冷喷涂工艺的进展及应用现状
冷喷涂中的喷涂在航空航天领域的应用
冷喷涂中的喷涂在航空航天领域的应用冷喷涂技术是一种发展较为迅速的新兴表面工程技术，它将粉末喷涂直接喷射到被涂物表面上，并通过高速冲击和变形加热等过程，形成一种具有优良性能的涂层。
冷喷涂应用广泛，十分重要的一个应用领域就是航空航天工业，本文主要从三个方面探讨冷喷涂在航空航天领域的应用。
一、冷喷涂在航空航天领域的基本概念航空航天工业对于涂层的需求是非常高的，涂层可以提高材料的性能、防止腐蚀和摩擦磨损等问题。
而冷喷涂技术对于航空航天工业来说也是一种很好的选择。
冷喷涂技术是一种采用高压喷枪将涂料粉末压缩到300-1200Mpa的超高压状态下，将其喷向被涂件表面并加热、固化的表面技术。
该技术对应用对象材料的热敏性、耐磨性和机械强度等要求都很高，因此可以有效地提高航空航天件的强度、特性和服务寿命。
二、冷喷涂在航空航天领域的应用1. 冷喷涂在航空发动机喷燃室内表面的应用航空发动机的喷燃室内表面具有耐热、耐压等要求。
使用冷喷涂技术可以在短时间内，完成室内表面的涂覆，既满足了防腐、防热的要求，又提高了发动机的性能。
2. 冷喷涂在飞机加油口表面的应用飞机加油口装置的表面受到氧化、磨损等因素的影响，会降低加油口的耐用性。
使用冷喷涂技术可以在表面上形成一层细腻均匀的涂层，具有很好的抗氧化、防腐、抗磨损等性能，大幅度提高飞机加油口的使用寿命，同时也非常符合环保和安全的要求。
3. 冷喷涂在航空气动构件表面的应用航空气动构件比如飞机机翼、垂尾等，涂层可以提供较好的抗腐蚀、抗磨损等性能。
基于航空气动构件使用环境的要求，使用冷喷涂技术，在涂层表面能形成一层完整、均匀、无裂纹、无孔隙的涂层，提高气动构件的综合性能。
三、冷喷涂未来在航空航天领域的发展未来，冷喷涂技术将逐渐成为航空航天工业的主流表面技术。
在工艺研究方面，冷喷涂技术可以实现单次喷射的涂层厚度变化和精度调节，可以实现对不同材料的涂层处理。
此外，冷喷涂的新机理和新技术，还需要更加深入的研究和探讨，以便更好地拓展航天航空领域的应用范围。
冷喷涂技术冷方法的产生和它的现状
冷喷涂技术冷方法的产生和它的现状冷喷涂技术，顾名思义，是指在涂覆过程中不使用火焰或熔融热源，而是利用压缩空气或氮气等冷媒将粉末材料喷射到基材表面，形成坚固的涂层。
它主要通过颗粒的冲击和冷却效应来实现粉末与基材的结合，具有高效节能、低污染、易操作等优势。
该技术的产生和发展与材料表面处理和涂覆技术的需求密切相关。
冷喷涂技术最早可以追溯到20世纪60年代，当时主要用于喷涂金属涂层。
在那个时期，传统的热喷涂技术因其对基材有较高的热影响和材料氧化等问题而受到限制。
而冷喷涂技术通过喷射速度和冷却效应，解决了热喷涂过程中可能产生的热影响问题，实现了更优的表面涂覆效果。
随着冷喷涂技术的不断发展，不仅可以喷涂金属，还可以喷涂陶瓷、高分子材料等多种材料。
冷喷涂涂层具有良好的附着力、良好的耐磨性和耐腐蚀性等优点，可以广泛应用于汽车、航空航天、电子、化工等领域。
此外，冷喷涂技术还可以喷涂复杂形状的工件，提高了涂层均匀性和粘附性，大大提高了涂层的硬度和耐磨性能。
目前，冷喷涂技术已经成为表面涂层领域的重要技术之一、其现状主要体现在以下几个方面：1.技术装备的不断更新：随着冷喷涂技术的发展，各种喷涂设备不断改进升级，实现了更高效的涂层喷涂，例如高速喷涂设备、自动喷涂系统等。
这些技术装备的使用加速了冷喷涂技术的推广和应用。
2.材料的丰富多样：冷喷涂技术不仅可以喷涂金属材料，还可以涂覆非金属材料，如陶瓷、聚合物等。
近年来，新型材料的不断涌现，为冷喷涂技术的发展提供了更多的选择。
3.应用领域的扩大：冷喷涂技术的应用范围越来越广泛，不仅可以应用于传统的汽车、航空航天等行业，还可以应用于新兴的能源、生态环境等领域。
冷喷涂技术能够提供持久的耐磨性和优良的导热性，有望在新能源电池、太阳能电池等领域得到更广泛的应用。
然而，冷喷涂技术仍面临一些挑战。
首先，冷喷涂技术的喷涂效率和成本仍然需要进一步优化。
由于涂层与基材的结合不像热喷涂那样充分，喷涂速度相对较低，降低了涂层的生产效率。
冷喷涂工艺的技术特点和应用研究
—325—《装备维修技术》2021年第17期冷喷涂工艺的技术特点和应用研究黄雪飞（江西洪都航空工业集团有限责任公司，江西 南昌 330024）摘 要：冷喷涂工艺是一门新兴的喷涂工艺，是利用超音速粒子在低温下与基体材料碰撞后产生塑性变形后而形成的涂层。
该技术不仅可以制备防腐、耐高温、导电导热等涂层，而且还可以作为一种表面修复技术，也可作为一种新型的增材制造技术。
本文简要概述了冷喷涂工艺的技术原理，系统总结了该工艺的技术特点，并全面阐述了其主要应用领域。
关键词：冷喷涂工艺；技术特点；应用领域1. 冷喷涂工艺的技术原理和特点1.1.冷喷涂工艺的技术原理冷喷涂工艺（简称Cold Spray ）是一种能在较低温度时形成涂层的喷涂工艺，该技术建立在空气动力学基础上，其工作原理图如图1所示。
高压气体分两条管道流出，一支气流通过气体加热器形成一定温度的高压气流，另一支气流则是将粉末加料器中喷出的原材料粉末带出，之后气流通过拉瓦尔喷管形成超音速气体射流，以高速固态粉末粒子撞击基体，撞击过程中粉末粒子和基体材料均产生严重的塑性变形实现结合，从而在基体表面形成了一层涂层。
图1 冷喷涂技术工作原理图1.2.冷喷涂工艺的技术特点与传统的热喷涂工艺相比，冷喷涂工艺主要具有以下五个特点：一是涂层沉积温度较低，对基体材料的热影响小。
冷喷涂工艺是在低温下通过高速粒子产生塑性变形而实现的涂层沉积，在整个加工过程中原材料粉末粒子的温度较低，全程保持固体状态，在沉积过程中不会对基体材料产生较高的热量，几乎不会发生基体材料氧化、热变形等情况。
由于冷喷涂工艺对基体材料的热影响较小，喷涂过程也无需在保护气体或真空环境进行，在大气中就能实现快速沉积。
二是沉积材料和基体材料选取广泛。
由于冷喷涂工艺对基体的热输入量较少，基体材料选择也因此具有较大选取空间。
当前基体材料已经从金属合金材料扩展到了塑料、陶瓷等材料。
此外，冷喷涂不是将喷涂材料进行熔化，而是加速喷涂粒子，可以沉积金属及其合金材料、陶瓷及其复合材料等，甚至可以根据涂层所需性能灵活设计沉积材料成分，制备出混合涂层。
2023年冷喷涂行业市场分析现状
2023年冷喷涂行业市场分析现状冷喷涂是一种高科技的表面处理技术，广泛应用于航空航天、汽车、造船、石化、钢铁等工业领域。
在我国，冷喷涂行业市场正在逐步壮大，但与发达国家相比还存在一定的差距。
首先，冷喷涂行业市场规模逐年增长。
近年来，我国经济快速发展，各个工业领域对于表面处理技术的需求也不断增加。
冷喷涂作为一种高效、环保的表面处理技术，受到了广泛的关注和应用。
据统计数据显示，近几年冷喷涂行业的市场规模每年以10%左右的速度增长，预计未来几年市场规模将进一步扩大。
其次，冷喷涂技术不断创新。
冷喷涂技术作为一种新兴的表面处理技术，在技术创新方面有着巨大的潜力。
在材料选择、喷涂工艺、设备研发等方面，我国的科研机构和企业不断进行创新研究。
目前，我国已取得了一些重要的科研成果，在某些领域已经达到了国际先进水平。
但与发达国家相比，我国在某些高端技术领域仍存在一定差距，需要加大研发投入，提升技术水平。
第三，冷喷涂行业市场竞争激烈。
随着市场规模的扩大，越来越多的企业涌入冷喷涂行业。
这对于行业的发展有一定的促进作用，但也带来了激烈的竞争。
一些小型企业主要依赖于低价策略来吸引客户，导致市场价格低迷，影响了整个行业的发展。
在此背景下，企业应该加强技术创新，提高产品质量和服务水平，以提升竞争力。
第四，冷喷涂行业面临环保压力。
冷喷涂技术相比传统的热喷涂技术具有更低的能耗、更少的废气排放、更少的废料产生等优势，符合国家环保政策的要求。
但随着环保意识的提高，人们对于环保要求也越来越高，尤其是在一些环境敏感的行业。
冷喷涂企业需要加大环保设备的投入，不断提升环保水平，以满足市场需求。
综上所述，冷喷涂行业市场在我国正处于快速发展的阶段，市场规模逐年增长，技术不断创新。
但与发达国家相比还存在一定的差距，市场竞争激烈，面临环保压力。
冷喷涂企业应该加强技术创新，提高产品质量和服务水平，增强环保意识，以提升竞争力，推动行业的进一步发展。
冷喷涂中的喷涂在纺织工业的应用
冷喷涂中的喷涂在纺织工业的应用在现代工业中，喷涂工艺是一种非常重要和常用的表面处理技术。
而冷喷涂技术作为喷涂技术的新兴分支，由于其独特的优势，近年来在许多领域中得到了广泛的应用。
特别是在纺织工业领域，冷喷涂技术因其低温环保、高效、节能和表面效果优良等优点，越来越受到人们的关注和重视。
冷喷涂技术是一种革命性的喷涂技术，其工艺原理是将固体粉末材料通过高速气流射入喷涂枪，然后喷向工件表面，形成一层均匀而紧密的涂层。
与传统的热喷涂技术不同的是，冷喷涂技术是在接近室温的环境下进行喷涂，因此避免了热喷涂过程中可能产生的组织变化、氧化、被污染等问题，可以保证喷涂材料的质量和表面效果。
冷喷涂技术在纺织工业中的应用主要涉及到纺织机械的表面涂覆和纺织制品的防水、防污和防紫外线等方面。
以下将对其应用进行介绍：一、纺织机械表面涂覆冷喷涂技术可以为纺织机械表面涂覆提供性能优良而又非常适宜的涂层。
纺织机械在运转过程中，由于长期曝露在高温、高速和高摩擦的环境下，表面易受到磨损和氧化等影响，导致工作效率下降、寿命减短等问题。
而冷喷涂技术可以应对这些问题，通过喷涂一层抗磨损、耐腐蚀、耐热的涂层，可以有效地提高机械的耐久性和安全性。
比如喷涂铜铝合金材料可以提高纺织机械的导热性和抗磨损性，喷涂陶瓷材料可以增加机械的耐腐蚀和防粘性。
二、纺织制品的涂覆冷喷涂技术也可以为纺织制品提供具有防水、防污和防紫外线等特性的涂层。
纺织制品经常遭受到水、污染等外界环境的侵袭，导致材料老化、色泽变化、损耗加速等问题。
而喷涂一层有机硅聚合物等防水涂层可以有效地防水、防油、防粘和防腐蚀，增加纺织制品的使用寿命。
此外，喷涂一层纳米氧化锌、纳米二氧化钛等纳米级材料也能够为纺织制品提供出色的抗紫外线功能，防止纤维因阳光暴晒而老化和色泽变化。
综合来说，冷喷涂技术是一种十分优秀的涂层技术，不仅可以提高机械的耐久性和表面性能，还可以为纺织制品提供保护和增值。
未来，冷喷涂技术将会在纺织工业领域内更加广泛的应用，成为一种不可或缺的技术手段。
冷喷涂工艺的进展及应用现状
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2024年冷喷涂市场需求分析
2024年冷喷涂市场需求分析引言随着工业发展的进一步推进，冷喷涂技术作为一种新兴的表面涂层处理方法，被广泛应用于各个行业。
本文将对冷喷涂市场需求进行分析，旨在了解目前市场对冷喷涂技术的需求状况以及未来的发展趋势。
市场背景冷喷涂技术是一种将涂料或者涂层材料喷射到工件表面形成保护层的方法。
相比传统的热喷涂技术，冷喷涂技术具有低温、低能耗、无污染等优势，越来越受到市场的关注和青睐。
市场需求分析1. 节能环保冷喷涂技术与传统的热喷涂技术相比，不需要加热处理，能有效降低能耗，减少环境污染。
随着全球对环境保护意识的提高，节能环保的需求也越来越迫切，因此对冷喷涂技术的需求也在不断增加。
2. 表面保护在工业生产中，很多工件需要在表面形成一层保护膜，以延长使用寿命、提高耐磨性等。
冷喷涂技术能够形成均匀的涂层，提供良好的表面保护效果，满足市场对于表面保护的需求。
3. 轻质材料应用冷喷涂技术适用于对轻质材料的涂层处理，如铝合金、镁合金等。
随着轻量化技术在汽车、航空航天、船舶等领域的应用，对轻质材料涂层的需求也在增加，冷喷涂技术在这些领域具有较大的市场潜力。
4. 高性能涂层需求冷喷涂技术能够制备出高性能的涂层，如高硬度、高耐磨、高耐腐蚀等。
在冶金、石油化工、航空航天等行业中，对于耐磨性、耐腐蚀性的需求非常迫切，冷喷涂技术能够满足这些高性能涂层的需求。
5. 维修和翻新市场冷喷涂技术在维修和翻新领域也有广泛的应用。
对于老化、损坏的工件，通过冷喷涂技术进行修复，能够延长使用寿命，减少更换成本，因此在维修和翻新市场中有较大的需求。
未来发展趋势随着冷喷涂技术的不断创新和推广应用，未来冷喷涂市场有望呈现以下趋势：1. 技术推陈出新随着科技的进步，冷喷涂技术将会不断推陈出新，不断提升涂层质量和性能。
新的冷喷涂材料和设备的研发，将为市场需求提供更好的解决方案。
2. 扩大应用领域随着对冷喷涂技术的认可度提高，其应用领域也将扩大。
除了传统的工业领域，冷喷涂技术有望应用于更多新兴领域，如新能源、电子等。
2023年冷喷涂行业市场规模分析
2023年冷喷涂行业市场规模分析冷喷涂（Cold spray）是一种新兴的喷涂工艺，采用压缩空气加速高速喷射金属粉末形成高速喷射流，在高速气流的冲击下，金属粉末颗粒受到严重变形，其表面原子产生高度活化，通过高速冲击和沉积，将喷材快速形成冷喷涂复合材料。
冷喷涂工艺具有高沉积效率、低能耗、无热应力等优势，在军工、航空航天、汽车制造等领域得到广泛应用，具有广阔的市场前景。
一、冷喷涂的市场需求分析1. 军工领域军工领域是冷喷涂技术的最早应用领域之一。
随着武器装备的高度复杂化和技术装备的高新化，军工装备对表面涂层材料的性能要求越来越高。
冷喷涂技术在生产模拟航空发动机部件、导弹外壳等方面已有广泛应用，其高效、高精度、低损伤的特点是军工行业的需求所在。
另外，冷喷涂技术可以在不影响基材表面质量和形状的情况下实现高精度复合材料的制备，可以降低基材的维修成本和维修时间，成为军工领域的一项重要技术。
2. 航空航天领域航空航天领域是冷喷涂技术应用的另一个重要领域。
冷喷涂技术可以用于制备航空、航天发动机叶片、涡轮、加速器等高温零件，具有与实际成型件性能相似的优点。
冷喷涂制备的复合材料可以显著提高航空器的性能和耐用性，提高飞行安全，同时也减少了对环境的影响，成为航空航天领域的热门技术。
3. 汽车制造领域随着汽车制造行业的不断发展，汽车制造所需材料种类、性能要求也在不断提高。
冷喷涂技术可以用于制备汽车零部件的表面涂层，例如制动系统、缸体、加速器、支架等，可增强汽车零部件的耐磨性、耐高温性、耐腐蚀性等性能。
冷喷涂技术还可以用于制备汽车的外壳、底盘和内饰，实现模块化设计，大大缩短了生产周期和成本。
二、冷喷涂市场现状分析1. 技术方面技术方面，国内在冷喷涂领域的技术研究和成熟应用相对较晚，与国际先进水平还有一定的差距。
目前，冷喷涂技术在国内主要是由一些国企、高校和科研单位开展研究，但企业对技术应用的投入和实践较少。
与国际先进水平相比，国内的冷喷涂技术尚处于初级阶段，需要加快研发投入和技术更新，推动冷喷涂技术的产业化进程。
冷喷涂中的喷涂在教育机构的应用
冷喷涂中的喷涂在教育机构的应用随着科技的不断发展，冷喷涂技术在各个领域得到了广泛的应用。
教育机构也不例外，越来越多的教育机构开始采用冷喷涂技术，将其用于学生的创意设计课程中。
本文将从冷喷涂技术的基本原理、其在教育机构中的应用及其优势等方面进行探讨。
一、冷喷涂技术的基本原理冷喷涂技术是一种新型的涂装技术，相较于传统的喷涂技术，更加环保、省时、省力，同时也更加稳定耐用。
冷喷涂机是将液态材料通过超级快速气流喷射到工件表面上，利用气流冷却和固化，形成完整的涂层。
与传统的涂装方式相比，冷喷涂技术具有以下优势：1. 可以喷涂多种材料，包括金属、塑料、陶瓷等材料，适用范围广。
2. 喷涂过程无火花，不会对环境和人体造成危害。
3. 喷涂后的涂层极为坚固，具有较好的耐磨损性。
二、冷喷涂在教育机构中的应用越来越多的教育机构开始采用冷喷涂技术，用于学生的创意设计课程中。
以创意设计课为例，教学通常分为三个步骤：1. 学生提出创意设计方案。
2. 学生采用计算机设计软件进行模型制作。
3. 学生使用冷喷涂机进行涂装加工。
其中，第三个步骤是使用冷喷涂机的环节，通过课堂实践让学生了解创意设计到实际制作的整个流程。
冷喷涂技术的应用，不仅可以在学生的创意设计课中发挥重要作用，还可以在其他课程中发挥积极作用。
例如，一些理工类的课程需要学生进行制作实验，使用冷喷涂技术可以加工出更为精美的实验器具，提高学生的制作实验能力。
三、冷喷涂技术在教育机构中的优势1. 提高学生的创意设计能力。
冷喷涂技术的应用可以让学生了解创意设计到实际制作的整个流程。
从中，学生可以掌握创意设计的思想和方法，并提高其创意设计的能力。
2. 增加课堂趣味性。
传统的教学方式单调，学生常常会产生疲劳感。
