬〔Al、Cu、Zn、Ni、Co、V、Fe、Ti等、它們的合金和混合物的涂層。最初的一些研究發(fā)現(xiàn)：隨著粒子沉積效益的增加,當(dāng)速度超過臨界速度時(shí),觀察到顆粒的變形程度減弱,涂層的硬度降低和它的氣孔率增加﹝5﹞。此外,為了使粒子達(dá)到臨界速度,大多數(shù)情況下,要求采用單一的原子氣體,例如氦氣。這阻礙了該方法實(shí)際應(yīng)用的擴(kuò)展。因此,必須擴(kuò)大研究范圍,不僅要研究涂層的特性,而且還要研究其工作最佳方式和尋找實(shí)現(xiàn)本技術(shù)的具體辦法。〔二氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)的基本參數(shù)由于氣體動(dòng)力噴涂未熔融金屬顆粒的方法應(yīng)用很廣泛,所以登記了專利﹝7﹞。專利的基本點(diǎn)﹝8﹞是：---加速氣流的溫度應(yīng)該低于顆粒材料的熔點(diǎn)溫度或熱軟化的溫度；---顆粒的大小應(yīng)處于1-50微米范圍內(nèi)；---顆粒的速度與其材料和顆粒的尺寸有關(guān),為300-1000米/秒。作者﹝8﹞介紹"冷氣動(dòng)力噴涂"典型的雙相氣流參數(shù)組如下：---推動(dòng)氣流的壓力,大氣壓10-30---推動(dòng)氣流的溫度,攝氏.度0-700---氣體消耗量,米3/分1-2---粉末材料供給量,公斤/小時(shí)5-15---噴涂距離,毫米10-50---需要的功率〔加熱氣體用,千瓦5-25---顆粒尺寸,微米1-50以上參數(shù)只供研究氣體動(dòng)力噴涂過程使用運(yùn)載氣體的參數(shù)為了進(jìn)行氣體動(dòng)力噴涂,必須加速氣體顆粒,形成顆粒流。我們首先應(yīng)該注意獲得更高的氣流速度,而它與音速a有直接的關(guān)係,為：其中,μ一氣體分子量；γ—絕熱常數(shù)；Cp／Cv相對(duì)熱容量；T—?dú)怏w的絕對(duì)溫度R—?dú)怏w萬能常數(shù)當(dāng)氣溫度為0攝氏度時(shí),某些氣體的音速如下：表1氣體音速米／秒絕熱係數(shù)克分子量克／摩爾密度公斤／米3空氣3311.40291.29氮?dú)?341.40281.25氖氣4351.66200.90氦氣9651.6640.18氫氣12841.4020.09為了得到超音速氣流,需用超音速噴嘴一拉瓦爾式噴嘴〔包括收縮和擴(kuò)展兩部分加速氣體。當(dāng)氣體通過臨界噴嘴斷面〔最窄處時(shí),氣體速度就是此部位的音速,而在噴嘴出口擴(kuò)展部位,其速度可能超過音速若干倍。從表1中可以看出,氣流在氦氣中比在空氣中更容易達(dá)到高速。因此,單從這點(diǎn)考慮,對(duì)于氣體動(dòng)力噴涂,最好是采用氦氣或它與空氣的混合物。從公式〔1得出,加熱氣體能使其音速增大。因此,噴嘴中的氣流速度也增大。這種特性常用于噴涂設(shè)備的設(shè)計(jì)工作中。加熱氣體的功率可達(dá)到幾十千瓦,而壓縮氣體的溫度可達(dá)幾百度。在這種情況下,好像冷氣動(dòng)力噴涂是溫?zé)岬?甚至好像是酷熱的。但是,沉積顆粒還是未熔融的固體狀態(tài)。質(zhì)量為Mp的氣體顆粒的加速度a為,其中Cd---顆粒的空氣動(dòng)力阻抗系數(shù)；Sp---顆粒的有效斷面積；Pg---加速氣體的密度；Vg---氣流的速度；Vp---顆粒的速度。必須指出：顆粒的加速度a,除了與上述參數(shù)有明顯的關(guān)系以外；而且其中Cd〔氣體動(dòng)力阻抗系數(shù)不僅與顆粒的形狀和尺寸有關(guān),而且與相互作用的氣體參數(shù)〔速度、密度、粘度和溫度也有關(guān)系。因此,決定加速效率,不僅與氣流速度有關(guān),而且與它的其它參數(shù),以及顆粒的特性都有關(guān)系。圖1上所載的是,運(yùn)動(dòng)在超音速噴嘴中的氣流速度變化與溫度的關(guān)系曲線。虛線表示噴嘴臨界斷面和氣體噴出斷面的位置。圖1沿噴嘴中心軸氣體速度Vg變化與溫度Tg的特性曲線加速氣體的制動(dòng)壓力是形成氣流的決定因素,氣體壓力的增加會(huì)擴(kuò)大噴嘴開口的程度,從而使氣流速度增大；除了對(duì)氣流產(chǎn)生嚴(yán)重影響以外,噴嘴壁上的加速氣流也受阻。這限制了噴嘴的長(zhǎng)度,自然也就縮短了顆粒在噴嘴中加速的時(shí)間。