冷噴涂氣體加熱器的優(yōu)化研究

程相飛,蘭海明,黃仁忠,孫文,江柱中,云海濤,郭建云,姬小蘭,汪云程

（1. 空裝駐株洲地區(qū)軍事代表室，湖南株洲412002；2. 廣東省科學(xué)院新材料研究所，廣東廣州510651；3. 中國航發(fā)南方公司，湖南株洲412002）

冷噴涂技術(shù)也叫氣體動力學(xué)噴涂技術(shù)，是噴涂技術(shù)領(lǐng)域中相對較新的工藝之一［1-2］。在傳統(tǒng)的熱噴涂工藝中，涂層是由熔融態(tài)或半熔融態(tài)的材料撞擊到基材上形成的［3］。相反，在冷噴涂中粉末以固態(tài)的形式通過拉瓦爾噴嘴以超音速撞擊基材后產(chǎn)生劇烈的塑性變形，堆積形成涂層［4］。因?yàn)檫^程中粉末的溫度遠(yuǎn)低于其本身的熔點(diǎn)，涂層幾乎沒有氧化，能保持原始機(jī)械和物理性能，對基材的影響也較小，已經(jīng)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究［5-7］。

影響冷噴涂涂層沉積的關(guān)鍵因素在于粉末撞擊基材的臨界速度，只有顆粒的速度大于臨界速度，粉末才能沉積在基材上［6］。粉末的臨界速度除了與本身物理特性有關(guān)外，很大程度上還取決于冷噴涂過程中粉末顆粒溫度，通常臨界速度隨著粒子溫度的升高而降低［8］。粉末顆粒的撞擊溫度及速度直接由載氣決定。載氣的作用：一方面，通過拉瓦爾噴嘴對粉末顆粒進(jìn)行加速，使之達(dá)到超音速；另一方面，對粉末顆粒進(jìn)行加熱，起到軟化作用，使得其更容易發(fā)生塑性變形。同時(shí)，載氣溫度的提高也會進(jìn)一步提高粉末粒子撞擊基材的速度［9］。

為了獲得高性能的涂層，提高載氣的溫度是一個(gè)較好的選擇。在不發(fā)生氧化和對基材熱影響小的前提下，通過提高載氣的溫度，可使得涂層的性能得到提升［10］。在實(shí)際應(yīng)用中，將載氣加熱到預(yù)定的溫度所需的時(shí)間長短也影響著冷噴涂涂層制備的成本，然而，目前冷噴涂氣體加熱器存在加熱效率低、熱交換率差等問題。加熱效率低會使得冷噴涂準(zhǔn)備時(shí)間較長，造成壓縮氣體的浪費(fèi)，增大成本。同時(shí)，加熱器與載氣始終會存在著一個(gè)溫度差，當(dāng)加熱器的熱交換效率較差時(shí)，會導(dǎo)致溫度差較大，縮短加熱器的工作壽命，同時(shí)也不利于設(shè)備的長時(shí)間工作，難以滿足冷噴涂裝備的工業(yè)化發(fā)展［11］。因此，亟需對冷噴涂裝備中氣體加熱器作進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

1 氣體加熱器的設(shè)計(jì)及研究方法

1.1 新型加熱器的設(shè)計(jì)

典型的冷噴涂系統(tǒng)如圖1 所示［12］。該系統(tǒng)由加速粉末粒子的拉瓦爾噴嘴，提高工作氣體溫度的氣體加熱器，將粉末粒子輸送到噴槍中的送粉器，以及控制氣體壓力、氣體溫度和送粉率的控制器組成。通過對載氣進(jìn)行高溫加熱，可有效增強(qiáng)冷噴涂涂層的性能，提高生產(chǎn)效率和可靠性，降低生產(chǎn)成本。冷噴涂過程中通常采用氮?dú)饣蚝庾鳛檩d氣。如果在冷噴涂過程中僅使用氮?dú)?，則需要非常高的氣體溫度才能獲得沉積效率高且噴涂成本低的良好沉積物［13］。如果使用氦氣作為載氣，將大幅提高生產(chǎn)成本，無法在各個(gè)行業(yè)中廣泛使用。因此，期望在采用氮?dú)鈼l件下，通過改進(jìn)氣體加熱器來提高冷噴涂涂層的性能。

圖1 典型的冷噴涂系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of a typical cold spray system

為了提高氣體加熱器的加熱效率，新開發(fā)的氣體加熱器如圖2 所示。從圖2 可見，將原先設(shè)備的單個(gè)加熱器設(shè)計(jì)為兩個(gè)加熱器串聯(lián)的形式，并且延長了加熱器的長度，通過兩個(gè)加熱器，逐步提高載氣的溫度，這將有效提高氣體的溫度及加熱效率。加熱器和噴腔室上分別設(shè)置溫度傳感器，二個(gè)電源分別向每個(gè)加熱器單元供電，其輸出功率由來自噴腔室的氣體溫度信號單獨(dú)控制。

