噴涂是把某種材料經(jīng)加熱加速噴射到工件表面上形成涂層，以獲得某種需要性能的材料表面改性與強(qiáng)化技術(shù)。最早發(fā)展起來(lái)的是熱噴涂技術(shù)，噴涂材料被高溫?zé)嵩醇訜岢嗜廴趹B(tài)并被加速沉積到工件表面。根據(jù)噴涂材料、加熱加速方式及程度等的不同有很多的分類。具體包括火焰噴涂、（超聲速）電弧噴涂、（超聲速）等離子噴涂、高速氧燃料噴涂、爆炸噴涂等。
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熱噴涂技術(shù)由于噴涂過(guò)程大多使用高溫?zé)嵩?，所以噴涂材料在噴涂過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)生氧化、相變、分解、化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象；并且其涂層具有特殊的層狀結(jié)構(gòu)和若干微小氣孔，涂層與底材的結(jié)合一般是機(jī)械方式，結(jié)合強(qiáng)度較低。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)并日趨成熟的冷噴涂技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低溫狀態(tài)下的涂層沉積，與熱噴涂技術(shù)相比，冷噴涂過(guò)程對(duì)粉末粒子的結(jié)構(gòu)幾乎無(wú)熱影響，金屬材料沉積過(guò)程中的氧化可以忽略，冷噴涂低溫高速的特性使其成為一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的表面處理技術(shù)，冷噴涂的優(yōu)點(diǎn)如涂層無(wú)氧化、顆?？苫厥盏仁瞧渌麌娡抗に囁荒軐?shí)現(xiàn)的，目前冷噴涂的材料已經(jīng)從塑性較的金屬材料擴(kuò)展到納米材料，對(duì)于較難實(shí)現(xiàn)沉積的陶瓷材料等也慢慢實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。
1、冷噴涂發(fā)展簡(jiǎn)史
20世紀(jì)80年代后期，蘇聯(lián)科學(xué)院西伯利亞分院的理論與應(yīng)用力學(xué)研究所在用示蹤粒子進(jìn)行超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)示蹤粒子的速度超過(guò)某一臨界值時(shí)，示蹤粒子對(duì)靶材表面的作用從沖蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀俪练e，由此在1990年提出了冷噴涂的概念。自第一篇關(guān)于冷噴涂的論文于1990年發(fā)表后，最先參與冷噴涂研究的蘇聯(lián)學(xué)者Papyrin與美國(guó)合作者一起進(jìn)行相關(guān)的研究開發(fā)工作，1994年取得美國(guó)專利，1995年又取得了歐洲專利，并分別于1995年、1996年、1997年在美國(guó)召開的全美國(guó)際熱噴涂會(huì)議上開始發(fā)表相關(guān)研究結(jié)果，2000年在加拿大召開的國(guó)際熱噴涂會(huì)議上組織了專門的討論會(huì)，研究冷噴涂技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，并有三篇相關(guān)論文發(fā)表。自2000年起，國(guó)際期刊以及國(guó)際會(huì)議相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量逐年增加。除俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院的理論與應(yīng)用力學(xué)研究所外，美國(guó)、德國(guó)、中國(guó)、加拿大、日本等國(guó)家的部分大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始對(duì)該工藝予以關(guān)注，并開始了相關(guān)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。2000年，美國(guó)Ketch公司開始制造與出售商用冷噴涂系統(tǒng)。
▲冷噴涂與幾種熱噴涂技術(shù)的噴涂溫度與速度比較
2、冷噴涂涂層形成原理及設(shè)備
