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冷喷涂技术的工艺特点综述

时间:2013-09-25 08:55:36  来源:河南科技  作者:李 帆

  摘 要:冷喷涂技术是通过把具有一定塑性的细小粒子用压缩气体超音速流喷射到基板靶体,粒子经过强烈的塑性变形而发生沉积形成涂层。本文介绍了冷喷涂技术的工艺特点,阐述了冷喷涂技术工艺参数对涂层质量的影响情况。
  关键词:冷喷涂技术; 沉积机理; 工艺特点
  
  1 冷喷涂技术的原理
  冷喷涂技术是相对于热喷涂技术而言的新型技术,其原理是利用高压气体携带粉末颗粒从轴向进入喷枪产生超音速流,完全固态的粉末颗粒经过加速后去撞击基体,撞击后因为塑性变形严重,产生沉积现象,最后在基体的表层产生涂层。冷喷涂过程是在温度较低的环境下完成的,驱动力不足以使喷涂粒子发生相变,粒子的晶粒不容易长大,氧化现象不容易发生,,所以特别适合于喷涂纳米相材料、非晶材料、氧敏感材料、相变敏感材料等温度敏感材料。
  2 关于冷喷涂工艺参数的研究
  粒子的粒子撞击基体的速直接决定粒子会不会产生塑性变形。冲蚀现象的产生就是因为粒子速度低于了临界速度; 反之,如果粒子速度高于其临界速度就会发生塑性变形并沉积于基体表面形成涂层。不同材料有着不同的临界速度. H,Assadi等构建了理论模型,以此来形象地表达喷涂工艺及材料的特征及对临界速度的影响并为影响因素总结概括成一个公式:
  Vσ= 667 - 14ρ0. 08Tm+ 0. 1σU- 0. 4Ti
  式中 ρ 为粒子密度,单位 kg/m3; σu为粒子极限强度,单位MPa; Tm为粒子熔点,单位℃; Ti为粒子初始温度,单位℃。公式中各个参数之间的关系表明冷喷涂粉末能否形成涂层主要取决于颗粒撞击基体的速度是否能够超过颗粒沉积所需的临界速度。由于粒子的速度直接影响涂层的质量,所以应主要研究能够对粒子速度产生影响的各种因素,如气体预热温度、气体种类、喷枪的结构等。这些因素都可以影响喷涂的质量和效果。因为这些影响都可以影响喷涂的质量和效果。对于这些因素主要一下几个方面。
  2. 1 气体的压力、温度、种类、送粉速率
  气体的压力、温度、种类是粉末颗粒能否达到临界速度的主要因素。典型的气体压力为 1. 5 -3. 5MPa. 粒子速度和气体压力的变化成正比。当气体压力不变的条件下,对气体使用预热器加热是提高粉末颗粒速度的有效方法。同时,气体温度的升高还将将粉末颗粒的温度得到一定程度的提高,从而加速撞击基体时塑性流动变形的产生。通常,气体的温度一般控制在 100 -600℃范围内。粒子的碰撞速度会随着气体温度的升高而增加,但幅度会逐渐缩小,并且如果粒子越小其碰撞速度越受到温度的影响。另外一种情况,若在温度和压力均相同的前提下,不同种类的气体会产生的速度差别较大。
  一般情况下,送粉速率应控制在 3 - 15kg/h。送粉速率过高,会增强粒子在喷管中的相互作用,制备涂层的质量较差,会产生局部过厚、涂层厚度不均匀、甚至是涂层脱落等情况。
  2. 2 喷枪结构、喷涂粒子特性、喷涂角度和距离
  制备冷喷涂涂层的沉积速度、均匀程度和有效喷涂面积与喷嘴出口截面形状之间存在重要关系。王晓放等人通过对冷喷涂射流流场的数值模拟,比对了不同喷嘴截面形状的流场特点。通过试验数据说明: : 制备面积较大的均匀涂层时应选用截面形状为矩形的喷嘴,因为在相同条件下,矩形喷嘴制备的涂层的性能优于圆型喷嘴制备的涂层。
  因为气体的粘滞系数和密度相对较小,气体对粉末颗粒的作用力有限,所以粉末颗粒不能太大; 但颗粒过小又将受到高速气流作用于基体表面产生冲击波的影响: 材料密度较大时,颗粒直径应相对选择小些,材料密度较小时,颗粒直径应相对选择大些,可以获得最佳的喷涂效果。通过理论计算和实验表明,10 -45μm 是较为合适的颗粒尺寸。因为气流对非球状颗粒的牵引系数更大,所以在相同状况的气流下加速,球状颗粒的速度小于非球状颗粒的速度。另外,影响喷涂组织的因素还包括颗粒表面的活性及氧化膜的性质。
  王晓放等人研究证明,假如粒子入射角度不断增大,那么侵彻深度会不断减少,粒子与基体的结合的强度会不断减弱。西安交大焊接研究所曾经做过有角度入射的铜粒子冲击铜基板的冷喷涂实验,在相同条件下得到与数值模拟相同的结果。通过实验结果证明,10 -50mm 的距离区间是较合适的冷喷涂喷射距离。如果需要提高气体和颗粒的速度,可以增加离开喷嘴喉部距离。此外,空气对超音速双向流的影响也比较大,可以改变其方向、温度和速度。
  2. 3 基板相对移动速度和基板性质
  冷喷涂过程在刚开始时有一个“准备”阶段,并不会立刻形成涂层,粒子在这个“准备”时间内撞击基板首先制造一个新鲜表面,这种类似于喷丸作用过程可以为后续粒子沉积到基板表面打下坚实的基础。由于存在“准备”时间,所以基板与喷枪之间的相对移动速度不能过快,必须保证足够的有效沉积时间,否则就会对涂层的质量产生影响; 另外一种情况,如果基板与喷枪之间的相对移动速度太慢,则很难控制涂层的均匀厚度。一般情况下,将相对移动速度控制在 2 - 25cm/s,可以得到均匀的组织。除此之外,对涂层的结合强度影响较大因素还包括基板的性质。以金属铝为例,其表面有一层很厚的钝化层,这个钝化层只有使用更大的碰撞速度才可以将其击碎,所以金属铝的喷涂临界速度比较大。因此,基板材料不同也会对粒子的临界速度产生影响。在利用冷喷涂技术时,需要考虑多种因素的影响,来选择科学的工艺参数取得最佳的喷涂效果。
  参考文献略

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