圖2 現(xiàn)有冷噴涂氣體加熱器改進(jìn)Fig.2 Improvement of existing cold spray gas heater

新的加熱器的長度由原來的4 m 增加為6 m，加長部分添加一個(gè)新的電極作為電源的輸入端與原加熱器串聯(lián)。新制備的加熱器實(shí)物如圖3 所示。加熱器單元由鎳鉻高溫合金管制作，其具有高電阻率、好的穩(wěn)定性和延展性、良好的抗氧化性能和焊接性能，最高工作溫度可達(dá)1200 ℃［14］。合金管為螺旋管狀以節(jié)約空間，管的直徑為12 mm，管的壁厚為3 mm。在螺旋管兩端通入一定電流后即可產(chǎn)生熱量，高壓載氣通過合金管內(nèi)部被高溫管壁加熱，加熱器外部用耐高溫材料包圍。

圖3 新型氣體加熱器Fig. 3 The new gas heater

1.2 涂層的制備與性能表征

采用市售的Al、Cu、Ti、Ni 粉末進(jìn)行冷噴涂實(shí)驗(yàn)，所有粉末呈球形，尺寸在15~65 μm。選擇Al板、Cu 板和304 不銹鋼板作為冷噴涂基體，并切割成60 mm×60 mm×10 mm 樣板，表面用粒度75 μm左右的白剛玉噴砂處理，然后在超聲波丙酮中清洗10 min。

實(shí)驗(yàn)在PCS-1000（Plasma Giken Co.，Ltd.）冷噴涂系統(tǒng)上進(jìn)行，將該設(shè)備的高溫氣體加熱器更換為自研的新型高溫氣體加熱器，采用氮?dú)庾鳛檩d氣。為了評估溫度對沉積率的影響，測試了Al、Cu、Ti、Ni 粉末在Al 基體上的沉積率效率，其中噴涂壓力設(shè)置為3 MPa，噴涂溫度設(shè)置在100~900 ℃。為了評估不同溫度下涂層致密性，分別在溫度為850 和500 ℃及壓力為3 MPa 條件下，在Al 基體上沉積Ti粉末制備金相試樣，并通過光學(xué)顯微鏡觀察涂層表面。為了評估不同溫度下所制備涂層的結(jié)合強(qiáng)度，在Al 基體、Cu 基體和SUS304 基體上制備涂層并測定涂層的結(jié)合強(qiáng)度，其中Al 粉末冷噴涂溫度為200、300 和400 ℃，Ni 粉末冷噴涂溫度設(shè)置為400、500 和600 ℃，噴涂壓力均設(shè)置為3 MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 新型氣體加熱器的加熱效果

通過實(shí)驗(yàn)測試加熱器與載氣溫度的差值來對比氣體加熱器優(yōu)化前后的加熱效果，其結(jié)果如圖4 所示。從圖4（a）可見，當(dāng)使用傳統(tǒng)單個(gè)加熱器時(shí)，加熱器的溫度則始終需要保持在1050 ℃以上才能將載氣溫度加熱到800 ℃，且加熱過程中加熱器的最高溫度達(dá)到了1200 ℃。根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)加熱器的溫度超過1100 ℃且長時(shí)間工作時(shí)，加熱管極易在高溫高壓條件下破裂。從圖4（b）可見，新型加熱器僅需要保持在900 ℃的溫度條件下即可將載氣加熱到800 ℃，且加熱過程中加熱器溫度最高為1000 ℃，可滿足長時(shí)間的冷噴涂作業(yè)需求。

圖4 加熱器與載氣溫度的差值隨時(shí)間的變化Fig.4 The variations of carrier gas and gas heater temperatures with time

同時(shí)，通過研究對比4 m 和6 m 長的加熱器發(fā)現(xiàn)，延長加熱器的長度，能夠使載氣在加熱器里面的停留時(shí)間延長，增加加熱器與載氣熱量交換，使氣體的溫度得到進(jìn)一步的提升。圖5 為不同長度加熱器對氣體溫度的影響。從圖5 可見，在相同時(shí)間內(nèi)，6 m 長的氣體加熱器可以使腔室內(nèi)的氣體溫度更快達(dá)到預(yù)定溫度。

圖5 不同長度的加熱器對載氣溫度的影響Fig.5 Effect of heaters with different lengths on carrier gas temperature

2.2 提高氣體溫度對沉積效率的影響

在冷噴涂過程中，沉積效率受粒子速度和溫度的影響。當(dāng)粒子速度上升時(shí)，沉積效率會增加，這是由于粒子速度上升后超過臨界速度的粒子變多，因而沉積在基板上的粒子更多。圖6 為典型冷噴涂粉末的沉積效率。從圖6 可以看到：當(dāng)Cu、Al 及Ni 金屬粉末的載氣溫度分別增加到300、400 和600 ℃時(shí)，沉積效率均提高到90%以上，表明這些材料的沉積效率受載氣溫度的影響很大；而Ti 粉末材料的沉積效率受到氣體溫度的影響較小，Ti 粉末的沉積效率在500 ℃氣體溫度下可達(dá)到90%左右，但隨著溫度繼續(xù)升高到600 ℃時(shí)沉積率幾乎不發(fā)生變化，表明Ti 粉末材料的機(jī)械性能（如延展性）不會隨著溫度的升高而增強(qiáng)。

