超聲機(jī)械涂覆(UMCA)工藝的探討分析及展望

柳 健，牛宗偉，田佩佩，王 旭，蔣瑞鑫，楊保偉

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

0 前 言

近些年來，隨著社會的進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)，涂層技術(shù)不僅要滿足改善零件表面性能的要求，還要降低生產(chǎn)成本，減小能耗，符合國家的環(huán)境法規(guī)要求。涂層技術(shù)的種類繁多，按操作條件大致分為[1]：(1)高真空和高溫度條件下制備的涂層；(2)正常氣壓和高溫度下制備的涂層；(3)高真空和室溫下制備的涂層；(4)正常氣壓和室溫下制備的涂層。每種工藝都有自己的優(yōu)缺點。比如在高溫高真空下進(jìn)行的工藝，不僅設(shè)備復(fù)雜昂貴，而且能耗很大，此外，真空室限制了涂覆的面積，所制備的樣品孔隙率高。在正常氣壓高溫下制備的涂層雖然具有較高的生產(chǎn)率和成品率，但某些涂覆材料和基體不可避免地被空氣氧化，涂層和基體間的結(jié)合強(qiáng)度往往較低，并且高溫會使晶粒長大，很難制備納米涂層。上述特點使得今天許多涂層工藝在基體和材料組合方面受到諸多限制[2]。

為了解決上述問題，近些年來研究者試圖將機(jī)械球磨(機(jī)械合金化)原理[3]和機(jī)械化學(xué)活化[4]結(jié)合起來應(yīng)用于涂層生產(chǎn)中。在國外，Torosyan等[5]首次將球磨原理應(yīng)用于沉積涂層。在國內(nèi)有學(xué)者提出了機(jī)械鍍沉積工藝[6]。機(jī)械沉積技術(shù)是在常溫下利用化學(xué)活化、吸附作用和機(jī)械沖擊效果[7-9],使金屬粉末沉積到基體表面，如機(jī)械鍍銅[10]、機(jī)械鍍鋅[11,12]等。該技術(shù)因自身獨特的優(yōu)點[13,14]，已在小五金、汽車制造業(yè)、建筑及日常生活中得到了應(yīng)用[15]。還出現(xiàn)了將超聲與濕法機(jī)械鍍結(jié)合起來的工藝，比如濕法超聲鍍鋅[16]、濕法超聲鍍鋅-鋁[17],都取得了不錯的效果。濕法機(jī)械鍍具有鍍層無氫脆、原料無毒性、可實現(xiàn)清潔生產(chǎn)、能耗小、鍍覆效率高等優(yōu)點，但至今沒有開發(fā)出大面積鍍覆工件的設(shè)備，因此在實際生產(chǎn)中不能對面積較大的工件表面進(jìn)行鍍覆，限制了其應(yīng)用范圍。

在國外，研究者們更側(cè)重于開發(fā)干法超聲機(jī)械涂覆(簡稱UMCA)技術(shù)，這一技術(shù)最初是由Komarov等[2]提出。實際上，UMCA工藝是表面機(jī)械研磨處理工藝的擴(kuò)展應(yīng)用，由Wang等[18]首次提出。UMCA除了繼承機(jī)械沉積技術(shù)的優(yōu)點外，還有自身的特色，目前該工藝至少有4大優(yōu)點：(1)只需在常溫常壓下進(jìn)行，設(shè)備能耗低，經(jīng)濟(jì)簡單，并且沒有環(huán)境污染；(2)在選擇基體和涂覆材料時具有更大的靈活性，這使得用某些難熔金屬涂覆易氧化或易熔金屬成為可能；(3)可以涂覆處理的面積在理論上沒有限制；(4)除了能獲得所需涂層以外，還可以使涂層表面冷硬化和晶粒細(xì)化，使涂層性能進(jìn)一步提高，其處理方式類似于超聲噴丸[19]。為此，Komarov等[2]對UMCA工藝進(jìn)行了大量的研究，探究了某些材料組合的最佳工藝參數(shù)和可能的形層機(jī)理。Hayashi等[20]還運(yùn)用專門模擬粉末行為運(yùn)動的離散單元法[21,22](DEM)建立了仿真模型。在國內(nèi)，Chuang等[23]、Tsai等[24]近幾年也在努力探尋UMCA工藝的應(yīng)用潛力，并將其應(yīng)用到了LED領(lǐng)域。