而冷喷涂技术的应用，增加了课堂的趣味性，让学生更加喜欢学习。
3. 开发学生的动手能力。
冷喷涂机需要学生自己操作，这不仅可以开发学生的动手能力，还可以让学生感受到制作的乐趣。
四、冷喷涂在教育机构中的应用存在的问题及解决方法虽然冷喷涂技术的应用在教育机构中取得了较好的效果，但是在实际应用中仍面临一些问题，例如：1. 缺乏教师的指导和帮助。
冷喷涂技术发展历史、趋势与挑战
㊀第43卷㊀第4期2024年4月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.43㊀No.4Apr.2024收稿日期:2024-01-23㊀㊀修回日期:2024-03-30基金项目:国家自然科学基金资助项目(52171072)第一作者:王婉青,女,1999年生,硕士研究生通讯作者:所新坤,男,1982年生,教授,博士生导师,Email:suoxinkun@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202401026冷喷涂技术发展历史㊁趋势与挑战王婉青1,熊成涛1,高建红2,任㊀潞1,徐小龙2,张勤号1,陈秀勇1,所新坤1(1.宁波大学机械工程与力学学院多维增材制造研究所,浙江宁波315000)(2.安徽马钢表面技术股份有限公司,安徽马鞍山243000)摘㊀要:冷喷涂作为一种新兴的涂层制备技术,具有沉积效率高㊁涂层孔隙率低㊁结合强度高等优点,引起了产业界的广泛关注,在航空航天㊁汽车㊁能源㊁海洋工程㊁石油和化工等领域有着广泛的应用前景㊂经过30多年的发展,冷喷涂技术的研究已从基础理论研究转变到产业化应用研究,在简述冷喷涂技术原理的基础上,综述了冷喷涂技术在成形机理㊁材料体系等方面的研究历程;其次,调研了冷喷涂近年来的发展现状,梳理并提出了未来冷喷涂技术向高性能㊁低成本㊁增材制造等方向发展的趋势,包括喷涂系统㊁粉末㊁工作气体以及离线编程路径设计等方面的改进提升;最后,提出了冷喷涂技术现存的问题与未来发展展望㊂关键词:冷喷涂;涂层;增材制造;发展趋势中图分类号:TG174.442㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2024)04-0273-08引用格式:王婉青,熊成涛,高建红,等.冷喷涂技术发展历史㊁趋势与挑战[J].中国材料进展,2024,43(4):273-280.WANG W Q,XIONG C T,GAO J H,et al .History,Trends and Challenges of Cold Spray[J].Materials China,2024,43(4):273-280.History ,Trends and Challenges of Cold SprayWANG Wanqing 1,XIONG Chengtao 1,GAO Jianhong 2,REN Lu 1,XU Xiaolong 2,ZHANG Qinhao 1,CHEN Xiuyong 1,SUO Xinkun 1(1.Institute of Multi-Dimensional Additive Manufacturing,Faculty of Mechanical Engineering and Mechanics,Ningbo University,Ningbo 315000,China)(2.Anhui Ma Steel Surface Technology Co.,Ltd.,Ma a nshan 243000,China)Abstract :Cold spray is an emerging coating preparation technology with advantages of high deposition efficiency,lowporosity and high bonding strength,which has broad application potential in aerospace,automobile,energy,ocean,petrole-um and chemical industries.The research focus of cold spray has transformed from theoretical research to industrial applica-tion over the past 30years.Therefore,development history of bonding mechanisms and material systems of cold spray was reviewed in this paper,followed a brief introduction on the principle of cold spray.Furthermore,development trends of cold spray in terms of high performance,low cost and additive manufacturing were summarized,involving improvements of spray systems,powders,working gases and off-line path optimization.Finally,challenges and prospects of cold spray were pro-posed.Key words :cold spray;coating;additive manufacturing;development trend1㊀前㊀言冷喷涂(cold spray,CS),又称为冷空气动力喷涂(cold gas dynamic spray,CGDS),是一种材料固态沉积技术,工作原理如图1所示,将一定温度和压力条件下的气体(氮气㊁氦气㊁压缩空气等)送入特定结构的喷嘴中产生高速气流,然后将具有一定粒径的粉末颗粒送入高中国材料进展第43卷速气流中,通过加速加热,固态粉末高速撞击基体,产生剧烈的塑性变形而沉积在基体表面形成涂层[1-4]㊂与传统的热喷涂技术[5,6]相比,冷喷涂最突出的特点是喷涂温度低和粉末颗粒速度高[7],因此冷喷涂技术更适合用于沉积熔点较低和易氧化金属材料的涂层,如镁㊁铝㊁铜㊁钛等材料,且冷喷涂过程存在 喷丸效应 [8],可使涂层之间产生残余压应力,改善涂层的结合情况㊂冷喷涂在上述材料零部件修复和再制造㊁增材制造及功能涂层等领域均有广阔的发展前景[9-11]㊂图1㊀冷喷涂工作原理示意图[4]Fig.1㊀Principle schematic diagram of cold spray [4]2㊀冷喷涂技术的发展历程冷喷涂技术发展经历了2个阶段㊂第1个阶段是原理探索阶段(1980年到2015年),主要集中于理论研究㊂1980年,前苏联科学院西伯利亚分院的理论与应用力学研究所的研究人员Papyrin 及其同事进行超声速风洞试验时发现,当固体颗粒在高速状态下,会逐层沉积在基材表面,最终形成具有一定厚度的涂层㊂因此,在1990年提出了冷喷涂的概念,发表了第一篇冷喷涂的论文[1],并且在1994年申请了第一个冷喷涂专利[2]㊂1995年,McCune 等[8]首次将气体动力学模型运用到冷喷涂中并预测了冷喷涂过程中粉末的速度㊂1999年,Gilmore 等[12]创新性地提出了冷喷涂过程中的临界速度的概念,即只有当颗粒速度加速达到一定值时才会在基体表面发生沉积㊂后续相关学者对不同种类的材料进行了冷喷涂实验以获得不同材料的临界速度㊂例如,2002年,Stoltenhoff 等[13]发现当含氧量较低的球形铜颗粒的速度超过临界速度(约为570m /s)时才会发生沉积㊂2003年,Assadi 等[14]利用数值模拟的方法模拟了颗粒的撞击过程,提出了一种冷喷涂过程中颗粒结合机制的假设,第一次指出颗粒之间所发生的粘结可归因于在颗粒表面发生的绝热剪切失稳现象㊂同时,根据经验归纳总结了冷喷涂形成涂层的临界速度公式,并通过公式计算指出颗粒温度每上升100ħ,粒子沉积的临界速度将减小40m /s,为后续颗粒预热的研究提供了理论支撑㊂随后,Schmidt 等[15]在Assadi 上述研究基础上考虑了颗粒尺寸的影响,进一步地推导出了冷喷涂临界速度公式㊂2006年,Richter 等[16]和Kreye 等[17]通过实验表明颗粒温度的升高会提高冷喷涂涂层质量㊂2007年,Li 等[18]在研究铝颗粒在铝基体上的变形行为时,首次观察到铝粉表面氧化膜对铝颗粒与基体间的结合情况的影响㊂2007年,Fukumoto 等[19]率先提出基体温度对冷喷涂过程中的颗粒沉积效率的影响,表明基体温度与颗粒的沉积效率呈正比,同时证明了基体预热对于提高冷喷涂涂层质量的重要性㊂2008年,Ogawa 等[20]首次研究了基体表面条件对颗粒沉积和冷喷涂涂层机械性能的影响㊂在第1阶段的原理探索过程中,冷喷涂材料体系得到了极大的发展㊂起初,学者们在应用较为广泛的金属基体上进行冷喷涂技术的相关研究㊂1996年,Tokarev [21]首次尝试并成功利用冷喷涂技术在钢材表面沉积铝涂层㊂同年,Mccune 等[22]成功制备了钢涂层和铜涂层,观察并对比了冷喷涂工艺与热喷涂工艺制备的同种材料涂层的机械性能和微观结构㊂随后,Dykhuizen 等[23]和Gilmore 等[12]又分别在不锈钢基体和铝基材上成功喷涂铜涂层㊂2000年,Karthikeyan 等[24]首次成功喷涂钛涂层并探讨了不同工艺参数对钛颗粒沉积效率和钛涂层性能的影响㊂同年,Mccune 等[25]成功通过冷喷涂技术制备了铁涂层和铜涂层,并观察到与热喷涂处理不同的是,通过冷喷涂技术制备的涂层,其颗粒结合界面并未出现熔化现象,其结合机制多为机械结合㊂2004年,Steenkiste 等[26]首次尝试利用大气冷喷涂制备钽涂层,并成功得到高硬度且低孔隙率的钽涂层㊂2005年,Li 等[27]采用氮气作为工作气体,通过冷喷涂成功制备了致密的锌涂层,并对涂层进行了表征,发现在其结合界面形成了纳米晶粒,而472㊀第4期王婉青等:冷喷涂技术发展历史㊁趋势与挑战颗粒内部的晶粒尺寸较原始粉末并没有发生太大变化㊂2012年,Suo等[28]首次成功制备镁涂层,通过数值模拟得出颗粒的临界沉积速度在653~677m/s之间,并讨论了沉积过程中镁颗粒的变形行为和结合机制㊂基体材料除了最常见的金属材料,研究人员将冷喷涂技术扩展延伸到了非金属材料领域㊂2006年,剑桥大学Sturgeon团队[29]首次成功在碳纤维增强聚合物上通过冷喷涂沉积铝涂层,开启了基于冷喷涂技术的高分子材料金属化的序幕㊂2009年,日本丰桥大学的Yamada团队[30]采用纯锐钛相TiO2纳米晶粒团聚粉末(粒径约20μm)为喷涂原料,沉积了厚度为350μm且均匀致密的涂层,实现了冷喷陶瓷涂层的突破性进展㊂2009年,Hussain等[31]成功将铜喷涂到了陶瓷基体上,形成均匀致密的涂层,并观察到陶瓷基板表面的高粗糙度能够促进涂层与基板之间的粘结,实现了陶瓷金属化㊂在设备研发方面,各个研发团队也开始尝试着手研发一系列冷喷涂设备,自2000年开始,德国冷气技术(Cold Gas Technology,CGT)公司㊁日本Plasma Giken公司以及美国VRC Metal Systems等纷纷投入到冷喷涂设备及系统的研发中,例如德国CGT于2001年在国际热喷涂大会上推出商用Kinetiks 3000型冷喷涂系统,其工作气体的温度和压力分别是550ħ和3MPa;2009年该公司开发了Kinetiks 8000系统,整体系统的加热功率可达到85kW,工作气体(如N2)的最高温度可达1000ħ㊂但是由于设备的工作温度与压力仍然无法满足特殊材料的喷涂需求,辅助冷喷涂技术应运而生,以提高喷涂质量㊂英国剑桥大学的Bray等[32]在2009年率先提出将冷喷涂与激光技术相结合的激光原位辅助冷喷涂复合技术㊂随后2015年,西安交通大学李长久和雒晓涛等[33]首先提出将原位喷丸技术应用到冷喷涂中以提高涂层质量,由此提出了微锻造辅助冷喷涂技术,大大降低了冷喷涂技术对设备的依赖程度㊂第2个阶段是冷喷涂技术工业化应用阶段(2015年至今),由于冷喷涂技术越来越完善,国内外市场对于冷喷涂设备的需求量增大,相关企业开始批量生产成熟的高性能冷喷涂设备并投入市场㊂德国Impact Innovations㊁日本Plasma Giken公司以及美国的VRC Metal Systems公司相继推出成熟的冷喷涂设备,工作性能不断得到提升㊂例如德国Impact Innovations公司在2021年5月推出了EvoCS II系列的冷喷涂设备,其设备性能得到了极大程度的提升,最高工作温度和工作压力分别达到了1200ħ和7.5MPa,接近高温合金的使用极限,可以满足大部分材料的工作要求㊂日本Plasma Giken公司研发的PCS-1000冷喷涂系统,其最高温度与压力分别可达到1100ħ和7.0MPa,送粉速度为300~500g/min[34]㊂随着设备的完善,冷喷涂技术在金属增材制造和航空航天等关键零部件的损伤修复中实现了具体的工业化应用,例如美国VRC Metal Systems公司将研发的冷喷涂设备用于美国军事领域相关设备的零件修复工作中[35],如图2a所示;湖北超卓航科公司利用冷喷涂技术成功对飞机结构件,例如飞机加油盖的裂纹部位进行了补强修复,将其剩余寿命提高至30倍以上,完成了国内该领域技术突破,如图2b所示[36];广州尤特新材料等公司通过冷喷涂技术制备旋转靶材,如图2c和2d所示[37,38]㊂图2㊀冷喷涂技术用于修复T7000前车架(a)[35]和飞机加油盖(b)[36];冷喷涂技术用于制备旋转银靶材(c)[37]和旋转硅铝靶材(d)[38]Fig.2㊀Repaired T7000front frame(a)[35]and aircraft refueling cap(b)[36]by cold spray technology;rotating silver target(c)[37]and rotating silicon aluminum target(d)[38]prepared by coldspray technology3㊀冷喷涂技术的发展趋势2000年至今,国内外多家企业专注于冷喷涂技术的发展,其工艺水平得到了很大程度的提升㊂据华经产业研究院整理预计[39],未来几年冷喷涂市场规模及增长速度会不断升高,预计2026年,全球冷喷涂行业市场规模将达到12.13亿美元,如图3所示㊂随着冷喷涂技术在工业领域的迅猛发展,该技术呈现高性能化㊁低成本化和增材制造等发展趋势㊂3.1㊀高性能化趋势随着冷喷涂技术在工业细分领域的应用,工业界对冷喷涂涂层性能和质量的要求越来越高,引领冷喷涂技术向高性能方向发展㊂涂层的高性能主要取决和依赖于设备高性能和粉末高性能㊂572中国材料进展第43卷图3㊀全球冷喷涂行业市场规模及增速曲线预测[39]Fig.3㊀Predicted market size and growth curve of global cold spray in-dustry [39]3.1.1㊀设备性能提高德国Impact Innovations 公司在2021年5月在市场上主推的新一代冷喷涂系统是EvoCS II 系列,如图4所示[40],该喷涂系统工作时的最高温度和压力可分别达到1200ħ和7.5MPa,送粉速率为1.5L /h㊂图4㊀Impact Innovations 公司2021年推出的EvoCS II 冷喷涂设备[40]Fig.4㊀EvoCS II cold spray equipment from Impact Innovations compa-ny at 2021[40]日本Plasma Giken 公司的PCS-1000V2冷喷涂系统(图5)最高工作温度和压力可以达到1200ħ和7.5MPa,送粉速率接近300~500g /min [41]㊂图5㊀Plasma Giken 公司的PCS-1000V2冷喷涂设备[41]Fig.5㊀Cold spray equipment PCS-1000V2of Plasma Giken company [41]与此同时,国内企业例如陕西德维科技股份有限公司㊁宁波普罗特新材料有限公司㊁厦门佰事兴新材料科技有限公司等也已经有了相对完善的高性能冷喷涂系统㊂3.1.2㊀粉末性能提高粉末作为冷喷涂的关键原材料之一,其纯度㊁粒度以及成分等都会对涂层的机械性能造成影响㊂Deforce 