廣州三鑫金屬科技有限公司
冷噴涂層
1.圖片
2.應(yīng)用范圍
冷噴涂技術(shù)（CS：Cold Spray），又稱為氣體動力噴涂技術(shù)，是指當(dāng)具有一定塑性的高速固態(tài)粒子與基體碰撞后，經(jīng)過強(qiáng)烈的塑性變形而發(fā) 生沉積形成涂層的方法。通常條件下，一般的概念是當(dāng)固態(tài)粒子碰撞到某種基體后將產(chǎn)生固態(tài)粒子對基體的沖蝕作用。
通俗來講，冷噴涂技術(shù)不同于傳統(tǒng)熱噴涂（超速火焰噴涂，等離子噴涂，爆炸噴涂等傳統(tǒng)熱噴涂），它不需要將噴涂的金屬粒子融化，冷噴涂采用壓縮空氣加速金屬粒子到零界速度，經(jīng)噴嘴噴出，金屬粒子直擊到基體表面后發(fā)生物理形變。金屬粒子撞扁在基體表面并牢固附著，整個過程金屬粒子沒有被融化，噴涂基體表面產(chǎn)生的溫度不會超過150℃（加拿大材料科學(xué)院NRC技術(shù)不超過200℃）。冷噴涂原理如下圖所示。
冷噴涂過程中，高速粒子撞擊基體后，是形成涂層還是對基體產(chǎn)生噴丸或沖蝕作用，或是對基體產(chǎn)生穿孔效應(yīng)，取決于粒子撞擊基體前的速度。對于一種材料存在著一臨界速度Vc，當(dāng)粒子速度大于Vc時，粒子碰撞后將沉積于基體表面，而當(dāng)粒子速度小于Vc時，將發(fā)生沖蝕現(xiàn)象（基體表面損壞，金屬粒子掉落）。Vc因粉末種類而異，一般約500～700m/s，具體見表1。因此，為了增加氣流的速度，從而提高粒子的速度，冷噴涂技術(shù)還可以將加速氣體預(yù)熱后送入噴槍，通常預(yù)熱溫度小于 600 ℃；同時為了獲得高的粒子速度與沉積效率，要求粉末粒子粒度及其分布范圍要小，一般為1～50um。
不同金屬粒子的臨界速度（m/s）
| 材料 | 銅 | 鎳 | 鐵 | 鋁 |
| 臨界速度 | 560~580 | 620~640 | 620~640 | 680~700 |
冷噴涂技術(shù)根據(jù)壓縮空氣的壓力不同，分為高壓冷噴涂和低壓冷噴涂，其中高壓冷噴涂使用的壓縮空氣為15個大氣壓（psi）以上，低壓冷噴涂使用的壓縮空氣為10個大氣壓（psi）以下。對比傳統(tǒng)熱噴涂技術(shù)，高壓以及低壓冷噴涂的技術(shù)有以下共同優(yōu)勢：
①可以用于噴涂多類別的、具有一定塑性的材料，獲得導(dǎo)電、導(dǎo)熱、防腐、耐磨等涂層等，比如純金屬鋅、鋁、銅、鐵、鎳、鈦等，不銹鋼、青銅等合金，也可以制備NICR基高溫合金等。
②冷噴涂粒子低溫而高速，可以避免粒子在加速與加熱過程發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)，適用于對溫度敏感（納米、非晶等）、對氧化敏感（Cu、Ti 等）和對相變敏感（金屬陶瓷）材料的涂層制備。
③對基體的熱影響小。被噴涂基體的表面瞬間溫度不超過150度，體感溫度為70度（具體溫度與噴涂粒子的速度、噴槍移動的速度有關(guān)），可以避免基體熱變形、材料組織發(fā)生破壞。
④可以在任何金屬、玻璃、陶瓷和巖石表面噴涂。
⑤噴涂致密性好，涂層厚度大，可以達(dá)到10mm以上。由于高速粒子經(jīng)過劇烈塑性變形實(shí)現(xiàn)沉積，涂層組織致密，并在涂層將產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，可以制備厚涂層。
⑥金屬粒子可以回收。由于沒有經(jīng)歷明顯的熱過程，基本不發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的變化，未沉積的粒子，可以回收利用。
冷噴涂技術(shù)的應(yīng)用研究在國外已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展,我國冷噴涂技術(shù)研究還處在初級起步階段。由于冷噴涂過程中粒子溫度較低,粉末不易發(fā)生氧化相變現(xiàn)象,形成涂層的組織結(jié)構(gòu)與噴涂前粉末相比基本上無變化,因此冷噴涂中可使用各種粉末,如純金屬粉末、合金粉末、復(fù)合涂層,可以產(chǎn)生不同性能的涂層。目前可以沉積的金屬有Al、Zn、Cu、Ti、Ag等,高熔點(diǎn)金屬M(fèi)o、Ta等,合金有NiCr、MCrAlY等,復(fù)合涂層有Zn-Al、Al-Al2O3等。冷噴涂技術(shù)避免了高溫對基體和涂層的不利影響,使該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。冷噴涂技術(shù)的設(shè)計與研究正向工業(yè)化應(yīng)用的方向轉(zhuǎn)化,利用冷噴涂技術(shù)可制備保護(hù)性涂層(耐腐蝕涂層、耐高溫涂層、耐磨涂層等)。董彩常等采用冷噴涂工藝在Q235鋼基體上制備鋁涂層,形成的鋁涂層表面非常致密,孔隙率較低,交流阻抗譜和動電位極化曲線分析表明,鋁涂層的腐蝕產(chǎn)物較致密的積聚在涂層表面,阻礙了腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散,對降低涂層的腐蝕速度發(fā)揮很有效的作用;中性鹽霧試驗表明,冷噴涂涂層的腐蝕速度能夠快速降低,可為鋼基體提供有效的陰極保護(hù)。趙恵等用冷噴涂的方法在鎂合金AK63上沉積鋅鋁合金AZ20涂層,研究結(jié)果表明,涂層與基體之間結(jié)合較致密,涂層硬度是基體的3倍,冷噴涂后的鎂合金具有比基體更好的耐磨性,
