摘 要: 冷喷油技巧是近年来开展起来的新型喷油技巧，该办法经过高温（< 600 ℃）的高速固态粒子与基体出现塑性碰撞而完成涂层堆积，能够防止喷油资料在喷油进程中受热影响而出现氧化、分解等，能够将喷油资料的组织构造在不出现变化的要求下移植到基体外表。扼要说明了冷喷油技巧的原理与特点、冷喷油层的组织构造与功能以及涂层堆积特性与行为的探讨现状。粒子的速率关于涂层的堆积起着确定性作用，关于一定的资料存在一临界速率，约为500～600 m/s，当粒子速率超越该临界速率后，随着速率的增长，堆积效率增长，最高能够到达80%以上。迄今的探讨标明，冷喷油能够完成大少数金属资料乃至金属陶瓷资料的堆积。
1 引 言 ：
以等离子弧、电弧、熄灭火焰为热源的喷油技巧，粉末粒子或线材被加热到熔化形态，这种低温不成防止地使喷油粒子在喷油进程中出现相变、化学反映等景象。而近年来开展起来的冷喷油工艺，能够完成高温形态下的金属涂层堆积。这种工艺进程对粉末粒子构造简直无热影响，而对粒子的加快效果很好，金属资料堆积进程中的氧化能够疏忽[1]。
2 冷喷油技巧的原理、特点与使用：
冷喷油（CS：Cold Spray），又称冷空气动力学喷油法（CGDSM：Cold Gas Dynamic Spray Method或CGDS、CGSM）。80年代中期前苏联迷信院，在用示踪粒子实行超音速风洞实验时发现，当粒子的速率超越某一临界速率时，示踪粒子对靶材外表的作用从冲蚀转变为加快堆积，由此在1990提出了冷喷油的概念[2]。在第一篇关于冷喷油的论文[2]于1990年发布后，最先参与冷喷油探讨的原苏联探讨者Papyrin于1995年在美国召开的全美热喷油会议上与美国学者开端结合发布相干探讨后果[3,4]，直到2000年在加拿大召开的国际热喷油会议上才组织了专门的讨论会，由此，在国际上引发了普遍的关心。近几年来，美国与德国一局部探讨机构也已展开了冷喷油技巧[5]。
冷喷油是基于空气动力学原理的一种喷油技巧[2,6,7]。其原理如图1（略）所示，喷油进程是应用高压气体经过缩放管发生超音速活动，将粉末粒子从轴向送入高速气流中，经加快后，在整个固态下撞击基体，经过较大的塑性活动变形而堆积于基体外表上构成涂层。为了增长气流的速率，从而进步粒子的速率，还能够将加快气体预热后送入喷抢，通常预热温度小于600 ℃。 冷喷油进程中，高速粒子撞击基体后，是拦成涂层还是对基体发生喷丸或冲蚀作用，或是对基体发生穿孔效应，取决于粒子撞击基体前的速率。关于一种资料存在着一临界速率Vc，当粒子速率大于Vc时，粒子碰撞后将堆积于基体外表，而当粒子速率小于Vc时，将出现冲蚀景象。Vc因粉末品种而异，普通约500～700 m/s。
冷喷油重要用于喷油具有一定塑性的资料，比方纯金属、金属合金、塑料以及复合资料等。特殊是由于粒子加热温度低，根本无氧化，适用于对温度敏感（纳米、非晶等）、对氧化敏感（Cu、Ti等）和对相变敏感（金属陶瓷）资料的涂层制备。由于高速粒子碰撞时对基体或涂层外表激烈的喷丸效应，涂层内普通处于压应力形态，有利于堆积厚涂层。并且，由于粉末没有阅历分明的热进程，根本不出现组织构造的变化，未堆积的粒子，能够回收应用。为了取得高的粒子速率与堆积效率，请求粉末粒子粒度及其散布领域要小，普通为1～50 mm[1,8,9]。
3 冷喷油零碎的组成
