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冷喷涂装置研究进展

时间:2012-10-25 16:33:18  来源:热喷涂技术  作者:李铁藩,王恺,吴杰等

  冷喷涂装置研究进展
  李铁藩,王恺,吴杰等
  热喷涂技术
  摘 要:冷喷涂技术于 20 世纪八十年代由俄罗斯科学家首先提出,随后西方国家对其进行了发展与商品化,近十年来关于冷喷涂技术及装置的研究论文及应用专利的增长越来越快,对冷喷涂工艺的研究已有多篇综述性文章。“工欲善其事,必先利其器”,改进现有冷喷涂装置和研发新装置,对获得高质量的涂层和提高冷喷涂效率、降低成本十分重要,但这方面鲜有综述性的文献。本文对冷喷涂装置的研究进展进行评述,使相关科技人员和研究生对其有一全面的了解,并对开展冷喷涂技术和装置的研究和应用有所帮助。
  关键字:冷喷涂;装置;喷枪;送粉器
  冷喷涂技术自 1990 年公开报导至今,由于其独特的优点而发展迅速。除原始发明国家俄罗斯外,美、德、加拿大、法、英、日本、韩国、澳大利亚、巴西和印度以及中国等国家都有研究单位和公司从事研发工作。在中国,从事该方面研究的科研单位和院校有西安交通大学焊接研究所、大连理工大学、中国科学院金属研究所、中国科学院金属研究所嘉兴工程中心、哈尔滨焊接研究所、北京航空材料研究所、重庆大学、北京科技大学、北京航空航天大学、同济大学、上海交通大学、西安石油大学、九江大学等,企业有上海宝山钢铁股份有限公司技术中心(德国 Kinetiks  3000),华北油田运通拖动设备制造有限公司(中国科学院金属研究所M6000)以及辽宁新民新同正科技公司(中国科学院金属研究所 M6000)等,沈阳黎明发动机有限责任公司也在引进(德国 Kinetiks  4000)。
  二十年来冷喷涂研究取得长足进展,主要集中在如下方面:(1) 喷涂工艺(包括工作气体的种类,如:氦气、氮气、空气及其混合气体;气体压力及气体温度;喷涂粉末颗粒形状、尺寸、含氧量;颗粒温度;送粉速率;喷距;喷嘴或工件的移动速率等)对涂层化学成分、相组成和组织结构(通过OM、SEM、TEM 及 HRTEM 观察分析)、涂层的基本性能(如:结合强度、气孔率、硬度)以及使用性能(如:耐蚀性、抗磨损、抗高温氧化、高导电、导热性和电磁波屏蔽性能)等影响规律的研究。(2) 单个颗粒及多颗粒沉积行为的计算机模拟以及涂层形成机理的研究。(3) 冷喷涂在各领域的应用研究(如:在大功率火箭发动机燃烧室不锈钢多管接头环喷涂厚的铜涂层、钛合金(Ti-6Al-4V)喷涂成形、铝合金薄壁件的冷喷涂焊接、铝电缆卡头接触面喷铜涂层、各种部件的修复、溅射靶材的制备、汽车工业喷涂锌与锌合金涂层、镁合金耐蚀涂层等)。对冷喷涂工艺的研究已有多篇综述性文章[1-14],但对冷喷涂装置研究的进展却鲜有综述性文献。近年来国外对冷喷涂装置的研发取得很大进展,对比之下,国内在这方面存在较大差距。改进现有冷喷涂装置和研发新装置,对获得高质量的涂层和提高冷喷涂效率与降低成本十分重要。本文就冷喷涂装置研究进展作扼要介绍和评述。
  1 俄罗斯 ITAM 冷喷涂装置研发进展
  俄罗斯科学院西伯利亚分院理论与应用力学研究所(ITAM SB RAS)双相流研究室 A. P.Alkhimov 及其同事于 80 年代中期开始进行冷喷涂研究,自 1990 年首次报道[15]以来,研发了系列冷喷涂装置。
  1.1 ITAM 冷喷涂装置
  国际上第一套台式冷喷涂装置由ITAM设计制造(图 1 所示),装置主要包括:高压气体源、气体加热器、送粉器、超音速喷嘴、载物台及喷涂参数控制柜和粉末收集装置。后来为了便于现场使用,设计了便携式装置及手提喷枪(图 2 所示)。该装置可以将颗粒尺寸在 1~50μm 范围内的粉末加速到 300~1200m/s,高速金属颗粒碰撞不同基体(金属、陶瓷、玻璃等)均可形成致密的涂层,涂层厚度可达 10cm 以上。工作气体可以用氦气、氮气、空气以及上述气体的混合气体。
