冷喷涂工艺中粒子沉积特性的影响因素分析

1.冷喷涂工艺的提出

冷喷涂（CS：cold spray）又称冷空气动力学喷涂（CGDSM：cold gas dynamic spray method或CGDS、CGSM）。20世纪80年代中期，前苏联科学院在用示踪粒子进行超音速风洞试验时，发现当粒子的速度超过某一临界速度时示踪粒子对靶材表面的作用从冲蚀转变为加速沉积，由此在1990年提出了冷喷涂的概念^[6]。前苏联研究者Papyrin于1995年在美国召开的全美热喷涂会议上与美国学者开始联合发表相关研究结果^[7]，直到2000年在加拿大召开的国际热喷涂会议上才组织了专门的讨论会，由此在国际上引起了广泛的关注。近几年来美国与德国一部分研究机构也开展了冷喷涂技术的研究工作^[8]。

2.冷喷涂的基本原理

冷喷涂是基于空气动力学原理的一种喷涂技术^[9]，其原理如图1-1所示。冷喷涂是利用高压气体通过缩放管产生超音速流动将粉末粒子从轴向送入高速气流中，经加速后，在完全固态下撞击基体，通过较大的塑性流动变形而沉积于基体表面上形成涂层的。为了增加气流的速度，从而提高粒子的速度，还可以将加速气体预热后送入喷枪，通常预热温度小于600℃。

图1-1 冷喷涂原理示意图^[10]

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定的临界速度υ_c，当粒子速度大于υ_c时粒子碰撞后将沉积于基体表面；当粒子速度小于υ_c时，将发生冲蚀现象。υ_c因粉末种类而异，一般为500～700m/s^[10]。(www.xing528.com)

影响冷喷涂过程中粒子沉积特性的主要因素包括气体的压力、温度、种类，粉末的种类与粒度，以及喷枪结构等。在其他条件一定的情况下，气体的种类、压力及温度主要决定了粒子的速度，粒子速度的大小决定了其沉积特性。如前所述，只有当粒子速度超过临界速度υ_c时，才能在碰撞基体后实现沉积；否则将对基体或涂层产生冲蚀效应。

3.冷喷涂层的结合机理

关于冷喷涂涂层的沉积过程行为，一般认为，高速粒子撞击基体时粒子的动能使粒子与已形成的涂层或基体产生较大的塑性变形，从而结合在一起实现粒子的沉积。冷喷涂镀层虽然是高能量冲击镀层，但镀层主要由金属颗粒组成，颗粒之间存在明显的界线，并且镀层中存在一定的空隙，镀层内金属颗粒之间为机械式物理结合。例如，文献^[11-13]中观察到金属粒子撞击经抛光的基体后的扁平粒子和基体侧凹坑，这表明粒子和基体发生了明显的塑性变形。T.H.Van Steenkiste^[14]利用铝粉、铜粉喷涂时发现镀层中存在明显的颗粒界面，同时还发现金属粉末的喷涂过程基本不发生氧化，即使是利用空气作为携带气体介质，金属粉末的氧化也非常少。Hamid Assadi^[15]认为，冷喷涂形层过程中金属颗粒没有被明显加热，涂层中金属颗粒之间的结合仅仅是依靠冲击所产生的能量造成的机械锚合，结合牢固与否主要是由金属颗粒的冷喷涂临界速度决定的。然而也有人认为，粒子撞击到基体上时可能产生较大的冲击波，使被碰粒子与相邻粒子在界面处的局部温度达到材料的熔点以上而造成局部熔化，进而达到局部的冶金结合^{[8，16，17]}，并认为该过程与爆炸焊的过程类似。近两年来，人们通过大量的研究认为，冷喷涂涂层之间的粒子结合以机械咬合为主，同时有部分冶金结合^[18-20]。

4.冷喷涂的应用

冷喷涂主要用于喷涂具有一定塑性的材料，比如纯金属、金属合金、塑料及复合材料等，特别是由于粒子加热温度低，基本无氧化，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）材料的涂层制备。由于高速粒子碰撞时对基体或涂层表面强烈的喷丸效应，涂层内一般处于压应力状态，有利于沉积厚涂层；而且由于粉末没有经历明显的热过程，基本不发生组织结构的变化，未沉积的粒子可以回收利用。为了获得高的粒子速度与沉积效率，要求粉末颗粒粒度及其分布范围要小，一般为1～50μm^[21]。迄今的研究表明，冷喷涂多用于制备有一定塑性的纯金属与合金，如纯金属A1、Cu、Fe、Ni、Ti等，不锈钢、青铜等合金，也可以制备NiCr基高温合金等。通过控制气体预热温度也可以制备金属陶瓷（如Cr₂C₃-NiCr）等涂层，还可以制备有机高分子材料涂层及金属基复合材料涂层。随着冷喷涂技术的不断发展，人们也在尝试用冷喷涂制备纳米结构陶瓷涂层，实际上已有研究表明，在低压气氛下完全可以进行微纳米氧化物陶瓷颗粒的沉积，尽管对沉积机理尚不清楚^[10]。但利用冷喷涂在低温下成功制备锌防护层的研究甚少^[14，22]。