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冷喷涂技术及其在零件修复与功能涂层制备中的应用

时间:2013-12-11 20:37:20  来源:焊接技术  作者:王存龙, 杨 森, 马 冰, 冯胜强

  摘要: 通过与常规热喷涂工艺的技术特点的对比, 介绍了冷喷涂技术的特点, 重点对其机理以及工艺的关键技术进行了阐述, 在此基础上介绍了国内外在零件修复与功能涂层制备方面的研究进展, 并对冷喷涂工艺的发展趋势与应用前景进行了展望。
  关键词: 冷喷涂; 临界速度; 零件修复; 功能涂层
  
  0 序言
  冷喷涂 (Cold Spray, CS) 又称冷空气动力学喷涂 (Cold Gas Dynamic Spray, CGSD), 是 20 世纪80 年代中期由前苏联科学院西伯利亚分院理论和应用研究所的 Papyrin 教授及其团队在做气体和固体颗粒超声二相流风洞试验时首次发现的。 科学家们发现在接近或是室温的条件下, 金属粒子以超音速撞击基体可以和基体粘结, 打破了金属和金属结合必须通过高温加热的办法才能结合的观念。 他们在各类基体材料上成功地沉积了纯金属、 合金和复合材料, 验证了冷喷涂工艺的可行性[1-2], 此后 , 美国和德国开展了大量的冷喷涂技术研究和应用开发。 最近几年, 研究机构遍布全球, 主要有美国的 ASB 公司、 Rus Sonic Tec 公司、 德国的 CGT 公司、 欧洲航空研究院 (EADS)、 英国的诺丁汉大学和剑桥大学、法国的原子能委员会和巴黎矿业学校、 日本的 Shin-shu 大 学 、 韩国的 Hangyang 大学 、 澳大利亚的CSIRO、 加拿大的温莎大学、 我国的西安交通大学、中科院金属所、 兵科院宁波分院、 上海宝钢以及沈阳黎明发动机厂等高校、 科研机构以及国有企业。
  目前, 冷喷涂技术已经设备商业化、 技术实用化。各类技术应用研发大量开展, 应用于表面保护涂层和功能涂层的制备、 失效损坏零件的修复以及部件制造。 本文结合冷喷涂特点、 机理及其工艺关键技术, 综述冷喷涂技术在零件修复和功能涂层制备领域的应用现状。
  1 冷喷涂技术特点与机理
  热喷涂工艺的演变规律是粒子被加热和提速不断向高能高速发展, 即提高焰流温度和颗粒速度。如等离子喷涂技术 (APS) 可使焰流温度达 15 000K, 超音速火焰喷涂 (HVOF) 提高了颗粒在火焰中的飞行速度, 以上二者均解决了难熔金属材料和陶瓷材料的熔化问题。 然而, 热喷涂工艺由于温度超过材料熔点产生了一系列问题, 局限性在于高温熔化涂层材料而产生的氧化、 晶化、 气体等离子效应等。
  冷喷涂完全可以避免热喷涂中问题的发生, 其主要有以下几大优点: 喷涂形成的涂层是压应力状态, 形成的压缩表面残余应力可以提高对疲劳或脆性开裂的抗力; 涂层致密度高, 接近理论密度, 微观组织类似锻造组织结构; 喷涂过程中粒子束流密度高而且非常细窄, 易于控制涂层形状, 同时易于生成较厚涂层; 对于喷涂温度敏感材料如纳米材料和非晶材料、 相变敏感材料如碳化物以及易氧化材料如铝、 铜和钛, 冷喷涂技术是理想的工艺[3-10], 具有独特优势。
  冷喷涂是高压气体 (工作气体) 和携带粉末颗粒的气体 (载气) 一起进入拉瓦尔管后, 产生超音速射流, 在完全固态下, 粒子撞击基体表面, 发生强烈塑性变形而形成涂层。 由于整个过程粒子温度低于其熔点, 因而称之为冷喷涂。 其工作原理如图 1所示。
