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关于冷喷涂
北京廊桥表面技术发展有限公司 贾鹏
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一.发端
2001年11月，在德国慕尼黑附近的ERDING所举行的HVOF专题会议上，来自24个国家390名与会代表，一致接纳热喷涂家族中一位新成员——冷喷涂。
冷喷涂工艺原称冷气动力喷涂法（CGSM：Cold gas-dynamic spray Method）。它的发现，源于一次偶然机会。上个世纪80年代中期，俄罗斯科学院设在西伯利亚诺沃西比尔斯克市的理论与应用力学研究所，在进行超音速风道负载颗粒流的实验时，对宇宙飞船侵蚀所进行的观测中，主持该项工作的A. N. PAPYRIN教授得出一个惊人的发现：当颗粒速度超过某一定值时，颗粒的磨损效应会转化成很强的粘附力。带着这一认识，A.N.PAPARIN移居美国，并接受一家汽车制造财团的支持。1994年底申报专利并在一次热喷涂会议上首次提出冷喷涂。在这位俄国教授日后的工作中，有两位人物起了关键作用：一位是德国林德（LINDE）气体公司的P. Heinrich，他是德国热喷涂协会的一名执委；另一位是汉堡联部武装部队大学的Kreye教授。由于他们的参与，促成建立了“热喷涂主管中心”，成为该大学与气体公司的联合项目。在此后的二年中，对这项新工艺的优势及潜在特点在汉堡及慕尼黑采用相同的设备做了系统的研究。其中，该大学注重理论问题，LINDE气体公司则集中开发设备的应用问题。2000年末，冷喷涂首次获得工业应用，近期又建立了冷气工艺有限公司，成为一家持有执照的冷喷涂装置的供应商。至此，冷喷涂登上了市场舞台。
二. 速度增强而热能减弱——热喷涂技术演进的一种趋势
常规的热喷涂过程是：采用电、化学或机械能，产生一种高速焰流，粉末被导入焰流，二者相互作用，热量与动量从焰流传送到颗粒，后者得到升温与加速。在与基体表面碰撞时，颗粒的热能与动能使颗粒产生溅落，被粘附于基体表面，形成涂层。在诸如燃烧火焰或等离子焰这类高温过程中，颗粒被熔化，义液滴形态撞击到基体表面，继而溅落并骤冷，彼此之间互销，形成涂层。
应当说，在热喷涂过程中，热能和速度是相辅相成的两个非常重要的要素，它们的每一步飞跃都促成了热喷涂技术的进展。想当初，等离子喷涂工艺的出现，推动了热喷涂技术产生了巨大的飞跃。这是热能（温度）的一次跨跃；而HVOF的登场，则是速度的较量。尽管等离子喷涂工艺至今仍然占据着热喷涂中的老大地位，但不得否认，HVOF问世以来，它的传统优势正面临挑战。一个明显的问题是，过程的高温会使一些材料发生相变、分解或C、B等元素的损失，影响涂层性能，从而使一些重要的喷涂材料，如WC-Co核NiCr-Cr3C2等，正在成为HVOF最佳的选取对象，更何况，涉及到一些涂层的重要性能方面，如涂层的结合强度、内聚强度和致密度等，等离子喷涂已失去固有的优势，让位于HVOF工艺。
与等离子喷涂相比，HVOF（或HVAF）喷涂过程，颗粒的受热减弱而飞行速度得到加强，在到达基体表面时，增强的动能转化为热能，使颗粒熔化并导致溅落，热能的不足被增强的动能所补偿。然而，人们发现，这一过程仍存在着氧化问题。事实上，HVOF喷涂颗粒被撞击到基体表面之后，以及在从高温降到常温的过程中，都伴随着氧化，也会出现分解[1]，冷喷涂正是在这种趋势及要求的背景下产生出来。
三. 冷喷涂过程
冷喷涂过程不采用任何高温火焰，不需加热与熔化粉末，涂层的形成完全靠固体颗粒的高能撞击所产生的变形而生成。
冷喷涂系统的基本配置见图1。

