冷喷涂技术的应用现状及展望.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊7 7 冷喷涂技术的应用现状及展望 梅雪珍，王磊，马江虹，崔颖 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要简要介绍了冷喷涂技术的原理与特点，冷喷涂工艺参数、粒子沉积行为与喷涂后涂层的性能等研 究现状，并对冷喷涂技术的应用前景进行了展望。 关键词冷喷涂技术；涂层；应用 中图分类号T G l 7 4 ．2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 s 0 0 0 7 7 0 3 A p p l i c a t i o na n dE x p e c t a t i o no fC o l dS p r a yT e c h n o l o g y M E IX u e z h e n ，W A N GL e i ，M AJ i a n g h o n g ，C U IY i n g B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g ＆M e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 。C h i n a A b s t r a c t T h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f c o l ds p r a yw e r eb r i e f l yr e v i e w e d ．T h ep r o c e s sp a r a m e t e ro fc o l d s p r a y ，p a r t i c l ed e p o s i t i o nb e h a v i o ra n dc o a t i n gp r o p e r t i e sa r ea l s os u m m a r i z e d ．B e s i d e s ，f u r t h e rd e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no fc o l ds p r a ya r ea l s op r e s e n t e d ． K e y w o r d s C o l ds p r a yt e c h n o l o g y ；C o a t i n g ；A p p l i c a t i o n 1冷喷涂的原理 热喷涂技术是指把某种固体材料加热到熔融或 半熔融状态并高速喷射到基体表面上形成具有希望 性能的涂层，从而达到对基体表面进行改性的表面 处理技术，由于热喷涂涂层具有特殊的层状结构和 若干微小气孔，涂层与底材的结合一般是机械方式， 其结合强度较低。在很多情况下，热喷涂温度较高， 会引起相变、部分元素的分解和挥发【1 _ 2 ] 以及部分 元素的氧化⋯3 ，不适合喷涂容易氧化和相变敏感等 材料。 冷喷涂技术是相对于热喷涂技术而言的新技 术，其原理是利用高压气体 H e 、N 2 、混合气体或空 气等 携带粉末颗粒从轴向进入喷枪 L a v a ln o z z l e 产生超音速流 3 0 0 ～12 0 0m ／S ，粉末颗粒 1 ～5 0 “m 经喷枪加速后在完全固态下撞击基体，通过产 生较大的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层【4J 。 在冷喷涂过程中，由于喷涂温度较低，发生相变的驱 动力较小，固体粒子晶粒不易长大，氧化现象很难发 作者简介梅雪珍 1 9 8 1 一 ，女，江苏人。工程师，硕士 生，因而适合于喷涂温度敏感材料如纳米相材料、非 晶材料、氧敏感材料 如铜、钛等 、相变敏感材料 如 碳化物等 【5 】。因此，冷喷涂技术近年来在俄罗斯、 美国、德国等都得到了很快的发展和应用。 冷喷涂技术用于材料的表面涂层可以改善和提 高材料的表面特性，如耐磨性、耐腐蚀性和材料的机 械性能等，最终提高产品的质量。冷喷涂可以实现 低温状态下的金属沉积，形成的涂层残余应力低，可 以制备厚涂层，涂层厚度可达到毫米级。 2 冷喷涂技术的特点 冷喷涂涂层是固态粒子高速冲击形成，粒子通 过温度仅有几百度的超音速气体喷嘴加速。喷涂粒 子是形成涂层，还是对基体产生喷丸或冲蚀作用，主 要取决于撞击前的速度。对于一种材料存在一个临 界速度，低于该速度将发生冲蚀作用，超过该速度则 形成涂层，但速度过高且基体很薄则容易发生穿透 现象。因此，控制喷涂粒子的速度是冷喷涂技术的 关键。影响喷涂粒子飞行速度的主要因素包括以下 万方数据 7 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 几个方面超音速喷管的几何性质、工作气体的种 类、工作气体的压力和预热温度及粒子的大小与密 度等[ 6 | 。 冷喷涂技术具有以下特点1 7 - 8 ] 。 1 温度低喷涂材料的粉末粒子在热的非氧化 性气流束中加速，喷涂加热温度较低，涂层基本无氧 化现象适用于C u 、T i 等对氧化敏感材料，对制备纳 米、非晶等温度敏感的涂层材料有十分重要的意义。 同时，冷喷涂涂层中氧含量基本与涂层原始粉末一 致；可以避免材料的熔化和蒸发，因此在制备塑料涂 层时可以防止挥发。 2 可制备复合涂层不同物理化学性质的机械 混合粉末可以制备复合材料涂层。