冷喷涂技术调研.docx
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冷喷涂技术调研
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
560~580
620~640
620~640
680~700
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M、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实验时发现，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，气体消耗量为0.5立方M/分，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%。
由于气体消耗小，总生产效率同样受到粉末材料消耗的限制，为0.5-0.6克/秒。
图3“聚美特”技术原理示意图
2、乌克兰
在乌克兰，科学家们对气体动力喷涂技术进行了研究。
他们采用空气（加热250摄氏度，压力为18大气压）作为驱动气体，确定了喷涂尺寸大于50微M颗粒应用的可能，因为当超音速气流处于绝热冷却时，它们在喷嘴扩展部分，缓慢变凉。
3、美国
美国冷喷涂技术研究始于90年代中期，由巴比林和美国SandiaNationalLaboratories实验室联合开始研究，他们设计了气体动力喷涂的基础装置。
Ktech公司生产了工业化的计算机系统的气体动力喷涂设备，气压达30大气压，功率为25千瓦。
ASB工业公司改善了冷喷涂设备的操作性能。
设备使用的关健问题在于，当强加热双相混合物时，金属颗粒在喷嘴临界断面处沉积很严重；并研究看尺寸为50-150微M颗粒的喷涂技术。
美国国防研究实验室和宾夕尼亚大学也从事了喷涂技术优化的研究工作，其中从事改善驱动喷嘴特性的优化，最佳喷涂粉末材料的选择，以及所喷制的涂层性质研究和确定它们在各种技术任务中应用。
4、英国
在英国有剑桥大学、利物浦大学和诺丁汉大学从事冷喷技术的研究，主要科研方向是研究采用纯氦气冷喷涂技术所获得的涂层性质，探索利用冷喷技术直接制造给定形状零件的可能性。
5、加拿大
加拿大材料科学研究院（CNRCNRC）的低温喷涂技术能实现200℃以下温度的喷涂，涂层厚度≥4mm。
该技术喷射粒子速度达到1200M/秒，涂层硬度可以通过金属粒子原料的硬度来控制。
据NRC反映，其部分粒子供应商来自中国。
该技术可以对零件的内外表面进行喷涂，其中中空件内部喷涂时内径应≥70mm，在喷涂之前需采用铝砂对零件表面进行处理。
对于该技术，喷涂的设备、原料均可直接采购，重难点在于喷涂的工艺研究，NRC不制造设备，他们主要研究对不同的原料、不同的零件材料，进行喷涂的具体工艺要求。
加拿大渥太华大学采用了纯氦气和氮气作为喷射气体，对冷喷技术和涂层性质进行了大量的研究，主要是改善喷嘴中颗粒驱动技术和在各种工艺过程中应用的可能性。
6、日本
日本旬宿大学从事优化喷嘴的研究工作。
他们发现驱动重颗粒的喷嘴长度可以大大地增大；并在临界断面之后，采用垂直供金属粒子的方法，避免了当强预热气体时，在临界断面处沉积颗粒的毛病，而且缩短了加速的长度。
7、德国
德国汉堡的博得斯维拉大学，对冷喷技术也进行的大力的研究。
德国研究者在数学模拟和实验研究基础上，建立了冷喷技术的细致模型，并获得了颗粒在涂层上固化的规范条件。
他们确定，当颗粒在冲击阻碍物时，超过临界速度会产生绝热移动的不稳性，促使颗粒产生塑性变形，并固定在阻碍物上。
他们在这些研究的基础上，确定了各种金属颗粒的临界速度值，并研制了冷喷技术用的优化圆口喷嘴。
CGT公司在上述研究基础上，生产了气体动力喷涂设备，功率为30千瓦。
为了达到高效的沉积和高质量的涂层，设备中采用氦气作为工作气体。
8、中国
我国也有很多大学和科研院所对冷喷涂技术展开了研究，主要西安交通大学、中科院金属研究所、哈尔滨焊接研究所、大连理工大学、北京科技大学、上海交通大学、西北工业大学等。
（1）西安交通大学
西安交通大学材料学院金属材料强度国家重点实验室、焊接研究所热喷涂实验室，以青年教师和优秀的研究生为生力军，经过20年的发展，获得了如下技术成果：
