先進(jìn)冷噴涂技術(shù)的應(yīng)用及展望

宋凱強(qiáng)，叢大龍，何慶兵，張隆平，吳護(hù)林，李忠盛

（西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

冷噴涂技術(shù)起源于20 世紀(jì)80 年代中后期，前蘇聯(lián)科學(xué)家在進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)示蹤粒子的速度超過(guò)某一臨界速度時(shí)，示蹤粒子對(duì)靶材表面的作用由沖蝕變?yōu)槌练e，由此提出了冷噴涂概念[1-3]。隨后，研究人員采用該技術(shù)在不同基材表面成功沉積了多種金屬及合金顆粒，并于20 世紀(jì)90 年代初形成了實(shí)用的冷噴涂技術(shù)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，目前發(fā)達(dá)國(guó)家冷噴涂技術(shù)已比較成熟，很多涂層制品已在工業(yè)上得到應(yīng)用。我國(guó)于21 世紀(jì)初從國(guó)外引進(jìn)冷噴涂技術(shù)，雖然起步較晚，但也取得了豐碩成果[4-6]。目前，國(guó)內(nèi)已有多家單位致力于冷噴涂技術(shù)的研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)[7-10]，并發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在航空航天船舶汽車機(jī)械電子等領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 冷噴涂的原理

冷噴涂是一種建立在空氣動(dòng)力學(xué)上的新型噴涂技術(shù)，是以壓縮氣體為加速介質(zhì)，帶動(dòng)噴涂粉末在固態(tài)下高速流動(dòng)，并撞擊基體。由此產(chǎn)生劇烈塑性變形，而沉積形成涂層[11]，其原理如圖1 所示[12]。

冷噴涂的沉積特性主要依賴于噴涂粉末的速度和動(dòng)能[13]。冷噴涂過(guò)程中，壓縮氣體通過(guò)縮放型拉瓦爾噴管加速，產(chǎn)生超高速（300~1200 m/s）流動(dòng)，成為加速氣體。與此同時(shí)，噴涂粉末經(jīng)送粉氣進(jìn)入加速氣流區(qū)，形成超音速氣-固兩相流，并最終與基體表面高速碰撞，產(chǎn)生強(qiáng)烈塑性變形而形成涂層。為了提高冷噴涂的沉積效果，通常對(duì)加速氣體進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度一般小于600 ℃。

圖1 冷噴涂的原理

2 冷噴涂的特點(diǎn)

冷噴涂是一種完全不同于熱噴涂的表面技術(shù)新工藝。相比于傳統(tǒng)的熱噴涂技術(shù)，冷噴涂具有如下特點(diǎn)[14-15]。

1）沉積溫度低，對(duì)涂層和基體的熱影響小。冷噴涂是在低溫下通過(guò)強(qiáng)烈塑性變形而實(shí)現(xiàn)沉積，沉積顆粒不會(huì)受到明顯的熱作用，可以很好地保留原始粉末的組織結(jié)構(gòu)及物化性質(zhì)，基本不會(huì)發(fā)生氧化成分燒損晶粒長(zhǎng)大成分偏析等問(wèn)題[16]。對(duì)制備常規(guī)熱噴涂難以獲得的熱敏感涂層（如CuTi 及其合金等）相變敏感涂層（如碳基復(fù)合材料等）納米晶涂層等具有重要意義。冷噴涂對(duì)基體的熱影響同樣很小，最直接的優(yōu)勢(shì)是擴(kuò)大了基材的選擇空間，目前可用的基體材料已由傳統(tǒng)的金屬合金擴(kuò)展到陶瓷塑料等。

2）選材廣泛，可用于制備復(fù)合涂層。冷噴涂可沉積的材料種類繁多，從目前研究來(lái)看，金屬材料有AlNiTi等，難熔金屬有MoTa等，合金材料有Ni-AlCu-WMCrAlY等，陶瓷材料有 Al2O3Cr3C2-NiCrWC-Co等[17]。冷噴涂對(duì)粉末的要求不高，只要粒徑能滿足要求，一般都可以實(shí)施噴涂。因此，通常采用機(jī)械混合的方法自由組合，并配制復(fù)合粉末，再采用冷噴涂獲得成分均勻的多元異質(zhì)復(fù)合涂層。