冷噴涂又稱冷空氣動(dòng)力學(xué)噴涂，它是基于空氣動(dòng)力學(xué)原理的一種噴涂技術(shù)，其基本原理圖如下，其噴涂過(guò)程是利用高壓其他通過(guò)拉瓦爾噴管產(chǎn)生超聲速流動(dòng)，將粉末從軸向送入高速齊魯中，經(jīng)加速后，在完全固態(tài)下撞擊基體，通過(guò)較大的塑性形變而沉積于基體表面上形成涂層。為了增加氣流速度，從而提高粒子的速度，還可以將加速氣體預(yù)熱后送入噴槍，通常預(yù)熱溫度低于600℃。
▲冷噴涂原理圖
冷噴涂過(guò)程中，高速粒子撞擊基體后，是形成涂層還是對(duì)基體產(chǎn)生噴丸或沖蝕作用，或是對(duì)基體產(chǎn)生穿孔效應(yīng)，取決于粒子撞擊基體前的速度。對(duì)于一種材料存在著一臨界速度Ve，當(dāng)粒子速度大于Ve時(shí)，粒子碰撞后將沉積于基體表面；而當(dāng)粒子速度小于Ve時(shí)，將發(fā)生沖蝕現(xiàn)象（類似拋丸的表面處理效果）。Ve因粉末種類而異，一般為500~700m/s。
冷噴涂過(guò)程中，加速氣體一般采用壓縮空氣、N、He或者它們的混合氣體，壓力一般為1.0~3.5MPa，加速氣體的入口溫度根據(jù)噴涂材料一般在室溫至600℃之間。根據(jù)粒子的加速特點(diǎn)，所用粉末粒度一般小于50μm，而且要求送粉氣體的壓力高于加速氣體壓力，以保證送粉的穩(wěn)定。噴涂距離一般為5～50mm。
▲可使用壓縮空氣、氮?dú)?、氬氣、氦氣等多種惰性氣體以及混合惰性氣體
冷噴涂顆粒在基體表面的沉積機(jī)理目前為止還沒有很好的解釋。一般認(rèn)為，塑性形變可以破壞原來(lái)的表面，并在局部高壓下與表面緊密接觸，從而發(fā)生黏接。這也可以用于解釋為什么需要臨界速度的問題，因?yàn)橹挥袚碛凶銐虻膭?dòng)能才能得到與表面結(jié)合所需的彈性形變。計(jì)算表明，顆粒在沖擊中的動(dòng)能比熔融顆粒所需的能量低得多。冷噴涂涂層的顯微照片也證明，冷噴涂的沉積機(jī)理主要是一個(gè)固態(tài)物理學(xué)過(guò)程，在冷噴涂過(guò)程中沒有發(fā)生材料熔化現(xiàn)象。
冷噴涂系統(tǒng)基本由噴槍系統(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)組成，槍體為關(guān)鍵部件，主要由縮放拉瓦爾噴管構(gòu)成，其內(nèi)表面一般在喉部上游為圓錐形，下游為長(zhǎng)方體形，也可與上游相對(duì)應(yīng)為圓錐形，粒子經(jīng)過(guò)噴管被高速氣流加速，溫度有所增加，但遠(yuǎn)低于粒子熔點(diǎn)。噴涂的效率和涂層的質(zhì)量不僅與噴槍的進(jìn)、出口氣動(dòng)參數(shù)有關(guān)，還與進(jìn)粉系統(tǒng)性能的好壞有關(guān)。尤其是能否連續(xù)、均勻、穩(wěn)定地輸送涂履粉末，將直接對(duì)涂層的厚度、均勻度、生長(zhǎng)速率及性能產(chǎn)生極大影響。
▲冷噴涂系統(tǒng)組成
技術(shù)上，冷噴涂幾乎可沉積所有的金屬和金屬陶瓷復(fù)合材料，涂層厚度可以從幾十微米到幾毫米。當(dāng)采用冷噴涂進(jìn)行零部件的增材制造或修復(fù)時(shí)，由于冷噴涂的沉積速率比選擇性激光熔覆技術(shù)（Selectivelasermelting,SLM）高一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此零件的厚度可快速逐層累加至幾厘米。隨著冷噴涂裝備的發(fā)展，氣體溫度和壓力范圍越來(lái)越廣，可噴涂沉積的材料種類不斷增加。
根據(jù)近年來(lái)文獻(xiàn)報(bào)道，可噴涂主要材料見下表所示。不同噴涂材料賦予了涂層不同的性能，因此冷噴涂在制備耐腐蝕、耐高溫、耐磨等保護(hù)涂層、光催化TiO2、羥基磷灰石等功能涂層以及金屬構(gòu)件修復(fù)、噴涂成型等方面具有良好的應(yīng)用前景。
▲冷噴涂可沉積材料種類
▲通過(guò)冷噴涂技術(shù)修復(fù)的零件
冷噴涂系統(tǒng)主要分為高壓和低壓兩種形式，高壓冷噴涂可以提供更高的噴涂壓力（1.5~5.0MPa）和噴涂溫度（最高10℃），有更大的材料選擇范圍，噴涂氣體使用氦氣或氮?dú)狻５蛪豪鋰娡渴褂玫臍怏w壓力在0.8MPa以下，顆粒加速效果較差，材料選擇范圍也有所限制。