1 UMCA的實驗方法

UMCA實驗方法的提出基于以下2種現(xiàn)象：(1)超聲波換能器將超聲頻電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而導(dǎo)致球產(chǎn)生很大的加速度；(2)實驗過程中的聲流現(xiàn)象。聲流是由于超聲波衰減相關(guān)的動量轉(zhuǎn)移而在流體介質(zhì)中產(chǎn)生的穩(wěn)定流。在此實驗中，其主要機(jī)理可能是由于熱傳導(dǎo)及粘滯衰減機(jī)制使超聲能量消散[25]。

實驗裝置由1個超聲振動系統(tǒng)為沖擊球提供動力。超聲波發(fā)生器內(nèi)部裝置可自動跟蹤調(diào)節(jié)共振頻率，如圖1所示裝置簡圖，更詳細(xì)裝置簡圖如圖2。振動室(或者叫做共振室、諧振室)由鈦合金制成。將不同材質(zhì)的球(ZrO2、鋼球、金剛石等)放入振動室內(nèi)。振動室與水冷式超聲換能器頂端的振動桿相連。振動室的獨特設(shè)計使其不僅可以在共振頻率下垂直振動，還可以徑向和扭轉(zhuǎn)振動(圖1箭頭所示)。將要處理的基材固定在振動室的頂端并將待處理的表面朝向室內(nèi)。超聲振動會使室內(nèi)的球產(chǎn)生劇烈的混亂運(yùn)動，使球雜亂地撞擊基體表面。當(dāng)粉末放入以后，振動會使粉末在底部不斷地濺躍，然后被聲流帶到基體表面，經(jīng)過撞擊冷焊到基體表面。圖1中2個閉合回路是研究人員設(shè)想的一種可能的聲流作用模式。如果涂覆易氧化的材料，可以在振動室左端口通入氬氣(圖2)，右端口流出，使沖擊處理過程始終在保護(hù)氣體的環(huán)境下進(jìn)行。

目前該工藝過程大致分為兩種。第一種是將粉末直接放入室內(nèi)進(jìn)行沖擊處理，比如鈦粉[2]。但同樣的方法運(yùn)用到涂覆LaPO4時卻不理想，實驗發(fā)現(xiàn)樣品表面的涂層覆蓋率非常低。原因可能是LaPO4顆粒太小，剛要落在基體表面就被聲流帶走，因此顆粒不容易被撞擊到基體表面。針對這一現(xiàn)象Komarov等發(fā)明了第二種方法，即預(yù)涂覆[26]，其將粉末與乙醇混合液按一定比例制成懸浮液，預(yù)涂在基體表面，使懸浮液均勻地分散；然后將基材在自然狀態(tài)下干燥，由于毛細(xì)作用力顆粒會在表面內(nèi)聚到一起，同時再將粉末放入振動室內(nèi)，隨后對基材進(jìn)行沖擊處理。實驗發(fā)現(xiàn)，這種預(yù)涂覆方法使覆蓋率得到了很大的提升。UMCA工藝的另一個特點是超聲的振幅較小，這樣可以使基體表面和振動室頂部保留很小的間隙。這個間隙可以使得振動室相和處理的基體之間相對移動。如果投入到實際的生產(chǎn)中，可以處理很大的表面積。

2 工藝參數(shù)對涂層質(zhì)量的影響

不同的工藝參數(shù)如沖擊介質(zhì)(球)、處理時間、溫度等因素影響涂層的性能。以下將就不同工藝參數(shù)對涂層性能的影響展開分類討論并對其差異原因進(jìn)行分析。