鹽霧試驗結(jié)果表明,AZ20冷噴涂涂層具有比鎂合金基體更好的耐蝕性,對基體能夠進(jìn)行有效地保護(hù)。制備功能性涂層(非晶涂層、復(fù)合材料涂層等)。李海祥等在碳鋼基體上用冷噴涂的方法制備Zn-50Al復(fù)合涂層,涂層的孔隙率較低,約為1.7%,電化學(xué)試驗表明,Zn-50Al涂層的自腐蝕速率較低,腐蝕電位較為穩(wěn)定,100 h后穩(wěn)定在-0.990 V左右,涂層具有較好的耐蝕性,能夠有效地保護(hù)鋼基體,提高其使用壽命。
制備納米涂層。冷噴涂技術(shù)溫度低的特點(diǎn)決定了其適合于制備納米結(jié)構(gòu)涂層。李長久等采用納米結(jié)構(gòu)WC-12Co通過冷噴涂方法成功制備了納米結(jié)構(gòu)WC-Co涂層,涂層組織致密,熱噴涂粉末中的納米結(jié)構(gòu)在冷噴涂過程中完全移植到了涂層。涂層的平均維氏硬度為1 869 HV0.3,顯著高于熱噴涂納米結(jié)構(gòu)WC-Co涂層的硬度。研究還表明,疏松多孔的粉末適合于冷噴涂制備WC-Co涂層,因為疏松多孔的結(jié)構(gòu)促進(jìn)了粉末擬變形的發(fā)生。觀察熱處理后的WC-Co涂層斷面形貌,壓痕周圍未出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象,也未出現(xiàn)裂紋,說明熱處理過程可以顯著改善涂層粒子間的結(jié)合和涂層韌性。
冷噴涂在濺射靶材制造方向優(yōu)勢顯著。冷噴涂靶材致密，幾乎沒有氣孔，濺射過程中不會有異常放電。靶材均質(zhì)穩(wěn)定，含氧量低，可大大地提升了靶材壽命。幾何形狀自由，可以是直筒狀，也可以是復(fù)雜形狀。可以修復(fù)使用過濺射靶材，下圖為由黃仁忠博士主持研制的冷噴涂設(shè)備制造的旋轉(zhuǎn)靶材。
在航空航天領(lǐng)域該技術(shù)也得到廣泛的應(yīng)用,利用冷噴涂技術(shù)來制備航空航天器發(fā)動機(jī)特殊保護(hù)涂層,制備航空航天武器的特殊功能涂層,通過噴涂成形可以直接制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)及形狀的航空航天部件。
對于其它應(yīng)用，冷噴涂僅是唯一的可行性解決方案，特別是在非傳統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多。在環(huán)境以及健康和安全法規(guī)越來越嚴(yán)格時，人們對冷噴涂的興趣已經(jīng)以一種潛在的更綠色的替代方案在增長。
隨著技術(shù)的進(jìn)步，預(yù)計冷噴涂應(yīng)用將繼續(xù)擴(kuò)展到更多的非傳統(tǒng)應(yīng)用中，例如光電、風(fēng)能、醫(yī)療和建筑領(lǐng)域。在光電應(yīng)用中，冷噴涂可以用于復(fù)雜的傳導(dǎo)型太陽能電池制造。風(fēng)能發(fā)電可以利用冷噴涂加強(qiáng)高級聚合物矩陣合成物制造的元件的表面性能。在醫(yī)療領(lǐng)域，冷噴涂已經(jīng)可以將一種有名的生物相容材料羥磷灰石 (HAP) 有效地噴涂到大量的基板上，但同時不會影響HAP的完整性。建筑師可以利用冷噴涂在任何金屬或陶瓷基板上創(chuàng)造無限美觀的金屬圖案。
納米技術(shù)和智能結(jié)構(gòu)。一些非傳統(tǒng)應(yīng)用包括使用高級材料，例如納米結(jié)構(gòu)和無定形材料。在納米結(jié)構(gòu)材料中，其微粒尺寸極小，具有極端斷裂韌度的同時可以維持材料高強(qiáng)度等機(jī)械優(yōu)勢。納米結(jié)晶對于工藝溫度極其敏感，可以有效使用冷噴涂，不會影響有益的微結(jié)構(gòu)。
由于沉積溫度低，冷噴涂可以在表面嵌入微傳感器及其功能涂層，以形成智能結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可以提供與材料性能或環(huán)境條件相關(guān)的實(shí)時信息。許多新興企業(yè)正聚焦于為橋梁、電網(wǎng)、風(fēng)力渦輪機(jī)、飛機(jī)、汽車、輪船、管道和施工設(shè)備提供感應(yīng)、數(shù)據(jù)庫管理和預(yù)分析解決方案。冷噴涂的未來有賴于將高級材料沉積到各種基板的同時將熱量損失和成本將至最低。這是定義這種技術(shù)的未來方向和機(jī)遇的基石。
3.功能涂層
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