  Papyrin 研究了颗粒在各种速度下与基体材料碰撞的规律, 建立了冷喷涂工艺的基本物理原则: 即粒子在大于临界速度下撞击基体时, 才可以沉积在基体上。 这打破了人们当时普遍认为的规律, 即颗粒只有在高温熔化状态才能形成涂层。 从物理学角度看, 冷喷涂与热喷涂的关键区别在于冷喷涂粒子是以固态形式在基体材料形成涂层, 虽然为了使粒子获得高速要对载气进行预热, 但温度低于粒子的熔点[11]。
  研究表明, 固-气二相流在与基体材料碰撞时会有 3 种类型: 速度较低时, 颗粒从基体反弹回来;速度高于临界速度 Vc但小于侵蚀速度 Ve时, 粒子与基体结合; 速度超过侵蚀速度时, 粒子对基体形成冲蚀作用。 因此, 粒子速度是冷喷涂技术主要的因素, 直接影响沉积效率和涂层质量。 表 1 给出了冷喷涂常用粉末材料的临界速度。 由表 1 可以看出,不同材料的临界速度也不尽相同。 由于临界速度越高, 喷涂难度越大, 所以, 在表 1 给出的几种材料中, Al 的喷涂难度最大。
  2 冷喷涂工艺的关键技术
  冷喷涂工艺中, 典型的参数见表 2。 其中, 颗粒速度是决定冷喷涂涂层质量的主要工艺参数。 较高的颗粒速度能获得较高的沉积效率。 颗粒尺寸、 喷枪结构、 气体特性通过影响颗粒速度控制涂层质量和性能。 小直径颗粒、 较大长度的喷嘴可获得较高的速度, 使用氦气比氮气能获得较高的速度, 随着气体温度和压力升高, 颗粒速度也会提高。
  气体的压力决定了粉末的临界速度, 而临界速度的大小对涂层的致密度有着直接的影响。 因为涂层中气孔的形成主要是变形粒子间的不完全重叠造成的, 如果粉末速度没有达到使该粉末完全铺展于基体上的临界速度, 就会在粉末的重叠过程中变形不充分, 造成不完全的重叠, 从而形成孔隙。 而冷喷涂又不像热喷涂那样, 在粉末到达基体表面以前,已经处于半熔化状态而利于粉末的沉积。
  气体的温度与气体的压力同样重要。 在气体压力一定的条件下, 通过预热气体, 能使气体得到充分地膨胀, 进一步提高粒子的速度。 但随着气体温度的升高, 气体的密度和黏度会相应地降低, 导致气体对粉末的拖拽力有所减小。 另外, 气体温度太高会使颗粒加速氧化, 从而影响涂层质量。
  根据分子运动学原理, 气体的载气能力与其比热比 γ 有很大关系, 即气体的 γ 值越大, 该气体的载气能力越强。 而气体比热比 γ 与分子自由度 n 有关。
  3 冷喷涂技术在零件修复与功能涂层制备中的应用
  目前, 冷喷涂技术广泛应用于机械、 化工、 矿山、 电子、 印刷、 航空、 生物医学等领域。 研究表明[13-16 ], 冷喷涂技术可沉积的材料包括纯金属 Al,Zn, Cu, Ni, Ti, Ag, Co, Fe, Nb, 高温合金以及高硬度的金属陶瓷等用于制备金属涂层、 金属陶瓷涂层以及有机涂层。 这些涂层不仅可用于有缺陷零件的修复, 而且可进行快速近净成型制造。
  3.1 零件修复
  零件修复属于表面再制造过程, 经测试验证,冷喷涂工艺是一种具有显著成本效应并且环境友好的技术, 极具发展潜力。 首先, 零件不需要预热并且在修复过程中受热很小; 其次, 修复的效率较高,且速度快; 最后, 涂层与基体结合强度高, 涂层较致密, 且具有良好的冲击韧度。 目前, 报道较多的为通过 Al 及其合金涂层修复航天飞机固体燃料火箭推进器、 飞行器结构中的部件、 密封外壳燃气轮机以及通过 Cu 涂层对钢厂中结晶器的修复。 此外, 冷喷涂还可用于涡轮盘、 活塞、 汽缸、 阀门、 环件、轴承、 泵零件、 套管等零件的修复[17-20]。
