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冷噴方案
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(guò)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(duì)基體的沖蝕作用。
通俗來(lái)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(guò)程金屬粒子沒(méi)有被融化，噴涂基體表面產(chǎn)生的溫度不會(huì)超過(guò)150℃（加拿大材料科學(xué)院NRC技術(shù)不超過(guò)200℃）。冷噴涂原理如下圖所示。
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500～700m/s，具體見(jiàn)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1～50um。
不同金屬粒子的臨界速度（m/s）
| 材料 | 銅 | 鎳 | 鐵 | 鋁 |
| 臨界速度 | 560~580 | 620~640 | 620~640 | 680~700 |
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(duì)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(shì)：
①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。
②冷噴涂粒子低溫而高速，可以避免粒子在加速與加熱過(guò)程發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)，適用于對(duì)溫度敏感（納米、非晶等）、對(duì)氧化敏感（Cu、Ti 等）和對(duì)相變敏感（金屬陶瓷）材料的涂層制備。
③對(duì)基體的熱影響小。被噴涂基體的表面瞬間溫度不超過(guò)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。
④可以在任何金屬、玻璃、陶瓷和巖石表面噴涂。
⑤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(guò)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。
⑥金屬粒子可以回收。由于沒(méi)有經(jīng)歷明顯的熱過(guò)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。
在航空航天領(lǐng)域該技術(shù)也得到廣泛的應(yīng)用,利用冷噴涂技術(shù)來(lái)制備航空航天器發(fā)動(dòng)機(jī)特殊保護(hù)涂層,制備航空航天武器的特殊功能涂層,通過(guò)噴涂成形可以直接制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)及形狀的航空航天部件。
對(duì)于其它應(yīng)用，冷噴涂?jī)H是唯一的可行性解決方案，特別是在非傳統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越多。在環(huán)境以及健康和安全法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格時(shí)，人們對(duì)冷噴涂的興趣已經(jīng)以一種潛在的更綠色的替代方案在增長(zhǎng)。
隨著技術(shù)的進(jìn)步，預(yù)計(jì)冷噴涂應(yīng)用將繼續(xù)擴(kuò)展到更多的非傳統(tǒng)應(yīng)用中，例如光電、風(fēng)能、醫(yī)療和建筑領(lǐng)域。在光電應(yīng)用中，冷噴涂可以用于復(fù)雜的傳導(dǎo)型太陽(yáng)能電池制造。風(fēng)能發(fā)電可以利用冷噴涂加強(qiáng)高級(jí)聚合物矩陣合成物制造的元件的表面性能。在醫(yī)療領(lǐng)域，冷噴涂已經(jīng)可以將一種有名的生物相容材料羥磷灰石 (HAP) 有效地噴涂到大量的基板上，但同時(shí)不會(huì)影響HAP的完整性。建筑師可以利用冷噴涂在任何金屬或陶瓷基板上創(chuàng)造無(wú)限美觀的金屬圖案。
納米技術(shù)和智能結(jié)構(gòu)。一些非傳統(tǒng)應(yīng)用包括使用高級(jí)材料，例如納米結(jié)構(gòu)和無(wú)定形材料。在納米結(jié)構(gòu)材料中，其微粒尺寸極小，具有極端斷裂韌度的同時(shí)可以維持材料高強(qiáng)度等機(jī)械優(yōu)勢(shì)。納米結(jié)晶對(duì)于工藝溫度極其敏感，可以有效使用冷噴涂，不會(huì)影響有益的微結(jié)構(gòu)。