等[42]在AZ41A-T5合金基材上采用冷喷涂技术制备纯铝涂层,比较了商用铝粉末(99.5%)和高纯铝粉末(99.95%)对AZ41A-T5合金耐腐蚀性能的影响㊂结果发现商用纯铝涂层的腐蚀电流密度大约为2.35mA /cm 2,而高纯铝涂层的腐蚀电流密度仅为0.05mA /cm 2㊂同时,研究人员发现,利用混合粉末制备涂层同样可以获得极为优良的机械性能㊂Sova 等[43]发现在软金属(Al 和Cu)粉末中添加细硬质粉末可以显著降低喷涂 临界 温度,增大沉积效率㊂Liberati 等[44]将金属粉末(Al㊁Cu 和Zn)添加到锡粉末中混合后进行冷喷涂,结果表明,由于夯实机制,在锡粉末中添加任何的二次组分均可提高其沉积效率㊂除了粉末成分,粉末的粒径分布也会影响其涂层性能㊂2013年,Wong 等[45]研究了纯钛粉末形态和粒径分布对冷喷涂涂层性能的影响,发现平均粒径为29μm 的球形钛粉末制备的涂层具有最低的孔隙率和最佳的冷喷涂性㊂3.2㊀低成本化趋势低成本是企业在工业生产中获得市场竞争力的关键因素,随着近年来冷喷涂技术的不断成熟,冷喷涂技术的成本出现了大幅度的下降,冷喷涂铜涂层的价格从原来的100~200CNY /mm 2降到现在的10~20CNY /mm 2㊂冷喷涂技术实现低成本得益于以下几个方面㊂3.2.1㊀国产设备日益成熟冷喷涂是热喷涂领域的热门研究方向之一,在全球工业化的大背景下,关于冷喷涂的设备研发也越发地成熟㊂目前,已经广泛投入使用的冷喷涂设备来自德国Im-pact Innovations㊁日本Plasma Giken 以及美国VRC MetalSystems 等公司,但是由于运费及维修费等因素,进口设备往往价格昂贵,价格约为400万~500万人民币㊂因此国内市场涌现出了一批高质量的冷喷涂设备,2000年末,西安交通大学李长久教授课题组[34]最先自主研发了国内首套CS-2000型冷喷涂系统,带动了国内自主研发冷喷涂设备的风潮㊂2001年9月,中国科学院金属研究所[46]研发了一台冷气动力喷涂装置,其工作气体最高温度和压力可达到580ħ和3MPa㊂除了各高校团队以外,企业也开展了相应的研究设计㊂2005年6月,宝山钢铁股份有限公司[47]自主研发了冷气动力喷涂装置,很大程度上避免了喷涂粉末对喷嘴的堵塞情况,降低了零件修672㊀第4期王婉青等:冷喷涂技术发展历史㊁趋势与挑战复成本㊂目前,宁波普罗特㊁北京联合等公司均有相对完整的冷喷涂设备生产体系,设备和耗材成本较进口设备有较大幅度下降㊂3.2.2㊀定制化专用设备发展随着冷喷涂技术原理的不断完善和相关设备的研发,冷喷涂技术的应用场合得到了扩展,生产的产品逐渐多样化㊂在实际生产中,通常只需要对某一种特定材料进行批量化冷喷涂处理,因此,设备定制化成为了冷喷涂产业发展的趋势之一㊂多家国产冷喷涂装备公司已经推出了定制化专用设备,以满足特定材料的喷涂,同时进一步降低设备投入与运营成本㊂3.2.3㊀气体成本降低氮气㊁氦气是冷喷涂的主要工作气体,采用氦气作为喷涂气体可以显著提高沉积效率及沉积体性能㊂2015年,Yin等[48]分别用氦气㊁氩气及空气3种气体作为喷涂气体进行了铜颗粒的沉积,结果表明,氦气作为工作气体时颗粒速度最高,对颗粒表现出良好的加速性能㊂但由于我国氦气资源稀少,氦气供应主要依赖于国外进口,成本较高,约为50CNY/L㊂为保证涂层质量,冷喷涂过程中需要消耗大量的氦气,造成极大的成本消耗㊂为解决氦气费用昂贵的问题,法国ICB-PMDM-LERMPS实验室提出气体循环使用的方法,建立了氦气回收系统,用于氦气循环回收㊁净化和再利用[34],极大程度上降低了生产成本,国内科研单位如西安交通大学㊁宁波大学㊁中国兵器集团五二研究所等在这方面开展了相关的研究㊂3.2.4㊀多技术复合采用冷喷涂制备涂层时,为提高沉积效率,降低涂层内部缺陷,通常选择更高的喷涂气体温度㊁压力以及加速效果更好的氦气㊂然而,上述方法会极大提高设备和气体成本㊂为保证涂层质量同时降低制备成本,研究人员考虑通过将冷喷涂与其他技术结合起来共同制备涂层,通过技术的改进来降低冷喷涂工艺对设备的严格要求㊂2015年,雒晓涛等[33]首次将原位喷丸强化引入冷喷涂,以期降低涂层的孔隙率㊂2019年,雒晓涛和李长久等[49]首次提出基于原位微锻造冷喷涂制备高致密度金属沉积体的技术,其工作原理如图6所示㊂他们利用原位微锻造冷喷涂制备铝涂层时发现,当混合粉末中的喷丸颗粒的体积分数高于40%时,铝涂层的孔隙率低于0.35%,并且在AZ31B镁合金基材表面的铝涂层可使镁合金的腐蚀速率降低接近3个数量级,表现出良好的耐腐蚀性能㊂与传统的冷喷涂技术相比,通过该技术可以在较低的温度和压力条件下,在镁合金表面获得完全致密的铝腐蚀防护涂层,可以在很大程度上降低冷喷涂技术的成本㊂考虑到激光的加热软化处理能够提高基体和颗粒变形程度,英国剑桥大学的Bray等[32]首先提出将冷喷涂与激光相结合的激光原位辅助冷喷涂复合技术,随后国内浙江工业大学姚建华等[50]也开始了该项技术的研究工作,其原理如图7[32]所示,是将激光束同步引入冷喷涂加工过程,利用激光对喷涂颗粒㊁基材或两者同时加热并使之软化,在保持冷喷涂固态沉积特性的同时提高涂层性能㊂图6㊀原位微锻造辅助冷喷涂技术的原理示意图[49] Fig.6㊀Principle schematic diagram of in-situ micro-forging auxiliary cold spray technology[49]图7㊀激光原位辅助冷喷涂复合技术的原理示意图[32] Fig.7㊀Principle schematic diagram of laser in-situ assisted cold spray composite technology[32]3.3㊀增材制造应用趋势近年来,随着人工智能技术的发展,冷喷涂技术逐渐演变成为一种新的增材制造技术[51]㊂相较于传统的基于熔融过程的增材制造工艺,冷喷涂增材制造工艺具有热效应较低㊁制造效率高㊁产品尺寸限制小等优点,然而,冷喷涂增材制造技术制造精度较低,从而限制了冷772中国材料进展第43卷喷涂增材制造的广泛应用㊂迄今为止,一些公司和研究机构已在冷喷涂增材制造技术上进行了大量投资,并取得了各种突破性的成果㊂法国ICB-PMDM-LERMPS 实验室运用冷喷涂增材制造技术3D 打印了手掌模型,如图8所示[52]㊂近年来针对冷喷增材制造技术,主要围绕喷涂路径离线优化和喷嘴设计优化两方面进行了深入的探讨研究㊂图8㊀冷喷涂增材制造技术打印的手掌模型[52]Fig.8㊀Palm model printed by cold spray additive manufacturing[52]3.3.1㊀喷涂路径离线优化在冷喷涂过程中,为获得更精确的涂层厚度和涂层形状,需要精准控制喷枪路径,规划和创建合理的喷涂路径成为了保证涂层质量关键的一步㊂2012年,Deng 等[53]在机器人编程软件Robot Studio 上采用切片方式处理喷涂表面,并且开发了基于该软件的热喷涂专用程序包,为后续研究人员进行相关的研究提供了技术支持㊂采用RobotStudio 软件来创建针对制造对象的喷涂路径,可以真实反映实际喷涂过程,随时修改喷涂程序,还能观察各元素之间是否发生了干涉,进而有效防止实际喷涂中发生设备相互间的碰撞㊂进一步地,Deng 等[54]提出了一种基于冷喷涂增材制造中网格几何重构策略的通用MATLAB 数值沉积建模方法,以更准确地模拟沉积过程,通过仿真和实验验证了所提方法的有效性,实验结果表明,该方法能够准确模拟冷喷涂增材制造过程中的沉积物增长㊂3.3.2㊀喷嘴设计优化喷嘴是冷喷涂增材制造精度提高的关键之一,Sova 等[55-57]采用出口直径为1mm 的微型喷嘴来对铜㊁铝颗粒进行冷喷涂增材制造,以此来减少粉末的发散,得到了小于1mm 的喷涂斑点,提高了冷喷涂增材制造在小尺寸成形方面的能力㊂2012年,Suo 等[58]通过研究喷嘴尺寸对冷喷涂过程中颗粒分布情况的影响得出,颗粒分布随着喷嘴的出口直径的增加而变得更加扁平化㊁均匀化㊂2022年,Alonso 等[59]研究了不同尺寸参数的喷嘴对于不同种类的冷喷涂粉末颗粒速度以及沉积表面形貌的影响,并整理了不同粒径的铝和不锈钢粉末颗粒所对应的最佳喷嘴尺寸参数㊂通过对喷嘴设计的优化,能够一定程度上提高涂层表面质量㊂4㊀冷喷涂技术的挑战与机遇冷喷涂作为一种先进的表面处理与增材制造技术,经过30多年的研究,已经具备了产品化应用条件[60],但由于工业化要求的不断提高,该技术仍存在一些问题,主要表现在以下几个方面㊂4.1㊀装备性能接近极限随着冷喷涂技术工业应用的不断探索,对装备性能的要求也在不断提升㊂德国Impact Innovations 推出的EvoCS II 系列喷涂设备以及日本Plasma Giken 公司推出的PCS-1000V2冷喷涂系统最高工作温度和压力可达到1200ħ和7.5MPa,接近高温合金的使用极限㊂在现有基础上再要大幅度地提升气体的加热温度难度提高,需要在设计和材料等方面有所突破㊂4.2㊀打印精度有待提升由于工业生产中广泛应用的冷喷涂喷嘴出口直径范围为4~10mm,单道涂层宽度较大,因此一般的拉瓦尔喷嘴难以满足小尺寸工件的加工要求,受限于毫米级的分辨率㊂选区激光熔化(selective laser melting,SLM)技术以及超声波增材制造技术(ultrasonic additive manufactur-ing,UAM)可以达到微米级的分辨率[61]㊂同时在冷喷涂过程中,很难保证涂层形状精度,位于中心的颗粒速度高于外侧的颗粒速度,导致粉末颗粒数量沿喷嘴横截面呈类高斯分布,导致沉积在中心区域的颗粒数量大于边缘的[62,63]㊂Wu 等[64]指出,当喷枪移动速度较低或喷涂次数较多时,沉积体中心区域与边缘区域的厚度增长速度不一致,造成最终沉积体厚度不均匀,形成中间高两边低的 三角形 轮廓,如图9所示㊂4.3㊀专业人才缺口较大冷喷涂技术涵盖了多个学科的专业知识,若研究人员没有经过专业培养,对相关的知识与操作理解起来比较困难;其次,冷喷涂加工过程涉及的控制因素较多,比如喷涂距离㊁粉末粒度㊁喷嘴尺寸㊁气体参数等,它们对不同材料的涂层质量具有不同的影响,需要大量研究人员开展相关研究,以明确各种因素的影响及确定最佳喷涂参数,以此来指导解决工程实际问题㊂5㊀结㊀语自20世纪80年代中期冷喷涂技术被提出至今,对其工艺原理及结合机制等方面开展了大量的研究与讨论,为后续冷喷涂系统设备的开发研究提供了重要的理论依872㊀第4期王婉青等:冷喷涂技术发展历史㊁趋势与挑战图9㊀喷嘴处颗粒速度不同导致的沉积层厚度不一致[64]Fig.9㊀Inhomogeneous sprayed layer thickness caused by particle velocity difference of spray nozzle [64]据㊂目前冷喷涂技术已开始投入工业化生产,且其应用领域㊁设备生产规模逐渐扩大㊂但该技术面临着许多挑战,例如冷喷涂设备的工作性能提升面临极大的限制,最高工作温度及压力难以得到大幅提高㊂目前国内的冷喷涂设备在喷涂温度㊁喷涂压力和稳定性等方面,与国外相比存在一定的差距㊂为提高涂层质量,需要结合激光等其他辅助技术㊂与此同时,冷喷涂增材制造技术与其他的金属增材制造技术相比,尺寸精度较低,仍需大量研究提供理论支持㊂由于专业人才数量有限,冷喷涂技术发展受到了一定限制,亟需大量职业教育进行人才培养㊂参考文献㊀References[1]㊀ALKHIMOV A P,KOSAREV V F,PAPYRIN A N.Soviet PhysicsDoklady[J],1990,35:1047-1049.[2]㊀ALKHIMOV A P,PAPYRIN A N,KOSAREV V F,et al .Gas-Dynamic Spray Method for Applying A Coating:US5302414B1[P].1997-02-25.[3]㊀ASSADI H,KREYE H,GÄRTNER F,et al .Acta Materialia[J],2016,116:382-407.[4]㊀YIN S,CAVALIERE P,ALDWELL B,et al .Additive Manufacturing[J],2018,21:628-650.[5]㊀黄文,薛召露,刘侠,等.稀有金属[J],2021,45(7):836-847.HUANG W,XUE Z L,LIU X,et al .Chinese Journal of Rare Metals [J],2021,45(7):836-847.[6]㊀富伟,巫顺根,陈清宇,等.稀有金属[J],2021,45(6):673-679.FU W,WU S G,CHEN Q Y,et al .Chinese Journal of Rare Metals [J],2021,45(6):673-679.[7]㊀熊天英,王吉强.金属学报[J],2023,59(4):537-546.XIONG T Y,WANG J Q.Acta Metallurgica Sinica[J],2023,59(4):537-546.[8]㊀MCCUNE R C,PAPYRIN A N,HALL J N,et al .An Exploration ofthe Cold Gas-Dynamic Spray Method for Several Materials Systems [C]//Proceedings of 1995National Thermal Spray Conference.Hous-ton:ASM International,1995.[9]㊀宋凯强,丛大龙,何庆兵,等.装备环境工程[J],2019,16(8):65-69.SONG K Q,CONG D L,HE Q B,et al .Equipment EnvironmentalEngineering[J],2019,16(8):65-69.[10]李旭,王强,牛文娟,等.稀有金属[J],2020,44(11):1153-1162.LI X,WANG Q,NIU W J,et al .Chinese Journal of Rare Metals[J],2020,44(11):1153-1162.[11]陈枭,白小波,纪岗昌,等.稀有金属[J],2018,42(12):1332-1338.CHEN X,BAI X B,JI G C,et al .Chinese Journal of Rare Metals[J],2018,42(12):1332-1338.[12]GILMORE D L,DYKHUIZEN R C,NEISER R A,et al .Journal ofThermal Spray Technology[J],1999,8(4):576-582.[13]STOLTENHOFF T,KREYE H,RICHTER H J.Journal of ThermalSpray Technology[J],2002,11(4):542-550.[14]ASSADI H,GÄRTNER F,STOLTENHOFF T,et al .Acta Materialia[J],2003,51(15):4379-4394.[15]SCHMIDT T,GÄRTNER F,ASSADI H,et al .Acta Materialia[J],2006,54(3):729-742.[16]RICHTER P,HÖLL H.Proceedings of ITSC 2006[C].Seattle:ASMThermal Spray Society,2006:1447-1450.[17]KREYE H,SCHMIDT T,GÄRTNER F,et al .Proceedings of ITSC2006[C].Seattle:ASM Thermal Spray Society,2006:83-88.[18]LI W Y,LIAO H L,LI C J,et al .Applied Surface Science[J],2007,253(11):5084-5091.[19]FUKUMOTO M,WADA H,TANABE K,et al .Journal of ThermalSpray Technology[J],2007,16(5-6):643-650.[20]OGAWA K,ITO K,ICHIMURA K,et al .Journal of Thermal SprayTechnology[J],2008,17(5-6):728-735.[21]TOKAREV A O.Metal Science and Heat Treatment [J],1996,38(3):136-139.[22]MCCUNE R C,DONLON W T,CARTWRIGHT E L,et al .Proceed-ings of ITSC 1996[C].Ohio:ASM Thermal Spray Society,1996:397-403.[23]DYKHUIZEN R C,SMITH M F,GILMORE D L,et al .Journal ofThermal Spray Technology[J],1999,8(4):559-564.[24]KARTHIKEYAN J,KAY C M,LINDEMAN J,et al .Proceedings ofITSC 2000[C].Quebec,Canada:ASM Thermal Spray Society,2000:255-262.[25]MCCUNE R C,COOPER R P,POPOOLA O O.Proceedings of ITSC972。