圖6 典型冷噴涂粉末的沉積效率變化Fig.6 Variation in deposition efficiency of typical cold spray powders

2.3 提高氣體溫度對涂層結(jié)構(gòu)的影響

從前面的闡述可知，鈦粉末噴涂溫度升到500 ℃以后，沉積效率幾乎不發(fā)生變化，為了進(jìn)一步確認(rèn)載氣溫度變化對涂層性能的影響，選取了Ti 作為典型粉末進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。冷噴涂Ti 涂層表面的截面組織如圖7 所示。從圖7（a）可見，500 ℃下涂層表面明顯呈現(xiàn)出較為稀疏的狀態(tài)和微裂紋，內(nèi)部的顆粒與顆粒界面中存在著較多的孔洞和未結(jié)合區(qū)域，斷面上的孔隙較多。從圖7（b）可見，850 ℃下的涂層內(nèi)部顆粒與顆粒界面的結(jié)合較為致密，斷面孔隙較少，更為致密。對比兩者，更高溫度參數(shù)下制備的冷噴涂Ti 涂層的粉末顆粒變形更為徹底且涂層也更為致密，涂層性能也更好。

圖7 冷噴涂Ti 涂層的斷面圖Fig.7 Cross-sectional microstructures of cold sprayed Ti coatings

2.4 提高氣體溫度對結(jié)合強(qiáng)度的影響

涂層的結(jié)合強(qiáng)度是冷噴涂涂層重要的性能指標(biāo)之一。通過提高載氣的溫度，將有利于提高涂層與基材之間的結(jié)合強(qiáng)度，不同硬度材料在相同基體上的結(jié)合性能也不相同。選取Al 和Ni 粉末作為不同的硬度材料進(jìn)行冷噴涂實(shí)驗(yàn)，圖8 為不同材質(zhì)基材上Al 涂層和Ni 涂層的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖8（a）可見：隨著溫度的升高，涂層與不同基體的結(jié)合強(qiáng)度也在不斷提高；當(dāng)氣體溫度升高到400 ℃時(shí)，Al 涂層與SUS304 基材的結(jié)合強(qiáng)度增大到55 MPa，Al 涂層與SUS304 基材的結(jié)合強(qiáng)度最高，與Al 基材和Cu 基材的結(jié)合強(qiáng)度差距不大。從圖8（b）可見，Ni 涂層與Al基材的結(jié)合強(qiáng)度最高，然后是Cu 基材和SUS304 基材。結(jié)果表明，較軟材料撞擊在硬基材上，粉末顆粒更容易塑性變形，受溫度的影響使得結(jié)合強(qiáng)度變化率更高［15］。

圖8 不同材料涂層的結(jié)合強(qiáng)度隨載氣溫度的變化Fig.8 Adhesion strengths of different materials with different gas preheating temperatures

綜上所述，載氣的溫度顯著影響著涂層的沉積效率、致密性及與基材的結(jié)合強(qiáng)度。這是因?yàn)殡S著載氣溫度的升高，使得粉末粒子的溫度也得到提高，粒子具有更多的動能以產(chǎn)生更強(qiáng)烈的塑性變形，粉末粒子撞擊速度隨著載氣溫度的增加而增加。另外，升高載氣的溫度，還會使得基材的溫度也得到提高。特別是對溫度敏感性的材料而言，這種效果提升非常顯著。

3 結(jié)論

為了進(jìn)一步提高冷噴涂加熱器的加熱效率，縮短載氣升溫時(shí)間，通過增加加熱器個(gè)數(shù)及延長加熱器的長度，優(yōu)化了冷噴涂氣體加熱器并對改進(jìn)后的加熱器進(jìn)行升溫測試。結(jié)果表明，新型氣體加熱器可獲得更快的升溫速度和最高高溫，對載氣的加熱效率得到提高。

通過冷噴涂實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該新型加熱器對冷噴涂涂層的性能提升，結(jié)果表明，提高載氣的溫度可以提高粉末沉積效率，Cu、Al 和Ni 材料的沉積效率由20%~30%提高到90%以上。當(dāng)載氣溫度由500 ℃提高到850 ℃時(shí)，冷噴涂鈦涂層的孔隙率降低，涂層變得更加致密；冷噴涂Al 和Ni 粉末的載氣溫度從200 和400 ℃分別升高到400 和600 ℃時(shí)，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度得到了提高。研究結(jié)果表明，提高載氣的溫度，可促進(jìn)粒子的塑形變形，使得涂層變?yōu)橹旅?，涂層結(jié)合強(qiáng)度也可得到提高。