3）沉積層孔隙率低，與基體的結(jié)合強(qiáng)度高。冷噴涂依靠粉末與基體的高速撞擊并產(chǎn)生劇烈塑性變形而形成涂層。在沉積過(guò)程中，后續(xù)粒子的高速?zèng)_擊會(huì)對(duì)先沉積的涂層產(chǎn)生夯實(shí)作用。同時(shí)涂層沒(méi)有經(jīng)歷從熔融狀態(tài)冷卻的收縮過(guò)程，因此所獲得的涂層孔隙率低，致密度可高達(dá)98%以上[11]，可用于制備一些高熱導(dǎo)率高電導(dǎo)率防腐等涂層。除此之外，噴涂顆粒的夯實(shí)作用還增強(qiáng)了涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度，可達(dá)到100 MPa 以上。

4）沉積層承受壓應(yīng)力，可用于制備大厚度涂層。與熱噴涂不同，冷噴涂是在低溫下實(shí)現(xiàn)涂層沉積，涂層中的殘余應(yīng)力較低，并且均為壓應(yīng)力，有利于制備厚度較大的涂層[18]。目前，已有研究者采用冷噴涂獲得厚度大于5 mm 的CuAlTi 及其合金涂層，因此，冷噴涂正在演變?yōu)橐环N潛在的近凈成形技術(shù)。

5）粉末利用率高，安全環(huán)保。冷噴涂是在低溫下實(shí)現(xiàn)沉積，未沉積的粉末在低溫環(huán)境下不會(huì)發(fā)生物化性質(zhì)變化，可通過(guò)回收繼續(xù)使用，實(shí)現(xiàn)噴涂粉末的100%利用[19]。與此同時(shí)，冷噴涂操作簡(jiǎn)便安全無(wú)輻射不污染環(huán)境，是一種綠色環(huán)保節(jié)能的噴涂技術(shù)。

6）成本投入高。冷噴涂工藝通常采用氦氣來(lái)提高噴涂質(zhì)量，特別是在噴涂鋼基鎳基或高溫合金時(shí)必須使用氦氣，相比于熱噴涂，極大提高了工藝成本。

3 冷噴涂技術(shù)的應(yīng)用

3.1 制備防腐涂層

腐蝕是金屬材料應(yīng)用中亟待解決的問(wèn)題之一，最典型的案例是海洋環(huán)境中的艦船海洋平臺(tái)以及港工設(shè)施等。它不僅會(huì)造成極大的資源浪費(fèi)，而且還威脅著設(shè)備和人身安全[20-22]。隨著冷噴涂技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，鋁鋅鎳及其合金等金屬涂層的致密度及粘結(jié)強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高，為海洋裝備鋼鐵鋁合金鎂合金等材料的高效防腐提供了有力保障[23]。

西南技術(shù)工程研究所長(zhǎng)期致力于冷噴涂防腐涂層的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[24-25]。針對(duì)島礁艦載等裝備高性能腐蝕防護(hù)涂層需求，開(kāi)展了高耐蝕涂層冷噴涂技術(shù)研究。該技術(shù)突破了復(fù)合粉體優(yōu)化設(shè)計(jì)與沉積特性分析基于硬質(zhì)顆?！昂粚?shí)效應(yīng)”的涂層原位致密化等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)涂層孔隙率由3%降低至0.5%以下，結(jié)合強(qiáng)度大于45 MPa，耐中性鹽霧腐蝕大于3000 h，耐酸性鹽霧腐蝕大于192 h，通過(guò)了2 年海洋大氣環(huán)境試驗(yàn)考核。針對(duì)裝備不同的材料基體和使用環(huán)境，已形成了鋅鋁鎳鋅鋁鋅鎳等多種高耐蝕涂層，可用于鋼鐵鋁合金鎂合金等構(gòu)件的腐蝕防護(hù)（見(jiàn)圖2）。