2.1 沖擊介質(zhì)的影響

沖擊介質(zhì)的種類、直徑、數(shù)量以及本身的性質(zhì)都會對鍍覆產(chǎn)生不同的影響。Komarov等[26]采用UMCA工藝在不銹鋼表面涂覆了致密且高附著力的LaPO4涂層，實驗發(fā)現(xiàn)：當(dāng)使用硬度大且熱導(dǎo)率低的氧化鋯球沖擊時，涂層的覆蓋率和均勻性比鋼球更好，見圖3。圖3中光亮區(qū)域為LaPO4涂層，當(dāng)基材、粉末、球的硬度順序遞增時涂覆效果最好。Romankov等[27]分別運(yùn)用UMCA工藝和機(jī)械研磨在不同基體上涂覆了TiN涂層，實驗表明：隨著球徑的增大制備的涂層變厚，而涂層越厚表面粗糙度越大。Hayashi等[28]采用UMCA工藝在鈦基體上涂覆了羥基磷灰石(HAP)涂層，獲得了具有強(qiáng)骨傳導(dǎo)性和機(jī)械強(qiáng)度的生物相容性鈦合金。與其他新工藝(如粉末沉積[29,30]和納米噴涂[31])制備HAP涂層相比，采用UMCA工藝所需HAP初始用量少且涂層附著力高，實驗中發(fā)現(xiàn):(1)隨著球徑的增加涂層表面粗糙度逐漸增加，但球徑增加到10 mm時略有下降；(2)隨著球徑增大涂層的覆蓋率變化不明顯；(3)隨著球徑增加涂層的分離載荷增大；(4)球的填充率對覆蓋率和結(jié)合強(qiáng)度均有不同程度的影響，當(dāng)球填充率為9.3%左右時涂層的綜合性能最佳，具體見表1。Komarov等[32]還將UMCA工藝運(yùn)用到了陶瓷金屬化領(lǐng)域。在Al2O3表面得到了致密且附著力好的納米鎳薄膜，實驗表明:球徑對涂層覆蓋率幾乎沒有影響，球徑相對越小涂層的結(jié)合強(qiáng)度越好。

圖3 UMCA工藝在不銹鋼表面涂覆LaPO4涂層[26]

表1 填充率對涂層覆蓋率、Ra值和分層時法向載荷的影響[28]

2.2 處理時間的影響

Hayashi等[28]在鈦基體上運(yùn)用UMCA涂覆HAP涂層的實驗中發(fā)現(xiàn)：(1)涂層的覆蓋率隨處理時間的增加而增加，當(dāng)處理時間超過10 min，可獲得覆蓋率大于93%的涂層；(2)粗糙度隨處理時間的增加而降低；(3)隨處理時間的增加涂層厚度略有增厚；(4)涂層的附著力隨時間的增加而增加。在用UMCA制備LaPO4涂層的實驗中發(fā)現(xiàn)：涂層的平均粗糙度、厚度和均勻性隨處理次數(shù)(每次時間相同)的增加略有增加，圖3a、3b為處理次數(shù)對覆蓋率的影響。Romankov等[2]運(yùn)用UMCA在鋁基體上制備了Al-Ti復(fù)合層，實驗發(fā)現(xiàn)：當(dāng)處理時間從5 min增加到10 min后，鋁表面的鈦覆蓋率從12.5%增加到56.6%，處理60 min后，覆蓋率從56.6%增加到71.0%，之后增加處理時間對覆蓋率的影響并不明顯。Romankov等[33]運(yùn)用UMCA在氧化鋁表面制備了復(fù)合Cu-Ni-W納米涂層，實驗發(fā)現(xiàn)，將等量的不同粉末混合后沖擊處理9 min即可獲得幾微米的復(fù)合納米涂層，并且在界面處發(fā)現(xiàn)小區(qū)域非晶組織，見圖4。Tsai等[24]運(yùn)用UMCA方法在鋁基體中插入各種材料組合(Al2O3、SiO2或石墨)，通過提高涂層熱輻射率來傳遞更多的熱量[34-36],實驗發(fā)現(xiàn)：從沖擊處理1次到3次(每次處理時間2 min)，Si原子的覆蓋率從30%增加到60%。Romankov等[37]運(yùn)用UMCA方法在銅板上制備了Cu-SiC納米復(fù)合涂層，實驗表明：復(fù)合物中的Cu是與SiC機(jī)械混合的結(jié)果，當(dāng)處理時間延長到15 min時才會發(fā)生這種機(jī)械混合現(xiàn)象。Hayasaka等[38]運(yùn)用UMCA方法在鋁基體上制備了Al-SiC復(fù)合納米涂層。研究表明，隨處理時間的延長，鋁基體和SiC的結(jié)構(gòu)形態(tài)不斷發(fā)生著變化。鋁被逐漸軟化并且晶粒尺寸減小，微形變逐漸降低，見圖5。在15 min時發(fā)現(xiàn)Al和SiC機(jī)械混合的現(xiàn)象，見圖6圓圈部分，并且隨著時間延長到30 min，SiC晶粒最終也破碎成納米級。

