冷喷涂技术应用现状与展望

冷喷涂技术应用现状与展望

张文毓

【摘要】The cold spray coating is the new superficial coating technology which developed in the last few years, because the cold spray coating technology is carried on under the low temperature, compares with the alternative mean preparation coating has very many superiority.This article with forecast two aspects from the cold spray coating technology outline and the cold spray coating technology application present situation to carry on the elaboration to the cold spray coating technology, hope to have the understanding to the domestic and foreign cold spray coating technology application present situation.%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。本文从冷喷涂技术概述和冷喷涂技术应用现状与展望两方面对冷喷涂技术进行了论述，希望对国内外冷喷涂技术应用现状有所了解。

【期刊名称】《全面腐蚀控制》

【年(卷),期】2015(000)002

【总页数】5页(P17-21)

【关键词】冷喷涂技术;应用现状;展望

【作者】张文毓

【作者单位】

【正文语种】中文

【中图分类】TG174.4

冷喷涂于20世纪80年代中期，在俄罗斯科学院理论及应用力学研究所最早开发，近年来受到广泛关注，并在俄国、美国、德国等国家得到了快速发展。冷喷涂防腐是一项革命性技术，借助这项技术可直接、就地在镁合金上生成厚的铝镀膜达到降低或排除常见或电腐蚀造成的危害。这项技术有望克服原有镁合金防腐技术的缺点，从而有助于将镁用于汽车的外部元件。冷喷涂应用于特定场合，已有对Cu、Al、Ti、Ni和MCrAlY合金进行研究，应用于电子工业(Cu) 、航空(MCrAlY) 、汽车(Al )和化工(Ti)领域。

冷喷涂全名冷空气动力喷涂法(CGDS：Cold Gas Dynamic Spray)，它可通过低

温(＜600℃)、高速(300～1200m/s)小颗粒(1～50μm)气流撞击金属或绝缘基体

表面，在整个过程中粒子没有熔化，保持固体状态，粒子发生纯塑性变形聚合形成涂层。

冷喷涂的特点：温度低、不发生氧化、可制备复合涂层、对基体的热影响小、涂层孔隙率低、形成的涂层承受压应力、残余应力小、沉积率高、能保留原始粉末材料的性能、由于不需要高温因而操作更安全等。

冷喷涂是一项崭露头角的固态工艺。该方法可将以超声加速的固体颗粒的动能在撞击到镀件表面时转变为热能，从而完成冶金焊接。该工艺的原理是：每种金属均有其特定的、与温度相关的临界颗粒速度，当颗粒运动超过这一速度时即会焊接于镀件之上。冷喷涂原理示意图如图1所示[1]。

冷喷涂技术在化工、汽车、航空航天、造船、电子、机械、造纸等领域具有广阔的应用前景，可以生产和修复涡轮叶片、活塞、轴承、汽缸、阀门等零部件。在国防工业可以生产、修复舰船螺旋桨叶片和轴、飞机弹射装置、制备耐磨和耐腐蚀的涂

层等。应用有先进水陆两栖攻击艇轮子、水陆两栖攻击艇装甲、飞机弹射器活塞、钛涂层。

迄今的研究表明采用冷喷涂方法，不仅可以制备低熔点的塑性良好的金属材料.如Al、Cu等，也可制备如Ni、Ti、MCrAlY合金。涂层制备过程几乎不存在氧化。同时还可以制备WC-Co、Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层。最近的研究表明通过采用

真空气氛，可以实现亚微米与纳米陶瓷颗粒直接沉积制备陶瓷涂层。因此，冷喷涂技术不仅为制备金属合金涂层、而且也将成为制备陶瓷与金属陶瓷的新办法。

冷喷涂技术的应用包括防腐涂层、耐高温涂层、耐磨涂层、导电及导热涂层、抗菌涂层及光催化涂层、生物医用涂层、喷涂成形、表面修复。

冷喷涂技术目前主要是用于铜、镍等金属涂层和高分子复合涂层的制备，由于制备的金属涂层结合力强，均匀致密，氧化物含量少，导电导热性好，在工业中有广阔的应用前景，特别是在航空航天中对导热导电有特殊要求的设备，如发动机、燃烧器等。

应用于商业中的火箭发动机由于不能把更多的热能传递到燃料中来提供更大的推力，由此其应用受到一定的限制。主要原因是在燃烧室中使用不锈钢制造管道系统，限制了热量通过燃烧室的热壁进入到氧燃料中，而且限制了循环参数来保持不锈钢管道具有较低的熔点温度。采用铜涂层就很好地解决了该问题，铜涂层有很高的热传导系数并能与基体很好地结合。在飞机制造业中，由于冷喷涂不产生热影响，因此可以对零部件进行防腐保护喷涂。

利用冷喷涂技术来制备航空航天器发动机特殊保护涂层。制备航空航天武器的特殊功能涂层，通过喷涂成形可以直接制造复杂结构、形状的航空航天部件。这些工程应用仅仅是冷喷涂技术在航空航天领域应用的几个方面，相信在不久的将来，冷喷涂技术一定能够更为广泛地应用于航空航天工业的各个领域[2]。

美国空军研究实验室与联合技术研究中心正在完善冷喷涂技术，以便用其维修

UH-60“黑鹰”直升机的主要部件。冷喷涂是一种在镁合金表面上生成金属粉或

金属/陶瓷混合物镀膜的表面固态工艺，可降低或消除腐蚀造成的危害。腐蚀作用

会影响零件的强度，从而降低其安全性，通常导致零部件无法满足其使用寿命和疲劳寿命的要求。因此需要频繁更换零部件，增加了后请负担，并影响了装备的战备水平。冷喷涂技术的应用有助于解决这一问题。陆军和海军直升机变速箱等镁制零部件老化是后勤保障工作面临的一大难题，经常因腐蚀而需要提前拆卸，而且拆下来的零部件不能回收再利用。喷涂作为一种维修结构件的技术，克服了这一缺陷，能够回收零部件，从而节省采办费用[3]。

在汽车维修领域中，采用冷喷涂技术可以给汽车涂上不同的金属，同时可以降低车体的影响：对汽车的缸体、密封阀等也可以进行喷涂维修。

冷喷涂的优点是对工件的热负载达到最小，很低的热输出不会产生热应力。因此，涂层厚度可达数毫米或更多。选用不同喷嘴，造成不同喷射界面，能形成一种自由结构，例如，汽车制造业的发动机和底盘，可以自如的喷涂而无需进行任何后处理；喷涂射流非常集中，只有数毫米，可灵活的喷涂任何复杂工件，也不许进行喷前遮盖，噪音不大。目前冷喷涂装置设计成最大压力为3.5MPa，气体温度达

600°C[4]。

冷喷涂技术可获得低氧化物含量、低内应力、高硬度、高耐磨性，大厚度涂层，

可广泛应用于航空航天、石油、化工、汽车、造船等工业。冷喷涂技术在油气装

备中尤其具有发展前景。当前油气勘探开发已经进入后期、深部开采阶段，钻遇的地层越来越复杂，地层硬度越来越高，对机械装备特别是井下工具的强度、耐磨性提出了更高的要求。新兴的冷喷涂技术可应用于诸多油气装备及工具的性能改进中，降低内应力，提高硬度和耐磨性等。例如，可应用于钢齿钻头的齿面强化，牙轮钻头轴承的表面强化，钻头保径部分材料强化，钻杆柱(钻杆、钻铤、稳定器)、套管柱及接头的强化及表面改性，抽油杆接头强化，泥浆泵滑动件耐磨性改进，地面装