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冷喷涂技术的研究进展

时间:2013-07-30 09:57:29  来源:表面技术  作者:苏贤涌,周香林,崔华,张济山

  [摘 要] 冷喷涂是基于空气动力学原理的一种新型喷涂技术。它是利用低温(一般低于600e)超音速气体射流加速喷涂粒子,使粒子不熔化,以固态形式与基体发生塑性碰撞而实现涂层沉积。相比于热喷涂技术,冷喷涂可以避免材料在喷涂过程中发生过热、氧化、晶粒长大等现象,适用于非晶、纳米晶涂层的制备。介绍了冷喷涂技术的原理、特点、沉积机制和工艺参数,总结了冷喷涂纳米涂层的研究进展。
  [关键词] 冷喷涂;工艺参数;纳米涂层
  
  0 引 言
  冷气动力学喷涂法(CGDSM: Cold Gas Dynamic SprayMethod,简称冷喷涂)是近几年发展起来的新型喷涂技术。20世纪80年代中期,前苏联科学院西伯利亚分部(SDRAS)的A.N. Papyrin等人,在进行超音速风洞负载颗粒流对宇宙飞船侵蚀现象的观测实验时,偶然发现,当速度超过某一临界值时,固体颗粒将沉积在靶材的表面。基于这一现象,他们在1990年提出并开发了冷喷涂工艺[1]。20世纪90年代中后期,在美国国家工业科学中心(NCMS)的赞助下,A.N. Papyrin及其合作者建立了冷喷涂系统,并做了一定的基础研究。同时,德国汉堡武装部队大学的H.Kreye教授领导的课题组也对冷喷涂工艺的理论、模型及喷枪的设计等进行了研究[2-4]。
  2000年,在加拿大召开的国际热喷涂会议上组织了专门的冷喷涂讨论会。由此,在国际上引起了广泛的关注,并于2002年9月在美国举办了冷喷涂技术的专门会议。
  1 冷喷涂技术的原理和特点
  冷喷涂技术的原理如图1所示[3],利用经过一定低温预热的高压气体携带粉末颗粒进入缩放喷管(Laval nozzle)产生超音速两相流,粉末颗粒经过加速后以固体状态撞击基体,产生剧烈的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。冷喷涂工艺的工作气体多使用N2、He或压缩空气,气体预热温度一般为100 ~600e,气体压力一般为1. 5~3. 5MPa,粉末颗粒尺寸为5 ~50Lm,加速范围为500~1200m /s,喷涂距离为5~30mm。
  不同热喷涂方法的颗粒速度和气体温度如图2所示,相比于各种热喷涂工艺,冷喷涂作为一种低温喷涂方式,具有以下优点[5-7]:
  1)喷涂加热温度较低,颗粒基本上没有氧化、烧损和晶粒长大现象。适用于纳米晶、非晶等对温度敏感材料, Cu、Ti等对氧化敏感材料,碳化物复合材料等对相变敏感材料的喷涂;
  2)涂层对基体的热影响小,使涂层与基体之间的热应力减少。涂层之间的残余应力小且主要为压应力,有利于获得较厚的涂层;
  3)喷涂效率高,涂层致密,气孔率低;
  4)喷涂粉末可以回收再利用。
  2 冷喷涂涂层沉积机制
  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.Assadi等人[3]提出了/金属冶金结合机制0,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[8]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Ke-lvin-Helmholtz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[9]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。
  未完待续


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