冷喷涂设备工程及工艺控制技术探讨

摘要：与其他热喷涂工艺相比，冷喷技术具有巨大优势，但参数部分的影响较为明显，控制工艺技术的探讨尤为重要。

Abstract: Compared with other thermal spray processes, cold spray technology has great advantages, but influence of parameters is obvious, so the discussion about control of process technology is particularly important.

关键词：冷喷涂；设备工程；工艺控制；技术

Key words: cold spray；equipment engineering；process control；technology

中图分类号：TH6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）25-0052-01

0 引言

建立在合理利用空气动力学原理的一种新型喷涂技术的冷喷涂，是采用加热设施预热压缩气体，压缩气体压缩气体通过缩放型Laval喷管产生超高速气流，粉末粒子沿轴向送入气流中，经气体加速后以高速撞击基体，通过产生剧烈的塑性变形而在基体表面沉积为涂层；由于粉末粒子在整个沉积过程中温度低于其熔点，故称为冷喷涂。

1 冷喷涂设备工程

冷喷涂设备工程是基于空气动力学原理的一种新型喷涂技术，利用低温加速喷涂粒子，导致的粒子不熔化，并以固态形式和基体发生碰撞，实现的图层沉积。对于热喷涂设备工程，冷喷涂存在很多优点，如避免在喷涂材料过程中发生氧化、过热、晶粒长大等现象，极其适合纳米晶图层制备。冷喷涂工艺中的工作气体大部分使用压缩空气或N2、He，一般100-600℃为气体预热温度，一般1.5-3.5MPa为气体压力，5-50μm为粉末颗粒尺寸，500-1200m/s为加速范围，5-30mm为喷涂距离。

相比其他热喷涂工艺，冷喷涂设备是一种低温喷涂方式，具有以下几种优点：一是在冷喷涂设备喷涂加热温度较低，氧化的颗粒很少、基本没有烧损和晶粒长大的现象发生。对温度敏感材料如纳米晶、非晶等,对氧化敏感材料Cu、Ti等，还有对相变敏感材料的碳化物复合材料等喷涂都适用选择冷喷涂设备工程。二是冷喷涂拥有对基体热影响小的情况下，基体和涂层之间热应力会相对减少。压应力成为主要的涂层之间的残余应力，可以获得较厚的涂层设备。三是冷喷涂设备工程的研发提高了喷涂的效率，技术的高超导致的涂层致密，气孔率低，有效的提高了冷喷涂的工作效率，并且冷喷涂设备工作后的喷涂粉末可以回收利用，提高了资源的利用率。

2 冷喷涂工艺控制

冷喷涂相对于其他热喷涂工艺，涂中速度增强加上热能降低，对于形成冷喷涂粉末颗粒是否形成涂层取决于粉末颗粒撞击基体的速度，因此，对于冷喷涂设备工程技术的工艺参数，速度是最主要的，如气体种类、气体预热温度和喷枪结构等的工艺参数通过影响颗粒速度实现对涂层性能和质量的影响。

2.1 临界速度 粒子用不同速度撞击基体表面会发生不同效果，如粘接在基体上或穿过基体或被基体反弹，只有当粒子速度达到一定值冷喷涂过程的粒子尺寸一致的情况下，才能真正形成碰撞基体后实现的沉积，这种既定的速度称之为临界速度，否则会发生基体反弹的情况，并形成基体表面的冲蚀缺点。560-580、620-640、620-640、680-700m/s是在AlkimovA.P.等研究测试Cu、Fe、Ni以及Al的临界速度。实验表明具有不同材质的材料,它们的临界速度也不尽相同。为了更加形象地将喷涂工艺及不同材料对临界速度的影响表达出来，H.Assadi等人通过建立模型理论，将影响粒子速度的因素简单概括成公式:

r=667-14ρ+0.08Tm+0.1σu-0.4Ti(1)式中，粒子密度为ρ，粒子熔点为kg・m3Tm，粒子为℃；σu极限强度为MPa；粒子初始温度℃为Ti。因此，颗粒撞击基体前的速度能否超过颗粒沉积所需的临界速度是冷喷涂粉末能否形成涂层重要关节点。

2.2 颗粒速度 在Smith等提出了冷喷涂设备工程的颗粒动力学模型和气流模型。基于典型的缩放喷管的这个模型，作了一定的简化和假设，首先气流是一维的，并且气流是等熵的；将气体视为理想气体，并且在定压和定容的情况下，气体的比热是常数。并根据压缩气体的热力学和动力学特征，当Laval喷管发散部分某处的截面积A确定时，此处相应的马赫数M可以根据下公式确定出，得到相应的等熵关系式，并得到此截面处的气流速度。为确定颗粒的速度,Dykhuizen和Smith将颗粒之间的相互作用和颗粒载气双相流中气体分析，在双相流中，根据微分方程确定颗粒的速度。

2.3 其他一些工艺参数 粒子与基体之间的结合程度、粒子与粒子之间的结合程度都受到粉末粒子的填充速率及基体表面粗糙度和温度等的影响，这又影响了涂层的力学性能和微观组织。基体温度的提高对基体与喷涂粉末离子结合力的提高有正面影响。基体材料在温度提高时发生热软化，冶金结合行为也容易在基体与例子撞击时变形形成。但温度过高则会导致结合率降低，这是因为此时基体界面产生氧化，离子氧化，晶粒长大。

基体表面的硬度和粗糙度比较合适时对涂层形成有利，喷涂前正常情况下，会使用丙酮对机体的表面进行清洗，去除油垢，然后再进行喷砂处理，一般使用20μm左右的氧化铝粒子，使表面的粗糙度提高，与此同时基体材料表面也会发生硬化，因此，合理的控制喷砂工艺是冷喷涂工艺的重点。

粉末粒子的填充速率会影响到涂层的沉积效率，在其他条件均相同的条件下进行冷喷涂时，沉积效率与填充速率成反比，填充速率小时沉积效率高，易引引起涂层结合力的降低；反之，填充速率大时沉积效率降低，使得粒子与基体/粒子与粒子之间更加紧密的结合，同时，必须意粒子在填充速率过大时可能会黏附在喷枪内壁,阻塞喷枪，使之不能正常使用。

总之，制定一套合理的工艺参数，是获得高质量、少缺陷的涂层的保证。虽然粒子的速度会随着气体温度的升高而加快，动能增加，使其和基体发生结合更加容易，注意期间需要控制气体温度，容易导致粉末颗粒内部的晶粒长大，喷涂颗粒的性能降低，温度过高喷涂粒子会融化在喷枪内，使喷枪阻塞。但是温度也不能太低，粒子在气体温度下降时会产生沉积，会受到设备能力的限制。另外，颗粒的速度会因为喷涂颗粒的喷涂距离和直径的不等而产生不同的变化，因此，对特定材料冷喷涂工艺的优化进行探讨是非常有意义的。

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