此外，復(fù)合型冷噴涂技術(shù)的開發(fā)成目前的研究重點(diǎn)。例如研究人員在5～50μm的金屬粉末中添加150～200μm左右的原位噴丸顆粒，噴丸顆粒在噴涂過(guò)程中對(duì)已沉積的涂層進(jìn)行微鍛造，通過(guò)夯實(shí)作用增強(qiáng)顆粒與顆粒之間的結(jié)合，提高涂層相對(duì)密。
▲原位微鍛輔助冷噴涂沉積示意圖
冷噴涂技術(shù)在金屬基復(fù)合涂層及材料制備方面也展現(xiàn)出了一定的應(yīng)用前景。金屬基復(fù)合涂層及材料的制備和性能研究已成為冷噴涂領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過(guò)將鋁基、鎳基、銅基、鈷基等金屬材料與氧化物、碳化物、氮化物等陶瓷增強(qiáng)相進(jìn)行復(fù)合制備出冷噴涂復(fù)合涂層，其綜合性能優(yōu)于單一的金屬涂層。目前，冷噴涂復(fù)合涂層或材料的制備方法除可以采用雙送粉系統(tǒng)進(jìn)行基體相和增強(qiáng)相分開送粉，共同沉積的方法外，更多的是采用制備復(fù)合粉末的方法進(jìn)行復(fù)合涂層的制備。常見的復(fù)合粉末的制備方法有如下幾種。
①機(jī)械混合法
機(jī)械混合法是最簡(jiǎn)單的復(fù)合粉末制備方法，通過(guò)將硬度不同的兩種材料機(jī)械混合在一起，能夠?qū)崿F(xiàn)噴涂粉末的簡(jiǎn)單復(fù)合化。由于冷噴涂是靠噴涂粒子依次撞擊基體后發(fā)生劇烈塑性變形而形成涂層的。在粒子撞擊過(guò)程中，后續(xù)沉積的粒子對(duì)已沉積粒子具有二次錘擊作用。為了進(jìn)一步提涂層的致密度或輔助不易變形的材料發(fā)生變形，可以將噴涂粉末設(shè)計(jì)為“軟+硬”組合的方式，依靠硬質(zhì)顆粒對(duì)軟質(zhì)顆粒的后續(xù)撞擊作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟質(zhì)顆粒的二次夯實(shí)作用，從而提高涂層致密度。
機(jī)械混合具有操作簡(jiǎn)單、適用范圍廣和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于兩相性質(zhì)差異大，導(dǎo)致噴涂后的沉積效率不同，同時(shí)，硬質(zhì)相的分布也可能會(huì)呈現(xiàn)不均勻性。
②球磨法
球磨法是僅次于機(jī)械混合的常用制備復(fù)合粉末的方式。相比于簡(jiǎn)單的兩相混合，
采用球磨混粉的方式可以使兩相復(fù)合得更加緊密，從而保留更多的硬質(zhì)相。球磨過(guò)程中由于存在機(jī)械合金化作用，使得制備的復(fù)合涂層中組成相的成分與粉末接近。
雖然相比于機(jī)械混合法，球磨法可以提高硬質(zhì)相的保留量，同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。但是由于球磨過(guò)程中的機(jī)械硬化作用，導(dǎo)致粉末硬度較大，因此影響粉末的沉積效率。另外，球磨導(dǎo)致的高應(yīng)變也有可能引發(fā)材料相變，改變球磨粉末的結(jié)構(gòu)。解決該問題的常用方法是在球磨后進(jìn)行熱處理，降低粉末的加工硬化，促進(jìn)相轉(zhuǎn)變，從而提高粉末變形能力。
③造粒法
造粒法是將細(xì)小的噴涂粉末采用一定的方法團(tuán)聚為較大尺寸粉末的處理方法。該方法解決了冷噴涂過(guò)程中基體表面激波導(dǎo)致細(xì)小粉末難沉積的問題也有效克服了機(jī)械混合過(guò)程中硬質(zhì)相無(wú)法完全保留到涂層內(nèi)的問題。
造粒法相比于機(jī)械混合法能有效克服硬質(zhì)顆粒破碎后沉積效率下降的問題。但是造粒處理一般都需要專用的設(shè)備，成本較高，且工藝較為復(fù)雜，粉末在造粒過(guò)程中有可能會(huì)出現(xiàn)新的變化。
④包覆法
常用的包覆方法有還原法、電鍍法、化學(xué)鍍法、PVD和CVD法、溶膠凝膠法等等。目前，采用包覆法成功地制備了Ni包Al2O3、Ni包B4C、石墨烯包覆Al、石墨包覆Cu等粉末，為最大限度地保留硬質(zhì)相提供了解決手段。然而，這種工藝也存在缺點(diǎn)。一方面粉末包覆的均勻性很難保證，另一方面由于包覆工藝本身較為復(fù)雜，需要眾多參數(shù)的調(diào)控方能達(dá)到理想的包覆效果，因而工藝穩(wěn)定性差，制備的復(fù)合粉末種類有限，限制了其應(yīng)用。包覆法的工藝成本視具體的處理工藝而定，但一般要比機(jī)械混合法和球磨法高。
編輯：粉體圈Alpha