例如，～一P b 合 金在常温下不相溶，采用常规方法难以获得均匀的 组织，采用冷喷涂的方法可使趾与P b 均匀地混合 在一起。 3 对基体的热影响小基本不改变基体材料的 组织结构，因此基体材料的选择范围广泛，可以是金 属、合金或者塑料，即实现异种材料的良好结合。 4 涂层孔隙率低由于冷喷涂的颗粒以高速撞 击而产生强烈塑性变形而形成涂层，而后续粒子的 冲击又对前期涂层产生夯实作用，且涂层没有因熔 融状态冷却的体积收缩过程，因而孔隙率较低。 5 形成的涂层承受压应力制得的涂层结构致 密，具有较高的结合力，并且可以承受压应力，因而 可以制备厚涂层。 6 沉积率高设备相对简单，喷涂粉末可以回 收利用，直接使用压缩空气作为喷涂气体，从而降低 了成本。 3冷喷涂技术的应用 近年来，国内外的研究者研制了喷涂装置，对喷 涂装置及工艺参数的优化等进行了研究，同时通过 大量喷涂试验研究了涂层组织结构、性能、沉积行为 特点。 侯根良等【9J 在多功能超音速火焰喷涂的基础 上通过改进喷枪的设计，在喷枪的扩张段加入水实 现了冷喷涂技术。进行了冷喷涂过程中焰流流场分 析，得到了不同水流量条件下喷枪中气流的速度与 温度分布规律。并依据流场分析结果在钢基体上成 功制备了功能性涂层。李文亚等[ 1 0 ] 采用有限元数 值计算方法研究了冷喷涂过程中C u 粒子与C u 基 体的碰撞变形行为，证实了存在使碰撞界面发生绝 热剪切失稳变形的临界速度，该速度与粒子沉积的 临界速度一致。随碰撞前粒子温度的增加，高达粒 子材料熔点的界面温度与有效接触面积显著增加， 有助于粒子与基体的冶金结合形成。王晓放等【l 刈 定量研究了冷喷涂试验中气体与粉末两相射流流动 这个直接关系到涂层效果的因素，为确定基板与喷 嘴间最佳距离／优化实验方案提供了理论依据。 孙裕昌等1 1 2J 研究了直接在未渗铝的电站水冷 壁管上冷喷涂镍包铝复合粉末，水冷壁管的耐高温 腐蚀强度效果好，可用于实际生产。侯根良等【5J 采 用冷喷涂技术在钢基体上制备纳米二氧化钛涂层， 结果表明，制得的T i 0 7 纳米涂层与原始的纳米粉末 相比，纳米涂层没有发生相变，晶粒尺寸也没有长 大。V a nS t e e n k i s t eTH 等c 1 3 ] 研究了涂层的气孔率 与氧化状态的变化，发现舢涂层的气孔率为0 ．5 ％ ～1 2 ％，F e 涂层的气孑L 率为0 ．1 ％～1 ％，而C u 涂 层气孔率仅有不到0 ．1 ％。M c C u n eRC 等u 4J 通过 试验得到，C u 涂层的弹性模量为 1 0 8 9 M P a ，比 同种材料块体的1 2 6M P a 低，同时得到C u 涂层的 电阻率约为2 ．4 弘Q c m ，比纯铜的1 ．7 弘Q c m 稍 高。吴杰等u 5J 研究了冷喷涂方法制备P T C 陶瓷欧 姆接触舢电极的喷涂工艺，制备的灿电极与P T C 瓷片表面能形成良好的欧姆接触，且涂层均匀，氧含 量极低，m 电极的电阻值接近I n G a 电极。刘彦学 等L 1 6 J 对镁合金表面冷喷涂快凝z n 一～合金粉末工 艺进行了研究，表明制备的快凝Z n A 1 合金粉末涂 层组织致密，基体与涂层的结合处只产生塑性变形 并且无熔化现象，涂层硬度比基体硬度显著提高。 4应用展望 目前，冷喷涂技术作为一种新的工艺受到广泛 关注。冷喷涂技术制备的涂层具有氧化物含量低、 涂层热应力小、硬度高、结合强度好，可将喷涂材料 的组织结构在不发生变化的条件下转移到基体表面 等优点，对于涂层的制备技术具有重要价值，同时在 制备复杂结构材料的复合技术方面也发挥很大的作 用。 冷喷涂技术为制备纳米结构金属涂层及块体材 料提供了有效方法。同时，也为制备耐磨的金属陶 瓷复合涂层，以及陶瓷功能涂层提供了工艺保 证[ 1 7 ] 。鉴于目前对冷喷涂技术的研究，冷喷涂技术 可以制备导电、导热、防腐、耐磨等涂层及功能涂层， 且有希望用于生产和修复许多工业零部件，如涡轮 盘、汽缸、阀门、密封件、套管等。冷喷涂技术的设计 与研究正向工业化应用的方向转化，并涉及到军事 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊7 9 应用，同时也将在航空航天、石油化工、汽车、国防军 工及其它工业等得到广泛的应用。 ．参考文献 [ 1 ] G u i l e m a n yJM ，N u t t i n gJ ，D o u g a nMJ ．T r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p ys t u d yo ft h em i c r o s t r u c t u r e sp r e s e n ti n a l u m i n ac o a t i n g sp r o d u c e db yp l a s m as p r a y i n g [ J ] ．J o u r n a l o fT h e r m a lS p r a yT e c h n o l o g y ，1 9 9 7 ，6 4 4 2 5 4 2 9 ． [ 2 ] L o v e l o c kHL ．P o w d e r ／p r o c e s s i n g ／s t r u c t u r er e l a t i o n s h i p s i nW C - 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