  1.2 喷枪与矩形喷嘴[16-17]
  冷喷涂装置的关键部分是喷枪与超音速喷嘴(图 3)。ITAM 根据 De Laval 喷嘴基本原理设计了有特色的喷枪及大纵横比的矩形喷嘴(L/h=20~50),喷嘴超音速段长度(L)需大于颗粒弛豫长度(LP),LP≈4(e2)ρpdp/3ρ≈0.1m,这里 e 为基体前弓激波压缩层减速因子。理论计算与实测结果表明,大纵横比喷嘴与轴对称型喷嘴相比有如下优点:(1) 喷射束宽度在喷嘴出口一个方向(H)宽,而另一方向(h )窄;(2) 减少基体前压缩层厚度,降低它对颗粒的减速作用;(3) 喷射流颗粒均速范围宽于圆形(图 4.a);(4) 对基体表面起清洁活化作用(图 4.b)。Blose 及合作者[18]对矩形与圆形喷嘴作对比,得到图 4.a 的结果。
  1.3 多通道喷嘴(Multiduct Nozzle)[19-20]
  为了提高喷涂效率和减少一道次搭接数目,设计了若干个独立的气体通道,并联共用一个气体与颗粒混合的前置室和出口,它的膨胀角n1β 小于临界膨胀角crβ 。每个独立通道的喉部和出口截面相等,且膨胀角不超过临界角cr1β( (1)26.51= M crβ ,M 为喷嘴出口马赫数)。
  1.4 长管内壁喷涂装置[21-22]
  该装置为实施长管内表面喷涂而设计的成套装置和设计了专用的小尺寸喷嘴与加热器(图 6),装置包括:喷涂管移动与转动系统、管内粉末收集系统以及小型前置室、喷嘴及管式加热器(图 6c),该装置可对内径在 100~250mm(最小内径75mm)、长度 6~12m 的管内表面进行喷涂,每小时可喷涂 1~2 根,沉积效率分别可达 90%~95%(Zn)和 50%~70%(Al)。
  1.5 双送粉器冷喷涂装置
  为了喷涂复合材料涂层,特别是金属与有机高分子复合涂层,用传统的冷喷涂装置精确控制涂层成分比例有困难,为此设计了双送粉器装置。
  1.5.1 并列式双送粉器
  图 7 是并联式双送粉器冷喷涂装置。该装置成功地实现了金属与聚合物复合涂层的喷涂制备。例如 Cu+PTFE(聚四氟乙烯)、Cu+TiB2+PTFE 、WC+Cu+PTFE+PMS 等复合涂层。
  1.5.2 串联式双送粉装置
  Sova 与 Kosarev 等[23]用冷喷涂制备多组份涂层,如将塑性好的金属Cu、Zn、Al 与塑性低的Cr、Mo、W,或金属粉末与陶瓷粉末混合喷涂,但当气体温度增加到适合陶瓷与低塑性金属时,塑性好的金属(如Al 等)则易堵塞喷嘴。为此,将并联双送粉装置进一步改进为串联,难喷涂(hard-sprayable)组份由喷嘴的亚音速部位即图8 中第一送粉位置引入,而易喷涂(easy-sprayable)组份由超音速部位(第二送粉位置)射入。计算结果表明,当颗粒尺寸<10μm,增加气体温度,颗粒温度与速度接近气体的温度与速度,可获得高质量的复合涂层。
  2 德国 CGT-Kinetiks 系列冷喷涂装置[24-27/29]
  德国 CGT 公司在俄罗斯专利基础上研发冷喷涂装置,于 2001 年向市场推出 Kinetiks  3000,而后经较大改进研发出 Kinetiks  4000,继之为Kinetiks  8000 及手提式 Kinetiks  2000。
  2.1 Kinetiks  3000
  Kinetiks  3000 装置如图 9。使用的气体为氦/氮混合气,氦气由 Linde 公司研发的循环装置提供,并采用膜过滤净化,纯度可达 99.5%,氮源采用液氮。送粉器采用商用高压送粉器。喷嘴为圆形标准的 De Laval 喷嘴,如 Type 27 标准喷嘴,超音速段长~76mm,气体加热器可达 600℃。
  2.2 Kinetiks  4000
