摘要:冷喷涂技术,又称冷气动力学喷涂(Cold Gas Dynamic Spray, 简称CGDS,or High-Velocity Particle Consolidation,简称HVPC),是一种通过把具有一定塑性的细小粒子(1μm～50μm)用压缩气体超音速喷射到基板靶体,经过强烈的塑性变形而发生沉积,形成涂层的方法。这种工艺,是根据颗粒温度、速度、和尺寸的综合选择,允许在尽可能低的温度下进行喷涂。
关键词:冷喷涂;颗粒
1 冷喷涂技术的起源
通常情况下,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,然而,上世纪80年代中期前苏联科学院西伯利亚分部理论和应用机械研究所的科学家,在用示踪粒子进行超音速风洞试验时,发现当用作测速的示踪金属颗粒在其速度超过某一临界值时,粒子发生不断在基体靶材表面沉积的现象。思路开阔的科学家萌发了由固态粒子沉积涂层的想法,由此在1990提出了冷喷涂的概念。经过试验发现,要使高速固态粒子在基体表面沉积,粒子的速度需要超过某一临界值,该临界值与金属材料的种类有关,一般认为400m/s～500m/s。与热喷涂技术相比,冷喷涂中的粒子属于低温而高速,低温指粒子的温度一般远低于材料的熔点,即以完全固态碰撞基体表面,而传统的热喷涂需要粒子完全熔化,或在半熔化的液固两相状态下沉积涂层;高速则指粒子速度一般达到500m/s～1000m/s的状态。
因此,冷喷涂实际上可以认为是粒子温度与速度向低温与高速进一步拓展而发展起来的新型热喷涂方法。
2 冷喷涂涂层的沉积机理
冷喷涂技术的根本原理是:由一高速“冷”喷涂粒子流在一“冷”基体表面喷涂上涂层。喷涂过程中撞击基体是形成涂层还是对基体喷丸或产生冲蚀作用,取决于粒子的速度。对于一种材料,存在一定的临界速度,当大于该速度,形成涂层;而小于该速度,将发生冲蚀现象。此外,这个关键速度的大小由冷喷涂粒子本身性质和基体共同决定。
冷喷涂过程一般会分为几个阶段,按照Van Steenkiste 等的研究发现,铝在金属表面的冷喷涂形成过程分为三个阶段,第一阶段是基体凹陷和第一层颗粒积聚;第二阶段是颗粒形变和重排;最后的第三阶段是冶金焊接形成和空隙的减少。
对于冷喷涂颗粒在基体表面的沉积机理目前为止还缺乏深入的了解。一种普遍的冷喷涂沉积理论认为,在冲击过程中,固体颗粒发生弹性形变,破坏了目标靶体原来的表面,并在局部高压下与表面紧密接触,从而发生粘结。这个理论被许多试验发现所支持,例如:(a)许多延展性好的(金属的和聚合的)材料能够成功的用冷喷涂的方法制备,而那些非塑性材料,例如,陶瓷,只有跟其他塑性材料一起喷涂,才能沉积下来;(b)颗粒在沉积形成涂层的过程中,需要达到最小关键速度,说明足够的动力学能量被用于使颗粒产生弹性形变和破化基体的原有表面;(c)计算表明典型的颗粒在冲击过程中的动力学能量要比颗粒熔融所需的能量低得多,说明冷喷涂的沉积过程主要是(也许整个过程都是)一个固态过程。
3 试验装置
美国于90年代中期购买了冷喷涂技术的专利,开始进行研究,并于2000年推出了第一台商用计算机控制的冷喷涂设备。
冷喷涂的实验装置从原理上分高压气源、进粉系统(进粉、均粉及加热装置)、气固两相射流系统和喷涂装置(喷涂试件台、粉末回收装置等)四大部分。
如图1所示,高压气源中的气体(一般为氦气、氮气或它们的混合气体,气体压力一般在1.5 MPa～3.5MPa)分两路,一路通过送粉器,作为载气将粉末引入de Laval 型喷嘴(即渐缩渐扩喷嘴) 中;另一路通过加热器使气体膨胀,提高气体速度,然后两路气流进入喷枪,在其中形成气-固双相流(气体温度一般在373℃～873℃的范围内,并在喷嘴的扩散部位迅速冷却)。双相流中的高动能颗粒撞击工件表面后产生塑性变形沉积在工件的表面形成涂层。那些未成涂层的粒子可通过普通粉尘收集装置和集尘罩来回收。
4 冷喷涂技术的特点
