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冷噴涂技術(shù)原理

發(fā)布時間：

2020-08-28 12:12

來源：

冷噴涂技術(shù)原理

冷噴涂技術(shù)（CS：Cold Spray），又稱為氣體動力噴涂技術(shù)，是指當具有一定塑性的高速固態(tài)粒子與基體碰撞后，經(jīng)過強烈的塑性變形而發(fā)生沉積形成涂層的方法。通常條件下，一般的概念是當固態(tài)粒子碰撞到某種基體后將產(chǎn)生固態(tài)粒子對基體的沖蝕作用。

通俗來講，冷噴涂技術(shù)不同于傳統(tǒng)熱噴涂（超速火焰噴涂，等離子噴涂，爆炸噴涂等傳統(tǒng)熱噴涂），它不需要將噴涂的金屬粒子融化，冷噴涂采用壓縮空氣加速金屬粒子到零界速度，經(jīng)噴嘴噴出，金屬粒子直擊到基體表面后發(fā)生物理形變。金屬粒子撞扁在基體表面并牢固附著，整個過程金屬粒子沒有被融化，噴涂基體表面產(chǎn)生的溫度不會超過150℃（加拿大材料科學院NRC技術(shù)不超過200℃）。冷噴涂原理如下圖所示。

冷噴涂過程中，高速粒子撞擊基體后，是形成涂層還是對基體產(chǎn)生噴丸或沖蝕作用，或是對基體產(chǎn)生穿孔效應，取決于粒子撞擊基體前的速度。對于一種材料存在著一臨界速度Vc，當粒子速度大于Vc時，粒子碰撞后將沉積于基體表面，而當粒子速度小于Vc時，將發(fā)生沖蝕現(xiàn)象（基體表面損壞，金屬粒子掉落）。Vc因粉末種類而異，一般約500～700m/s，具體見表1。因此，為了增加氣流的速度，從而提高粒子的速度，冷噴涂技術(shù)還可以將加速氣體預熱后送入噴槍，通常預熱溫度小于 600 ℃；同時為了獲得高的粒子速度與沉積效率，要求粉末粒子粒度及其分布范圍要小，一般為1～50um。

不同金屬粒子的臨界速度（m/s）

材料	銅	鎳	鐵	鋁
臨界速度	560~580	620~640	620~640	680~700

冷噴涂技術(shù)根據(jù)壓縮空氣的壓力不同，分為高壓冷噴涂和低壓冷噴涂，其中高壓冷噴涂使用的壓縮空氣為15個大氣壓（psi）以上，低壓冷噴涂使用的壓縮空氣為10個大氣壓（psi）以下。對比傳統(tǒng)熱噴涂技術(shù)，高壓以及低壓冷噴涂的技術(shù)有以下共同優(yōu)勢：

①可以用于噴涂多類別的、具有一定塑性的材料，獲得導電、導熱、防腐、耐磨等涂層等，比如純金屬鋅、鋁、銅、鐵、鎳、鈦等，不銹鋼、青銅等合金，也可以制備NICR基高溫合金等。

②冷噴涂粒子低溫而高速，可以避免粒子在加速與加熱過程發(fā)生的物理化學反應，適用于對溫度敏感（納米、非晶等）、對氧化敏感（Cu、Ti 等）和對相變敏感（金屬陶瓷）材料的涂層制備。

③對基體的熱影響小。被噴涂基體的表面瞬間溫度不超過150度，體感溫度為70度（具體溫度與噴涂粒子的速度、噴槍移動的速度有關(guān)），可以避免基體熱變形、材料組織發(fā)生破壞。

④可以在任何金屬、玻璃、陶瓷和巖石表面噴涂。

⑤噴涂致密性好，涂層厚度大，可以達到10mm以上。由于高速粒子經(jīng)過劇烈塑性變形實現(xiàn)沉積，涂層組織致密，并在涂層將產(chǎn)生較大的壓應力，可以制備厚涂層。

⑥金屬粒子可以回收。由于沒有經(jīng)歷明顯的熱過程，基本不發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的變化，未沉積的粒子，可以回收利用。

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