  Kinetiks  4000 有三种型号:Kinetiks  4000/17(一级加热,加热器功率 17kW)、Kinetiks  4000/34(二级加热,加热器总功率 34kW)、Kinetiks 4000/47(二级加热,加热器总功率 47kW)。Kinetiks4000/47 装置(图 10),与 Kinetiks  3000 相比有重大改进。首先,喷嘴改为特性曲线形(Method ofCharacteristics):Type 24 MOC,其超音速段为钟型,并加长到 170mm;第二、前置室由 20~30mm 加长到 130mm 左右;第三、加热器由单一加热器改为二级加热器,第一级加热(30kW)气体温度到~420℃,第二级加热器直接与前置室相连,仅需17kW 功率可将气体温度加热到 800℃。另外,Kinetiks  4000 Comfort 送粉器(图 11),操作十分简便,不需任何工具拆卸装配,添加粉末只需 2~3分钟,清理与更换新粉末在 10~15 分钟内完成。
  F. Gartner 等[28]采用直径~20μm 的球形铜颗粒及 N2气作载气,对标准 27 型喷嘴(图 9.c)及 MOC喷嘴(图 10.c)进行对比试验,其结果如图 12 所示。在相同的气体(N2)温度条件下:由钟形 / MOC喷嘴喷射,Cu 颗粒速度达到 580m/s,而标准喷嘴喷射 Cu 颗粒速度为 500m/s。已知,Cu 颗粒沉积的临界速度为 550m/s 以上。当氮气温度提高到 600℃时,Cu 颗粒速度增加到 670m/s。温度高时用WC-Co 钟形喷嘴可避免喷嘴内壁壅塞。粉末颗粒速度增加,带来的好处:(1)增加沉积效率(DE)从 60%提高到 90%;(2)可采用较大尺寸的颗粒如~38μm 直径的铜粉末,沉积效率仍然达 90%。图 12 是使用标准喷嘴和钟形 MOC 喷嘴时,气体预热温度与颗粒最终速度之间关系的计算机模拟结果(以 20μm 的 Cu 颗粒计算)。图中的箭头表示经优化设计并用烧结的 WC-Co 制作的 MOC 喷嘴可以获得的速度提升。
  2.3 Kinetiks  8000 与 Kinetiks  2000
  2.3.1 Kinetiks  8000
  Kinetiks  8000 是 CGT 公司于 2009 年夏季推出的产品(如图 13 所示),工作气体温度进一步提高到 1000℃,并采用双送粉器。与该系列之前的装置相比,Kinetiks  8000 能够获得更高的沉积效率(DE)、更宽的可喷涂材料范围,明显提高了涂层质量,也减少了成本,并保持优良的可靠性和安全性。例如,该装置以N2作载气喷涂纯钛(含0.13%O,0.014%N),当气体压力为 40bar(4MPa)时,涂层拉伸强度(TCT)随气体温度增加而提高,温度在1000℃时涂层强度达到 300MPa(图 14 所示)。涂层气孔率低到 0.13%,对涂层力学性能的影响可忽略不计。
  2.3.2 Kinetiks  2000
  Kinetiks  2000 为高压便携式装置,手提喷枪、采用氮气作载气、气体温度最高达 400℃、压力最高达 20bar(2MPa)、加热器与枪体直接相连,如图 15 所示。喷嘴有标准的 27 型、24 型(碳化钨喷嘴)及 33PBI 型(聚合物)喷嘴。适合于现场修复,如部件或装置局部腐蚀、划伤等的修复。纵观 CGT 从 Kinetiks 3000、4000 到 8000 冷喷涂装置系列产品可清楚看出,一个重要的改进方向是努力提高气体的温度。这是因为,从气体动力学可知,气体速度(gv )与气体温度呈正比关系1/2(/)gwv =γRTM式中,γ 为气体的比热比(He 为 1.66,N2与空气为 1.44), R为气体常数( 8 .314J/(mol  K)),T 为气体温度,wM 为气体分子量。当载气的种类确定后,唯一可改变速度的因素是温度。另外,颗粒(pv ) 是由高速气流载带和拖曳而被加速的(pDgv =C v,CD为拖曳系数)。因此,提高气体温度最终达到了提高颗粒速度的目的。W. Wong及合作者[29]的实验证明,提高载气温度可有效提高喷涂的沉积效率(DE)和减少涂层的气孔率(表 1所示)。