增大工作氣體的壓力和噴嘴開口的程度,可以降低這種影響。在已研制的氣體動(dòng)力噴涂設(shè)備中,通常采用的氣壓為15-35大氣壓。噴嘴超音速噴嘴出口處的斷面積和長(zhǎng)度,直接與加速氣體的總消耗量和壓力有關(guān)。當(dāng)氣體動(dòng)力噴涂的壓力和消耗量為正常值時(shí),其園斷面噴嘴的出口直徑,一般不會(huì)超過8-10毫米。增大噴嘴出口直徑一倍,會(huì)導(dǎo)致氣體消耗量擴(kuò)大4倍。氣體的實(shí)際消耗量大約限制在1-2米3/分。因此,噴嘴出口斷面的尺寸,不能增加太大。要增加噴涂寬度,只能在保持噴嘴斷面積不變的情況下,增加一個(gè)邊的尺寸〔斷面為非園。為了減少顆粒在沖擊層內(nèi)的阻力,在氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)研究的最初階段,選擇了長(zhǎng)方形的斷面。這時(shí),噴嘴出口斷面一邊尺寸愈小,則沖擊波的輸出愈小,顆粒在阻礙物前的阻力也愈小。但是,過份地減小方形斷面一邊的尺寸,會(huì)減慢氣體的速度,使輸出噴嘴的顆粒速度也減少。目前,大多數(shù)情況下都是采用園形斷面的噴嘴。為了獲得高速的顆粒,必須增長(zhǎng)它在加速氣流中停留的時(shí)間。這要求增長(zhǎng)噴嘴的長(zhǎng)度。圖2中所載的是,氣體和尺寸為5微米和25微米的銅顆粒在噴嘴軸上運(yùn)動(dòng)時(shí)達(dá)到的〔Vg、Vp5和Vp25速度曲線。虛線表示噴嘴的臨界斷面和出口處斷面的位置。顯然可知,噴嘴長(zhǎng)度的增大會(huì)使顆粒速度增高。而噴嘴的總長(zhǎng)度和斷面積又與加速氣體的參數(shù)有關(guān)。所以,噴嘴長(zhǎng)度的增加必定會(huì)增大氣體的壓力。確定驅(qū)動(dòng)噴嘴最佳的參數(shù)是氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)的重要研究課題圖2氣體和銅顆粒〔速度為Vg、Vp5和Vp25沿噴嘴軸線變化的曲線對(duì)沉積顆粒特性的要求從公式〔2中可知,顆粒的質(zhì)量,尺寸和形狀對(duì)氣流的加速有很大的影響。當(dāng)然,顆粒愈輕,達(dá)到高速度就愈快。但是,已加速的顆粒在輸出噴嘴之后,受到阻礙物跟前氣體層內(nèi)的阻力。因此,當(dāng)輕顆粒與阻礙物相互作用時(shí),其速度會(huì)大大地降低。此時(shí),愈重的顆粒,愈難用氣流驅(qū)動(dòng)；但當(dāng)它接近阻礙物時(shí),更容易保持自己的速度。正因?yàn)檫@一點(diǎn),顆粒材料的密度、尺寸和形狀之間的關(guān)系是氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)優(yōu)化的重要參數(shù)。氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)最重要的參數(shù)之一是顆粒材料的硬度。金屬顆粒所以能在阻礙物上固定下來,是因?yàn)樗诮佑|區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了塑性變形。因此,為了固定較軟顆粒所需要的速度較低；對(duì)于固定硬金屬顆粒,要求大大增加它的速度。采用預(yù)熱的辦法〔利用硬度與溫度的關(guān)系可以降低顆粒材料的硬度。這種預(yù)熱運(yùn)載氣體的方法并不常用。當(dāng)在噴嘴中進(jìn)行絕熱擴(kuò)展時(shí),氣體溫度會(huì)下降很快。所以通常預(yù)熱只能補(bǔ)嘗顆粒溫度的降低。在圖3中,所載的是：當(dāng)初始溫度為673K〔絕對(duì)溫度時(shí),氣體和直徑為5微米與25微米的銅顆粒,沿著噴嘴軸線運(yùn)動(dòng)的溫度〔Tg、Tp5和Tp25特性曲線。虛線表示臨界斷面和出口斷面處的位置。圖3氣體和銅顆粒沿噴嘴軸線變化的溫度特性線〔Tg、Tp5和Tp25顆粒在氣流中加熱和冷卻的速度,與顆粒材料的導(dǎo)熱性和熱容量以及它的尺寸有關(guān)系。因此氣體動(dòng)力噴涂過程的優(yōu)化,不僅與氣流的選擇有關(guān),而且與選擇適合的粉末材料也有關(guān)系。涂層的性質(zhì)氣體動(dòng)力噴涂方法所制備的涂層的突出特性,是保持原始粉末材料的化學(xué)成份不變。