圖4 Cu-W過渡層的晶格條紋畸變和局部非晶化[33]

圖5 鋁晶粒尺寸與晶格應(yīng)變隨時間的變化關(guān)系[38]

圖6 處理15 min后Al和SiC機(jī)械混合的TEM圖[38]

2.3 溫度及其他因素的影響

Romankov等[39]對鋼基體加熱后再進(jìn)行UMCA涂覆處理得到了性能更好的LaPO4涂層。加熱溫度在150～400 ℃范圍內(nèi)，用3 mm的ZrO2球處理10 min，實驗表明:(1)隨溫度的升高，鋼基體上的LaPO4含量逐漸增加；(2)隨溫度的升高，LaPO4晶粒尺寸減?。?3)隨溫度的升高，在沖擊過程中鋼的結(jié)構(gòu)發(fā)生了α-Fe→γ-Fe的轉(zhuǎn)變[19,40,41]；(4)在300 ℃內(nèi)，粗糙度隨溫度升高逐漸增大；(5)隨著溫度的升高，涂層剝離力增大；(6)在高溫下制備的涂層相比于低溫下雖然薄，但結(jié)合強(qiáng)度高。Romankov等[42]分別對TiN涂層樣品在200，400，600 ℃下進(jìn)行了退火處理。實驗發(fā)現(xiàn)：(1)退火處理提高了涂層的附著力和顯微硬度；(2)在400 ℃以上有新AlTi3生成，導(dǎo)致顯微硬度提高；(3)在200～400 ℃低溫下退火會導(dǎo)致TiN顆?？焖匍L大，見圖7；Chuang等[23]運(yùn)用UMCA方法將CuO粉末沖擊到鋁基質(zhì)中并進(jìn)行了后續(xù)的退火處理發(fā)現(xiàn)：(1)當(dāng)退火溫度達(dá)到500 ℃時，表面硬度提高了10倍；(2)隨溫度的升高，Al與CuO反應(yīng)生成很多金屬間化合物，這能進(jìn)一步提高硬度和耐磨性[43,44]。Romankov等[27]運(yùn)用UMCA在鋼表面涂覆TiN涂層，實驗發(fā)現(xiàn)：粉末粒徑越小，制備的涂層厚度越厚。Komarov等[32]在運(yùn)用UMCA工藝在Al2O3表面涂覆鎳粉時發(fā)現(xiàn)：鎳粉粒徑的分布范圍對最后涂層覆蓋率的影響微乎其微。

圖7 TiN顆粒尺寸隨退火溫度變化圖[38]