  T. Schmidt 及合作者[30]实验证明,加长前置室显著提高了颗粒温度,如图 16 所示。而颗粒温度提高则有利于颗粒塑性变形进而提高涂层质量。图 16(a)是气体和颗粒通过前置室与喷嘴不同位置时的温度(N230bar,600℃,Cu 颗粒尺寸:5μm 与 50μm)。图 16(b)是气体和颗粒通过加长前置室与喷嘴不同位置时的温度(N230bar,600℃,50μm 的Cu 颗粒),由图可见,经加长前置室喷嘴的颗粒温度显著高于标准前置室颗粒温度。
  3 粉末加热冷喷涂装置
  Alkhimov[14]1990 年即指出,只有当冷喷颗粒速度达到临界速度才能形成涂层,2003 年 Assadi及合作者[31]提出了临界速度(Vcrit)的半经验式:critmuiV = 667  14ρ+0.08T+0.1σ 0.4T其中,ρ 为颗粒密度,mT 为颗粒熔点,uσ 为颗粒强度,iT 为颗粒温度。从上式可知,颗粒温度提高可有效降低临界速度。
  韩国汉阳大学及浦项焊接中心合作[32-35]发展了粉末加热冷喷涂装置,如图 17。这一改进十分简单,仅在经典冷喷涂装置的送粉器与喷嘴间增加一个加热器即可,但对涂层质量有显著改善。Bae 及合作者[35]的实验结果如表 2 所示,颗粒预热600 °C ,气孔率由 9.5%降低到 ≤ 1%,沉积效率从85%提高到 92%。可用廉价氮气取代昂贵的氦气实现高质量 Ti 等涂层的制备。Yoon 及合作者[33]用粉末加热冷喷涂装置制备镍基合金(NiTiZrSiSn),同样显著提高了涂层质量,如图 18 所示,图中扁平率可以反映出颗粒的应变程度(pppε= 1 hd,dp-原料粉末颗粒直径,hp-粘结颗粒定型后颗粒高度,hp/dp即扁平度)。显然,颗粒预热显著提高了塑性变形、降低了气孔率,提高了结合强度。因此,粉末加热冷喷涂是值得推荐的方法。
  4 低压冷喷涂装置(LPCS)
  俄罗斯奥布宁斯克粉末喷涂中心(OCPS)Kashirin 等研发成功低压冷喷涂装置[37],以商品DYMET 推向市场,如图 19 所示,并与加拿大Centerlin Windsor 公司签署协议,限该公司在北美市场销售。该装置主要是送粉位置在喷嘴喉部下游超音速段径向射入,该部位处于部分真空状态,从而实现低压(0.5-1.5MPa)送粉,其余部分与经典的 De Laval 喷嘴相同。由于气体压力低,气流速度降低,气体与颗粒双相流中颗粒体积浓度增加,高压冷喷涂中固相含量在 10-5-10-6范围,而低压冷喷涂增加到 10-4~10-5,即气体粉末载荷的体积浓度门槛值提高,故气体的消耗量可显著减少(0.2~0.3m3/min),而高压轴向送粉时为 1.3m3/min,即可节省气体 4~6 倍。所用空气压缩机体积与重量减少,有利于便携式冷喷涂装置微型化,并且更安全可靠,便于移动,适合于现场操作,特别是对大型部件的现场修复。但低压冷喷涂局限于塑性变形阻力小的金属及这类金属基的复合材料。对镍基合金、MCrAlY 等的喷涂有困难。Centerline Windsor公司的 SST 部,研发了新的送粉器和超小型手提式装置如图 20 所示。
  5 激光辅助冷喷涂(Laser-assisted Cold Spray, LACS)
  英国剑桥大学工业光学中心[38-40]研发了激光辅助冷喷涂装置,原理示意如图 21 所示,其特点是省略了经典冷喷涂装置中的气体加热系统,代之以能量可控的激光加热系统。从能量消耗角度看,一般冷喷涂加热功率需 45kW,而激光加热所需功率≤1kW,极大地节约了能源。Bray 及合作者[40]就激光辅助冷喷涂(LACS)、冷喷涂(CS)、等离子喷涂、激光熔覆和 HVOF 进行比较,结果列于表 3。与 CS 相比,利用 LACS制纯 Ti 涂层的沉积效率(DE)与气孔率具有明显优势,而且 LACS 气体消耗量远低于 CS。对易氧化的钛等金属可制备氧含量极低的涂层。激光辅助冷喷涂还适用于遮蔽选区喷涂。