如图2（略）所示，冷喷油零碎根本由6局部构成，辨别为：喷抢零碎、送粉零碎、气体温度控制零碎、气体调理控制零碎、高压气源以及粉末回收零碎。抢体为关键部件，重要由缩放Laval喷管组成。其内外表外形普通在喉部下游为圆锥形，下游可为长方体形，也可与下游绝对应为圆锥形，前者涂层堆高是梯形，然后者堆高形状与热喷油类似，呈锥形。粒子经历喷管被高速气流加快，温度有所增长，但远低于粒子熔点。图3（略）是粒子速率、温度沿轴向变化表示图。沿着喷嘴喉部以外轴向，气体速率Vg不断增长，粒子温度Tp不断降低。在喉部，气体速率到达音速。经历喉部过后，粒子速率持续增长，发生超音速活动。 冷喷油任务气体可用紧缩空气N2和He气，压力普通为1.5～3.5 MPa，任务气体的入口温度普通为室温约600 ℃，请求送粉气的压力高于任务气体压力，以确保送粉的稳固。喷油间隔为5～25 mm。
4 冷喷油层组织构造特点及其堆积特性
4.1 冷喷油层组织构造特点
由于涂层是粒子以很高的动能撞击基体后构成的，因此涂层的组织普通较致密。图4（略）是Al基体上制备Cu涂层的断面组织[10]。经历腐蚀后，由图5（略）能够分明察看到粒子出现了猛烈的塑性变形，呈延伸拉长的形貌[9]。
普通冷喷油制备的涂层组织致密，气孔率低。文献[11]探讨了涂层的气孔率与氧化形态的变化，发现Al涂层的气孔率为0.5%～12%，Fe涂层气孔率为0.1%～1%，而Cu涂层气孔率唯有0～0.1%。并且涂层的含氧量和喷油前粉末的含氧量简直没有任何变化[3,4,8,9]。
4.2 冷喷油层堆积特性
影响冷喷油进程中粒子堆积特性的重要要素包括气体的压力、温度、气体的品种、粉末的品种与粒度以及喷抢构造等。在其他要求一定的状况下，气体的品种与压力以及温度重要确定了粒子的速率。粒子速率的大小确定其堆积特性。如前所述，唯有当粒子速率超越临界速率时，才干在碰撞基体后完成堆积，不然将对基体（或涂层）发生冲蚀效应。图6（略）、图7（略）辨别为粒子速率随加快气体压力和温度的变化。从图6能够发现，随气体压力的增长，粒子速率增长。从图7能够发现，在一样压力下，适当增长气体的温度，也有利于进步粒子的速率。 图8为粒子速率对堆积效率的影响。粒子速率对其堆积起确定作用。关于Cu，当小于临界速率500 m/s时，不出现堆积，而当大于该速率时，随速率的增长，堆积效率增长，能够到达80 %以上。
临界速率因喷油资料而异，文献[12]给出了几种典型资料的临界速率。Cu、Fe、Ni、Al辨别为560～580 m/s、620～640 m/s、620～640 m/s、680～700 m/s。应该指出，由于所采用粉末的粒度领域散布较大，而粒子的加快度与大小呈正比，因而，这种临界速率唯有在运用粒子领域与其相反的粉末时才具有适用性。 采用He时，由于其比热比＝1.66，比N2或空气的＝1.4要大，在一样压力和预热温度下，可以取得更高的气流速率及粒子速率（图7）。因而，能够取得较高的堆积效率。 为了进步粒子速率，从而进步粒子堆积效率，通常采用粒径小于45 mm的粉末堆积涂层。关于Al，采用粒径为100 mm的粉末也能够完成涂层堆积。 如不同资料的临界速率所示，资料品种对堆积特性具有分明得影响。熔点低、塑性高的资料较易堆积，而塑性差的资料，则需求较高的粒子速率才干完成堆积。采用冷喷油，迄今已然能够完成Al、Cu、Fe、Ni、Ti及合金等金属涂层的堆积。
文献[13]报道了冷喷油堆积纳米构造WC-Co涂层的后果，虽然能够实验在金属基体上堆积数十微米的WC-Co涂层，但存在着涂层难以进一步增厚的Issue(问题)。文献[14]报道了冷喷油堆积附着了φ(Ti)25 %的纳米羟磷灰石颗粒的Ti粉。
4.3 涂层功能