因?yàn)閲娡窟^程是在比顆粒材料熔點(diǎn)溫度低得多的溫度下進(jìn)行的,所以實(shí)際上不產(chǎn)生任何相位轉(zhuǎn)變,任何化學(xué)變化和嚴(yán)重的材料氧化。這種涂層特點(diǎn)是氣孔率低。因?yàn)樵趪娡窟^程中,顆粒會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的變形。當(dāng)已加速的硬顆粒沖擊阻礙物時(shí),會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的變形。接觸區(qū)內(nèi)的局部強(qiáng)熱會(huì)產(chǎn)生局部的升溫,使接觸表面附近硬度降低和變形加大。此時(shí),變形值可達(dá)到80%,涂層的粘合強(qiáng)度達(dá)30-80兆帕。雖然涂層中存在內(nèi)應(yīng)力〔因?yàn)橥繉硬牧蟽?nèi)有硬化,但它的熱應(yīng)力余留下來的很小。這使涂層接合得很好,甚至厚度達(dá)到10mm和更厚的涂層也是如此。由于顆粒產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊變形,其涂層材料晶格缺陷的密度也顯著地增大。晶格的缺陷率,涂層中顆粒強(qiáng)度的提高以及由于時(shí)間短和相互作用的溫度所產(chǎn)生的顆粒之間的無滲入?yún)^(qū)的明顯界線的存在,降低了涂層材料的相對(duì)伸長(zhǎng),其值小于1%。實(shí)際上,用氣體動(dòng)力噴涂法所制的涂層,都是夠脆的。涂層材料在噴涂過程中的強(qiáng)烈硬化,大大地提高了它的硬度。隨后涂層的熱處理,能保證涂層材料相對(duì)伸長(zhǎng)值增加和它的硬度降低?！踩龤怏w動(dòng)力噴涂技術(shù)的研究和發(fā)展作者〔6所稱的"冷氣動(dòng)力噴涂技術(shù)",是利用未熔融金屬顆粒的高動(dòng)能作用,進(jìn)行金屬顆粒噴涂的方法。目前它稱為冷噴〔"ColdSpray",在全世界得到了廣泛的認(rèn)知。圖4經(jīng)典氣體動(dòng)力噴涂裝置的示意圖圖中包括氣體預(yù)熱器、密封供粉筒、混合箱和拉瓦爾噴嘴過去和現(xiàn)在,本方法的發(fā)展道路都是多樣化的。但它的主要研制都是在經(jīng)典法的框架內(nèi)進(jìn)行的,包括雙相混合物的建立和它在超音速噴嘴中的加速〔圖4。在俄國(guó)科學(xué)院新西伯利亞分院的多相系統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)室中,阿·巴·阿爾赫莫夫、弗·費(fèi)·柯沙列夫和謝·弗·克林柯夫繼續(xù)并擴(kuò)大了冷氣動(dòng)力噴涂技術(shù)的實(shí)驗(yàn)和理論研究。他們大部分研究工作是優(yōu)化驅(qū)動(dòng)氣體的噴嘴〔9-13。對(duì)超音速雙相氣流的加速和阻尼的細(xì)致研究,促使建立了數(shù)學(xué)分析公式；利用這個(gè)公式,可以對(duì)在各種不同的壓力、溫度和驅(qū)動(dòng)氣體成份的情況下,同時(shí)還考慮顆粒的濃度,尺寸和密度的影響,評(píng)估顆粒由噴嘴輸出的速度。這就為我們?cè)O(shè)計(jì)出具有最好斷面的噴嘴和選擇最適合的從噴嘴斷面到阻礙物的距離〔14-17,提供了依據(jù)。最近,,新西伯利亞的研究人員和阿·尼·巴比林〔美國(guó)俄僑---譯者合作研制了冷噴過程的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型。這個(gè)模型是建立在"顆粒和阻礙物高速度相互作用使表面激活"的觀點(diǎn)上〔參閱А.П.Алхимов等?ХОЛОДНОЕГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕНАПЫЛЕНИЕ?,〔冷氣動(dòng)力噴涂,莫斯科,物理數(shù)學(xué)文獻(xiàn)出版社,共535頁。作者均為俄國(guó)科學(xué)院西北利亞分院理論與實(shí)驗(yàn)力學(xué)所的教授--譯者,20XX。研究氣流與阻礙物的熱容量影響〔18,19和顆粒沖擊阻礙物時(shí)的變形量〔19,20,能得出噴涂技術(shù)的優(yōu)化條件,研制出多種實(shí)用的設(shè)備,包括手動(dòng)操作的裝置〔22?？