2.4 主要原因分析

在機(jī)械合金化過程中，研磨效率與沖擊能有關(guān)，球的沖擊能又和動能有關(guān)[45]。從能量輸入角度來看，這也是球徑大的球處理后的涂層致密度和結(jié)合強(qiáng)度更好的原因。但長時間的沖擊會導(dǎo)致涂層剝落，這是長時間沖擊導(dǎo)致涂層應(yīng)變劇增的結(jié)果。在陶瓷金屬化領(lǐng)域，用3 mm球?qū)ρ趸X處理幾分鐘就會導(dǎo)致裂紋和涂層脫落現(xiàn)象；而在其他材料組合方面，涂層出現(xiàn)剝落所用的球徑和時間更大、更長。這是由于不同材料熱膨脹系數(shù)的差異致使冷卻時涂層和基體界面處內(nèi)應(yīng)力過大。已知在沖擊處理過程中會產(chǎn)生熱量，高應(yīng)變塑性變形過程中的生熱效應(yīng)在有關(guān)噴丸處理的文獻(xiàn)中有過證實[46,47]；而且沖擊過程產(chǎn)生的局部溫度可能很高[48]，理由有以下兩點：(1)在一些實驗中，低溫度下鋼基體的相結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變；(2)退火時的溫度不足以產(chǎn)生很多新相，比如Al2Cu、Al2Cu3等金屬間化合物的生成[23,49]。

其次，基體的材質(zhì)如硬度等因素也會對涂層的結(jié)合強(qiáng)度和涂覆效率產(chǎn)生影響。有關(guān)研究表明，至少90%的塑性變形功會轉(zhuǎn)化為熱，而大多數(shù)金屬的流變應(yīng)力對溫度非常敏感，并且隨溫度的升高而降低[50]。對于剛性材料比如氧化鋁，因變形能力差和熱導(dǎo)系數(shù)小，因此變形大部分發(fā)生在表層的粉末顆粒中。這時產(chǎn)生的熱量集中在金屬薄層，并有助于克服高應(yīng)力保持塑性流動。因此，雖然部分沖擊能轉(zhuǎn)化為熱，但高溫促進(jìn)了涂層顆粒的流動和擴(kuò)散現(xiàn)象，在撞擊的作用下重新轉(zhuǎn)變?yōu)橥繉拥慕Y(jié)合能，涂覆效果更好。對于在較軟的基體(比如鋁)進(jìn)行沖擊處理時，基體會發(fā)生明顯的變形，球的大部分沖擊能轉(zhuǎn)換為基體的形變和熱量，導(dǎo)致沖擊能的轉(zhuǎn)換效率下降，涂層和軟基體要想獲得理想的結(jié)合強(qiáng)度處理時間會更長。

3 涂層形成機(jī)理分析

濕法機(jī)械鍍鍍層的整個形成過程都在溶液中。比如就濕法機(jī)械鍍鋅而言，國內(nèi)的研究者認(rèn)為其形層機(jī)理為：鋅粉先在溶液中聚集成團(tuán)，然后靠電位作用吸附和沉積到基體表面上，在沖擊介質(zhì)的無規(guī)則碰撞作用下形成鍍層[16,51-54]。但在UMCA中不存在溶液，離子之間的活躍能很小，電荷很難發(fā)生轉(zhuǎn)移。所以顆粒之間的相互冷焊和顆粒與基體之間的冷焊，更有可能是涂層形成和緊密結(jié)合的原因。

涂層的形成機(jī)理一直是UMCA工藝的一個疑難問題，涂覆不同特性的材料時，在形層機(jī)理上會略有不同。Komarov等初步探究了涂覆TiN涂層的可能的形成機(jī)理，他們認(rèn)為涂層的形成至少包括3步[55]：(1)TiN納米顆粒之間的初始松散結(jié)合及其和基體的初步黏附；(2)納米顆粒層的致密化；(3)納米顆粒的固結(jié)以及和基底的黏附。