由于沉積溫度低，冷噴涂可以在表面嵌入微傳感器及其功能涂層，以形成智能結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可以提供與材料性能或環(huán)境條件相關(guān)的實(shí)時(shí)信息。許多新興企業(yè)正聚焦于為橋梁、電網(wǎng)、風(fēng)力渦輪機(jī)、飛機(jī)、汽車、輪船、管道和施工設(shè)備提供感應(yīng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理和預(yù)分析解決方案。冷噴涂的未來(lái)有賴于將高級(jí)材料沉積到各種基板的同時(shí)將熱量損失和成本將至最低。這是定義這種技術(shù)的未來(lái)方向和機(jī)遇的基石。
冷噴涂技術(shù)的應(yīng)用研究在國(guó)外已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展,我國(guó)冷噴涂技術(shù)研究還處在初級(jí)起步階段。由于冷噴涂過(guò)程中粒子溫度較低,粉末不易發(fā)生氧化相變現(xiàn)象,形成涂層的組織結(jié)構(gòu)與噴涂前粉末相比基本上無(wú)變化,因此冷噴涂中可使用各種粉末,如純金屬粉末、合金粉末、復(fù)合涂層,可以產(chǎn)生不同性能的涂層。目前可以沉積的金屬有Al、Zn、Cu、Ti、Ag等,高熔點(diǎn)金屬M(fèi)o、Ta等,合金有NiCr、MCrAlY等,復(fù)合涂層有Zn-Al、Al-Al2O3等。冷噴涂技術(shù)避免了高溫對(duì)基體和涂層的不利影響,使該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。冷噴涂技術(shù)的設(shè)計(jì)與研究正向工業(yè)化應(yīng)用的方向轉(zhuǎn)化,利用冷噴涂技術(shù)可制備保護(hù)性涂層(耐腐蝕涂層、耐高溫涂層、耐磨涂層等)。董彩常等采用冷噴涂工藝在Q235鋼基體上制備鋁涂層,形成的鋁涂層表面非常致密,孔隙率較低,交流阻抗譜和動(dòng)電位極化曲線分析表明,鋁涂層的腐蝕產(chǎn)物較致密的積聚在涂層表面,阻礙了腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散,對(duì)降低涂層的腐蝕速度發(fā)揮很有效的作用;中性鹽霧試驗(yàn)表明,冷噴涂涂層的腐蝕速度能夠快速降低,可為鋼基體提供有效的陰極保護(hù)。趙恵等用冷噴涂的方法在鎂合金AK63上沉積鋅鋁合金AZ20涂層,研究結(jié)果表明,涂層與基體之間結(jié)合較致密,涂層硬度是基體的3倍,冷噴涂后的鎂合金具有比基體更好的耐磨性,
鹽霧試驗(yàn)結(jié)果表明,AZ20冷噴涂涂層具有比鎂合金基體更好的耐蝕性,對(duì)基體能夠進(jìn)行有效地保護(hù)。制備功能性涂層(非晶涂層、復(fù)合材料涂層等)。李海祥等在碳鋼基體上用冷噴涂的方法制備Zn-50Al復(fù)合涂層,涂層的孔隙率較低,約為1.7%,電化學(xué)試驗(yàn)表明,Zn-50Al涂層的自腐蝕速率較低,腐蝕電位較為穩(wěn)定,100 h后穩(wěn)定在-0.990 V左右,涂層具有較好的耐蝕性,能夠有效地保護(hù)鋼基體,提高其使用壽命。
制備納米涂層。冷噴涂技術(shù)溫度低的特點(diǎn)決定了其適合于制備納米結(jié)構(gòu)涂層。李長(zhǎng)久等采用納米結(jié)構(gòu)WC-12Co通過(guò)冷噴涂方法成功制備了納米結(jié)構(gòu)WC-Co涂層,涂層組織致密,熱噴涂粉末中的納米結(jié)構(gòu)在冷噴涂過(guò)程中完全移植到了涂層。涂層的平均維氏硬度為1 869 HV0.3,顯著高于熱噴涂納米結(jié)構(gòu)WC-Co涂層的硬度。研究還表明,疏松多孔的粉末適合于冷噴涂制備WC-Co涂層,因?yàn)槭杷啥嗫椎慕Y(jié)構(gòu)促進(jìn)了粉末擬變形的發(fā)生。觀察熱處理后的WC-Co涂層斷面形貌,壓痕周圍未出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象,也未出現(xiàn)裂紋,說(shuō)明熱處理過(guò)程可以顯著改善涂層粒子間的結(jié)合和涂層韌性。
冷噴涂在濺射靶材制造方向優(yōu)勢(shì)顯著。冷噴涂靶材致密，幾乎沒(méi)有氣孔，濺射過(guò)程中不會(huì)有異常放電。靶材均質(zhì)穩(wěn)定，含氧量低，可大大地提升了靶材壽命。幾何形狀自由，可以是直筒狀，也可以是復(fù)雜形狀?？梢孕迯?fù)使用過(guò)濺射靶材，下圖為由黃仁忠博士主持研制的冷噴涂設(shè)備制造的旋轉(zhuǎn)靶材。
三鑫公司生產(chǎn)的冷噴涂設(shè)備
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