冷喷涂技术在材料制备领域的研究进展
㊀第43卷㊀第4期2024年4月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.43㊀No.4Apr.2024收稿日期:2023-07-11㊀㊀修回日期:2024-03-11基金项目:国家自然科学基金资助项目(52271078)第一作者:彭云辉,男,1999年生,硕士研究生通讯作者:王吉强,男,1988年生,研究员,博士生导师,Email:jqwang11s@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202307005冷喷涂技术在材料制备领域的研究进展彭云辉,崔新宇,熊天英,王吉强(中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心,辽宁沈阳110000)摘㊀要:随着各行业对零部件的精细化程度要求越来越高,传统的锻造和铸造等成型技术已不能满足生活生产的需求,冷喷涂作为一种新兴的增材制造技术,因其沉积过程中无相变㊁无氧化且沉积效率高等特点而受到广泛关注㊂首先阐述了冷喷涂技术的基本原理及在材料制造方面的优势;随后,综述了冷喷涂在金属㊁金属基复合材料及层状复合板材制备领域的国内外进展;最后总结了目前冷喷涂技术所面临的问题及亟需突破的壁垒,并针对现存问题提出了新的研究目标和发展方向㊂关键词:增材制造;冷喷涂;金属材料;复合材料中图分类号:TH16㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2024)04-0290-10引用格式:彭云辉,崔新宇,熊天英,等.冷喷涂技术在材料制备领域的研究进展[J].中国材料进展,2024,43(4):290-299.PENG Y H,CUI X Y,XIONG T Y,et al .Research Status of Cold Spray Technology in the Field of Materials Preparation[J].MaterialsChina,2024,43(4):290-299.Research Status of Cold Spray Technology in the Field of Materials PreparationPENG Yunhui,CUI Xinyu,XIONG Tianying,WANG Jiqiang(Shi-Changxu Innovation Center for Advanced Materials,Institute of Metal Research,Chinese Academyof Sciences,Shenyang 110000,China)Abstract :Facing the increasingly high requirements for the refinement degree of parts in all walks of life,the traditionalforging,casting and other forming technologies can no longer meet the needs of life and production.As an emerging additive manufacturing technology,cold spray has attracted widespread attentions because of its unique characteristics of no phase change,no oxidation and high deposition efficiency in the material preparation process.In this paper,the basic principle of cold spray technology and its advantages in materials manufacturing are described.Then the research progress of cold spray on the preparation of metals,metal matrix composites and laminated composites at home and abroad is reviewed.In the end,the current problems and barriers that need to be broken through faced by cold spray technology are summarized,and in view of the existing problems,new research objectives and development directions are proposed.Key words :additive manufacturing;cold spray;metallic material;composite1㊀前㊀言随着科技的迅速发展,各行各业对零部件的精细化程度要求越来越高,传统的锻造成型技术已不能够满足生活生产的需求,高性能复杂结构零件的制备和修复成为了亟待解决的难题㊂增材制造(additive manufacturing,AM),也被称为3D 打印技术,是一种融合了数控和材料工程的制备技术,为上述问题提供了一种解决思路㊂目前,应用较为广泛的增材制造技术主要包括激光熔覆[1-3]㊁电弧焊[4-6]㊁热喷涂成型[7]等,这些技术在构件的修复和制造领域取得了较大的进展㊂然而,上述手段是通过高的热输入将原料熔化后凝固成型,在修复和制备材料的过程中容易在界面处或沉积层中产生热缺陷,影响构件质量,在温度敏感材料(Fe㊁Ni 等)㊁相变敏感材料(多元合金)以及氧化敏感材料(Cu㊁Al㊁Mg 及其合金等)的修复和制备领域存在诸多限制㊂冷喷涂技术㊀第4期彭云辉等:冷喷涂技术在材料制备领域的研究进展(cold spray,CS)又称冷气动力喷涂技术,是一种新兴的增材制造和涂层制备技术,最初是由前苏联新西伯利亚理论与应用力学研究所的科研人员在20世纪80年代中期的一次风洞实验中发现[8]㊂冷喷涂通过高速加热气体带动金属粉末颗粒加速至300~1200m/s,撞击基板或沉积层,在碰撞过程中粉末颗粒发生严重的塑性变形,与基体或沉积层产生结合而实现材料的沉积[9,10]㊂与激光熔覆㊁电弧焊和热喷涂工艺相比,冷喷涂在修复和材料制备过程中粉末原料不会发生熔化㊁相变和氧化等过程,被广泛应用于包括航空航天㊁汽车㊁运输㊁石化㊁矿物和金属加工㊁医用材料㊁电子㊁船舶㊁陶瓷和玻璃制造等在内的诸多领域㊂2㊀冷喷涂在材料制备领域的优势冷喷涂作为一种固态沉积技术,与其它增材制造技术相比最大的区别是,冷喷涂过程中材料沉积主要依赖于粉末颗粒足够大的冲击能,使粉末颗粒发生塑性变形,在远低于材料熔点的条件下实现固体颗粒的相互结合[11-14]㊂这一特点为冷喷涂带来了许多独一无二的优势㊂2.1㊀相可控沉积一般来讲,材料的性能由其化学组成和内部组织结构所决定㊂对于金属材料而言,不同的热历史虽然不会改变其化学成分,但其内部的微观结构和相组成将发生转变[15],造成其性能上的差异㊂以NiAl合金为例,在采用激光熔覆㊁焊接和传统热喷涂技术进行加工时,由于热输入量大,制备过程中NiAl合金粉末会发生各种形式的相变,在材料中形成Ni㊁γ-Ni㊁β-NiAl㊁NiAl3㊁Ni2Al3㊁Ni3Al以及Al等[16-19],导致材料性能无法均匀一致㊂由于具有相对较低的喷涂温度,冷喷涂在制备NiAl合金时基本不会产生新相[20]㊂大量的研究结果表明,冷喷涂基本能够保持沉积层成分和组织与原料粉末一致[21-23],通过控制粉末的相结构能有效调控沉积层的组织结构㊂Sabard等[24]通过对7075Al粉末进行喷涂前热处理,以获得不同相组成的7075Al沉积层,避免了高温热处理对修复部件的影响㊂2.2㊀沉积层致密度高材料性能和寿命的一个重要影响因素是其内部缺陷的数量和大小㊂材料中存在的孔洞和微裂纹将会导致其抗腐蚀性能降低,同时,在外力的作用下,孔洞和微裂纹等缺陷往往会造成其周围区域的应力集中,引起裂纹或缺陷的扩展,造成材料的屈服或断裂㊂对于传统的热喷涂技术,当喷涂温度较低时,粒子变形不充分,变形颗粒之间易产生不完全重叠,导致孔隙和微裂纹的形成;而当温度较高时,冷却过程会伴随大量气体的析出,当气体来不及逸出时,容易在沉积层中形成气孔㊂据统计,电弧喷涂(arc spraying,AS)涂层的孔隙率在10%左右,等离子喷涂涂层的孔隙率约为2%~6%,超音速火焰(high-velocity oxygen-fuel,HVOF)喷涂涂层的孔隙率较低,在保护气氛下喷涂得到的沉积层孔隙率约为1%左右[25,26]㊂相比之下,冷喷涂作为一种固态工艺过程,高速粒子在碰撞过程中充分变形,有利于减少粒子间的不完全重叠,大大降低沉积层的孔隙率㊂同时,后续颗粒对已沉积的粒子具有夯实作用,使颗粒之间互相压密挤紧,增加涂层的致密度㊂图1展示对比了冷喷涂和其它工艺制备的沉积层的孔隙率㊂此外,通过一些后处理工艺,例如热处理[27]㊁轧制[28,29]等,可以进一步图1㊀不同工艺制备的Fe-9.6Si-5.4Al(a,b)和镍铝青铜(nickel-aluminum bronze,NAB)(c~f)沉积层形貌和孔隙率[26,30,31] Fig.1㊀Morphology and porosity of Fe-9.6Si-5.4Al(a,b)and NAB(c~e)sedimentary layer prepared by different processes[26,30,31]192中国材料进展第43卷消除冷喷涂沉积层中的微孔和裂纹,进一步提升沉积层的致密度㊂2.3㊀材料选择灵活冷喷涂由于其独特的沉积机理,在粉末原料和基体材料的选择上具有更高的灵活性,能够实现多种金属及金属基复合材料在金属㊁陶瓷和聚合物[32]等各类基体材料上的沉积,表1汇总了冷喷涂制备多种金属及金属基复合材料的例子㊂表1㊀采用冷喷涂技术在金属/非金属基体表面沉积的多种金属及金属基复合材料Table1㊀A variety of metals and metal matrix composite materialsdeposited on the surface of metal/non-metal matrix bycold sprayPowders Substrate ReferencesAl and its alloys AlA5052Q355B Yang et al.,2019[33] Al Cu Fu et al.,2018[34] Al Ni Lee et al.,2009[35] Al PEEK Liu et al.,2021[36] 7075Al7075Al Ren et al.,2021[37] 6061Al6061Al Aldwell et al.,2017[38] Al-Sn alloy6061AlCuSUS304Ning et al.,2008[39] A3806061Al Qiu et al.,2020[40] 7075Al/Al2O37B04Wang et al.,2019[41] AlSi10Mg PLA Viscusi et al.,2020[42] Cu Al Li et al.,2021[43]Cu and its alloys Cu Cu Wang et al.,2023[44] Cu Gärtner et al.,2006[45] AuminumbronzeMg-Lialloy Wan et al.,2022[46] NABMABNABMAB Hauer et al.,2021[30] Brass Steel Theimer et al.,2019[47] Cu PEEK Chen et al.,2018[48] Muntz E355steel Huang et al.,2019[49] NiMonel400Steel Koivuluoto et al.,2007[50]Ni and its alloys Ni-20Cr Steel Singh et al.,2015[51]Nb-Ni-Si In718Xu et al.,2021[52]Ni In718Cavaliere et al.,2016[53]In628,In7182024Al Devi et al.,2022[54]50Ni-50Ti Tria et al.,2009[55]续表Powders Substrate ReferencesMetalmatrixcompositesAl/B4C6061Al Zhao et al.,2023[56]Ta/Al Ceramic Al2O3Liu et al.,2023[57]Al-Ni/Al2O3Steel Winnicki et al.,2020[58]7075Al/SiC7075Al/B4C6061Al Meydanoglu et al.,2013[59]Ni/cBN42CrMn Zhang et al.,2023[60]Ni/In718Steel Kazasidis et al.,2020[61]Al5056/In718Al99.5Yu et al.,2019[62]Cu/Al2O3Al2017Triantou et al.,2015[63]Cu/PEEK CFRP Melentiev et al.,2021[64]Cu/diamond316L Wang et al.,2018[65]Bronze/dia-mond6061Al Shin et al.,2008[66]316L/Nickel-coated SiC AZ80Chen et al.,2017[67]316L/Fe Stell Chu et al.,2018[68]Ti/Ta Ti Tang et al.,2022[69]Ti/BAG316L SS Kumar et al.,2017[70]Ti64/CoCr Ti64Tan et al.,2020[71]Ti/Ti641020CR steel Aydin et al.,2017[72]Ti/WC Ti6Al4V Ge et al.,2019[73]3㊀冷喷涂在材料制备领域的研究现状3.1㊀金属材料的制备冷喷涂技术能够在远低于金属材料熔点的温度下实现粉末颗粒的沉积,特别适合于Cu㊁Al和Mg等易变形金属及其合金材料的制备㊂日本等离子技研有限公司Huang等[74]以N2作为喷涂气体,在气体温度800ħ㊁气体压力3MPa条件下,采用冷喷涂在Al合金表面制备出超过5mm厚的Cu沉积层,并测定了不同热处理条件下Cu沉积层的力学性能,如图2所示㊂喷涂态Cu涂层的抗拉强度在300MPa左右,具有比块体材料更高的极限抗拉强度,但延伸率低于0.5%㊂热处理后Cu沉积层的延展性得到改善,但抗拉强度有所降低㊂其中,经400~500ħ热处理后Cu沉积层的延展性甚至超过了块体Cu,同时极限抗拉强度仍保持在250MPa左右,与块体Cu相比仍处于领先水平㊂上海大学Chen等[75]在气体温度800ħ㊁气体压力2MPa条件下,改用He作为喷涂气体,在不锈钢基材上制备出了150mmˑ100mmˑ50mm的块状Cu沉积物㊂该喷涂态Cu块体材料的抗拉强度达到271MPa,断裂伸长率为43.5%,均匀伸长率为30%,292㊀第4期彭云辉等:冷喷涂技术在材料制备领域的研究进展图2㊀热处理前后冷喷涂Cu 