超音速火焰喷涂系统（1995年在国内首创研制成功）；常压/真空冷喷涂系统（2003年国内率先研制成功）；微束等离子喷涂系统（1997年国内首家研制成功）；液料火焰喷涂系统（2000年国内率先研制成功）；高速飞行粒子状态在线监测系统（1999年国内率先研制成功）；真空等离子喷涂－物理气相沉积系统（PS-PVD）等喷涂制备设备（在建）等，形成了多样化、国内最齐全的涂层制备与检测设备。
实验室同时在冷喷涂特性，冷喷涂铜粒子参量对碰撞行为的影响，冷喷涂纳M结构，利用冷喷涂制备WC-CO涂层、NiCrAlY涂层、镍基金刚石涂层等方面形，取得了大量的研究成果，开发的高性能涂层技术已广泛应用于电力、石化、机械、冶炼、材料等领域，取得了显著的经济效益和社会效益。
焊接研究所热喷涂实验室可承接冷喷涂系统的设计与制造、各式涂层工艺、零件喷涂修复等技术服务。
图4西安交通大学冷喷涂设备系统图
（2）中科院金属研究所（沈阳）
中科院金属研究所沈阳先进材料研发中心在冷喷涂技术及涂层制备方面具有深入的理论基础和实践经验，研制了IMR—M6000冷喷涂设备，该设备具有手动和自动化控制可用机械手操作的两种型号，获得了多项国家专利，已为浙江工业大学、江西恒大集团、沈阳新同正公司、华北石油运通公司、中科院嘉兴工程中心等单位设计制造了气体动力喷涂设备多台。
图5IMR—M6000冷喷涂设备
（3）哈尔滨焊接研究所（机械科学院）
哈尔滨焊接研究所超2007音速冷气喷涂设备、工艺的研究和开发取得了一定的研究成果，目前已经获得铜、锌、铝、镍、钼、镍-铝、镍铬合金等材料的超音速冷喷涂涂层。
无论是冷喷涂设备还是涂层性能，都达到了俄罗斯科学院西伯利亚分院的水平。
在超音速冷喷涂成套技术与设备方面，已经具备了商品化的条件。
此外，众多专家预测超音速冷喷涂技术一个非常重要的应用领域是生产纳M涂层或纳M化层，目前哈尔滨焊接研究所已经应用超音速冷气喷涂技术在316L和40Cr钢表面制作出平均为30纳M的纳M化层。
（4）大连理工大学
大连理工大学热力涡轮机教研室于1996年建立了常温下超音速起、固两相流制备功能涂层实验装置，就金属粒子（锌粉、钛粉等）进行了冷喷涂实验，获得了优质涂层。
该实验装置为冷喷涂机理的研究提供了实验、分析手段。
同时，近年来该教研室在冷气体动力学喷涂制备功能涂层机理、超音速气流冷喷涂材料改性方法等方面展开了研究工作。
三、冷喷涂设备供应商
冷喷涂设备的基本原理如图6所示。
由6部分组成，分别为：
喷枪系统、送粉系统、气体温度控制系统、气体调节控制系统、高压气源以及粉末回收系统。
目前市场上的冷喷涂设备均在这个框架内设计。
图6冷喷涂系统构成图
国际上第一套台式冷喷涂装置由俄罗斯科学院西伯利亚分院理论与应用力学研究所研制，后来为了便于现场使用，设计了便携式装置及手提喷枪。
目前冷喷涂设备能批量生产供应市场的单位有：
CGT公司（德国）、IMC公司（新西伯利亚）、Inovati公司（美国）、OPSC公司（俄罗斯）和PlasmaGiken公司（日本）等。
其中，德国、美国、新西伯利亚只对高压进行研究，俄罗斯的OPSC中心研究低压冷喷涂技术。
因为高压技术存在一定的弊端，目前被广泛推广的冷喷涂设备仍集中于低压冷喷涂技术。
五家主要技术参数列入下表：
企业名称
CGT
（德国）
PlasmaGiken
日本
Inovati
（美国）
IMC
（新西伯利亚）
OPSC
（俄罗斯）
设备型号
Kinetics
PCS
KM
HTA-5
Dymet
工作气体
氮/氦
氮／氦
氦
空气
空气
压力，大气压
25-40
5-6
35
15-20
5-8
耗气量，
立方M/分
2-4
0.2
2
0.4
功率，千瓦
30-47
60
2.5
18
3.3
同时，国内也有一些科研院所如西安交通大学、中科院金属研究所、西北工业大学等自制了冷喷涂设备，这些自制的设备是在实验室内设计制造的；它们大多数，不是单台为从事实验研究工作用，就是为了某项特定任务的需要而设计制造的，因此仅制造了少量台数，没有大批量生产。
（1）CGT公司（德国）
CGT公司在俄罗斯专利基础上研发了冷喷涂装置，于2001年向市场推出了Kinetiks-3000型，后经改进推出了Kinetiks-4000型、Kinetiks-8000型Kinetiks-2000型手提式型。
该在电气工业中得到应用，即在散热片上涂铜层。
设备如图7所示。
Kinetiks-3000型试用氦/氮混合气、高压送粉器、喷嘴为圆形规范Delaval喷嘴，超音速段长~76mm，气体加热器可达600℃。
