2014年1105冷喷涂技术调研.doc

冷喷涂调研一、原理介绍冷喷涂技术(CS:ColdSpray),又称为气体动力喷涂技术,是指当具有一定塑性的高速固态粒子与基体碰撞后,经过强烈的塑性变形而发生沉积形成涂层的方法。通常条件下,一般的概念是当固态粒子碰撞到某种基体后将产生固态粒子对基体的冲蚀作用。通俗来讲,冷喷涂技术不同于传统热喷涂(超速火焰喷涂,等离子喷涂,爆炸喷涂等传统热喷涂),它不需要将喷涂的金属粒子融化,冷喷涂采用压缩空气加速金属粒子到零界速度,经喷嘴喷出,金属粒子直击到基体表面后发生物理形变。金属粒子撞扁在基体表面并牢固附着,整个过程金属粒子没有被融化,喷涂基体表面产生的温度不会超过150℃(加拿大材料科学院NRC技术不超过200℃)。冷喷涂原理如图1所示。冷喷涂过程中,高速粒子撞击基体后,是形成涂层还是对基体产生喷丸或冲蚀作用,或是对基体产生穿孔效应,取决于粒子撞击基体前的速度。对于一种材料存在着一临界速度Vc,当粒子速度大于Vc时,粒子碰撞后将沉积于基体表面,而当粒子速度小于Vc时,将发生冲蚀现象(基体表面损坏,金属粒子掉落)。Vc因粉末种类而异,一般约500~700m/s,具体见表1。因此,为了增加气流的速度,从而提高粒子的速度,冷喷涂技术还可以将加速气体预热后送入喷枪,通常预热温度小于600℃;同时为了获得高的粒子速度与沉积效率,要求粉末粒子粒度及其分布范围要小,一般为1~50um。表1不同金属粒子的临界速度(m/s)材料铜镍铁铝临界速度560~580620~640620~640680~700冷喷涂技术根据压缩空气的压力不同,分为高压冷喷涂和低压冷喷涂,其中高压冷喷涂使用的压缩空气为15个大气压(psi)以上,低压冷喷涂使用的压缩空气为10个大气压(psi)以下。对比传统热喷涂技术,高压以及低压冷喷涂的技术有以下共同优势:①可以用于喷涂多类别的、具有一定塑性的材料,获得导电、导热、防腐、耐磨等涂层等,比如纯金属锌、铝、铜、铁、镍、钛等,不锈钢、青铜等合金,也可以制备NICR基高温合金等。②冷喷涂粒子低温而高速,可以避免粒子在加速与加热过程发生的物理化学反应,适用于对温度敏感(纳米、非晶等)、对氧化敏感(Cu、Ti等)和对相变敏感(金属陶瓷)材料的涂层制备。③对基体的热影响小。被喷涂基体的表面瞬间温度不超过150度,体感温度为70度(具体温度与喷涂粒子的速度、喷枪移动的速度有关),可以避免基体热变形、材料组织发生破坏。④可以在任何金属、玻璃、陶瓷和岩石表面喷涂。⑤喷涂致密性好,涂层厚度大,可以达到10mm以上。由于高速粒子经过剧烈塑性变形实现沉积,涂层组织致密,并在涂层将产生较大的压应力,可以制备厚涂层。⑥金属粒子可以回收。由于没有经历明显的热过程,基本不发生组织结构的变化,未沉积的粒子,可以回收利用。图2冷喷涂涂层图二、冷喷涂的发展及国内外研究现状冷喷涂概念于1990年提出,其缘起于80年代中期前苏联科学院,在用示踪粒子进行超音速风洞试验时发现,当粒子的速度超过某一临界速度时,示踪粒子对靶材表面的作用从冲蚀转变为加速沉积。1995年,最先参与冷喷涂研究的原苏联研究者Papyrin在美国召开的全美热喷涂会议上与美国学者联合发表相关研究结结果。2000年,在加拿大召开的国际热喷涂会议上,组织了冷喷涂技术讨论会,由此,冷喷涂技术在国际上引起了广泛的关注。近几年来,美国、德国、英国、日本、中国等世界主要国家的高校、研究机构对冷喷涂技术开展了大量的研究工作。具体如下:1、俄罗斯1990年,俄罗斯科学院西伯利亚分院理论与应用力学研究所率先提出了“冷喷涂”概念,随后科学家们对冷喷涂技术的理论、结构进行了深入的研究,如对超音速双相气流的加速和阻尼的细致研究、建立数学公式,分析不同压力、温度和驱动气体情况下,评估粒子喷出的速度;建立了冷喷涂过程中的统计学模型;研究了气流与阻碍物的热容量影响和颗粒冲击阻碍物时的变形量,能得出喷涂技术的优化条件;探索冷喷涂技术应用设计的具体方案,力求以空气作为驱动气体。这些研究为冷喷涂设备的研制奠定了基础。俄罗斯奥柏尼斯克粉末喷涂中心,在奥·费·克留也夫的领导下,彻底改变了气体动力喷涂技术的实现方法。他们提出,只用10大气压以下的空气就实现了纯金属与金属粒子和陶瓷粉末混合物的气体动力喷涂技术。他们在加速气流中同时输入陶瓷颗粒,以陶瓷颗粒的动能补充金属颗粒动能的不足。已加速的陶瓷颗粒与基体相互作用,对所形成的涂层进行动力加工。由此获得密实均匀的塑性金属涂层,例如,铝、铜、锌和镍。这种动力金属化过程称为”聚美特”(Dymet)技术。“聚美特”技术采用了空气喷涂,,压力为5—8大气压。金属颗粒沉积的效率比其他方法低,约为50%,因为加入双相混合物中的陶瓷颗粒,基本上被基体弹回。总的沉积效率约20-30%。由于气体消