冷喷涂技术工艺消除了高温对涂层和基体的不利影响,从而提供了新的重要的优点:
由于低温,避免了氧化及生成不需要的物相,对于制备Ti及其合金等易于氧化的材料的涂层具有十分重要的意义。
对基体的热影响小,基本不改变基体材料的组织结构,所以基体材料的选择范围广,可以是金属、合金甚至塑料;对材料组织结构影响小,可以用来制备纳米涂层和块体材料,也可以用来制备对温度敏感的非晶体材料涂层;诱发的残余应力小;由于高速粒子经过剧烈塑性变形实现沉积,涂层组织致密,并在涂层间产生较大的压应力,因此可以制备厚涂层; 涂层的热传导性和电传导性好; 与热喷涂涂层相比,冷喷涂涂层的密度和硬度较高; 孔隙率低,由于冷喷涂颗粒以高速撞击而产生强烈塑性变形形成涂层,而后续粒子的冲击又对前期涂层产生夯实的作用,而且涂层没有由熔融状态冷却的体积收缩过程,故孔隙率较低; 涂层与基体具有较高的结合力; 可制备复合涂层,而且可加工非常不相似的材料;) 最小化基体的准备, 如表面处理掩模, 停工时间短; 粉粒进给率高, 从而生产率高; 可在高涂覆率和高效率下喷涂多种材料; 由于材料在喷涂过程中不发生显著的物理化学变化,可收集并再利用粒子( 粉末使用回收率可达到100 %),节约了成本; 增加了操作安全性,因为没有高温气体喷射、辐射和爆炸性气体。
5 国外进展
冷喷涂的应用研究已经取得了很大的进展。目前的研究表明,冷喷涂可以实现包括金属A1、Zn、Cu、Ni、Ca、Ti、Ag、Co、Fe、Nb、NiCr合金、MCrAlY合金、高熔点Mo、Ta以及高硬度的金属陶瓷Cr5C2-25NiCr、WC-21Co等涂层的制备,可沉积涂层的材料包括大部分金属涂层、金属陶瓷涂层、有机涂层、可以实现用异种材料制备复合涂层或合金涂层以及纳米材料涂层等,并且可以在金属、陶瓷或玻璃等基体表面上形成涂层。例如,美国利用冷喷涂技术制备的高纯铜涂层已被用于一级火箭发动机集束管,锌铝涂层已被应用于汽车底盘的防腐蚀,此外,冷喷涂技术还用于生产汽车和飞机用新型韧性涂层,在梯度涂层中连接异种金属,制造小型涂层复合件以及进行低温涂覆等;德国已将冷喷涂的涂层用于汽车尾气排气管的防护,解决了原来采用热喷涂技术所引起排气管的疲劳断裂问题,提高了其使用寿命;日本也将冷喷涂的高性能导电涂层用于电子工业。俄罗斯的冷喷涂已经在电器、机械制造和汽车行业应用,并在西伯利亚钢铁厂建立了钢管内表面防腐涂层(A1,Zn)制备的自动生产线,可以处理管径在65mm以上,长度在6000mm以内的钢管。
6 国内进展
我国冷喷涂的研究及应用还处于起步阶段,关于冷喷涂的报道还很少。自2000年,中科院沈阳金属所与俄罗斯理论与应用力学研究所开始合作,并引进了冷气动力喷涂设备,开展了利用冷喷涂技术制备新型涂层的研究,在以下两个方面取得了一些有实际应用价值的研究成果。
制备功能涂层。包括耐腐蚀、抗高温氧化涂层,耐磨损与固体润滑减摩涂层,导体上喷涂绝缘涂层或绝缘体上喷涂导电涂层,表面改性涂层,有机高分子涂层和热塑性树脂涂层。如孙裕昌等用冷喷涂镍包铝F501代替目前的渗铝管,在电站水冷壁管抗高温腐蚀中的得到应用;王平等对省煤器冷喷涂耐磨材料,增加了省煤器的耐磨性能;吴杰等用冷喷涂法制备PTC陶瓷的Al电极,消除了金属与PTC陶瓷界面的吸附氧层,使接触电阻降低。
利用超音速气固双相流进行金属部件的表面自身纳米化。该方法使金属表面发生严重的塑性变形,晶粒细化至纳米量级,从而实现表面纳米化。如侯根良等在KY-HVO(A)F多功能超音速火焰喷涂的基础上实现了冷喷涂技术;采用该技术在钢基体上制备了二氧化钛纳米涂层。
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作者简介:孙兴年(1980~),男,工程师,在职研究生,主要从事海洋环境监测工作。
王建勇(1980~),男,助理工程师,本科,主要从事海洋环监测报工作。