Kinetiks-4000型有三种型号Kinetiks-4000/17型，Kinetiks-4000/34型Kinetiks-4000/47型,可以实现三级加热。
Kinetiks-8000型为2009年推出，实现了更高的粒子沉积效率，更宽的可喷涂材料范围，提高了涂层质量。
Kinetiks-2000型手提式型为高压便携式装置，适合于现场修复。
图7CGT公司Kintics设备
（2）IMC公司（新西伯利亚）
IMC公司采用经典气体动力喷涂技术，设计制造了HTA型号的喷涂设备，如图8所示。
其供粉末的位置，在喷嘴的临界断面处。
但该设备目前尚未找到广泛的应用。
由于功率小和气体消耗少，它可以手动操作。
图8HTA-5型喷涂设备
（3）Inovati公司（美国）
Inovati公司是全球较早而且颇为成功的一家低压冷喷涂设备制造商，总部位于美国的加州。
Inovati公司生产的KM型冷喷涂设备，可提供三种不同配置选择，分别可应用于实验室或手动及自动化生产领域。
KM型冷喷涂设备既可以在钢结构件上喷涂局部铝涂层，也可以在航天和航空技术中制造专用涂层。
尽管该产品粉末沉积效率高，但其应用范围也是有限的，因为它必须采用氦气驱赶颗粒。
采用氦气回收装置，可以扩大它的应用范围。
KM型喷涂设备如图8所示。
为了实现氦气的回收，整个喷涂过程必须在密闭环境中进行。
KM-PCS生产型KM-CDS研发型KM-MCS现场移动型
图9Inovati公司生产的KM型喷涂设备
（4）OPSC（俄罗斯）——低压冷喷涂设备
奥柏尼斯粉末喷涂中心（OPSC）生产的Dymet型低压冷喷涂设备，具有非常低的驱动气体的要求和够低的功率要求。
它们主要是手动操作，也可以利用操作器进行自动操作。
尽管该设备的生产效率较低，但它可以解决局部修理和小批量生产中的许多技术任务。
由于Dymet设备结构紧凑和对工作气体要求很低，该设备已得到了广泛的应用。
目前已有几百台设备应用在俄罗斯和国外被使用。
有17个国家在应用，北美购买了低压冷喷涂技术，生产了产品，但只能在北美销。
该设备以在全球范围内已经被1000多家企业、学校和科研单位使用，已用于电解槽的铝触点上喷涂铜；在大型铜母线接触面上喷涂锡和铝；在强电流铝母线接触表面上喷涂镍和铜等。
图10OCSP生产的便携式低压冷喷涂装置
（5）PlasmaGiken公司（日本）
PlasmaGiken公司研制了两款冷喷涂设备：
PCS-1000型和PCS-800型。
PCS-1000型冷喷涂设备使用温度可达1000℃，可制备致密的高温合金、钛合金等涂层，涂层厚度可达10mm，同时具有较高的沉积效率。
加拿大材料科学院采用的喷涂设备正式PCS-1000型。
图11PCS-1000型冷喷涂设备
四、总结
冷喷涂（气体动力喷涂）方法是重要的金属喷涂技术之一，它属于低温和高速的技术领域。
冷喷涂技术在修复和改变金属零件的尺寸（例如铝合金零件、模具零件）的工作范围内具有广泛的应用，涂层的厚度可从几十微M达几十毫M。
例如，Praxair公司用冷喷涂技术复原已磨损的螺旋浆飞机推进器的叶片；汽车发动机缺陷的修理；小批量生产中，修正铸件的缺陷和聚合物造模的模型；在任何金属和陶瓷表面上，采用气体动力喷涂技术，获得任意厚度的涂层。
冷喷涂技术在我司的应用上，可对现有磨损模具、零部件进行修复；同时对新加工模具进行表面特殊材料涂层，提高硬度和耐磨性，延长模具寿命。
对外可开发低温喷涂应用设备，推广低温喷涂技术，为浙江省中小企业进行技术服务。
附：
高压与低压冷喷涂的优略比较
高压冷喷涂（冷气动力喷涂）因噪音大，压力要求最小达到15个大气压，导致设备庞大无法移动。
此外，部分设备需要在氦气，氮气或惰性气体下操作，因噪音超过100分贝，压力要求高与危险气体的实用，导致安全性低成本高。
而且耗气量与粉末消耗量大，喷涂定向性差。
高压冷喷涂设备的拱粉装置十分的复杂，它采用真空填充式拱粉桶，光送粉桶就造价15万元。
而且因高压设备无工艺基础，喷涂出的涂层不平整且容易产生沙眼。
相对高压的15个大气压的最低要求，低压冷（冷气动力）喷涂设备的工作气压仅为5-8大气压以下。
它几本无工况要求，噪音小于60分贝。
它无高温，无火焰，无危险气体，无辐射和化学废料，可徒手操作，安全性高，且定向性及好。
在不使用模具的情况下喷涂面积可小于高压冷喷涂，即其可操作性更好。
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