噴涂是把某種材料經(jīng)加熱加速?lài)娚涞焦ぜ砻嫔闲纬赏繉?，以獲得某種需要性能的材料表面改性與強化技術(shù)。最早發(fā)展起來(lái)的是熱噴涂技術(shù)，噴涂材料被高溫熱源加熱呈熔融態(tài)并被加速沉積到工件表面。根據噴涂材料、加熱加速方式及程度等的不同有很多的分類(lèi)。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)程大多使用高溫熱源，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)反應等現象；并且其涂層具有特殊的層狀結構和若干微小氣孔，涂層與底材的結合一般是機械方式，結合強度較低。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)程對粉末粒子的結構幾乎無(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、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)現的，目前冷噴涂的材料已經(jīng)從塑性較的金屬材料擴展到納米材料，對于較難實(shí)現沉積的陶瓷材料等也慢慢實(shí)現應用。
1、冷噴涂發(fā)展簡(jiǎn)史
20世紀80年代后期，蘇聯(lián)科學(xué)院西伯利亞分院的理論與應用力學(xué)研究所在用示蹤粒子進(jìn)行超聲速風(fēng)洞試驗時(shí)發(fā)現，當示蹤粒子的速度超過(guò)某一臨界值時(shí)，示蹤粒子對靶材表面的作用從沖蝕轉變?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與美國合作者一起進(jìn)行相關(guān)的研究開(kāi)發(fā)工作，1994年取得美國專(zhuān)利，1995年又取得了歐洲專(zhuān)利，并分別于1995年、1996年、1997年在美國召開(kāi)的全美國際熱噴涂會(huì )議上開(kāi)始發(fā)表相關(guān)研究結果，2000年在加拿大召開(kāi)的國際熱噴涂會(huì )議上組織了專(zhuān)門(mén)的討論會(huì )，研究冷噴涂技術(shù)的發(fā)展與應用，并有三篇相關(guān)論文發(fā)表。自2000年起，國際期刊以及國際會(huì )議相關(guān)論文發(fā)表數量逐年增加。除俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院的理論與應用力學(xué)研究所外，美國、德國、中國、加拿大、日本等國家的部分大學(xué)和研究機構已經(jīng)開(kāi)始對該工藝予以關(guān)注，并開(kāi)始了相關(guān)的基礎與應用研究。2000年，美國Ketch公司開(kāi)始制造與出售商用冷噴涂系統。
▲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備
冷噴涂又稱(chēng)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熱后送入噴槍?zhuān)ǔｎA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，是形成涂層還是對基體產(chǎn)生噴丸或沖蝕作用，或是對基體產(chǎn)生穿孔效應，取決于粒子撞擊基體前的速度。對于一種材料存在著(zhù)一臨界速度Ve，當粒子速度大于Ve時(shí)，粒子碰撞后將沉積于基體表面；而當粒子速度小于Ve時(shí)，將發(fā)生沖蝕現象（類(lèi)似拋丸的表面處理效果）。Ve因粉末種類(lèi)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噴涂材料一般在室溫至600℃之間。根據粒子的加速特點(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，以保證送粉的穩定。噴涂距離一般為5～50mm。
▲可使用壓縮空氣、氮氣、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理目前為止還沒(méi)有很好的解釋。一般認為，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(wèn)題，因為只有擁有足夠的動(dòng)能才能得到與表面結合所需的彈性形變。計算表明，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(méi)有發(fā)生材料熔化現象。
冷噴涂系統基本由噴槍系統、送粉系統、氣體溫度控制系統、氣體調節控制系統、高壓氣源以及粉末回收系統組成，槍體為關(guān)鍵部件，主要由縮放拉瓦爾噴管構成，其內表面一般在喉部上游為圓錐形，下游為長(cháng)方體形，也可與上游相對應為圓錐形，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)參數有關(guān)，還與進(jìn)粉系統性能的好壞有關(guān)。尤其是能否連續、均勻、穩定地輸送涂履粉末，將直接對涂層的厚度、均勻度、生長(cháng)速率及性能產(chǎn)生極大影響。