冷喷油涂层的微观硬度高于同种资料的块材。在Al管上喷油多孔性Ti粉，即使涂层的气孔率较高，但涂层的微观硬度（125 HK）值比Ti块材（100 HK）的高[1]。并且随着任务气体入口温度的进步，微观硬度有增长的趋向。文献[5,8,11,15,16]也报道了一样后果。Cu涂层的硬度均匀为1.02 GPa (Vickers 硬度)，而对应的块材均匀为0.81 GPa[11]。涂层微观硬度进步是由于粒子构成涂层时出现很大的塑性变形，涂层内能够显示密度很高的位错。涂层的弹性模量测试后果标明，Cu涂层的模量为108 9 MPa，比同种资料块材的126 MPa低[5]，且随着任务气体入口温度的进步而增大[1]。
Cu涂层电阻率测试标明，约为2.4 mWcm，比纯Cu的1.7 mWcm稍高[5]。应用冷喷Cu涂层的良好导电功能，文献[17]在电缆接头下去喷油Cu涂层，防止全部运用Cu，浪费了本钱。文献[8]测试了Cu涂层的联合强度。拉伸强度约35 MPa（EN 582规范），且断在涂层和基体界面；当断裂出现在涂层与基体界面时，涂层的剪切强度约30 MPa，在涂层内剪切强度约为18 MPa。文献[11]用拉销（Stug）实验测试了Cu、Fe、Al涂层的联合强度，用胶将直径2.69 mm的拉销粘到涂层上，接着拉上去，涂层的联合强度为68～82 MPa，且断在胶上。
文献[15]用冷喷油技巧在2618 Al基体上堆积了Ni-Al青铜耐磨涂层。并用销盘实验测试了涂层的耐磨功能，涂层的均匀磨损率为7.53E10-6 cm3/m。另外还测定了涂层的剪切强度（三键剪切法），均匀70 MPa以上。 McCune R C.等人对冷喷油试样的应力散布实行了测定，标明涂层中存在很大的压应力，而基体侧受拉应力[5,16]。
文献[18]探讨了后热处置对冷喷油Cu和Fe涂层功能的改善，重要是使涂层内发生再结晶。而文献[19]报道了后热处置对冷喷油Ni涂层的影响，使Ni涂层构造和细晶的Ni块材相似。
4.4 冷喷油层堆积行为
关于冷喷油涂层的堆积进程行为，普通以为是高速粒子撞击基体时，粒子的动能使粒子与已构成的涂层或基体发生较大的塑性变形，从而联合在一同完成粒子的堆积。文献[20]对粒子碰撞基体的扁平化实行了实验和计算剖析。如图9（略）所示，察看到700 m/s的Cu粒子撞击抛光的不锈钢基体后的扁平粒子和基体侧凹坑，标明粒子和基体出现了分明的塑性变形。
但是也有人以为，粒子撞击到基体上时，有能够发生冲击波使被碰粒子与相邻粒子在界面处部分温度到达资料的熔点以上，部分熔化，到达部分的冶金联合[5]。该进程与爆炸焊的进程相似。 在上述观念中，粒子的速率Vp是涂层构成的关键要素。当粒子的速率超越临界值Vc后，粒子的速率越高，制备涂层的功能越好。
5 结 论
冷喷油技巧是近年来开展起来的新型喷油技巧，与保守的热喷油技巧不同，该办法是经过高温（< 600 ℃）高速的固体粒子与基体发生塑性碰撞而完成堆积的。因而，具有能够防止喷油资料在喷油进程中存在的氧化、喷油进程对喷油粒子的热影响小、能够将喷油资料的组织构造在不出现变化的形态下移植到基体外表等许多长处。 粒子的速率关于涂层的堆积起着确定性作用，关于一定的资料存在一临界速率，约为500～600 m/s，当粒子速率超越该临界速率后，随着速率的增长，堆积效率增长，最高能够到达80 %以上。气体温度的进步能够增长粒子的速率，从而进步堆积效率。冷喷油层组织致密，金属涂层的含氧量与原始粉末根本十分。迄今的探讨标明，冷喷油能够完成大少数金属资料乃至金属陶瓷的堆积。因而，该工艺开展将为制备杰出功能的金属涂层、金属陶瓷涂层、非晶与纳米构造的金属涂层提供有用的办法。
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