墒撬鼈?cè)谄髽I(yè)中實(shí)際應(yīng)用受到嚴(yán)重的阻力,主要是運(yùn)載氣體的消耗問題。在企業(yè)中應(yīng)用氦氣是很貴的,而用15個(gè)大氣壓的空氣所得涂層的質(zhì)量又得不到保證〔23。盡管如此,下列單位通過細(xì)致的研究,設(shè)計(jì)出試驗(yàn)設(shè)備或樣機(jī)：МАИ〔莫斯科、"Рикс"公司〔莫斯科、ДаймлерБенз公司〔德國(guó)、中科院金屬研究所〔中國(guó)、XX和國(guó)際先進(jìn)技術(shù)和粉末噴涂中心〔印度俄羅斯大量的研究工作,是探索氣體動(dòng)力噴涂技術(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?？死锷厂?К.和穆哈美查羅夫А.Г.研制了雙超音速氣流的方案〔24；尼吉金П.В.和斯莫林А.Г.提出了環(huán)狀超音速噴嘴裝置〔25；吉昆Ю.В.把表面準(zhǔn)備過程和噴涂過程結(jié)合起來〔26。在吉昆的研究基礎(chǔ)上,"金屬間復(fù)合物"〔Интерметкомпозит<IMC>公司〔莫斯科制造了工業(yè)用的氣體動(dòng)力噴涂設(shè)備方案НГА-5型,其功率為18kw,空氣為工作氣體,壓力達(dá)15大氣壓。在烏克蘭,果洛柯А.Н.和唐吉柯В.Н.在冶金研究院〔得涅伯羅彼特羅夫斯克對(duì)氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)進(jìn)行了研究〔27,28。他們采用空氣〔加熱250攝氏度,壓力為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?cè)趪娮鞌U(kuò)展部分,緩慢變涼。在美國(guó),氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)是90年代中期,由巴比林〔此人原為俄科學(xué)院新西伯利亞分院理論和應(yīng)用力學(xué)所的研究人員,本技術(shù)發(fā)現(xiàn)者之一---譯者〔8和美國(guó)SandiaNationalLaboratories實(shí)驗(yàn)室共同研究而開始的〔29.他們?cè)O(shè)計(jì)了氣體動(dòng)力噴涂的基礎(chǔ)裝置。后來,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.從此在美國(guó)有許多單位開始對(duì)氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)進(jìn)行研究例如,ASBIndustryCorp.的DelphiCorp.實(shí)驗(yàn)室和其它單位等。ASB公司首先是著手改善設(shè)備的操作性能〔32。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〔33。所以,今后的研究方向是噴涂技術(shù)的應(yīng)用研究和涂層的建立〔34,36。在DelphiCorp.實(shí)驗(yàn)室,研究尺寸為50-150微米顆粒的噴涂技術(shù)〔37。在文獻(xiàn)〔27中,他們發(fā)現(xiàn)：在加熱雙相混合物時(shí),提高顆粒的塑性,能降低顆粒固化在基體上所需要的速度；而當(dāng)驅(qū)動(dòng)氣絕熱冷卻時(shí),粗大顆粒冷卻較慢,速度降低也慢〔38,40。加大氣體預(yù)熱會(huì)導(dǎo)致顆粒在噴嘴臨界斷面處的粘附,所以這個(gè)問題必須解決的〔41。美國(guó)國(guó)防研究實(shí)驗(yàn)室〔42,43和賓夕尼亞大學(xué)：〔44從事噴涂技術(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?cè)诟鞣N技術(shù)任務(wù)中應(yīng)用。在英國(guó)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動(dòng)力噴涂技術(shù)所獲得的涂層性質(zhì),探索利用冷噴技術(shù)直接制造給定形狀另件的可能性〔45,46。加拿大政府提供大額支助,渥太華大學(xué)對(duì)冷噴技術(shù)和涂層性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究。