沉积层的拉伸应力-应变曲线[74]Fig.2㊀Tensile stress-strain curves of cold sprayed Cu layer before andafter heat treatment [74]兼具优异的强度和塑性㊂研究表明,在更高的粒子冲击速度下,Cu 颗粒在变形沉积过程中形成了图3a ~3c 所示的由内而外晶粒尺寸逐渐减小的梯度纳米晶结构(gradi-ent nano-grains,GNG)㊂在连续的冷喷涂沉积过程中,多个Cu 颗粒堆积形成具有双峰式粒度分布和无限循环环状孪晶分布2个特点的非均质微结构(图3d 和3e)㊂超细晶粒的存在保证了冷喷涂Cu 的高强度,而粗晶粒和孪晶的形成保留了Cu 的延展性㊂上述研究表明,冷喷涂技术可以在不进行任何后处理的情况下实现材料强度和延展性的平衡,在金属材料制造领域展示出巨大潜力㊂Ti 及Ti 合金㊁Ni 基合金和Fe 基合金等金属材料由于具有优异的综合性能,在各行各业都有着广泛的应用㊂但由于其高熔点和易氧化的特性,传统的冶炼制备难度大,生产成本高㊂冷喷涂在Ti 及Ti 合金和Ni 基合金等金属材料的制备领域同样具有显著优势[76,77]㊂然而,由于高强度合金材料塑性变形能力较差,即使在高温高压条件下制备的块体材料性能仍不理想[78,79],研究人员结合其他手段来改善沉积层质量[80]㊂西安交通大学Luo 等[81]通过在原料粉末中混入不同比例的球形1Cr13不锈钢喷丸(shot-peening,SP)颗粒成功制备出了致密的Ti 和TC4沉积层㊂随着不锈钢粉末在原料粉末中含量的增加,喷涂过程中产生的 原位夯实作用 越显著(图4[82]),当SP 颗粒含量增加到70%时,Ti 和TC4涂层的孔隙率分别由13.7%和15.3%下降至0.3%和0.7%㊂此外,Luo 等[83]图3㊀冷喷涂Cu 块体截面电子背散射衍射(electron backscatter diffraction,EBSD)组织分析结果(IPF)(a~d)㊁晶粒尺寸分布(e)及拉伸曲线(f);不同工艺制备的块体Cu 力学性能对比(g)[75]Fig.3㊀Cross-sectional EBSD microstructure analysis results (IPF)(a~d),grain size distribution (e),and tensile curve (f)of cold sprayed Cubulk;comparison of mechanical properties of Cu bulks prepared by different processes (g)[75]392中国材料进展第43卷还探究了 原位夯实 强化辅助冷喷涂对沉积层力学性能的影响,通过在In718合金粉末中混入一定比例的马氏体410不锈钢粉末,沉积层的抗拉强度由原本的96MPa提升至464MPa㊂Lett 等[84]在气雾化Ti-6Al-4V 粉末颗粒中掺杂大颗粒等离子雾化Ti-6Al-4V 作为SP 颗粒,在不锈钢表面成功制备了没有分层且结构完整的超厚(>5cm)Ti-6Al-4V 沉积层(图5)㊂研究表明,通过SP 颗粒引入的 原位夯实 作用在沉积层中产生更大的残余压应力,这有助于涂层厚度的增加,为冷喷涂制备超厚块体材料提供了一种新思路㊂图4㊀ 原位夯实 强化辅助冷喷涂的原理示意图[82]Fig.4㊀Schematic diagram of in-situ shot peening enhancing cold spray[82]图5㊀ 原位夯实 强化辅助冷喷涂技术制备的超厚Ti-6Al-4V 沉积物[84]Fig.5㊀Ultra-thick Ti-6Al-4V deposits prepared by in-situ shot pee-ning enhanced cold spray [84]㊀㊀采用激光辅助冷喷涂,在喷涂过程中激光能够对喷涂颗粒和基材两者同时进行加热软化处理,改善颗粒的碰撞沉积状态,实现高强度金属材料的有效沉积[85],其原理如图6[86]所示㊂剑桥大学Bray 等[86]采用激光辅助冷喷涂工艺成功制备出了高致密度(孔隙率<1%)㊁超低O 含量(0.6%,质量分数)的Ti 沉积层,并采用计算流体动力学模型计算出激光辅助冷喷涂条件下Ti 颗粒发生有效沉积的临界沉积速度大概为400m /s,大约是冷喷涂制备Ti 沉积层所需粒子速度的一半㊂美国阿拉巴马大学Barton 等[87]采用激光辅助冷喷涂沉积AISI 4340不锈钢时,在相同的喷涂参数下颗粒的沉积效率提升近50%㊂Gorunov 等[88]采用激光辅助冷喷涂技术在316L 不锈钢基体上制备出致密的316L 不锈钢沉积层,沉积层与基体结图6㊀激光辅助冷喷涂技术的原理示意图[86]Fig.6㊀Schematic diagram of laser assisting cold spraying [86]合强度高达105MPa,抗拉强度达到650MPa㊂Jones等[89]采用激光辅助冷喷涂在Mo 表面成功制备出致密W 涂层,图7显示了W 沉积层的微观组织结构,沉积层抗拉强度高达724MPa,与锻造W 相当㊂中国科学院金属研究所Wang 等[90]研究了激光功率对于冷喷涂沉积层的影响,并采用激光辅助冷喷涂制备出了性能优异的7075Al 沉积层㊂在2.2kW 的激光功率下,7075Al 沉积层孔隙率低于0.2%,极限抗拉强度和断裂伸长率为376MPa 和5.4%,与冷喷涂制备的沉积层相比分别提高了约46%和35%㊂冷喷涂结合后处理工艺也被看作是提高冷喷涂沉积层质量的一种有效手段㊂新加坡南洋理工大学Khun 等[91]将冷喷涂技术与热处理工艺相结合,对冷喷涂制备492㊀第4期彭云辉等:冷喷涂技术在材料制备领域的研究进展图7㊀激光辅助冷喷涂制备的W 沉积层微观组织[89]Fig.7㊀Microstructure of W deposited layer prepared by laser assistedcold spraying [89]的TC4涂层进行退火处理,有效改善了颗粒/颗粒和颗粒/基体间的界面结合㊂西安交通大学Zhou 等[92]对冷喷涂制备的TC4涂层分别在600,800和1000ħ下进行退火处理,热处理后也观察到了颗粒/颗粒以及沉积层和基体之间的间隙消失,沉积层与基体的结合强度由原本的30MPa 左右提升到50MPa 以上,沉积层的抗拉强度由原本的38MPa 提升至316.5MPa(如图8所示)㊂除热处理外,还有大量报道表明,冷喷涂与其他后处理工艺(轧制[28,93]㊁搅拌摩擦处理[94,95]㊁电脉冲处理[42]等)相结合也能够实现性能优异的高强度金属材料的制备㊂3.2㊀颗粒增强金属基复合材料的制备金属基复合材料是以第二相为增强相,以金属或合金为基体材料制备而成的,兼具优异的力学性能和功能性的新型复合材料,被广泛地用于航空航天和军事领域㊂然而,传统的金属基复合材料制备工艺[96],如粉末冶金㊁搅拌铸造㊁喷射沉积等,工艺复杂,成本高,而且在制备过程中容易发生有害的界面反应和增强颗粒的偏聚等问题㊂冷喷涂作为一种固态沉积技术,具有喷涂温度低和颗粒沉积速度高的特点,在金属基复合材料制备领域展现出了良好的应用前景㊂中国科学院金属研究所Zhao 等[97]采用冷喷涂技术在6061Al 合金基体表面成功制备了B 4C 颗粒均匀分布的Al /B 4C 复合涂层(图9),并可通过调节Al 颗粒和B 4C 颗粒的尺寸控制涂层中B 4C 的含量㊂Zhao 等[56]进一步研究了Al /B 4C 复合涂层的耐磨性能,结果显示,相比于纯Al涂层,Al /B 4C 复合涂层动摩擦系数更小也更稳定,具有比纯Al 涂层更优异的耐磨损性能㊂Zhang 等[98]采用冷喷涂将CNT-Al 金属基复合粉末沉积在AZ91镁合金表面,涂层的化学组成与粉末相比无任何变化,粉末中的CNT 图8㊀不同温度退火处理前后的冷喷涂TC4沉积层微观形貌以及力学性能[92]Fig.8㊀Microstructure and mechanical properties of cold sprayed TC4deposited layer before and after annealing at different temperatures [92]592中国材料进展第43卷图9㊀冷喷涂的Al /B 4C 涂层截面微观形貌[97]Fig.9㊀Cross-sectional microstructure of cold sprayed Al /B 4C coating [97]以及Al 4C 3相在所得涂层中得到很好的保留㊂涂层的显微硬度和弹性模量分别为1.66GPa 和77.6GPa,比纯Al 涂层分别提高了112.8%和11.7%㊂同时,由于CNT 的自润滑和增强作用,CNT-Al 涂层具有优异的耐磨性和耐蚀性㊂Yang 等[99]采用冷喷涂在Cu 基体表面制备出3mm 厚的Cu /Ti 3SiC 2涂层,通过调节粉末颗粒中Ti 3SiC 2的含量可以调控涂层中Ti 3SiC 2的含量㊂图10显示了不同比例的Cu 和Ti 3SiC 2原料粉末制备得到的沉积层中Ti 3SiC 2颗粒的含量和分布㊂800ħ退火2h 后,可获得兼具优异力学性能(UTS ~304MPa)和导电性能(45.4%IACS)的Cu-20Ti 3SiC 2复合材料㊂图10㊀冷喷涂Cu-x Ti 3SiC 2(x =10%,20%,30%,40%)金属基复合材料的三维形貌(a~d)和Ti 3SiC 2颗粒的相应空间分布(e~h)[99]Fig.10㊀Three-dimensional morphology of cold sprayed Cu-x Ti 3SiC 2(x =10%,20%,30%,40%)(a~d)and corresponding spatial distribution ofTi 3SiC 2particles (e~h)[99]3.3㊀层状复合板材的制备除金属基复合材料外,冷喷涂还可以用于层状复合材料的制备㊂中国科学院金属研究所Ren 等[100]开发了一种基于冷喷涂技术的复合板材制备工艺(如图11所示)㊂采用 冷喷涂+轧制 工艺制备出了性能优异的Mg /Al 复合板,复合板极限抗拉强度为(366ʃ14)MPa,界面处剪图11㊀ 冷喷涂+轧制 制备复合板工艺示意图[100]Fig.11㊀Process schematic diagram of cold spraying +rolling preparing composite plate [100]692㊀第4期彭云辉等:冷喷涂技术在材料制备领域的研究进展切强度高达(124ʃ4.6)MPa㊂与传统制备工艺(如爆炸复合法㊁轧制复合法等)相比,该方法制备的Mg /Al 复合板的综合力学性能处于领先地位㊂Zhao 等[28]采用 冷喷涂+轧制 工艺制备出性能优异的Ti /钢复板,抗拉强度达590MPa,屈服强度达446MPa,但塑性较差㊂550ħ退火3h 后,复合板内部发生回复和再结晶,界面处的应力得到消除,复合板的延伸率由原本的12%提升至18%,抗拉强度仍保持在564MPa 左右㊂大连理工大学孟宪明[101]同样采用 冷喷涂+轧制 工艺制备出304不锈钢/IF 钢复合钢板,研究了轧制温度㊁304不锈钢和IF 钢厚度比以及轧制变形量对复合钢板质量的影响㊂当轧制温度为1200ħ㊁不锈钢涂层和IF 钢基体厚度比为1ʒ25㊁轧制变形量为80%时,得到了表面状态和板型良好的复合钢板㊂4㊀结㊀语冷喷涂作为一种新型的固态沉积技术,已成功应用于多种金属/非金属及复合材料的制备和修复,尤其是在制备易变形金属材料方面已实现强度和塑性俱佳的沉积层的制备㊂随着现代工业朝着 高㊁精㊁尖 方向的不断发展,冷喷涂有望成为材料制备主要手段之一㊂目前,冷喷涂技术还有许多值得进一步开发的方面:①高质量冷喷涂沉积层的制备往往需要He 作为喷涂气体,制备成本高,需要进一步开发压缩空气作为载气的冷喷涂制备工艺;②冷喷涂粉末原料成本高,如何降低喷涂粉末成本也是冷喷涂亟需解决的问题;③冷喷涂工艺稳定性相对较差,在喷涂过程中参数的变化容易导致沉积层中局部缺陷的产生,需要进一步提升工艺稳定性;④单一的冷喷涂技术无法满足所有构件的制备/修复需求,需要进一步开发冷喷涂与其它多种技术的联合制备工艺㊂参考文献㊀References[1]㊀FRAZIER W E.Journal of Materials Engineering and Performance[J],2014,23(6):1917-1928.[2]㊀LIU Y T,YE Z G,WANG X,et al .Materials Science &Engineer-ing:A[J],2021,826:142006.[3]㊀MURRAY T,THOMAS S,WU Y X,et al .Additive Manufacturing[J],2020,33:101122.[4]㊀谭振,汪殿龙,梁志敏,等.热加工工艺[J],2024,53(17):1-8.TAN Z,WANG D L,LIANG Z M,et al .Hot Working Technology [J],2024,53(17):1-8.[5]㊀DING D H,PAN Z X,VAN DUIN S,et al .Materials[J],2016,9(8):652.[6]㊀KÜÇÜKÖMERO LU T,ENTÜRK E,KARA L,et al .Journal ofMaterials Engineering and Performance[J],2016,25(1):320-326.[7]㊀PARK K S,KIM S.Journal of the Electrochemical Society[J],2011,158(10):C335-C340.[8]㊀VILLAFUERTE J.Modern Cold Spray:Materials,Process,and Ap-plications[M].Switzerland:Springer International Publishing,2015.[9]㊀YIN S,CAVALIERE P,ALDWELL B,et al .Additive Manufactur-ing[J],2018,21:628-650.[10]ASSADI H,ASSADI H,GÄRTNER F,et al .Acta Materialia[J],2016,116:382-407.[11]LI W Y,ZHANG D D,HUANG C J,et al .Surface Engineering[J],2014,30(5):299-308.[12]LI W Y,LI C J,LIAO H L.Applied Surface Science[J],2010,256(16):4953-4958.[13]LI C J,SUN B.Materials Science &Engineering:A [J],2004,379:92-101.[14]邱翔.冷喷涂增材制造A380铝合金性能研究[D].合肥:中国科学技术大学,2020.QIU X.Study on the Properties of Cold Spray Additively ManufacturedA380Aluminum Alloys[D].Hefei:University of Science and Technol-ogy of China,2020.[15]ANANTAPONG J,UTHAISANGSUK V,SURANUNTCHAI S,et al .Materials and Design[J],2014,60:233-243.[16]程广萍,韩众亚,高国璨,等.