▲冷噴涂系統組成
技術(shù)上，冷噴涂幾乎可沉積所有的金屬和金屬陶瓷復合材料，涂層厚度可以從幾十微米到幾毫米。當采用冷噴涂進(jìn)行零部件的增材制造或修復時(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)數量級，因此零件的厚度可快速逐層累加至幾厘米。隨著(zhù)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(lèi)不斷增加。
根據近年來(lái)文獻報道，可噴涂主要材料見(jiàn)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、耐磨等保護涂層、光催化TiO2、羥基磷灰石等功能涂層以及金屬構件修復、噴涂成型等方面具有良好的應用前景。
▲冷噴涂可沉積材料種類(lèi)
▲通過(guò)冷噴涂技術(shù)修復的零件
冷噴涂系統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氣。低壓冷噴涂使用的氣體壓力在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，復合型冷噴涂技術(shù)的開(kāi)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)程中對已沉積的涂層進(jìn)行微鍛造，通過(guò)夯實(shí)作用增強顆粒與顆粒之間的結合，提高涂層相對密。
▲原位微鍛輔助冷噴涂沉積示意圖
冷噴涂技術(shù)在金屬基復合涂層及材料制備方面也展現出了一定的應用前景。金屬基復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、氮化物等陶瓷增強相進(jìn)行復合制備出冷噴涂復合涂層，其綜合性能優(yōu)于單一的金屬涂層。目前，冷噴涂復合涂層或材料的制備方法除可以采用雙送粉系統進(jìn)行基體相和增強相分開(kāi)送粉，共同沉積的方法外，更多的是采用制備復合粉末的方法進(jìn)行復合涂層的制備。常見(jiàn)的復合粉末的制備方法有如下幾種。
①機械混合法
機械混合法是最簡(jiǎn)單的復合粉末制備方法，通過(guò)將硬度不同的兩種材料機械混合在一起，能夠實(shí)現噴涂粉末的簡(jiǎn)單復合化。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，后續沉積的粒子對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，可以將噴涂粉末設計為“軟+硬”組合的方式，依靠硬質(zhì)顆粒對軟質(zhì)顆粒的后續撞擊作用，實(shí)現對軟質(zhì)顆粒的二次夯實(shí)作用，從而提高涂層致密度。
機械混合具有操作簡(jiǎn)單、適用范圍廣和經(jīng)濟性好等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于兩相性質(zhì)差異大，導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 )呈現不均勻性。
②球磨法
球磨法是僅次于機械混合的常用制備復合粉末的方式。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)程中由于存在機械合金化作用，使得制備的復合涂層中組成相的成分與粉末接近。
雖然相比于機械混合法，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)濟性。但是由于球磨過(guò)程中的機械硬化作用，導致粉末硬度較大，因此影響粉末的沉積效率。另外，球磨導致的高應變也有可能引發(fā)材料相變，改變球磨粉末的結構。解決該問(wèn)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)相轉變，從而提高粉末變形能力。
③造粒法
造粒法是將細小的噴涂粉末采用一定的方法團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致細小粉末難沉積的問(wèn)題也有效克服了機械混合過(guò)程中硬質(zhì)相無(wú)法完全保留到涂層內的問(wèn)題。
造粒法相比于機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(wèn)題。但是造粒處理一般都需要專(zhuān)用的設備，成本較高，且工藝較為復雜，粉末在造粒過(guò)程中有可能會(huì )出現新的變化。
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雜，需要眾多參數的調控方能達到理想的包覆效果，因而工藝穩定性差，制備的復合粉末種類(lèi)有限，限制了其應用。包覆法的工藝成本視具體的處理工藝而定，但一般要比機械混合法和球磨法高。
編輯：粉體圈Alpha