  Kulmala 及合作者[38]就激光辅助低压冷喷涂(LALPCS)、低压冷喷涂(LPCS)、HVOF 喷涂纯Cu 涂层与块体 Cu 及低碳钢 52#作对比。在3.5wt%NaCl 溶液测定开路电位,结果如图 22 所示。激光辅助低压冷喷涂铜涂层(加热温度 650、700、800 °C )的自然腐蚀电位与块体铜接近并稍高于块体铜,表明涂层致密;而低压冷喷涂铜涂层自然腐蚀电位负移约~500mV,表明涂层多孔,耐蚀性低。
  6 脉冲冷喷涂装置(Pulsed Cold Spray,PCS)
  加拿大渥太华大学冷喷涂实验室[41-44]研发了脉冲冷喷涂工艺,也称脉冲气体动力喷涂(Pulsed Gas Dynamic Spray,PGDS),装置示意如图 23(a),高压气体经调节阀(R)进入带加热器的储气罐(ReS)达设定温度后,开放进气阀 V1关闭 V2,待惰性气体充入冲击波发生器(即驱动段)、产生一定频率的压力波(CW)合成为冲击波(SW),关闭 V1稍后开放 V2使冲击波进入喷枪,同时开放送粉器阀门 Vf,被加热的粉末进入喷枪的驱动段,产生高速、中温的双相流。V2与 Vf自动阀门由计算机控制协调一致,开关一次为一脉冲。脉冲循环如图 23 的 b-e 所示,其中,图 b-初始状态,阀门关闭,装置分为冲击波发生器(4 区)及喷枪(1 区),4 区为高压区,1 区为大气区;图 c-当阀门开放瞬间冲击波冲向 1 区;图 d-在冲击波发生器(4 区)气体发生膨胀,形成第 1 与第 2 膨胀波,在第 2 膨胀波与冲击波界面间形成膨胀波区(3 区)及携带固体颗粒区(2 区),冲击波(SW)迅速向 1 区推进;图 e-在冲击波发生器(4 区),陆续产生第 2、第 3 膨胀波,使 3 区与 2 区扩大推向喷枪出口,这时 2 区的状态取决于初始状态(b)设定的 1 区与 4区压力比(P4/ P1)。Yandouzi 及合作者[43]用该装置喷涂 Al-12Si 合金及碳化硅颗粒增强 Al-12Si 复合材料涂层,结果如表 4 所示,用脉冲冷喷涂制备 Al-12Si 合金与 SiC颗粒增强的复合材料涂层,SiCP含量比经典冷喷涂涂层中明显增高,且随原料粉末中 SiC 含量增加而增加。两者涂层 SiC 含量差增大,表明 P-CS 喷涂含硬颗粒复合材料涂层沉积效率优于 CS。
  Yandouzi 及合作者[44]采用 CS 与 P-CS 两种装置喷制WC-12Co及WC-10Co-4Cr两种复合材料涂层进行对比,结果如表 5 所示,P-CS 制备相同成分涂层,而硬度高和气孔率低,意味着涂层的抗磨损性优于 CS 工艺喷涂的涂层。
  7 静电辅助冷喷涂(EACS,Electrostatic-force Assisted Cold Spray)
  美国的威斯康星大学 Tien-Chien Jen 与重庆大学合作[45-47]在冷喷涂的 De Laval 喷嘴出口与基体之间加一高压(~80kV)静电场,示意如图 24,目的是克服传统冷喷涂工艺过程在基体表面附近产生的弓激波(Bow Shock)对颗粒减速的作用,特别是对纳米级颗粒的减速作用。对铜(Cu)、铂(Pt)、碳(C)粉末模拟计算得出如下结论:无静电场情况弓激波可将气流速度及纳米颗粒速度降到接近零;而当外加静电场时可使纳米颗粒加速,颗粒所带电荷密度越高加速作用越强。当纳米颗粒(~20nm)带有电荷密度 9.6×1073Cm   (5000基本电荷单位)时,颗粒速度可达 2000m/s[47]。显然,这一结果是非常令人感兴趣和具有吸引力的,但迄今为止尚无实验结果给予验证,这可能是获得稳定的高电荷密度的纳米金属颗粒流存在较大的技术困难,期待能克服这一困难取得进展。