材料热处理学报[J],2014,35(11):155-160.CHENG G P,HAN Y Z,GAO G C,et al .Transactions of Materialsand Heat Treatment[J],2014,35(11):155-160.[17]程广萍,何宜柱.材料工程[J],2010(3):29-33.CHENG G P,HE Y Z.Journal of Materials Engineering[J],2010(3):29-33.[18]JAVADI M M,EDRIS H,SALEHI M.Journal of Materials Science &Technology[J],2011,27(9):816-820.[19]ALMEIDA V B,TAKANO E H,MAZZARO I,et al .Surface Engi-neering[J],2011,27(4):266-271.[20]谢瑞广,李长久,崔红.表面技术[J],2016,45(10):1-6.XIE R G,LI C J,CUI H.Surface Technology[J],2016,45(10):1-6.[21]DA SILVA F S,CINCA N,DOSTA S,et al .Surface and Coatings Technology[J],2019,361:292-301.[22]COUTO M,DOSTA S,GUILEMANY J M.Surface and CoatingsTechnology[J],2015,268:180-189.[23]TARIQ N H,GYANSAH L,WANG J Q,et al .Surface and CoatingsTechnology[J],2018,339:224-236.[24]SABARD A,MCNUTT P,BEGG H,et al .Surface and CoatingsTechnology[J],2020,385:125367.[25]陈琳,张三平,周学杰.四川化工[J],2004,7(1):43-45.CHEN L,ZHANG S P,ZHOU X J.Sichuan Chemical Industry[J],2004,7(1):43-45.[26]XIE X L,CHEN C Y,XIE Y C,et al .Surface and Coatings Tech-nology[J],2019,371:224-234.[27]QIU X,WANG J Q,TARIQ N U H,et al .Journal of Thermal SprayTechnology[J],2017,26:1898-1907.792中国材料进展第43卷[28]ZHAO Z P,TARIQ N U H,TANG J R,et al.Materials and Design[J],2020,185:108249.[29]任宇鹏. 冷喷涂+轧制 制备镁/铝复合板工艺及性能研究[D].合肥:中国科学技术大学,2023.REN Y P.Study on Process of Cold Spraying+Rolling for Mg/Al Composite Plates and Properties[D].Hefei:University of Science and Technology of China,2023.[30]HAUER M,GARTNER F,KREBS S,et al.Journal of ThermalSpray Technology[J],2021,30:1310-1328.[31]FENG X R,CUI X F,ZHENG W,et al.Journal of Materials Pro-cessing Technology[J],2019,266:544-550.[32]张志杰,苏聪聪,邵照峰,等.中国材料进展[J],2024,43(2):102-114.ZHANG Z J,SU C C,SHAO Z F,et al.Materials China[J],2024, 43(2):102-114.[33]YANG J F,YANG J L,XIE J,et al.Surface and Coatings Technolo-gy[J],2019,378:125000.[34]FU S L,LI C X,LUO X T,et al.Journal of Thermal Spray Technol-ogy[J],2018,27:624-640.[35]LEE H,LEE S,SHIN H,et al.Journal of Alloys and Compounds[J],2009,478(1-2):636-641.[36]LIU H H,TARIQ N U H,REN Y P,et al.Applied Surface Science[J],2022,601:154234.[37]REN Y P,TARIQ N U H,LIU H H,et al.Materials and Design[J],2021,212:110271.[38]ALDWELL B,KELLY E,WALL R,et al.Journal of Thermal SprayTechnology[J],2017,26:1573-1584.[39]NING X J,JANG J H,KIM H J,et al.Surface and Coatings Tech-nology[J],2008,202(9):1681-1687.[40]QIU X,TARIQ N U H,QI L,et al.Journal of Materials Science&Technology[J],2020,44:9-18.[41]王强,李楠,周留成,等.稀有金属材料与工程[J],2023,52(4):1403-1409.WANG Q,LI N,ZHOU L C,et al.Rare Metal Materials and Engi-neering[J],2023,52(4):1403-1409.[42]VISCUSI A,ANTONUCCI V,CARRINO L,et posite Struc-tures[J],2020,250:112637.[43]LI W Y,WU D,HU K W,et al.Surface and Coatings Technology[J],2021,409:126887.[44]WANG M Y,CHANG D X,YU B Y,et al.Advanced EngineeringMaterials[J],2023,25(2):2200955.[45]GÄRTNER F,STOLTENHOFF T,VOYER J,et al.Surface andCoatings Technology[J],2006,200(24):6770-6782. [46]WAN S M,CUI X F,JIN Q W,et al.Materials Chemistry and Phys-ics[J],2022,281:125832.[47]THEIMER S,GRAUNITZ M,SCHULZE M,et al.Journal of Ther-mal Spray Technology[J],2019,28:124-134.[48]CHEN C Y,XIE X L,XIE Y C,et al.Surface and Coatings Tech-nology[J],2018,342:209-219.[49]HUANG C J,YANG K,LI N,et al.Surface and Coatings Technolo-gy[J],2019,371:172-184.[50]KOIVULUOTO H,LAGERBOM J,VUORISTO P,et al.Journal ofThermal Spray Technology[J],2007,16(4):488-497. [51]SINGH H,BALA N,KAUR N,et al.Surface and Coatings Technol-ogy[J],2015,280:50-63.[52]XU Y X,JI B J,LI W Y.Journal of Thermal Spray Technology[J],2021,30:907-917.[53]CAVALIERE P,PERRONE A,SILVELLO A.Journal of ThermalSpray Technology[J],2016,25(6):1158-1167. [54]NEELIMA DEVI G,KUMAR S,SHARANYA BALAJI T,et al.Sur-face and Coatings Technology[J],2022,445:128731. [55]TRIA S,ELKEDIM O,LI W Y,et al.Journal of Alloys and Com-pounds[J],2009,483(1-2):334-336.[56]ZHAO L J,ZHOU D,XIE G W,et al.Materials Today Communica-tions[J],2023,34:105257.[57]LIU H H,ZHAO H R,REN Y P,et al.Radiation Physics andChemistry[J],2023,207:110813.[58]WINNICKI M,JASIORSKI M,BASZCZUK A,et al.Coatings[J],2020,10(6):518.[59]MEYDANOGLU O,JODOIN B,SABRI KAYALI E,et al.Surfaceand Coatings Technology[J],2013,235:108-116. [60]ZHANG Z C,LIU Z Q,CAI Y K,et al.Journal of Thermal SprayTechnology[J],2023,32:1554-1569.[61]KAZASIDIS M,YIN S,CASSIDY J,et al.Surface and CoatingsTechnology[J],2020,382:125195.[62]YU M,DING M Y,MA H,et al.Journal of Thermal Spray Technol-ogy[J],2019,28:460-471.[63]TRIANTOU K I,PANTELIS D I,GUIPONT V,et al.Wear[J],2015,336-337:96-107.[64]MELENTIEV R,YU N,LUBINEAU G,et al.Additive Manufactur-ing[J],2021,48:102459.[65]WANG Z,CHEN X Y,GONG Y F,et al.Surface Engineering[J],2018,34(5):392-398.[66]SHIN S,XIONG Y M,JI Y,et al.Applied Surface Science[J],2008,254(8):2269-2275.[67]CHEN J,MA B,LIU G,et al.Journal of Thermal Spray Technology[J],2017,26:1381-1392.[68]CHU X,CHAKRABARTY R,CHE H Q,et al.Surface and CoatingsTechnology[J],2018,337:53-62.[69]TANG J R,TARIQ N U H,ZHAO Z P,et al.Acta Metallurgica Sin-ica(English Letters)[J],2022,35:1465-1476. [70]KUMAR A,GOYAL D K,KANT R,et al.Coatings[J],2022,12(7):1010.[71]WEI-YEE TAN A,LEK J Y,SUN W,et posites Part B:En-gineering[J],2020,202:108280.[72]AYDIN H,ALOMAIR M,WONG W,et al.Journal of Thermal SprayTechnology[J],2017,26:360-370.[73]葛洁洁,徐雅欣,李文亚.中国材料进展[J],2024,43(2):96-101.GE J J,XU Y X,LI W Y.Materials China[J],2024,43(2):96-892㊀第4期彭云辉等:冷喷涂技术在材料制备领域的研究进展101.[74]HUANG R Z,SONE M,MA W H,et al.Surface and Coatings Tech-nology[J],2015,261:278-288.[75]CHEN C Y,XIE Y C,YIN S,et al.Journal of Materials Science&Technology[J],2023,134:234-243.[76]LI W Y,CAO C C,YIN S.Progress in Materials Science[J],2020,110:100633.[77]李文亚,张正茂,徐雅欣,等.金属学报[J],2022,58(1):1-16.LI W Y,ZHANG Z M,XU Y X,et al.Acta Metallurgica Sinica[J], 2022,58(1):1-16.[78]SOVA A,GRIGORIEV S,OKUNKOVA A,et al.Surface and Coat-ings Technology[J],2013,235:283-289.[79]KHUN N W,TAN A W Y,BI K J W,et al.Surface and CoatingsTechnology[J],2016,302:1-12.[80]崔烺,刘光,冯胜强,等.稀有金属材料与工程[J],2023,52(1):351-373.CUI L,LIU G,FENG S Q,et al.Rare Metal Materials and Engineer-ing[J],2023,52(1):351-373.[81]LUO X T,WEI Y K,WANG Y,et al.Materials and Design[J],2015,85:527-533.[82]LIU H H,TARIQ N U H,REN Y P,et al.Surface and CoatingsTechnology[J],2022,446:128752.[83]LUO X T,YAO M L,MA N S,et al.Materials and Design[J],2018,155:384-395.[84]LETT S,QUET A,HÉMERY S,et al.Journal of Thermal SprayTechnology[J],2023,32:1018-1032.[85]李波,胡耀峰,田凯,等.中国材料进展[J],2024,43(2):115-123.LI B,HU Y F,TIAN K,et al.Materials China[J],2024,43(2): 115-123.[86]BRAY M,COCKBURN A,OᶄNEILL W,et al.Surface and CoatingsTechnology[J],2009,203(19):2851-2857.[87]BARTON D J,BHATTIPROLU V S,THOMPSON G B,et al.Sur-face and Coatings Technology[J],2020,400:126218. [88]GORUNOV A I,GILMUTDINOV A K.Optics&Laser Technology[J],2017,88:157-165.[89]JONES M,COCKBURN A,LUPOI R,et al.Materials Letters[J],2014,134:295-297.[90]WANG K,ZHAO L J,MAO T L,et al.Materials Science&Engi-neering:A[J],2023,879:145224.[91]KHUN N W,TAN A W Y,SUN W,et al.Tribology Transactions[J],2017,60(6):1033-1042.