图1. 冷喷涂系统的基本配置

（图片）

全部系统包括：1.高压源（气体加压装置） 2.高压送粉器 3.加热器 4.喷枪
高压源使气体产生高压，推动工作气及送粉载气加速；加热器设有两套，分别使载气及工作气预热到一定的温度；送粉器是在带压的状态下将粉末送入喷枪内，喷枪后部是腔膛，在此处粉末与工作气混合，经喉管进入喷咀。工作气是产生高速的介质，在进入枪膛前在加热器预热到100-600°C，以加大颗粒流速。载气在另一加热器受热后，经送粉器成轴向将粉末送入喷枪，喷嘴结构为收敛——扩散型拉乌尔喷咀，以使气体得到加速[2]，见图2。喷嘴有不同的几何形式，喷涂气流随喷咀的不同而呈不同的截面。工作气从喷嘴进口处1.5~3.5Mpa的压力膨胀到常压，造成一种超音速气流，随喷咀形势、工作气类别、进气压力与温度、颗粒大小与密度等因素的不同，颗粒速度波动于500-1000米/秒。工作气的预热，有利于颗粒速度的提升，又会使颗粒受热，便于撞击时变形，但气体温度明显低于材料的熔点。这就是说，伴随熔化所出现的氧化或相变不会发生。

（图片）

四.喷涂材料及喷涂特性
喷涂材料呈粉末态。最适宜喷涂的粉末是对温度敏感、易相变、对氧敏感的一些材料。对温度敏感的如非晶态类，易相变的如碳化物类，氧敏感材料如铜和钛等。这些材料在冷喷时不受热，即使散落的粉末也可收集再用。冷喷材料从低熔点的锌到高熔点的钛和鈮。
涂层的最大特点是含氧量很低，例如，喷涂铜的涂层与粉末的含氧量相同，喷涂过程不增氧，涂层的导电率可达纯铜的90%，涂层致密与固态铜十分相近，能达到高真空元件要求。
五. 冷喷涂实例
冷喷涂工艺较为成熟的是喷铜和钛（2-3）
1. 铜的冷喷：喷嘴进口处工作气压力为2.5Mpa，温度380°C，铜粉为-25+5μm，喷涂距离20-50mm，工作气加热到800°C,增压至3.5Mpa。喷咀喉颈直径2.7mm，出口直径8.6mm。采用N2为工作气，N2流量为28-58标米3/时，基体为铝管，颗粒撞击基体时的速度和温度分别为370-630米/秒与60-120°C。
喷涂结果为：沉积效率60%左右，涂层厚度达5mm，粉末及涂层含氧量均为0.2%，涂层硬度HV0.3140-150,结合强度为35Mpa。
2. 钛的涂层：钛粉粒度为-400目，基体为铝，工作气为N2或He,喷咀进口压力为3Mpa,温度480°C，送粉速度为25-40克/分，工作气预热至537°C，载气预热至206°C。
喷涂结果：沉积效率~50%，涂层厚可达数毫米，涂层孔隙率为10%（He）-25%(N2)。
六.应用前景
冷喷涂的优点是对工件的热负载打到最小，很低的热输出不会产生热应力。因此，涂层厚度可达数毫米或更多。选用不同喷嘴，造成不同喷射界面，能形成一种自由结构，例如，汽车制造业的发动机和底盘，可以自如的喷涂而无需进行任何后处理；喷涂射流非常集中，只有数毫米，可灵活的喷涂任何复杂工件，也不许进行喷前遮盖，噪音不大。目前冷喷涂装置设计成最大压力为3.5Mpa,气体温度达600°C，这就有了许多麻烦。
钛涂层有一系列优良性能，特别是它的抗腐蚀性。为了制取纯钛涂层，以往采用昂贵而又繁杂的低压等离子喷涂，而冷喷钛涂层则明显占优势；同样，铜涂层可以在电子行业显其伸手。可以预期，冷喷涂工艺将会使热喷涂技术扩展新的应用领域。 1/6/2005

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