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1、冷喷涂工艺的进展及应用现状杨素媛,王静,郭启雯新技术新工艺冷气动力学喷涂法,简称冷喷涂,是近几年发展起来的新型、先进的表面涂层技术。热喷涂一般以等离子体、电弧、火焰等为热源,将粉末加热到熔化或半熔化状态,然后喷涂到基体上,这种高温有可能造成喷涂颗粒的氧化、毁伤、相变、蒸发、熔解或晶粒长大1。与热喷涂相比,由于冷喷涂是在较低温度下进行的,发生相变的驱动力较小,固体粒子不易氧化,晶粒长大现象也不易发生,因此可以对温度敏感材料(如纳米晶、非晶等)、氧化敏感材料(如Cu、Ti等)、相变敏感材料(如碳化物复合材料等)2-3喷涂。本文简单介绍了冷喷涂技术原理,综述了冷喷涂工艺参数对涂层质量的影响,并总结了
2、冷喷涂技术的工艺进展及应用现状。摘要:冷喷涂是近几年来发展起来的新型表面涂层技术。由于冷喷涂技术是在较低的温度下进行的,与其他方法制备的涂层相比具有很多的优势。本文介绍了冷喷涂技术的喷涂原理;系统阐述了冷喷涂工艺参数(如气体的压力、温度,喷射距离,基体温度等)对涂层质量的影响,这些工艺参数主要是通过影响颗粒的速度来实现对涂层性能的影响;分析了不同的工艺参数对涂层的沉积效率、孔隙率、显微硬度、结合强度、耐磨性以及抗腐蚀性等性能的影响;并对冷喷涂技术的国内外应用现状进行了总结和展望。关键词:冷喷涂技术;原理;工艺参数;应用1冷喷涂技术的喷涂原理冷喷涂是基于空气动力学原理的一种喷涂技术4,冷喷涂原理
3、图如图1所示。冷喷涂主要由高压气体缩放管、送粉器、气体加热器、喷枪(是利用拉瓦尔喷嘴原理设计的)等组成。高压气体经过一定温度的预热,携带粉末颗粒轴向送入气流中,与加热器加热的气体在缩放喷管(Laval nozzle)相遇产生超音速两相流,粉末颗粒以固体状态高速撞击基体,通过剧烈的强塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。2影响涂层质量的工艺参数在冷喷涂过程中,粒子的速度是冷喷涂技术的主要工艺参数。冷喷涂过程中,在粉末颗粒和基体材料一定的情况下,只有当粒子的速度达到一定的值时,才能使粒子碰撞后沉积在基体上形成涂层,这个速度称为临界速度,否则粒子会对基体产生喷丸或冲蚀作用。当粒子速度小于临界速度时,颗粒
4、被基体反弹,发生冲蚀现象;大于临界速度时,能实现沉积形成涂层;而当粒子速度远高于临界速度时,粒子则对基板产生侵蚀作用5。相对于其他热喷涂工艺,冷喷涂主要依赖于粒子的动能而不是热能,冷热喷涂粉末颗粒是否形成涂层主要取决于粉末颗粒撞击基体前的速度,所以当粒子以不同速度撞击基体表面时,会发生如下现象:被基体反弹、沉积在基体上或者穿过基体6。其他的工艺参数如滞止压力(喷枪室内压力)、气体温度、气体压力、粒子的大小及形貌、喷枪结构、喷射距离、角度与送粉速度、基体温度等通过影响颗粒速度实现对涂层质量与性能的影响7。本文主要研究工艺参数对涂层沉积效率、孔隙率、硬度、结合强度、腐蚀性能、耐磨性能以及其他涂层性
5、能的影响。2.1工艺参数对涂层沉积效率和孔隙率的影响孔隙率是涂层的重要性能指标之一。冷喷涂技术形成的涂层孔隙率较低,这是因为涂层是由变形粒子堆叠形成的,冷喷涂粒子速度较高,变形充分,减少了粒子间的不完全重叠现象,再加上后续粒子对前期涂层的连续冲击作用从而大大降低了涂层的孔隙率8。工艺参数的变化影响粒子的速度,而粒子的碰撞速度直接影响粒子的沉积效率,这是因为冷喷涂主要依靠颗粒的高速撞击而产生的强塑性变形来沉积涂层,粒子的速度越高,形成的涂层就越致密且质量较高。D.Zhang等9研究了在低碳钢基体上冷喷涂铝粉,研究表明,滞止压力、送粉速度以及基板与喷枪的相对运动速度对涂层的沉积效率和孔隙率具有一定