[92]ZHOU H X,LI C X,LUO X T,et al.Journal of Thermal SprayTechnology[J],2020,29:1054-1069.[93]LI Z M,YANG X P,ZHANG J B,et al.Advanced Engineering Ma-terials[J],2016,18(7):1240-1249.[94]KHODABAKHSHI F,MARZBANRAD B,SHAH L H,et al.Journalof Thermal Spray Technology[J],2019,28:1185-1198. [95]HUANG C J,YAN X C,LI W Y,et al.Applied Surface Science[J],2018,451:56-66..[96]刘建华,沈胜利.热加工工艺[J],2011,40(10):106-108.LIU J H,SHEN S L.Hot Workng Technology[J],2011,40(10): 106-108.[97]ZHAO L J,TARIQ N U H,REN Y P,et al.Journal of ThermalSpray Technology[J],2022,31:2505-2516.[98]ZHANG Y P,WANG Q,CHEN G,et al.Surface and CoatingsTechnology[J],2020,403:126380.[99]YANG Z B,XU J J,QIAN Y H,et al.Journal of Alloys and Com-pounds[J],2023,946:169473.[100]REN Y P,TARIQ N U H,LIU H H,et al.Materials Science& Engineering A[J],2022,849:143515.[101]孟宪明.冷喷涂制备304不锈钢-IF钢复合钢板及其轧制共变形行为研究[D].大连:大连理工大学,2011.MENG X M.Study on the Fabrication of304SS-IF Composite Steel Sheet by Cold Spraying and Its Rolling Deformation Behavior[D].Dalian:Dalian University of Technology,2011.(编辑㊀惠㊀琼)992中国材料进展第43卷专栏特约编辑雒晓涛雒晓涛:男,1986年生,西安交通大学教授㊁博士生导师,入选国家级青年人才计划,主要从事冷喷涂㊁热喷涂涂层与增材制造技术研究,致力于研发我国航空㊁核电㊁高铁等重要领域急需的高质量涂层与修复技术㊂主持国家自然科学基金青年项目与面上项目㊁ 两机专项 课题㊁ 两机 科学中心重点项目㊁ 173 项目㊁军品配套㊁装备预研等20余项项目㊂以第一或通讯作者发表SCI论文60余篇,撰写国内首部冷喷涂专著㊂授权发明专利20余件㊂获陕西省自然科学一等奖,陕西省优秀博士毕业论文,欧特约撰稿人所新坤洲热喷涂专家 奖,国际热喷涂大会 最佳论文奖 ㊂任中国机械工程学会表面工程分会委员㊁焊接分会堆焊与再制造专委会委员,陕西省机械工程学会焊接分会副主任㊂所新坤:男,1982年生,教授,博士生导师,宁波大学机械工程与力学学院多维增材制造研究所所长㊂率领团队在新材料研发㊁二维涂层和三维打印等领域开展研究,形成了多项技术成果,应用于医疗㊁军工等领域㊂近年来获中国产学研合作创新奖1项,主持国家自然科学基金项目㊁国防基础科研项目㊁浙江省重点特约撰稿人谢迎春研发计划项目等省部级以上项目10余项,发表SCI论文50余篇,授权发明专利20余项,参与制订地方标准1项㊁行业标准2项㊂浙江省省级高层次人才专家,入选浙江省 钱江人才 项目,入选宁波市领军拔尖人才第一层次,宁波大学A类学术领军人才㊂兼任中国机械工程学会表面工程分会常务委员㊁中国钢铁协会冶金机电标准委员会委员㊁浙江省工程师学会理事㊁浙江省汽车行业工程师职务任职资格评审委员会专家㊁‘材料保护“编委㊁‘稀有金属“青年编委等㊂谢迎春:男,1987年生,广东省科学院新材特约撰稿人王吉强料研究所高级工程师,从事冷喷涂技术基础理论研究及在军民两用技术领域的应用研究工作㊂在Additive Manufactur-ing,Scripta Materialia等期刊发表论文60余篇,总被引2500余次,H指数30,参编专著1部,授权中国发明专利20余项㊁美国专利1项㊂兼任中国机械工程学会再制造分会委员㊁中国表面工程学会青年委员㊁广东省材料研究学会青年委员㊁‘材料科学与应用“青年编委㊂王吉强:男,1988年生,中国科学院金属研究所研究员㊁博士生导师,主要从事高性能喷涂涂层的组织性能调控与应用研究,研发的多种涂层在重点装备用关键部件的表面防护㊁功能扩展和修复再制造等方面获得应用㊂主持国家自然科学基金面上项目和青年项目㊁国家科技重大专项子课题㊁国家重点研发计划项目子课题㊁辽宁省自然科学基金项目㊁国防重点实验室基金项目等10余项;以第一作者和通讯作者在Materials&De-sign,Materials Scienceand Engineering A,Ap-plied Surface Science和Surface&Coatings Tech-nology等期刊发表SCI收录论文49篇,被引1000余次;申请发明专利20余项,获授权发明专利10项㊂兼任中国科学院青促会会员㊁中国机械工程学会表面工程分会和中国空间学会空间材料委员会青年委员㊁‘中国表面工程“和‘热喷涂技术“杂志青年编委㊂003。
冷喷涂技术的现状和未来应用
冷喷涂技术的现状和未来应用作者：加拿大CENTERLINE WINDSOR 有限公司JULIO VILLAFUERTE冷喷涂是使用高速气体喷嘴将粉末微粒加速喷向基板的一种固态喷涂工艺名称，在这种工艺中，金属微粒产生塑性变形并在冲击之下固化。
术语“冷喷涂”是指所需加工温度相对较低的工艺，一般比喷涂材料的熔点低很多。
尽管将金属材料冷喷涂到基板上的理念可以追溯到20世纪早期，但是，这种技术的适用性直到20世纪80年代才在位于Novosibirisk 的俄罗斯科学院理论与应用机械研究所展示出来。
由于到达基板及沉淀材料上的金属粉末粘接力使其形成固态，因此，冷喷涂沉淀的特征十分独特，所以它非常适合在多种类型的基板材料上沉淀广泛的传统和高级材料，特别是对于工艺温度敏感的非传统应用。
冷喷涂的一些特征包括其形成的密集沉淀物氧含量极低，没有残余拉伸应力，微粒增大，有再结晶区域以及相变化。
一些材料甚至会出现纳米级的晶粒细化。
由于具有这些属性，因此冷喷涂特别适合于沉淀各种高级和对温度敏感材料。
今天，冷喷涂越来越多地应用于各种工业领域，包括航天、能源和军事工业（图1和图2）。
冷喷涂如何工作？20世纪80年代，在冷喷涂技术的应用发展中，将喷涂材料喷射到喷嘴之内的两种图1：采用低压冷喷涂现场修理腐蚀后的表面。
方法获得了专利，今天我们称之为高压（利用高压供给气体将粉末喷射到喷嘴喉部之前）¹ 以及低压(利用低压供给气体将粉末喷入喷嘴分流区)。
²在高压冷喷涂中（图3），将高压氦或氮（高达1,000 psi ）预热（高达1,000℃），然后强制通过DeLaval 缩扩喷嘴。
在喷嘴上面，气体膨胀将热焓转换为动能，将气流加速到超声波范围（1,000米/秒），同时降低其温度。
在喷嘴喉部之前，粉末给料被轴向导入气流。
加速后的固态微粒以足够的动能冲击基板，以产生机械或冶金粘接效果。
在低压冷喷涂中（图4），压力相对较低的空气或氮气 (80-140 psi) 也被预热（高达550℃），然后强制通过DeLaval 喷嘴。
冷喷涂技术调研
冷喷涂调研一、原理介绍冷喷涂技术（CS：Cold Spray），又称为气体动力喷涂技术，是指当具有一定塑性的高速固态粒子与基体碰撞后，经过强烈的塑性变形而发生沉积形成涂层的方法。
通常条件下，一般的概念是当固态粒子碰撞到某种基体后将产生固态粒子对基体的冲蚀作用。
通俗来讲，冷喷涂技术不同于传统热喷涂（超速火焰喷涂，等离子喷涂，爆炸喷涂等传统热喷涂），它不需要将喷涂的金属粒子融化，冷喷涂采用压缩空气加速金属粒子到零界速度，经喷嘴喷出，金属粒子直击到基体表面后发生物理形变。
金属粒子撞扁在基体表面并牢固附着，整个过程金属粒子没有被融化，喷涂基体表面产生的温度不会超过150℃（加拿大材料科学院NRC技术不超过200℃）。
冷喷涂原理如图1所示。
冷喷涂过程中，高速粒子撞击基体后，是形成涂层还是对基体产生喷丸或冲蚀作用，或是对基体产生穿孔效应，取决于粒子撞击基体前的速度。
对于一种材料存在着一临界速度Vc，当粒子速度大于Vc时，粒子碰撞后将沉积于基体表面，而当粒子速度小于Vc时，将发生冲蚀现象（基体表面损坏，金属粒子掉落）。
Vc因粉末种类而异，一般约500～700m/s，具体见表1。
因此，为了增加气流的速度，从而提高粒子的速度，冷喷涂技术还可以将加速气体预热后送入喷枪，通常预热温度小于600 ℃；同时为了获得高的粒子速度与沉积效率，要求粉末粒子粒度及其分布范围要小，一般为1～50um。
表1 不同金属粒子的临界速度（m/s）材料铜镍铁铝临界速度560~580 620~640 620~640 680~700冷喷涂技术根据压缩空气的压力不同，分为高压冷喷涂和低压冷喷涂，其中高压冷喷涂使用的压缩空气为15个大气压（psi）以上，低压冷喷涂使用的压缩空气为10个大气压（psi）以下。
对比传统热喷涂技术，高压以及低压冷喷涂的技术有以下共同优势：①可以用于喷涂多类别的、具有一定塑性的材料，获得导电、导热、防腐、耐磨等涂层等，比如纯金属锌、铝、铜、铁、镍、钛等，不锈钢、青铜等合金，也可以制备NICR基高温合金等。
2023年冷喷涂行业市场前景分析
2023年冷喷涂行业市场前景分析随着现代工业的不断发展，冷喷涂技术逐渐被应用到各个领域，市场需求也呈现出稳步上升的趋势。
本文将从市场规模、应用领域、技术进步等方面进行分析，探讨冷喷涂行业的市场前景。
一、市场规模目前，全球冷喷涂市场规模已经达到了50亿美元左右，随着相关技术的不断提升和应用场景的不断扩展，未来几年市场规模还将不断扩大。
据有关数据显示，预计到2027年，全球冷喷涂市场规模将达到70亿美元左右，年复合增长率高达7.3%。
二、应用领域1.航空航天领域：在航空航天领域中，冷喷涂技术广泛应用于航空发动机叶片、气缸内孔、蒸汽涡轮叶片等关键部件的修复和涂层加固。
此外，还有泵壳、附件、航空钢构、结构单元等领域。
2.汽车制造领域：在汽车制造领域中，冷喷涂技术主要应用于发动机的涂层加固和修复，带动了该领域的发展。
此外，冷喷涂技术还被用于汽车零部件的表面修复和涂层制备。
3.能源设备制造领域：在能源设备制造领域中，冷喷涂技术主要用于涂层加固、修复和制备，包括涡轮叶片、轴瓦、齿轮、液力变矩器等领域。
4.机械制造领域：在机械制造领域中，冷喷涂技术主要用于零部件的表面加工和涂层制备，包括轴瓦、机床导轨、滚子、齿轮等领域。
三、技术进步1.高速涂层技术：高速涂层技术可以提高涂层的质量和生产效率，以适应市场对高品质产品的需求。
2.智能涂层技术：智能涂层技术可以通过传感器、装备物联网等技术实现对涂层生产全过程的监测和控制，从而进一步提高生产效率和涂层质量。
3.多功能涂层技术：多功能涂层技术可以使涂层在机械、化学、热学等多个方面具有优异的性能，进一步提高其在不同领域的应用价值。
综上所述，冷喷涂技术市场前景十分广阔，随着技术的不断进步和应用场景的不断扩展，其市场规模还将呈现出不断扩大的趋势。
因此，冷喷涂技术具有很大的发展潜力，是未来几年值得投资的行业之一。
冷喷涂技术的研究现状及在航空工业领域内的应用
冷喷涂技术的研究现状及在航空工业领域内的应用摘要：冷气动力学喷涂法，简称冷喷涂，是近几年发展起来的新型、先进的表面涂层技术。
热喷涂一般以等离子体、电弧、火焰等为热源，将粉末加热到熔化或半熔化状态，然后喷涂到基体上，这种高温有可能造成喷涂颗粒的氧化、毁伤、相变、蒸发、熔解或晶粒长大。
作为一种先进表面工程及加工工艺，冷喷涂技术在航空工业领域内有着广阔的应用空间。
它可以用来制备航空发动机涂层及航空武器的功能涂层，对受损的航空器部件进行修复，或者直接通过喷涂成形技术制造航空器部件。
基于此，本文主要对冷喷涂技术的研究现状及在航空工业领域内的应用进行分析探讨。
关键词：冷喷涂技术；研究现状；航空工业领域；应用1、冷喷涂技术的喷涂原理冷喷涂是基于空气动力学原理的一种喷涂技术，冷喷涂原理图如图1所示。
冷喷涂主要由高压气体缩放管、送粉器、气体加热器、喷枪(是利用拉瓦尔喷嘴原理设计的)等组成。
高压气体经过一定温度的预热，携带粉末颗粒轴向送入气流中，与加热器加热的气体在缩放喷管(Lavalnozzle)相遇产生超音速两相流，粉末颗粒以固体状态高速撞击基体，通过剧烈的强塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。
图1 冷喷涂原理示意图2、冷喷涂涂层应用现状冷喷涂技术的应用研究在国外已经取得了很大的进展，我国冷喷涂技术研究还处在初级起步阶段。
由于冷喷涂过程中粒子温度较低，粉末不易发生氧化相变现象，形成涂层的组织结构与喷涂前粉末相比基本上无变化，因此冷喷涂中可使用各种粉末，如纯金属粉末、合金粉末、复合涂层，可以产生不同性能的涂层。
目前可以沉积的金属有Al、Zn、Cu、Ti、Ag等，高熔点金属Mo、Ta等，合金有NiCr、MCrAlY等，复合涂层有Zn-Al、Al-Al2O3等[24]。
冷喷涂技术避免了高温对基体和涂层的不利影响，使该技术已经广泛应用于各个领域。
冷喷涂技术的设计与研究正向工业化应用的方向转化，利用冷喷涂技术可制备保护性涂层(耐腐蚀涂层、耐高温涂层、耐磨涂层等)。
全球及中国冷喷涂产业现状及前景分析
全球及中国冷喷涂产业现状及前景分析一、冷喷涂综述冷喷涂技术是一种以高压气流加速微小颗粒形成超音速气固双相流轰击金属或绝缘基体表面形成涂层的工艺。
冷喷涂在技术上是热喷涂的一个子集，但它的应用不需要像大多数热喷涂应用那样的燃烧过程。
冷喷涂原理是高压气体在进入控制柜后被分为两路气流，其中一路进入送粉器（powderhopper），作为送粉载气将粉末引入喷嘴；另一路通过加热器（gasheater）使气体膨胀，提高气流速度；两路气流进入喷枪后经过拉乌尔喷嘴的缩放加速后形成超音速气固双相流，固态粉末粒子与基体碰撞过程中发生塑性变形沉积于基体表面上形成涂层。
现代冷喷涂技术起源于前苏联，初步工业化于北美，技术完善于21世纪初，在降低工业生产制造成本和提高生产制造效率上发挥重要作用。
现代冷喷涂工艺发展历史现代冷喷涂工艺发展历史资料来源：公开资料，产业研究院整理相较其它增材技术，冷喷涂技术是各类增材修复技术中综合修复效果较好的技术，具备以下6大优势：1）涂层材料不会出现氧化和烧损，进而可以保持原始的材料特性。
2）较低的喷涂温度减少了涂层对基体的热影响，基体不会产生变形问题；3）容易形成结合力较高，厚度较大的涂层；4）送粉速度快，喷涂和沉积效率高；5）低温环境下，涂层粉末不会发生显著的物理化学反应，可回收利用，降低生产成本；6）涂层孔隙率低，致密度高。
常用增材修复技术特性常用增材修复技术特性资料来源：公开资料，产业研究院整理二、冷喷涂行业现状分析得益于冷喷涂技术的优势，以及其在航空与其他工业领域的应用潜力，未来冷喷涂技术市场有望持续成长。
据统计，2020年全球冷喷涂市场规模为9.87亿美元，预计到2026年全球冷喷涂市场空间将上涨至12.13亿美元，年均复合增长速度为3.5%。
2020-2026年全球冷喷涂行业市场规模及增速情况2020-2026年全球冷喷涂行业市场规模及增速情况资料来源：GrandViewMarket，GME，产业研究院整理从下游需求来看，冷喷市场空间交通占比最大。
论冷喷涂的现状和前景
论冷喷涂的现状和前景摘要：参考关于冷喷涂技术的论文，来总结冷喷涂技术现阶段国内外的发展和应用领域。
20 世纪80 年代中期前苏联科学院西伯利亚分院理论与应用力学研究所的科学家在进行风洞实验时发现,当示踪原子的速度超过某一临界速度时,示踪原子对靶材表面的作用由冲蚀变为沉积,在此基础上提出了冷喷涂的概念[ 1 ,2 ] 。
之后的数年里,美国、德国、日本等国家都成立了相关的科研团队,对冷喷涂的沉积机理和应用进行了深入的研究。
