冷喷涂技术的发展与工业应用
第１７卷增刊２００４年８月
振动工程学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖ０１．１７Ｎｏ．Ｓ
Ａｕｇ．２００４冷喷涂技术的发展与工业应用
赵爱娃王晓放
（大连理工大学热力涡轮机教研室大连，１１６０２４）
吴杰熊天英
（中国科学院金属研究所沈阳，１１００１６）
摘要冷喷涂技术是近二十年内产生并得到蓬勃发展的一种材料改性新技术。冷喷涂由于全过程温度低于喷涂颗粒的熔点，因而可以大大减小或消除传统热喷涂工艺中遇到的如高温氧化、熔化、残余热应力等问题。本文介绍了国内外冷喷涂技术的产生、研究发展以及在改进航空发动机压气机内部流动等方面的应用研究状况，展示了冷喷涂技术的巨大发展潜力与广阔工业应用前景。
关键词：冷喷涂技术；工业应用
中图分类号：ＴＧｌ７４．４４２
在工件表面喷涂功能涂层以产生耐磨损、耐腐
蚀，抗高温等特殊性能的技术广泛应用于各种工业领域。在冷喷涂技术产生之前，制备涂层都采用传统“热”喷涂工艺，如：爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、等离子体喷涂等。冷喷涂是由超音速气流带动微小颗粒（１～５０弘ｍ）形成高速射流（３００～１２００ｍ／ｓ）冲击金属或绝缘基体产生涂层的过程。冷喷涂技术产生后得到迅速发展，开始改变喷涂领域的发展状况。其最初由俄罗斯新西伯利亚理论与应用力学研究所的Ａ．Ｐａｐｙｒｉｎ及其同事提出［１］，他们成功地在各种基体材料上喷涂了覆盖范围广阔的纯金属、合金及复合材料，分别与１９９４，１９９５年取得美国和欧洲专利。而后多家研究中心开始投入研究，包括美国的Ｓａｎ—ｄｉａ国家研究中心、宾西法尼亚大学、ＡＳＢ工业有限公司，德国Ｂｕｎｄｅｓｗｅｈｒ大学等。在国内，大连理工大学率先跟踪和开展了该领域的科学研究并取得了阶段性成果［２ｊ。
影响涂层形成的主要因素是喷涂颗粒的速度，冷喷涂过程中，由于被喷涂粉末由高速气流夹带以超音速提供的动能撞击靶板，产生塑性变形侵蚀靶板，因此，运动粒子存在一个最小速度（一般５００
９００ｍ／ｓ），颗粒速度必须超过此速度才能形成明显的涂层，既临界速度Ｖｃｒｉｔ。研究表明，在可能影响Ｖｃｒｉｔ的众多因素中，颗粒硬度的影响最大。一般颗粒速度越大，涂层形成效率越高，孔隙率越小。采用小分子量的气体（如氦气），增加喷嘴长度，增加送气压力与温度，能增加颗粒速度［３￣４］。减小颗粒尺寸与密度也能增加颗粒速度，但过小颗粒会受超音速流场的激波影响而减速。
收稿日期：２００４—０４—２５
商用原型机的出现
当今冷喷涂技术正处于由研究发展向工业领域商业化应用过度阶段。２００１年，美国的Ｋｔｅｃｈ公司推出了第一台商用冷喷涂原型机［６］。该系统采用模块化设计，部件采用标准件设计，目的在于满足各领域客户的不同需求。该系统主要包括：气体控制模块，气体加热器，送粉器，喷嘴、数据采集和控制系统等，夹持喷嘴采用六轴机器人，图１为集成加热器和喷嘴的ＭｏｔｏｍａｎＳＫｌ６一Ｘ六轴机器人冷喷涂系统。气体控制模块为该系统的核心部分，在数据采集与控制系统地控制下，能精确的控制送往喷嘴的气体。另外美国的ＡＳＢ工业有限公司也开发了自己的冷喷涂系统（如图２）。冷喷涂设备很快会实现完全商业化，在各个领域广泛应用。
图１
六坐标轴机器人冷喷涂系统
万方数据
６５２振动工程学报第１７卷
图２ＡＳＢ公司冷喷涂系统
２冷喷涂的主要特点及工业应用
冷喷涂技术的主要优点：（１）不存在高温氧化和高温变形，涂层沉淀的纯度高；（２）涂层的厚度可以自由掌握（涂层厚度可达５ｍｍ以上），能产生压应力状态的残余应力；（３）采用拉瓦尔喷嘴喷涂十分灵活，在线喷涂精度很高；（４）没有过多的热量传递到被加工的工件表面，从而克服了基体工件的高温变形，可以加工非耐热或有限耐热的基体工件；（５）所产生涂层的性能接近于初始涂层粉未材料的性能，这对特殊功能涂层的制备提供可能等等。随着技术发展，冷喷涂技术也不断得到改善，如氦气循环回收利用技术就一定程度解决了载气体为氦气的喷涂成本昂贵的问题［８］。