  8 其它
  本文之所以将下列技术列为“其它”的喷涂技术,是因为有的文献将下述技术称为“冷喷涂”,但实质上又与经典的冷喷涂有着明显的区别,不能仅因为喷涂温度较低一个条件而定义为冷喷涂。
  8.1 温喷(Warm Spray)
  日本国立材料科学研究所Kawakita及合作者[48-53]对 HVOF 装置进行改进,如图 25 所示。其中图 25.a为典型HVOF(JP-5000),图25.b 为改进的SC-HVOF。在燃烧室与粉末射入口之间增加第二气体混合室,再向混合室中充入冷的氮气降低燃气温度,通过控制氮的充入速率而控制混合气体温度,达到粉末颗粒具有高的速度与一定温度,原作者称为温喷。温喷纯Ti 涂层,气孔率0.5vol%;温喷Ti-50wt%ZrO2-SiO2,气孔率为0.65%。查柏林及合作者[53]用这种方法喷铜涂层,导电率为块体Cu 的0.5~0.75。温喷工艺是对 HVOF 工艺的改进,温喷涂层的气孔率与氧含量优于传统的 HVOF 涂层。但该工艺先耗能得到高温,再耗氮降温,从节能角度看并不理想。
  8.2 溶液前驱体等离子喷(SolutionPrecusor Plasma Spray,SPPS)[54-57]
  将待喷涂的材料制成水溶液,即前驱体,喷射于等离气炬中,前驱体在高温等离体中水分蒸发,前驱体氧化,如制备 ZrO2(Y2O3)热障涂层。这种方法制备的 ZrO2(Y2O3)涂层有细的孔和垂直表面的微裂纹,提高陶瓷层的应力容限,抗热震性提高 2.5 倍。
  侯根良及合作者[56]及李其连与合作者[57]用这种方法制备 TiO2及 La2O3-Y2O3-ZrO2涂层,这种方法早期称为溶液陶瓷法。
  8.3 气浮微粒沉积法(Aerosol Deposition Method,ADM)[58-70]
  Hayashi[59]为满足微电机系统(MEMS)(如:微全分析系统(μ-TAS)、医学显微操作系统、燃料电池、显示部件等)的需要制备厚( > 5μm)的陶瓷和金属涂层,研发了超微粒气体喷射(UFP-GS)方法。该方法要求喷涂颗粒为纳米量级( ≤ 70nm),在室温低压下,采用 H2、Ar、N2作为工作气体,成功地在金属、玻璃等基板上沉积 Ag、Fe、Ni、Al 及 TiN 等涂层,该文认为其沉积机制属冶金类的“低温冲击烧结”。
  明渡及合作者[60]在上述装置的基础上研发了喷射造型系统(Jet Molding System,JMS),如图27 所示,该装置既可沉积陶瓷(如 RuO2)涂层、又可沉积金属(如 Au、Ag、Cu、Ni、Cr 等)涂层。既可自由成形,又可镶模造型(insert-molding)以及掩蔽沉积。而后又建立了气浮微粒沉积法(ADM),如图 28,它适合沉积陶瓷材料。在室温和低压下喷涂α-Al2O3厚度达100μm,沉积速率1~3μm/min。沉积压电陶瓷 PZT(Pb(Zr0.52Ti0.48)O3),涂层密度为理论密度的 95%。表明涂层存在气孔率以及力学性能较低,所以该工艺局限于对力学性能要求不高的功能涂层,其优点是可精确控制涂层涂图样和尺寸,非常适合于微机电系统的元件制备。
  Fan 及合作者[69-70]建立了这种装置,喷制了TiO2涂层,称为“真空冷喷涂”。明渡(Akedo][65]为了阐明 ADM 工艺与冷喷涂(CS)和静电颗粒撞击沉积(EPPD)和气体沉积(GD)、超声速等离子颗粒沉积(HPPD)以及簇基离子束(CIB)技术等方法的区别,绘制了图 29。
  有图可以看出:ADM 工艺的必要条件是粉末颗粒为纳米量级,当颗粒尺寸小到纳米量级时,它的速度与载带气体速度基本相同。而冷喷涂则不能喷涂纳米颗粒,其原因在于基体前存在弓激波的压缩层对纳米颗粒有显著的减速作用(可减速接近零)。