1 现阶段冷喷涂技术的研究现状：目前,关于冷喷涂沉积机制的研究很多,但尚无定论。
很多研究者根据实验结果提出了不同的机制来解释冷喷涂现象。
H. A ssadi等人[ 3 ]提出了“金属冶金结合机制”,认为冷喷涂沉积过程类似于冷/热压焊。
颗粒撞击基体时,颗粒和基体都产生很高的塑性变形,不仅使材料发生加工硬化,而且导致了在颗粒和基体界面处产生绝热升温,使得材料发生热软化。
当撞击速度超过一定值时,热软化超过加工硬化效果,导致了颗粒发生绝热剪切失稳(Adiabatic Shear Instability) ,塑性变形迅速增加, 从而使粒子与基体的接触面积迅速增大,促进了结合的形成。
另一方面,粒子速度的增加,不仅使接触面积增加,而且使局部温度增加。
当粒子速度超过一定速度后,温度的升高可能使粒子和基体部分熔化,形成局部冶金结合。
M. Grujicic等人[ 4 ]提出了“机械咬合机制”。
当粒子撞击基体时,由于粒子速度处于一定范围内,从而使基体表面发生Kel2 vin2Helmholtz失稳现象。
颗粒流在基体表面产生的塑性流变使得表面有着不同的表面速度。
不同的表面速度扰动了流体,而且产生了一个离心力,使得表面产生了一定的曲率,形成卷曲和漩涡。
这些卷曲和漩涡使颗粒与基体达到结合。
在表面失稳过程中,塑性流变惯性促进了表面失稳,但是材料黏性对塑性流变有着阻碍作用。
因此,只有颗粒速度超过临界值时,流变惯性超过黏性阻力,使表面发生失稳现象,这个临界值就是颗粒撞击的临界速度。
冷喷涂技术调研
冷喷涂调研一、原理介绍冷喷涂技术（CS：Cold Spray），又称为气体动力喷涂技术，是指当具有一定塑性的高速固态粒子与基体碰撞后，经过强烈的塑性变形而发生沉积形成涂层的方法。
通常条件下，一般的概念是当固态粒子碰撞到某种基体后将产生固态粒子对基体的冲蚀作用。
通俗来讲，冷喷涂技术不同于传统热喷涂（超速火焰喷涂，等离子喷涂，爆炸喷涂等传统热喷涂），它不需要将喷涂的金属粒子融化，冷喷涂采用压缩空气加速金属粒子到零界速度，经喷嘴喷出，金属粒子直击到基体表面后发生物理形变。
金属粒子撞扁在基体表面并牢固附着，整个过程金属粒子没有被融化，喷涂基体表面产生的温度不会超过150℃（加拿大材料科学院NRC技术不超过200℃）。
冷喷涂原理如图1所示。
冷喷涂过程中，高速粒子撞击基体后，是形成涂层还是对基体产生喷丸或冲蚀作用，或是对基体产生穿孔效应，取决于粒子撞击基体前的速度。
对于一种材料存在着一临界速度Vc，当粒子速度大于Vc时，粒子碰撞后将沉积于基体表面，而当粒子速度小于Vc时，将发生冲蚀现象（基体表面损坏，金属粒子掉落）。
Vc因粉末种类而异，一般约500～700m/s，具体见表1。
因此，为了增加气流的速度，从而提高粒子的速度，冷喷涂技术还可以将加速气体预热后送入喷枪，通常预热温度小于600 ℃；同时为了获得高的粒子速度与沉积效率，要求粉末粒子粒度及其分布范围要小，一般为1～50um。
表1 不同金属粒子的临界速度（m/s）材料铜镍铁铝临界速度560~580 620~640 620~640 680~700冷喷涂技术根据压缩空气的压力不同，分为高压冷喷涂和低压冷喷涂，其中高压冷喷涂使用的压缩空气为15个大气压（psi）以上，低压冷喷涂使用的压缩空气为10个大气压（psi）以下。
对比传统热喷涂技术，高压以及低压冷喷涂的技术有以下共同优势：①可以用于喷涂多类别的、具有一定塑性的材料，获得导电、导热、防腐、耐磨等涂层等，比如纯金属锌、铝、铜、铁、镍、钛等，不锈钢、青铜等合金，也可以制备NICR基高温合金等。
20131105冷喷涂技术调研
20131105冷喷涂技术调研冷喷涂调研一、原理介绍冷喷涂技术（CS：Cold Spray），又称为气体动力喷涂技术，是指当具有一定塑性的高速固态粒子与基体碰撞后，经过强烈的塑性变形而发生沉积形成涂层的方法。
通常条件下，一般的概念是当固态粒子碰撞到某种基体后将产生固态粒子对基体的冲蚀作用。
通俗来讲，冷喷涂技术不同于传统热喷涂（超速火焰喷涂，等离子喷涂，爆炸喷涂等传统热喷涂），它不需要将喷涂的金属粒子融化，冷喷涂采用压缩空气加速金属粒子到零界速度，经喷嘴喷出，金属粒子直击到基体表面后发生物理形变。
金属粒子撞扁在基体表面并牢固附着，整个过程金属粒子没有被融化，喷涂基体表面产生的温度不会超过150℃（加拿大材料科学院NRC技术不超过200℃）。
冷喷涂原理如图1所示。
冷喷涂过程中，高速粒子撞击基体后，是形成涂层还是对基体产生喷丸或冲蚀作用，或是对基体产生穿孔效应，取决于粒子撞击基体前的速度。
对于一种材料存在着一临界速度Vc，当粒子速度大于Vc时，粒子碰撞后将沉积于基体表面，而当粒子速度小于Vc时，将发生冲蚀现象（基体表面损坏，金属粒子掉落）。
Vc因粉末种类而异，一般约500～700m/s，具体见表1。
因此，为了增加气流的速度，从而提高粒子的速度，冷喷涂技术还可以将加速气体预热后送入喷枪，通常预热温度小于600 ℃；同时为了获得高的粒子速度与沉积效率，要求粉末粒子粒度及其分布范围要小，一般为1～50um。
表1 不同金属粒子的临界速度（m/s）材料铜镍铁铝临界速度560~580 620~640 620~640 680~700冷喷涂技术根据压缩空气的压力不同，分为高压冷喷涂和低压冷喷涂，其中高压冷喷涂使用的压缩空气为15个大气压（psi）以上，低压冷喷涂使用的压缩空气为10个大气压（psi）以下。
对比传统热喷涂技术，高压以及低压冷喷涂的技术有以下共同优势：①可以用于喷涂多类别的、具有一定塑性的材料，获得导电、导热、防腐、耐磨等涂层等，比如纯金属锌、铝、铜、铁、镍、钛等，不锈钢、青铜等合金，也可以制备NICR基高温合金等。
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冷喷涂工艺的进展及应用现状杨素媛,王静,郭启雯新技术新工艺冷气动力学喷涂法,简称冷喷涂,是近几年发展起来的新型、先进的表面涂层技术。
热喷涂一般以等离子体、电弧、火焰等为热源,将粉末加热到熔化或半熔化状态,然后喷涂到基体上,这种高温有可能造成喷涂颗粒的氧化、毁伤、相变、蒸发、熔解或晶粒长大[1]。
与热喷涂相比,由于冷喷涂是在较低温度下进行的,发生相变的驱动力较小,固体粒子不易氧化,晶粒长大现象也不易发生,因此可以对温度敏感材料(如纳米晶、非晶等)、氧化敏感材料(如Cu、Ti等)、相变敏感材料(如碳化物复合材料等)[2-3]喷涂。
本文简单介绍了冷喷涂技术原理,综述了冷喷涂工艺参数对涂层质量的影响,并总结了冷喷涂技术的工艺进展及应用现状。
摘要:冷喷涂是近几年来发展起来的新型表面涂层技术。
由于冷喷涂技术是在较低的温度下进行的,与其他方法制备的涂层相比具有很多的优势。
本文介绍了冷喷涂技术的喷涂原理;系统阐述了冷喷涂工艺参数(如气体的压力、温度,喷射距离,基体温度等)对涂层质量的影响,这些工艺参数主要是通过影响颗粒的速度来实现对涂层性能的影响;分析了不同的工艺参数对涂层的沉积效率、孔隙率、显微硬度、结合强度、耐磨性以及抗腐蚀性等性能的影响;并对冷喷涂技术的国内外应用现状进行了总结和展望。
关键词:冷喷涂技术;原理;工艺参数;应用1冷喷涂技术的喷涂原理冷喷涂是基于空气动力学原理的一种喷涂技术[4],冷喷涂原理图如图1所示。
冷喷涂主要由高压气体缩放管、送粉器、气体加热器、喷枪(是利用拉瓦尔喷嘴原理设计的)等组成。
高压气体经过一定温度的预热,携带粉末颗粒轴向送入气流中,与加热器加热的气体在缩放喷管(Laval nozzle)相遇产生超音速两相流,粉末颗粒以固体状态高速撞击基体,通过剧烈的强塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。
2影响涂层质量的工艺参数在冷喷涂过程中,粒子的速度是冷喷涂技术的主要工艺参数。
冷喷涂过程中,在粉末颗粒和基体材料一定的情况下,只有当粒子的速度达到一定的值时,才能使粒子碰撞后沉积在基体上形成涂层,这个速度称为临界速度,否则粒子会对基体产生喷丸或冲蚀作用。
当粒子速度小于临界速度时,颗粒被基体反弹,发生冲蚀现象;大于临界速度时,能实现沉积形成涂层;而当粒子速度远高于临界速度时,粒子则对基板产生侵蚀作用[5]。
相对于其他热喷涂工艺,冷喷涂主要依赖于粒子的动能而不是热能,冷热喷涂粉末颗粒是否形成涂层主要取决于粉末颗粒撞击基体前的速度,所以当粒子以不同速度撞击基体表面时,会发生如下现象:被基体反弹、沉积在基体上或者穿过基体[6]。
其他的工艺参数如滞止压力(喷枪室内压力)、气体温度、气体压力、粒子的大小及形貌、喷枪结构、喷射距离、角度与送粉速度、基体温度等通过影响颗粒速度实现对涂层质量与性能的影响[7]。
本文主要研究工艺参数对涂层沉积效率、孔隙率、硬度、结合强度、腐蚀性能、耐磨性能以及其他涂层性能的影响。
2.1工艺参数对涂层沉积效率和孔隙率的影响孔隙率是涂层的重要性能指标之一。
冷喷涂技术形成的涂层孔隙率较低,这是因为涂层是由变形粒子堆叠形成的,冷喷涂粒子速度较高,变形充分,减少了粒子间的不完全重叠现象,再加上后续粒子对前期涂层的连续冲击作用从而大大降低了涂层的孔隙率[8]。
工艺参数的变化影响粒子的速度,而粒子的碰撞速度直接影响粒子的沉积效率,这是因为冷喷涂主要依靠颗粒的高速撞击而产生的强塑性变形来沉积涂层,粒子的速度越高,形成的涂层就越致密且质量较高。
D.Zhang等[9]研究了在低碳钢基体上冷喷涂铝粉,研究表明,滞止压力、送粉速度以及基板与喷枪的相对运动速度对涂层的沉积效率和孔隙率具有一定的影响;冷喷涂铝涂层时,当滞止压力(喷枪室内压力)增加时,涂层的孔隙率没有增加或是稍微增加,而涂层的沉积效率急剧增加。
这主要是因为滞止压力是颗粒能否达到临界速度的关键因素,适当地增加滞止压力,有利于提高颗粒的速度,从而使冲击效果加强,涂层的沉积效率能得到很大的提高。
送粉速度增加使沉积效率和涂层的孔隙率降低,这是因为送粉速率过高会导致粒子在喷管中的相互作用增强,粒子由于摩擦作用温度升高,有可能融化粘结在喷枪内,影响粒子在喷管中的速度,进而使沉积效率受到影响。
当基体与喷枪的相对运动速度增加时,孔隙率和沉积效率都会降低,这是因为如果基板和喷枪的相对移动速度太快,颗粒不能有效地沉积在基体上形成涂层,而且由于有效沉积时间较短,从而影响涂层的沉积效率和孔隙率。
喷射距离与沉积效率有直接的关系,这是因为喷射距离的大小影响了喷涂粒子到达基体表面时的垂直速度。
超音速双相流离开喷嘴以后,由于外界因素的影响,粒子的速度将发生变化,只有选择合适的喷射距离,才能使沉积效率得到有效的提高。
喷射距离过大,不能使颗粒达到足够的动能以形成涂层,因而沉积效率会降低;喷射距离过小,粒子受到在基体和喷枪之间的冲击区域形成冲击波的作用,会降低粒子的速度,降低沉积效率。
J.Pattison等人[10]也发现类似现象。
如图2所示,喷射距离在60mm以内,沉积效率随着喷射距离的增加而增大,这是因为随着喷射距离的增加,冲击波逐渐减弱,粒子的速度能够得到有效提高。
在60~120 mm的喷射距离范围内,沉积效率可以进一步地得到提高,这是因为在气体的速度高于粒子速度的情况下,粒子不受冲击波的阻碍仍可以得到加速达到临界速度。
在大于120 mm的喷射距离时,气体的速度低于粒子的速度,粒子减速,沉积效率显著降低。
Xian-Jin Ning等人用B-Cu、C-Cu和T-Cu作为热喷涂粉末[11],其中T-Cu是平均直径为12μm的球形颗粒,B-Cu,C-Cu是不规则形貌的颗粒,研究表明,颗粒的平均粒径和形貌将影响粒子的速度,进而对沉积效率产生影响。
C-Cu粉末的沉积效率随着粒径的增大而逐渐降低,粉末的预处理温度增加时,沉积效率随之提高。
在同一条件下,不规则颗粒的速度要比球形颗粒的速度高。
对于不规则形状的颗粒,粒子的速度随着粒径的增大而降低,临界速度也随着降低,预处理后会降低粒子的临界速度。
B.Jodoin等人[12]也发现类似的现象,如图3所示,由图3a和图3c对比可知,在平均粒径小于25μm的范围内,粒子分布没有受到影响,但是非球形粒子的速度要比同样大小的球形颗粒速度高;对比图3b和图3d也可得出同样的结论。
从图3中还可以看出,在同样的条件下,粒子的速度随着平均粒径的增大而降低。
对于较大颗粒,粒子的形貌对颗粒的速度具有较显著的影响。
由于沉积效率与粒子的速度有直接的关系,粒子的速度越高,沉积效率就越高。
2.2工艺参数对涂层硬度和结合强度的影响硬度和结合强度是衡量涂层质量的重要性能指标之一,它们反映了涂层的力学性能。
王佳杰等人用冷喷涂的方法在Q235钢基体上沉积Cu涂层[13-14],涂层特性的分析表明,Cu涂层的平均显微硬度高于铸态纯铜,这是因为Cu颗粒与基体高速撞击发生大量的强塑性变形,后续粒子对前期涂层有夯实作用,而且Cu涂层的应力主要是压应力,因而结合强度得到了很大的提高。
章华兵等人的研究表明,随着气体温度的升高,粒子的结合率提高,涂层较致密。
这是由于升高气体温度能够增加粒子的速度,同时也能使其温度得到提高,有利于颗粒更容易发生塑性变形,变形更充分,减少了颗粒之间的不完全重叠现象,从而可以得到较致密的涂层。
刘彦学等人[15]的研究表明,涂层的致密性随着气体压力的增加而不断地增加,同时涂层与基体之间的结合强度也得到提高。
这是因为气体压力增加能够提高粒子的速度,有利于粉末的塑性变形。
但是如果气体压力过大,粉末的反弹现象严重,反而不利于喷涂。
富伟等人[16]用冷喷涂技术在不锈钢基体上制备纯铜涂层,用显微计测试硬度,结果表明硬度分布很均匀,而且涂层的平均硬度较铸态纯铜的平均硬度高。
这是由于颗粒高速撞击基体,产生强烈的塑性变形,引起加工硬化,使涂层硬度提高。
H.Lee等人[17]研究了不同气体压力对铝喷涂涂层硬度的影响,如表1所示,气体压力对冷喷涂铝涂层的硬度具有显著的影响,气体压力较低的条件下的涂层硬度较压力较高的涂层硬度高,这是由于气体压力较低时,速度较低的铝颗粒发生反弹现象,与高速粒子产生撞击效应,发生加工硬化,有利于提高涂层的硬度。
L.Ajdelsztajn等人用冷喷涂方法喷涂Al-Cu-Mg-Fe-Ni-Sc涂层,在预热处理后[18],涂层硬度不但没有得到提高反而被软化了,这主要与Al7FeCu2沉淀物的形成有关,该沉淀物的形成消耗了Fe基体,尤其是Cu,铝合金中主要的强化相减少了,Sc的预期强化效果并不能克服软化现象。
李文亚等人的研究[19]也出现类似的现象,用冷喷涂的方法在Al基体上制备Fe涂层,涂层硬度较纯Fe的硬度要高,如果Fe涂层在较低温度下热处理后,Fe涂层的显微组织变化不明显,显微硬度明显降低。
这是由于在冷喷涂过程中产生加工硬化,涂层的硬度比纯Fe块材要高,而热处理后,这种加工硬化效应消失,从而硬度明显降低。
2.3工艺参数对涂层其他性能的影响冷喷涂技术由于是在较低的温度下进行的,用于材料的表面涂层可以改善和提高材料的表面特性,如耐磨性、耐腐蚀性和材料的力学性能等,在不改变材料组织和性能的情况下提高产品的质量[20]。
冷喷涂涂层与热喷涂涂层相比具有很大的优势,高速撞击产生强塑性变形,较低的温度能够减少骤冷的内应力,避免了涂层的开裂、变形,涂层没有从熔融状态体积收缩的过程,降低了气孔夹杂,而且涂层主要承受压应力,因此形成的涂层比较致密,孔隙率较低,且涂层较厚,腐蚀介质不易渗透到涂层和基体的结合处,对基体具有一定的腐蚀防护作用,同时也能提高基体的耐磨性。
刘彦学等人研究表明[21],用冷喷涂技术将铝锌合金粉末喷涂到镁合金表面,获得致密的涂层,具有锌铝涂层的镁合金具有更高的耐磨性,干摩擦条件下的磨损失重比固态挤压AZ91D镁合金低52%,润滑条件下的磨损失重比AZ91D镁合金低85%。
K.Spencer等人[22]用冷喷涂的方法在AZ91E基体上喷涂Al-Al2O3粉末,结果表明,Al-Al2O3涂层的耐蚀性与铝合金相似,但是明显优于AZ91E基体。
Al-Al2O3涂层的耐磨性要比铝合金高,磨损率较Al-12%Si,356.0Al和AZ91E T6下降3~5个数量级。
冷喷涂涂层还有一些其他的优异性能,如可使涂层的耐疲劳性提高、导热能力提高、残余应力降低等。
3冷喷涂涂层应用现状冷喷涂技术的应用研究在国外已经取得了很大的进展,我国冷喷涂技术研究还处在初级起步阶段。
由于冷喷涂过程中粒子温度较低,粉末不易发生氧化相变现象,形成涂层的组织结构与喷涂前粉末相比基本上无变化,因此冷喷涂中可使用各种粉末,如纯金属粉末、合金粉末、复合涂层,可以产生不同性能的涂层[23]。