冷喷涂的优点使其具有广泛应用。如：美国“ＲＬ６０”上级火箭发动机燃料出口歧管喷涂铜涂层，经对比、筛选了电镀、真空等离子喷涂和冷喷涂三种方法［９］，因为涂层厚度达０．０５英寸，采用电镀方法须耗时２周，采用真空等离子喷涂价格昂贵，不需涂层的表面清洁处理困难，而冷喷涂方法涂层厚度大，与基体结合紧密，因而被选用。福特汽车公司研究表明Ｌ７］，冷喷涂在汽车工业中用以涂铜、锌都具有优势。图３为中国科学院沈阳金属研究所采用冷喷涂方法对潜艇用冷却器铜管外表面喷涂钛涂层（厚度约５ｍｍ）进行材料改性试验的部分结果。此外他们还采用冷喷涂方法制备Ａ１电极，分析结果认为电极与ＰＴＣ瓷片表面能形成良好的欧姆接触，涂层均匀，氧含量极低，Ａ１电极的电阻值接近Ｉｎ—Ｇａ电极Ｌ１…。大连理工大学与某航空发动机集团公司科技研发中心合作，用冷喷涂工艺技术对发动机压气机叶片喷涂特殊材质显微深度的规则斑纹，以改善发动机内部流场，减少流动损失，提高效率及功率，图４显示了某发动机涡轮叶片显微深度的冷喷涂试验结果的局部条纹形貌。
随着冷喷涂技术的发展，一种称为动力喷涂（ＫｉｎｅｔｉｃＳｐｒａｙＰｒｏｃｅｓｓ）的技术随之出现［１川。动力喷涂与冷喷涂原理相同，可称为其“子技术”，两者主要不同之处是动力喷涂的颗粒直径为５０～２００ｐｍ，大于冷喷涂１～５０肚ｍ的范围。动力喷涂拓宽了冷喷涂的范围，电子工业生产金属基体复合材料应用动力喷涂技术［１引，将铝颗粒与金刚石、氮化铝（Ａ１Ｎ）、钨、碳化硅（ＳｉＣ）颗粒中按比例混合，喷涂至金属基板形成复合材料，可以得到优良的物理属性以满足需要。
图３在钢管（左）和铜管（右）外表面上喷涂金属钛涂层（凸起部分）的实物照片
图４某发动机涡轮叶片显微深度的冷喷涂试验结果的局部条纹形貌照片（４倍放大）
３国内的研究现状
国内开展冷喷涂技术研究的单位有大连理工大学、西安交通大学、中国科学院金属研究所等。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气、固两相流制备功能涂层的实验装置，就几种粉末（锌粉、Ａｌ。０。粉、“粉、ＫＦ９１一Ｆｅ粉等）进行了喷涂实验，由Ｉ。ｉｎｋＯｘｆｏｒｄＩＳＩＳ３００能谱元素分析仪等仪器分析，结果表明已形成相应的涂层，涂层质量优于等离子体喷涂［２］。该实验装置（２００１年已获得国家实用新型专利）的建立为冷喷涂机理研究提供了实验、数据采集、分析手段。利用大型流场计算软件Ｐｈｏｎｉｃｓ及求解各种二维、三维非线性高速
碰撞、爆炸和金属成型等问题的非线性动力分析软 万方数据
万方数据
冷喷涂技术的发展与工业应用
作者：赵爱娃， 王晓放， 吴杰， 熊天英， Zhao Aiwa， Wang Xiaofang， Wu Jie， Xiong Tianying
作者单位：赵爱娃,王晓放,Zhao Aiwa,Wang Xiaofang(大连理工大学热力涡轮机教研室,大连,116024,)， 吴杰,熊天英,Wu Jie,Xiong Tianying(中国科学院金属研究所,沈阳,110016)
刊名：
振动工程学报
英文刊名：JOURNAL OF VIBRATION ENGINEERING
年，卷(期)：2004,17(z2)
参考文献(12条)
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2.王晓放;黄钟岳新型材料改性方法--常温超音速冷喷涂制备功能涂层[期刊论文]-机械工程材料 2002(05)
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10.Blose R E;Roemer T J Automated cold spray system: description of equipment and performance 2003
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12.Dykhuizen R C;Neiser R A Optimizing the cold spray process[外文会议] 2003
本文链接：https://www.360docs.net/doc/9611641471.html,/Periodical_zdgcxb2004z2027.aspx