6、的影响;冷喷涂铝涂层时,当滞止压力(喷枪室内压力)增加时,涂层的孔隙率没有增加或是稍微增加,而涂层的沉积效率急剧增加。这主要是因为滞止压力是颗粒能否达到临界速度的关键因素,适当地增加滞止压力,有利于提高颗粒的速度,从而使冲击效果加强,涂层的沉积效率能得到很大的提高。送粉速度增加使沉积效率和涂层的孔隙率降低,这是因为送粉速率过高会导致粒子在喷管中的相互作用增强,粒子由于摩擦作用温度升高,有可能融化粘结在喷枪内,影响粒子在喷管中的速度,进而使沉积效率受到影响。当基体与喷枪的相对运动速度增加时,孔隙率和沉积效率都会降低,这是因为如果基板和喷枪的相对移动速度太快,颗粒不能有效地沉积在基体上形成涂层,而
7、且由于有效沉积时间较短,从而影响涂层的沉积效率和孔隙率。喷射距离与沉积效率有直接的关系,这是因为喷射距离的大小影响了喷涂粒子到达基体表面时的垂直速度。超音速双相流离开喷嘴以后,由于外界因素的影响,粒子的速度将发生变化,只有选择合适的喷射距离,才能使沉积效率得到有效的提高。喷射距离过大,不能使颗粒达到足够的动能以形成涂层,因而沉积效率会降低;喷射距离过小,粒子受到在基体和喷枪之间的冲击区域形成冲击波的作用,会降低粒子的速度,降低沉积效率。J.Pattison等人10也发现类似现象。如图2所示,喷射距离在60mm以内,沉积效率随着喷射距离的增加而增大,这是因为随着喷射距离的增加,冲击波逐渐减弱,粒
8、子的速度能够得到有效提高。在60120 mm的喷射距离范围内,沉积效率可以进一步地得到提高,这是因为在气体的速度高于粒子速度的情况下,粒子不受冲击波的阻碍仍可以得到加速达到临界速度。在大于120 mm的喷射距离时,气体的速度低于粒子的速度,粒子减速,沉积效率显著降低。Xian-Jin Ning等人用B-Cu、C-Cu和T-Cu作为热喷涂粉末11,其中T-Cu是平均直径为12m的球形颗粒,B-Cu,C-Cu是不规则形貌的颗粒,研究表明,颗粒的平均粒径和形貌将影响粒子的速度,进而对沉积效率产生影响。C-Cu粉末的沉积效率随着粒径的增大而逐渐降低,粉末的预处理温度增加时,沉积效率随之提高。在同一条件
9、下,不规则颗粒的速度要比球形颗粒的速度高。对于不规则形状的颗粒,粒子的速度随着粒径的增大而降低,临界速度也随着降低,预处理后会降低粒子的临界速度。B.Jodoin等人12也发现类似的现象,如图3所示,由图3a和图3c对比可知,在平均粒径小于25m的范围内,粒子分布没有受到影响,但是非球形粒子的速度要比同样大小的球形颗粒速度高;对比图3b和图3d也可得出同样的结论。从图3中还可以看出,在同样的条件下,粒子的速度随着平均粒径的增大而降低。对于较大颗粒,粒子的形貌对颗粒的速度具有较显著的影响。由于沉积效率与粒子的速度有直接的关系,粒子的速度越高,沉积效率就越高。2.2工艺参数对涂层硬度和结合强度的影
10、响硬度和结合强度是衡量涂层质量的重要性能指标之一,它们反映了涂层的力学性能。王佳杰等人用冷喷涂的方法在Q235钢基体上沉积Cu涂层13-14,涂层特性的分析表明,Cu涂层的平均显微硬度高于铸态纯铜,这是因为Cu颗粒与基体高速撞击发生大量的强塑性变形,后续粒子对前期涂层有夯实作用,而且Cu涂层的应力主要是压应力,因而结合强度得到了很大的提高。章华兵等人的研究表明,随着气体温度的升高,粒子的结合率提高,涂层较致密。这是由于升高气体温度能够增加粒子的速度,同时也能使其温度得到提高,有利于颗粒更容易发生塑性变形,变形更充分,减少了颗粒之间的不完全重叠现象,从而可以得到较致密的涂层。刘彦学等人15的研究
11、表明,涂层的致密性随着气体压力的增加而不断地增加,同时涂层与基体之间的结合强度也得到提高。这是因为气体压力增加能够提高粒子的速度,有利于粉末的塑性变形。但是如果气体压力过大,粉末的反弹现象严重,反而不利于喷涂。富伟等人16用冷喷涂技术在不锈钢基体上制备纯铜涂层,用显微计测试硬度,结果表明硬度分布很均匀,而且涂层的平均硬度较铸态纯铜的平均硬度高。这是由于颗粒高速撞击基体,产生强烈的塑性变形,引起加工硬化,使涂层硬度提高。H.Lee等人17研究了不同气体压力对铝喷涂涂层硬度的影响,如表1所示,气体压力对冷喷涂铝涂层的硬度具有显著的影响,气体压力较低的条件下的涂层硬度较压力较高的涂层硬度高,这是由于