他們采用了純氦氣和氮?dú)?。加拿大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：〔47-49。在日本旬宿〔Шиншу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(zhǎng)度可以大大地增大；并在臨界斷面之后,采用垂直供金屬粉的方法〔50,因此避免了當(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(zhǎng)度。在中國(guó),XX,某大學(xué)的材料學(xué)院對(duì)冷噴技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化和利用各種粉末涂層性質(zhì)進(jìn)行了非常積極的研究〔51,52。在德國(guó),在Х.·克列伊的領(lǐng)導(dǎo)下,漢堡的博得斯維拉〔Бундесвера大學(xué),對(duì)冷噴技術(shù)也進(jìn)行的大力的研究。德國(guó)研究者在數(shù)學(xué)模擬〔53和實(shí)驗(yàn)研究〔54,55的基礎(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?cè)谶@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)化園口噴嘴。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,它功率為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。這就要求粉末顆粒大小處于夠窄的粒級(jí)范圍內(nèi)。有時(shí)為了提高效率,也采用氦氣或它與氮?dú)獾幕旌衔?壓力達(dá)30大氣壓,粉末消耗量為2米3/分。Х.克列伊后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn),,由于顆粒尺寸和溫度的不同,不同材料顆粒的臨界速度也不同〔57。這為提高雙相混合物的加熱和增大工作顆粒的尺寸,提供了依據(jù)〔58。利用這個(gè)研究成果,CGT公司在"Kinetics-4000"〔59中,噴嘴前增加了雙相混合物加熱的補(bǔ)充組件。后者使噴涂的粉末粒級(jí)范圍擴(kuò)大,氮?dú)鈮哼_(dá)30大氣壓,阻尼溫度達(dá)900攝氏度。設(shè)備"Kinetics-3000"在世界市場(chǎng)的出現(xiàn),使得在比利時(shí),法國(guó),意大利和其它國(guó)家開始了氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)的研究工作。他們?cè)诖蠖鄶?shù)情況下是采用氦作為工作氣體,但"Kinetics-4000"的出現(xiàn),絕大部分研究工作只用氮?dú)狻３瞬捎媒?jīng)典方法〔即建立雙相混合氣體并利用高壓驅(qū)動(dòng)氣體,在超音速噴嘴中加速它研究和設(shè)計(jì)設(shè)備以外,另外還有兩種獨(dú)立發(fā)展起來的氣體動(dòng)力噴涂方法。在美國(guó)Р.托珀侯林指出：在氦氣中音速是足夠大,所以加速金屬顆粒甚至可以在低于音速的氣流中進(jìn)行〔60。如果在氦氣中采用低于音速,那么不會(huì)產(chǎn)生密度的降低和那么輕的氣體。這樣促使顆粒更好地得到加速。意洛瓦低公司〔美國(guó),加利弗尼亞曾研制過"動(dòng)力金屬化方法",其氣體壓力比經(jīng)典方案中氣體壓力低得多〔61,62。采用特殊斷面的噴嘴實(shí)現(xiàn)了低于音速的工作方式。此時(shí),不論是在粉末輸入?yún)^(qū),還是在整個(gè)顆粒加速過程中,顆粒都進(jìn)行加熱；這與超音速方法不同,顆粒在加速氣流中進(jìn)行冷卻。意洛瓦低公司設(shè)備的示意圖與氣體動(dòng)力噴涂經(jīng)典設(shè)備沒有區(qū)別。由于采用了低音速的噴嘴,氣壓與需要的功率均大大地降低。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)了純金屬與它們和陶瓷粉末混合物的氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)〔63,64。