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Kel
2 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。

Van Steenkiste等人[ 4 ]提出一种逐渐提高结合强度的粘接机制,认为颗粒先依靠范德华力或静电力粘接在基体表面,之后依靠后续颗粒的多重撞击增大颗粒与基体的结合强度。

2冷喷涂技术的应用2冷喷涂技术的研究方向：冷喷涂是一种经济、环保的涂层制备技术,因此在短时间内受到了广泛重视,主要有以下研究方向: (1) 冷喷涂实验装置的设计和优化,由于冷喷涂中最重要的部件是喷枪,所以合理设计喷枪前端粉末粒子与高速气体的混合室,以及使用流体动力学改进喷枪的形状和其他相关参数(如喉部直径,扩张段长度) [20 ] 显得特别重要,同时改进喷枪比使用其他方法来提高粒子速度显得更加经济。

(2) 使用计算机软件辅助流体动力学模拟冷喷涂过程能使研究人员更好、更直观地了解冷喷涂的各个阶段粉末粒子的速度特性、运动轨迹、相互作用及结合过程,同时根据模拟结果和相应的实验结果进行对比, 优化实验方案以及验证与冷喷涂相关的理论。

目前使用较多的模拟软件是Fluent 。

Grujicic M [4 ] 采用数学模型解释了实验中得到的Cu 在Al 上的沉积率高于Al 在Cu 上的沉积率的现象; Takana H [26 ] 模拟了在冷喷涂过程中施加静电场对粒子沉积的影响; Van Steenkiste T H [14 ]根据实验现象把冷喷涂涂层形成过程分为4 个阶段,并且认为粒子在不同的入射速度下, 几个阶段几乎同时发生,涂层最后的性能取决于几个阶段竞争的结果;其他学者采用数学模型模拟了工作气体的速度、温度及粒子在喷枪出口和撞击基体时的各个物理参数[2 ,5 ,6 ,11 ,15 ] 。

(3) 喷涂前对基体和粉末材料进行前处理,喷涂后对涂层进行后处理,提高涂层的相关性能。

Lee H Y [ 7 ,27 ]采用后续的热处理工艺制备了Al2Ni 和Al2Ti 金属间化合物涂层,检测结果表明中间化合物在Al 基体中均匀分布;Novoselova T [22 ] 制备了Al2Ti 中间化合物涂层,证实了随着热处理温度的改变,涂层中的化合物成分也随之改变。

(4) 使用冷喷涂制备复合涂层、纳米涂层和其他涂层,拓展冷喷涂的应用范围。

例如在Cu 合金上采用冷喷涂方法制备了热障涂层CuCrAl合金[28 ] ,在97
3 ～1073 K条件下进行热
循环氧化实验,表面喷涂后使热氧化的质量损失由80 %降为10 % ,显示涂层具有优越的抗氧化能力。

(5) 针对不同的喷涂材料和基体,研究涂层的显微结构、孔隙率和粘接强度,在此基础上完善冷喷涂结合理论和改进实验方法。

Xu Y [19 ] 在Al 基体上沉积了聚乙烯塑料,表明在喷涂过程中聚乙烯粒子并没有熔化,但是其沉积效率比一般的金属还低。

[6]
参考文献
[ 1 ] GRUJ ICIC M , ZHAO C L , DEROSSET W S , et al. Adiabatic shear instability based mechanism for particles/ substrate bonding in t he cold2gas dynamic2spray process[J ].
Materials &Design , 2004 ,25 (8) :681 - 688.
[ 2 ] D YKHUIZEN R C , SMITH M F. Gas dynamic principles of cold spray[J ]. Journal of Thermal Spray Technology , 1998 , 7 ( 2 ) : 205 - 212.
[ 3 ] A ssadi H, Gartner F, Stoltenhoff T, et al. Bondingmechanism in cold gas sp raying [J ].
ActaMaterialia, 2003, 51: 437924394
[ 4 ]Grujicic M, Saylor J R, Beasley D E, et al. Computational analysis of the interfacial bonding between feed2powder particles and the substrate in the cold2gas dynamic2sp ray p rocess [J ]. App l. Surf. Sci. , 2003, 219: 2112227
[ 5 ]Van Steenkiste T H, Smith J R, Teets R E. A luminum coatings via ki2 neticsp ray with relatively large powder particles [ J ]. Surf.Coat. Technol. , 2002, 154: 2372252
[6]卜恒勇1 ,2 ,卢晨1 ,2冷喷涂技术的研究现状及进展。