圖2 冷噴涂涂層構(gòu)件

3.2 制備耐高溫涂層

常見(jiàn)的耐高溫涂層材料有Ni 基Co 基合金，MCrAlY 合金，氧化物陶瓷等，目前主要采用熱噴涂工藝制備[26]，不可避免地存在涂層氧化涂層孔隙率高結(jié)合強(qiáng)度低等問(wèn)題。冷噴涂是在低溫下通過(guò)大塑性變形實(shí)現(xiàn)沉積，涂層氧含量低，致密度高，為耐高溫涂層的制備提供了新思路。

張林偉等人[27]采用冷噴涂制備 NiCoCrAlY 涂層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷噴涂NiCoCrAlY 涂層孔隙率小于0.92%，氧含量?jī)H為0.25%，涂層經(jīng)1050 ℃氧化400 h后未發(fā)生明顯脫落。謝瑞廣等人[28]采用冷噴涂制備NiAl 涂層，并在高溫下進(jìn)行致密化處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，致密化處理的NiAl 涂層經(jīng)1020 ℃氧化200 h 后，涂層內(nèi)部未發(fā)生明顯變化。

3.3 制備耐磨涂層

耐磨涂層材料主要包括一些合金氧化物陶瓷等，目前主要采用熱噴涂工藝制備。隨著冷噴涂技術(shù)的誕生，國(guó)外有研究者嘗試采用冷噴涂制備耐磨涂層，并首先在WC-Co 合金上取得突破[29-30]。目前，冷噴涂已發(fā)展成為一種制備耐磨涂層的重要途徑，在多種耐磨材料上發(fā)揮著其巨大作用。

Ning等人[31]采用冷噴涂技術(shù)分別在鋼鋁銅基體表面制備Al-Sn 合金涂層，有效避免了傳統(tǒng)鑄造工藝帶來(lái)的成分偏析，為制備汽車滑動(dòng)軸承提供了新途徑。Lima等人[29-30]采用冷噴涂工藝制備WC-Co 涂層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，涂層與基體結(jié)合良好，未發(fā)生熱噴涂中所出現(xiàn)的相變脫碳及晶粒長(zhǎng)大等現(xiàn)象。西南技術(shù)工程研究所采用冷噴涂技術(shù)在鋼基體表面沉積Al-Al2O3復(fù)合涂層（見(jiàn)圖3），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Al2O3顆粒均勻分布在Al 基體中。經(jīng)干摩擦試驗(yàn)后，涂層與基體結(jié)合良好，磨痕表面形貌光滑，表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能[25]。

圖3 冷噴涂Al-Al2O3 涂層

3.4 制備導(dǎo)電及導(dǎo)熱涂層

冷噴涂金屬涂層氧含量低致密度高結(jié)合強(qiáng)度高，已成為導(dǎo)電和導(dǎo)熱領(lǐng)域的最佳噴涂工藝。江勝波等人[32]采用冷噴涂技術(shù)在鋁合金基體表面沉積銅涂層（見(jiàn)圖4），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，銅涂層氧化率極低，致密度結(jié)合強(qiáng)度電阻率均優(yōu)于電弧噴涂。目前，這種在鋁基體表面冷噴涂銅涂層的研究已趨于成熟，并且已作為新型鋁散熱片在電子器件領(lǐng)域得到應(yīng)用驗(yàn)證[33]。

此外，采用冷噴涂制備Cu-W 合金也正在發(fā)揮著其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。Cu-W 合金熔點(diǎn)高導(dǎo)熱性好熱膨脹系數(shù)低，是制造電極電觸頭電子封裝等元件的基礎(chǔ)材料。Ibrahim A等人[34]采用冷噴涂技術(shù)制備了Cu-W 復(fù)合涂層，有效發(fā)揮了Cu 基體與W 的協(xié)同強(qiáng)化作用，并且未明顯降低Cu 基體的導(dǎo)電性。周香林等人[35]以銅包鎢粉為喂料，采用冷噴涂技術(shù)制備W-Cu 涂層，并測(cè)試其組織及性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，涂層組織致密，無(wú)氧化物存在，相關(guān)指標(biāo)基本滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電接觸W-Cu 材料的要求。

圖4 鋁合金表面冷噴涂銅涂層

3.5 表面修復(fù)