12、气体压力较低时,速度较低的铝颗粒发生反弹现象,与高速粒子产生撞击效应,发生加工硬化,有利于提高涂层的硬度。L.Ajdelsztajn等人用冷喷涂方法喷涂Al-Cu-Mg-Fe-Ni-Sc涂层,在预热处理后18,涂层硬度不但没有得到提高反而被软化了,这主要与Al7FeCu2沉淀物的形成有关,该沉淀物的形成消耗了Fe基体,尤其是Cu,铝合金中主要的强化相减少了,Sc的预期强化效果并不能克服软化现象。李文亚等人的研究19也出现类似的现象,用冷喷涂的方法在Al基体上制备Fe涂层,涂层硬度较纯Fe的硬度要高,如果Fe涂层在较低温度下热处理后,Fe涂层的显微组织变化不明显,显微硬度明显降低。这是由于在冷喷
13、涂过程中产生加工硬化,涂层的硬度比纯Fe块材要高,而热处理后,这种加工硬化效应消失,从而硬度明显降低。2.3工艺参数对涂层其他性能的影响冷喷涂技术由于是在较低的温度下进行的,用于材料的表面涂层可以改善和提高材料的表面特性,如耐磨性、耐腐蚀性和材料的力学性能等,在不改变材料组织和性能的情况下提高产品的质量20。冷喷涂涂层与热喷涂涂层相比具有很大的优势,高速撞击产生强塑性变形,较低的温度能够减少骤冷的内应力,避免了涂层的开裂、变形,涂层没有从熔融状态体积收缩的过程,降低了气孔夹杂,而且涂层主要承受压应力,因此形成的涂层比较致密,孔隙率较低,且涂层较厚,腐蚀介质不易渗透到涂层和基体的结合处,对基体具
14、有一定的腐蚀防护作用,同时也能提高基体的耐磨性。刘彦学等人研究表明21,用冷喷涂技术将铝锌合金粉末喷涂到镁合金表面,获得致密的涂层,具有锌铝涂层的镁合金具有更高的耐磨性,干摩擦条件下的磨损失重比固态挤压AZ91D镁合金低52%,润滑条件下的磨损失重比AZ91D镁合金低85%。K.Spencer等人22用冷喷涂的方法在AZ91E基体上喷涂Al-Al2O3粉末,结果表明,Al-Al2O3涂层的耐蚀性与铝合金相似,但是明显优于AZ91E基体。Al-Al2O3涂层的耐磨性要比铝合金高,磨损率较Al-12%Si,356.0Al和AZ91E T6下降35个数量级。冷喷涂涂层还有一些其他的优异性能,如可使涂
15、层的耐疲劳性提高、导热能力提高、残余应力降低等。3冷喷涂涂层应用现状冷喷涂技术的应用研究在国外已经取得了很大的进展,我国冷喷涂技术研究还处在初级起步阶段。由于冷喷涂过程中粒子温度较低,粉末不易发生氧化相变现象,形成涂层的组织结构与喷涂前粉末相比基本上无变化,因此冷喷涂中可使用各种粉末,如纯金属粉末、合金粉末、复合涂层,可以产生不同性能的涂层23。目前可以沉积的金属有Al、Zn、Cu、Ti、Ag等,高熔点金属Mo、Ta等,合金有NiCr、MCrAlY等,复合涂层有Zn-Al、Al-Al2O3等24。冷喷涂技术避免了高温对基体和涂层的不利影响,使该技术已经广泛应用于各个领域。冷喷涂技术的设计与研究
16、正向工业化应用的方向转化,利用冷喷涂技术可制备保护性涂层(耐腐蚀涂层、耐高温涂层、耐磨涂层等)。董彩常等25采用冷喷涂工艺在Q235钢基体上制备铝涂层,形成的铝涂层表面非常致密,孔隙率较低,交流阻抗谱和动电位极化曲线分析表明,铝涂层的腐蚀产物较致密的积聚在涂层表面,阻碍了腐蚀介质的扩散,对降低涂层的腐蚀速度发挥很有效的作用;中性盐雾试验表明,冷喷涂涂层的腐蚀速度能够快速降低,可为钢基体提供有效的阴极保护。赵恵等26用冷喷涂的方法在镁合金AK63上沉积锌铝合金AZ20涂层,研究结果表明,涂层与基体之间结合较致密,涂层硬度是基体的3倍,冷喷涂后的镁合金具有比基体更好的耐磨性,盐雾试验结果表明,AZ20冷喷涂涂层具有比镁合金基体更好的耐蚀性,对基体能够进行有效地保护。制备功能性涂层(非晶涂层、复合材料涂层等)。李海祥等27在碳钢基体上用冷喷涂的方法制备Zn