他們?cè)诩铀贇饬髦型瑫r(shí)輸入陶瓷顆粒,以陶瓷顆粒的動(dòng)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(duì)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)〔65。由于陶瓷顆粒對(duì)噴嘴斷面的強(qiáng)烈腐蝕,因此需要從根本上改變實(shí)現(xiàn)噴涂的方法。首先應(yīng)該避開顆粒流通過噴嘴臨界斷面。在設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí),把混合粉末輸入口安裝在噴嘴的擴(kuò)展部位,臨界斷面之后。用這種方法,他們研制生產(chǎn)了氣體動(dòng)力噴涂機(jī),其壓縮空氣只有5大氣壓〔66-68。圖5"集美特"裝置示意圖〔由氣體加熱器,粉末供給筒,粉末噴射組和拉瓦爾噴嘴等四部分組成加速用的氣體要求低和設(shè)備所需功率小,保證奧柏尼斯克粉末噴涂中心〔俄羅斯設(shè)計(jì)生產(chǎn)了結(jié)構(gòu)緊湊,攜帶方便的一系列"聚美特"噴涂設(shè)備〔68。這些設(shè)備應(yīng)用廣范,甚至在小型的車間或作坊都適合采用。加拿大"CenterLine"公司購(gòu)買"聚美特"技術(shù),生產(chǎn)了移動(dòng)式設(shè)備〔69,但它只能在北美銷售。由于出現(xiàn)了對(duì)加速氣體要求低和粉末消耗少的低壓氣體動(dòng)力噴涂設(shè)備〔70,71,所以產(chǎn)生了新名稱,"高壓氣體動(dòng)力噴涂"和"低壓氣體力噴涂"之分或稱"高壓冷噴涂"<Highpressurecoldspray>和"低壓冷噴涂"<Lowpressurecoldspray>〔2。近十年以來,大量的研究工作加深了對(duì)氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)的理解和研制了許多實(shí)用的氣體動(dòng)力噴涂設(shè)備。X·克列也在20XX艾爾金〔Эрдинге〔72會(huì)議上提出的圖示,很好地說明氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)的發(fā)展。圖6反映了采用30大氣壓的氦氣〔灰亮色橢圓表示和氦氣〔暗灰色橢圓表示的經(jīng)典方法的發(fā)展變化步驟。橢圓用于瞄繪,當(dāng)尺寸為20微米變到50微米的銅顆粒沖擊阻礙物時(shí)的溫度變化區(qū)和速度變化區(qū)。噴嘴的優(yōu)化和氣體加熱溫度的增加,能提高顆粒的速度和溫度〔圖中用1-5表示。這里,劃細(xì)線條的區(qū)域是表示兩種不相干而獨(dú)立的意洛瓦低公司的技術(shù)〔I和聚美特〔Dymet技術(shù)<D>。由圖3可以看出,在經(jīng)典方法發(fā)展的范圍內(nèi),增加速度和提高溫度能保證噴嘴斷面和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,同時(shí)也能增加能量在過程中的吸收。目前已達(dá)到的成果是,尺寸為20—70微米銅顆粒的沉積效率大于90%,結(jié)合力大約為80兆帕。此時(shí),氮的消耗量為2米3/分,壓力為30大氣壓,加熱溫度達(dá)900℃。為了達(dá)到以上結(jié)果,采用氦氣的話,其加熱溫度可以減少一倍"Inovati"〔意洛瓦低的設(shè)備只能采用氦氣工作,但它壓力和氣體消耗大大地減少；因?yàn)樗遣捎玫陀谝羲俚臍饬?加熱氣體的功率也變得很小。從圖6中也可以看到：I指的是Inovodi技術(shù)的情況,它的噴涂效率達(dá)60%。但由于氣體消耗量小,它的總生產(chǎn)率也會(huì)下降。為了節(jié)約氦氣,采用了回收系統(tǒng),因此整個(gè)系統(tǒng)需要密封"聚美特"技術(shù)采用了空氣噴涂,氣體消耗量為0.5米3/分,壓力為5—8大氣壓。這限制了顆粒的速度范圍〔請(qǐng)參看圖6中,D。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。