  在防务领域, 美国陆军实验室拥有数台高压固定冷喷涂系统和便携式冷喷涂系统, 美国海军航空兵军事基地建立了冷喷涂验证实验室, 承担海军旋翼飞机的修复任务。 美国陆军实验室利用 Centerline公司的 SSM-P3300 便携式冷喷涂系统, 通过喷涂纯铝, 成功修复了有腐蚀凹陷和机械磨损 7075-T6 铝合金零件。 该实验室还对旋翼飞机使用镁合金组件的大型传动装置和变速箱进行了修复。 经考核验证,修复成本远远低于制造一个新零件的成本。 此外,加拿大的国家研究委员会 (National Research Coun-cil, NRC) 已成功对腐蚀后的直升机铝合金桅杆支座进行了冷喷涂铝修复的研究。
  3.2 功能涂层的制备
  采用冷喷涂工艺既可以制备导电、 导热、 防腐、耐磨等常规保护涂层, 也可以制备非晶及纳米涂层[21-23]、抗菌及光催化涂层[24-28]、 生物医用涂层等特殊功能的涂层。 典型的保护涂层如: 抗高温 MCrAIY 热障涂层[29-36], 抗氧化的GRCop-84涂层 , 在石油和汽车工业中使用的耐腐蚀的铝和锌涂层。 典型的功能涂层如: 高电导率的铜或银涂层, 具有除菌效果的 HA-Ag/PEEK 涂层, 可用于医学领域的 HAP 涂层等[37-38]。
  美国陆军研究所 (Army Research Lab, ARL)在 ZE41A, AZ31B, AZ91D 镁合金表面沉积耐腐蚀涂层, 以提高部件抗腐蚀性能。 选用材料为纯铝、铝硅合金Al-12Si和铝镁合金5056[39-42], 结果表明, 在镁合金基体上喷涂 Al 涂层, 其孔隙率低于 0.5%, 结合强度高于 60 MPa, 并且具有很好的耐腐蚀能力,中性烟雾腐蚀试验可达到 2 400 h。
  Ajdelsztajn L等学者[43]将粒度为20~30 nm的 5083铝合金粉末利用冷喷涂技术喷涂于铝合金基体上,试验结果显示: 原料粉末中的纳米晶粒结构在冷喷涂后很好地保留了下来, 并且纳米涂层的显微硬度(HV261) 比经过冷加工所得到的铝合金基体的显微硬度 (HV104) 要高出很多。
  4 发展趋势与展望
  根据冷喷涂技术特点以及迄今研究成果, 冷喷涂技术可以制备导电、 导热、 防腐蚀、 耐磨损等涂层及功能涂层, 且可以对很多工业零件进行修复。近几年来, 在热喷涂领域作为一种新的工艺受到广泛关注。 目前, 随着冷喷涂系统专利保护的到期,其设计与制造将更加商品化, 并向工业化应用的方向转变。 国外许多大公司已经开始使用冷喷涂进行生产, 涉及一般工业到军事应用。 为此, 冷喷涂的开发将在航空航天、 石油化工、 能源、 汽车、 电子、军事和其他工业得到更加广泛地应用。
  虽然冷喷涂技术具有上述诸多优点, 但是由于其起步较晚, 这项技术仍处于实验室研究阶段, 需要进行大量的产业化研究。 特别是在我国, 对于这项新技术的研究、 开发与国际先进水平还有很大差距, 需要科研机构和工业部门之间通力合作, 加大投入力度, 争取早日使这项新技术为国民经济和国防建设服务。
  参考文献略

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