機(jī)械零部件在工作時(shí)，其表面可能發(fā)生腐蝕劃傷磨損等缺陷而導(dǎo)致尺寸超差[36-37]，導(dǎo)致服役壽命降低。冷噴涂修復(fù)零部件具有明顯優(yōu)勢(shì)：首先構(gòu)件不需要預(yù)熱，并且在修復(fù)過(guò)程中受熱影響?。黄浯涡迯?fù)速度快，效率高；最后涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，并且具有良好的沖擊韌性。目前，冷噴涂作為一種修復(fù)手段正在航空航天汽車制造等領(lǐng)域得到深入研究與應(yīng)用[38]。

美國(guó)軍用技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室在21 世紀(jì)初將冷噴涂技術(shù)用于修復(fù)直升機(jī)鋁合金桅桿支座，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷噴涂Al 后，未降低基體材料的抗拉強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度等性能，并且修復(fù)后的基材具有優(yōu)異的耐蝕性能[39-40]。CenterLine 公司采用冷噴涂技術(shù)修復(fù)先進(jìn)飛行器動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)的鋁鎂合金部件（見(jiàn)圖5 和圖6），得到客戶認(rèn)可。北京航空材料研究院與俄羅斯科學(xué)院合作，引進(jìn)先進(jìn)冷噴涂設(shè)備，并開(kāi)展大量基礎(chǔ)研究，目前可采用冷噴涂Al 修復(fù)深度大于3 mm 的缺陷。

圖5 冷噴涂修復(fù)鎂合金構(gòu)件

圖6 冷噴涂修復(fù)鋁合金構(gòu)件

3.6 增材制造

冷噴涂技術(shù)沉積效率高，工作溫度低，涂層受壓應(yīng)力作用，可用于制備大厚度涂層。在此基礎(chǔ)上，20世紀(jì)末國(guó)外有研究者嘗試采用冷噴涂來(lái)制造金屬構(gòu)件，并發(fā)現(xiàn)在制備Ti 合金構(gòu)件方面具有巨大潛力[41]。目前，隨著冷噴涂技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，越來(lái)越多的研究開(kāi)始關(guān)注冷噴涂的再制造功能，冷噴涂正在由一種表面噴涂技術(shù)演變?yōu)橐环N新興的增材制造技術(shù)。

Jahedi等人[42]采用冷噴涂技術(shù)制備Ti 合金構(gòu)件，并與其他幾種制備工藝進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷噴涂制備Ti 合金構(gòu)件效率高氧含量低力學(xué)性能優(yōu)異，可用于Ti 合金的近凈成形。Pattison等人[43]采用冷噴涂技術(shù)制備出多種金屬零部件。圖7 為冷噴涂制備的Ti-6Al-4V 合金件，送粉速率為5 kg/h，可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)成形[44]。圖8 為CenterLine 公司采用冷噴涂技術(shù)制備的Al-Al2O3零件，其厚度高達(dá)18 mm，涂層具備優(yōu)良的機(jī)加工性能。

圖7 冷噴涂Ti 合金件

圖8 冷噴涂Al-Al2O3 零件

4 結(jié)語(yǔ)

冷噴涂作為一項(xiàng)全新的表面技術(shù)工藝，具有傳統(tǒng)熱噴涂技術(shù)不可替代的優(yōu)勢(shì)，擁有極大的潛在應(yīng)用價(jià)值。我國(guó)冷噴涂技術(shù)起步較晚，相關(guān)技術(shù)主要依賴于進(jìn)口，目前只有少量涂層制品在航空航天武器裝備等軍工領(lǐng)域獲得初步應(yīng)用。發(fā)展冷噴涂技術(shù)符合我國(guó)先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展需求，有助于提高制造業(yè)的綜合水平。對(duì)此，未來(lái)的先進(jìn)冷噴涂技術(shù)還需從以下幾方面努力：加強(qiáng)冷噴涂基礎(chǔ)理論研究，特別是顆粒沉積機(jī)理拉瓦爾噴槍加速機(jī)理等；加強(qiáng)高壓冷噴涂設(shè)備的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，打破國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的壟斷；積極推廣先進(jìn)冷噴涂技術(shù)，擴(kuò)大該技術(shù)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。