總的沉積效率約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6,銅顆粒在阻礙物前的速度和溫度圖示亮橢圓1-5表示Kinekics氦氣設(shè)備的在各個(gè)發(fā)展階段的圖示暗橢圓1-5表示Kinekics氮?dú)庠O(shè)備的在各個(gè)發(fā)展階段的圖示黑橢圓<I><D>分別表示意洛瓦低〔Inovati技術(shù)<和聚美特〔Dymet技術(shù)的圖示〔四氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)實(shí)際采用的設(shè)備大多數(shù)氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)的研究,促使各單位設(shè)計(jì)制造了各種不同的噴涂設(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。、目前能批量生產(chǎn)供應(yīng)市場(chǎng)的氣體動(dòng)力噴涂設(shè)備的單位有：CGT〔德國(guó)、Интерметкомпозит〔IMC〔俄羅斯、Inovati〔美國(guó)和ОЦПН〔OPSC〔俄羅斯。這四家主要技術(shù)參數(shù)列入下表：表2生產(chǎn)者CGTInovatiIMCOPSC設(shè)備型號(hào)Kinetics-3000Kinetics-4000KMНГА-5Dymet工作氣體氦／氮氮／氦氦空氣空氣壓力,大氣壓25-3030-403.510-155-8消耗量,米3/分2-42-40.220.4功率,千瓦30472.5183.5"Kinetics"設(shè)備是在Х.克列也的領(lǐng)導(dǎo)下研究工作的基礎(chǔ)上,由CGT公司生產(chǎn)的,并在電氣工業(yè)中找到了應(yīng)用,即在散熱片上涂銅層。另外,還有一些公司曾有個(gè)別定貨。大部分還是在實(shí)驗(yàn)室作研究使用。圖7所載的就是設(shè)備的圖片。Kinecics設(shè)備的噪聲很大,工作時(shí)必須采用隔音操作箱。采用"Kinetics"設(shè)備,其噴嘴一般要固定在工業(yè)機(jī)器人操作裝置上。圖7CGT公司生產(chǎn)的Kintics-3000設(shè)備Интерметкомзит〔IMC公司在尤·吉庫研究的基礎(chǔ)上,采用經(jīng)典氣體動(dòng)力噴涂技術(shù),設(shè)計(jì)制造了НГА型號(hào)的噴涂設(shè)備。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8Интерметкомзит〔IMC公司生產(chǎn)НГА-5型噴涂設(shè)備Inovati公司生產(chǎn)的KM型設(shè)備,既可以在鋼結(jié)構(gòu)件上噴涂局部鋁涂層,也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)備示于圖9。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。圖9,Inovati公司生產(chǎn)的KM型噴涂設(shè)備奧柏尼斯粉末噴涂中心生產(chǎn)的"聚美特"〔Dymet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。聚美特-405型設(shè)備示于圖10。盡管該設(shè)備的生產(chǎn)效率和粉末應(yīng)用效率都低,但它可以解決局部修理和小批量生產(chǎn)中的許多技術(shù)任務(wù)。由于設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊和對(duì)工作氣體要求很低,聚美特產(chǎn)品已得到了廣泛的應(yīng)用。目前已有幾百臺(tái)設(shè)備應(yīng)用在俄羅斯和國(guó)外〔本文寫于20XX。到20XX為止,單在俄國(guó)就有一千多個(gè)單位在使用聚美特設(shè)備。另外,有17個(gè)國(guó)家在應(yīng)用。加拿大購(gòu)買了聚美特技術(shù),生產(chǎn)了產(chǎn)品,但只能在北美銷——譯者。圖10OCSP生產(chǎn)的聚美特-405型〔已改為423型可攜帶的設(shè)備氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)與熱噴涂方法比較,首先是材料不存在氧化和基體被加熱的溫