  而 ADM 则不存在弓激波,且可以用最轻但易燃易爆的氢气(H2)与分子量重的氩气(Ar)等气体作载气。冷喷涂则完全不能用这两种气体。显然,将ADM 法称为真空冷喷涂并不恰当,易引起混淆。但确有真空(低压)冷喷涂装置,它是 E.Muehlberger[71]发明的(如图 30 所示),它类似于真空(低压)等离子喷涂技术。将超音速喷嘴(12)置于真空壳体之中,或将喷嘴(26)安放在真空容器壁上。显然,后一种设计可将气体加热和机械手等辅助设备均设在真空室之外,更易于维修操作。
  该装置主要由真空室和排气(抽真空)系统及供气系统组成,真空室中气体压力从<380Torr 到0.0076Torr,这里不再详述。真空(低压)冷喷涂的优点是可以廉价氮气和较低的气体压力(0.1~2Mpa)获得高的速度,如当气体加热到 550K 时,气体速度可达 1520m/s,且粉末易于回收再利用,金属粉末不吸附任何气体,完全不氧化,工作室中无粉尘和噪音。但其缺点是工件尺寸受限制,而且难于连续生产,所以并未见到推广应用。
  9 结束语
  关于冷喷涂,原始发明人 A.P. Alkhimov 等将其命名为冷气动力喷涂(CGDS,Cold Gas Dynamic Spray),后简化为冷喷涂(CS,Cold Spray)。在文献中有一些其它的称呼:动力喷涂(KS,Kinetic Spray ), 动 力 金 属 喷 镀 ( DYMET , Dynamic Metallization)或(KM,Kinetic Metallization)及超 音 速 颗 粒 沉 积 ( SPD , Supersonic Particle Deposition)等,多种名称对检索和初学者带来不便,如涉及知识产权(IP),从技术内容可以判断,名称差异并无实质意义。科技界应达成共识采用统一的术语,本文支持采用冷喷涂(CS)。
  另外,本文第 IX 节提及的温喷(WS)、溶液前驱体等离子喷涂(SPPS)和气浮颗粒沉积法(ADM)与经典的冷喷涂有着明显的区别,本文认为应以文献惯用名称,并尊重原创人的命名权,不赞同将上述技术称作冷喷涂。冷喷涂装置与应用的专利数目众多,2008 年Irissou 及合作者[72]提到已获批准冷喷涂发明专利78 项,实用新型专利 174 项,该文在这方面做了评述。
  冷喷涂传统装置分为高压与低压两类型,皆源自俄罗斯。(1)高压冷喷涂源自俄罗斯科学院西伯利亚分院理论与应用力学所(ITAM.SB.RAS),由A.P. Alkhimov,V.F. Kosarev,A.N. Papyrin,S.V.Klinkov 自 1985 年研究至 1990 年公开发表。在该发明基础上,德国 CGT 公司的 P. Richler,Linde公司的 P. Heinrich 与汉堡联邦陆军大学的 H. Kreye联合研发了 Kinetiks 系列装置。在美国有 SNL,ASB 工业公司,Ktech 公司及 Inovati 公司的 InovatiKM-MCS,KM-CDS 系统等。(2)低压冷喷涂源自俄罗斯奥布宁斯克粉末喷涂中心(OCPS),由 A.I.Kashirin,O.F. Klyuev,A.V. Shkodkin,T.V. Buzdygar等研发,向市场推出 DYMET 装置,并与加拿大Centerline Windsor 公司签署协议,由其在北美市场销售。该公司的 SST 部后来研发了台式、手提式及超微型手提式装置(Centerline SSM,Ultra-PortableSystems)。近年来,不同专业的科学家利用其专业知识研发新的冷喷涂技术和装置,如本文前述的激光辅助冷喷涂等,是十分可喜的趋势,学科交叉必将有力的推动冷喷涂技术向前发展。
   参考文献略

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