3.1 微粒之間的內(nèi)聚及在基體上的黏附

在預(yù)涂后和對涂層處理的最初階段，顆粒之間的初始內(nèi)聚力以及與基材的黏附起主導(dǎo)作用。其中顆粒的內(nèi)聚與微粒之間的相互作用力密不可分[56]。研究者認(rèn)為毛細(xì)作用力是預(yù)涂后顆粒內(nèi)聚的主要原因。雖然預(yù)涂后經(jīng)過了干燥，但是殘留的微量乙醇在一定程度上會使微粒保持在一起，這也解釋了為什么預(yù)涂后的樣品覆蓋率更高。研究者用公式(1)[57]以25 nm的TiN為例，取Bob=109估算得到毛細(xì)作用力比重力大9個數(shù)量級[55]，這說明了毛細(xì)作用力在初始時的重要性。此外，塑性顆粒能起到很好的緩沖，被球撞擊壓扁在基體上，吸收部分能量從而使基體變形程度大幅度減小，此時顆粒并不會由于球的撞擊而產(chǎn)生大量的晶格畸變和位錯缺陷；而脆性顆粒在球的作用力下將會部分?jǐn)嗔巡⒈粩D壓進(jìn)基體中，并通過機(jī)械結(jié)合黏附在基體上，此時沖擊能的輸入不足以立刻在顆粒間及顆粒與基體間發(fā)生機(jī)械混合，即冷焊現(xiàn)象[58]。

(1)

其中Bob代表顆粒鍵數(shù)，F(xiàn)c是毛細(xì)作用力，W是顆粒的質(zhì)量，R、ρ是顆粒的半徑和密度，g是重力加速度，γ是液體的表面張力。

3.2 冷焊和壓實致密

涂層形成的下一階段包括冷焊和壓實致密。冷焊包括顆粒與基體的冷焊和顆粒間的冷焊。這一階段殘留的微量乙醇早已被聲流帶走揮發(fā)。隨著沖擊能量的連續(xù)輸入，導(dǎo)致在撞擊過程中產(chǎn)生大量熱能，同時顆粒與基體的間距減小，促進(jìn)了擴(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生。此時被壓扁或破碎的顆粒與基體發(fā)生冷焊。振動室內(nèi)的顆粒被聲流作用帶到上一級冷焊在基體上的顆粒表面，然后壓扁黏附在一起，再彼此冷焊，如此循環(huán)到一定程度，見圖8。斷裂的顆粒不斷地細(xì)化和均勻化，在冷焊的同時涂層逐漸被壓實致密。

圖8 粉末在基體表面的的冷焊

對于復(fù)合粉末而言，當(dāng)不同的組分在表面變形和流動時，可以形成層狀的復(fù)合結(jié)構(gòu)。而對于不同材料要實現(xiàn)共同變形和流變，它們的力學(xué)性能應(yīng)該相近[59-63]。此階段晶粒中的大量缺陷會導(dǎo)致彼此接觸界面的自由能升高，這為復(fù)合顆粒的合金化提供了熱力學(xué)條件；其次，隨著在球磨作用下晶粒的細(xì)化，粉末顆粒的界面間距大幅減小導(dǎo)致原子間的擴(kuò)散程縮短，這為復(fù)合粉末的合金化提供了動力學(xué)條件，因此可以促使粉末發(fā)生合金化?？梢栽O(shè)想粉末體系中各組分的液相具有負(fù)混合熱和差異很大的擴(kuò)散系數(shù)，此時在一定的工藝條件下很有可能形成非晶合金[64]。

在此階段，UMCA和很多壓實技術(shù)有著共同的特征，但也不盡相同。目前已有大量關(guān)于粉末致密化的文獻(xiàn)可供參考，比如金屬粉末[65]和陶瓷粉末[66,67]等。另外，納米級粉末由于自身的結(jié)構(gòu)特性，開始時會形成一些空隙率很高的鏈或環(huán)狀[68]結(jié)構(gòu)。這使得納米顆粒層在球的撞擊下會被快速壓實，因此UMCA能夠快速制備致密的納米涂層。

3.3 顆粒固結(jié)及剝落

隨著沖擊的不斷進(jìn)行，涂層被壓實到一定的程度。此時顆粒之間的距離進(jìn)一步縮小，短程力開始占據(jù)主導(dǎo)地位，顆粒之間的相互吸引作用顯現(xiàn)。研究表明范德華力是顆粒間相互吸引的主要原因。這意味著進(jìn)一步壓實所需的壓力要增大。同時，此階段顆粒之間的接觸面積會明顯增大，許多研究者把這種進(jìn)一步的壓實現(xiàn)象叫做顆粒固結(jié)。大量研究表明，固結(jié)可以進(jìn)一步提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。

隨著粉末反復(fù)的變形、冷焊，顆粒內(nèi)部晶粒變形程度加深，點陣畸變嚴(yán)重，晶格扭曲，位錯密度大和內(nèi)應(yīng)力大幅增加，導(dǎo)致粉末加工硬化，塑性降低。此時，固結(jié)的下一階段即顆粒的剝落將會占據(jù)主導(dǎo)作用。持續(xù)的沖擊導(dǎo)致涂層產(chǎn)生嚴(yán)重的加工硬化并產(chǎn)生過大的應(yīng)變，當(dāng)達(dá)到一定極限后，在球的沖擊磨損作用下，涂層就會以磨損和剪切失效2種方式發(fā)生剝落[58]。一種現(xiàn)象是被壓扁的片狀顆粒經(jīng)過高溫下的相互作用黏附在球的表面充當(dāng)磨粒，涂層在長時間的磨球磨粒作用下發(fā)生疲勞磨損導(dǎo)致涂層剝落，一般硬脆材料更有可能充當(dāng)磨粒。另一種可能的現(xiàn)象是球撞擊的不均勻?qū)е峦繉拥乃苄宰冃尾痪鶆?，從而?dǎo)致表面粗糙度過大，球?qū)Υ植诙容^大部分的“峰值”撞擊導(dǎo)致其剪切失效，涂層發(fā)生剝落。但剝離下來的顆粒也可能經(jīng)過擠壓摩擦逐漸被細(xì)化，再一次冷焊到涂層上，這使得涂層更加細(xì)化和均勻化，這和不同粉末自身的性質(zhì)有很大的關(guān)聯(lián)，所以剝落現(xiàn)象也有兩面性。

4 總結(jié)及展望

本文對UMCA工藝的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，總結(jié)了工藝變量對涂層性能的影響規(guī)律并且分析了涂層的形成機(jī)理。工藝變量的影響簡要概括為以下幾點：(1)沖擊介質(zhì)對涂層性能的影響很大；(2)處理時間要根據(jù)不同的材料組合尋找最優(yōu)參數(shù)，否則涂層會產(chǎn)生裂紋甚至剝落，影響涂層性能，尤其在陶瓷金屬化領(lǐng)域；(3)隨處理時間的延長涂層顆粒會細(xì)化晶粒變小。雖然沖擊過程會產(chǎn)生熱量，但是在短時間內(nèi)不足以使晶粒長大并且在一定條件下會發(fā)生機(jī)械混合現(xiàn)象，所以可將其應(yīng)用于制備復(fù)合納米涂層；(4)基體加熱后處理會使某些材料和基體之間發(fā)生相反應(yīng)，新相的形成會影響涂層的性能；(5)雖然退火可以改善某些涂層的附著力及致密度，但需要控制合適的溫度和時間，否則會產(chǎn)生新相或使晶?？焖匍L大，進(jìn)而影響材料的性能。

當(dāng)前UMCA面臨的問題也隨研究的深入進(jìn)一步增多：(1)在形成機(jī)理方面，冷焊機(jī)制仍處于初步探索階段；(2)不同因素對涂層結(jié)構(gòu)特性的影響原因應(yīng)該進(jìn)一步探究；(3)在沖擊處理過程中，涂層表面性能(比如厚度、粗糙度等)的控制理論欠缺；(4)除了退火處理以外幾乎沒有其他的優(yōu)化方法。

針對以上問題，需要研究人員在以后的實驗中繼續(xù)探索，可以嘗試與其他表面處理技術(shù)相結(jié)合，從而進(jìn)一步提高涂層的性能和應(yīng)用價值。目前，雖然UMCA工藝已經(jīng)應(yīng)用到了陶瓷金屬化、復(fù)合納米涂層、醫(yī)學(xué)和LED等領(lǐng)域，但是還要繼續(xù)探究其應(yīng)用潛力，根據(jù)其自身的特點和優(yōu)勢嘗試更多的材料組合，以實現(xiàn)自身最大的價值。