冷热喷涂 的性能是什么？
无机纤维喷涂的性能是什么？~
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,粒子的速度能够得到有效提高。在60~120 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12μm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25μm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3~5个数量级。冷喷涂涂层还有一些其他的优异性能,如可使涂层的耐疲劳性提高、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-50Al复合涂层,涂层的孔隙率较低,约为1.7%,电化学试验表明,Zn-50Al涂层的自腐蚀速率较低,腐蚀电位较为稳定,100 h后稳定在-0.990 V左右,涂层具有较好的耐蚀性,能够有效地保护钢基体,提高其使用寿命。
制备纳米涂层。冷喷涂技术温度低的特点决定了其适合于制备纳米结构涂层。李长久等采用纳米结构WC-12Co通过冷喷涂方法成功制备了纳米结构WC-Co涂层[28],涂层组织致密,热喷涂粉末中的纳米结构在冷喷涂过程中完全移植到了涂层。涂层的平均维氏硬度为1 869 HV0.3,显著高于热喷涂纳米结构WC-Co涂层的硬度。研究还表明,疏松多孔的粉末适合于冷喷涂制备WC-Co涂层,因为疏松多孔的结构促进了粉末拟变形的发生。观察热处理后的WC-Co涂层断面形貌,压痕周围未出现塌陷现象,也未出现裂纹,说明热处理过程可以显著改善涂层粒子间的结合和涂层韧性。
在航空航天领域该技术也得到广泛的应用,利用冷喷涂技术来制备航空航天器发动机特殊保护涂层,制备航空航天武器的特殊功能涂层,通过喷涂成形可以直接制造复杂结构及形状的航空航天部件[29]。
4 结语
目前,冷喷涂技术作为一种新的工艺受到广泛关注。冷气动力喷涂技术与传统的热喷涂完全不同,它是在低温状态下通过高速粉末颗粒撞击基体时发生强塑性变形形成涂层,形成的冷喷涂涂层具有低温沉积、对基体的热影响小、分布均匀、涂层基本无氧化现象、无内应力且可回收利用等特点,具有其他表面喷涂不可替代的优势。鉴于目前对冷喷涂技术的研究,冷喷涂技术可以制备导电、导热、防腐、耐磨、耐蚀等涂层以及功能涂层,使用冷喷涂技术对实际构件的表面缺陷进行修复具有很大的优势,且有望用于生产和修复许多工业零部件。随着冷喷涂技术研究的不断深入,其应用领域将不断扩大,将在航空航天、石油化工、汽车、国防工业等领域得到广泛的应用
1、A级防火
SPR系列超细无机纤维喷涂层主要成份为无机材料，具有不燃烧、不发烟的特点，为A级防火材料。
2、保温绝热
无机纤维喷涂完成后经过自然干燥后形成表面平整、纤维分布均匀、结构密闭、连续无接缝、无冷桥、具有弹性皮肤似的保温层。
使用无机纤维喷涂后从根本上解决了传统材料（岩棉、玻璃棉、聚苯板、挤塑板等板材）密闭性差、接缝多、冷桥多，与基层墙体不能满粘，安装工序复杂、尺寸变形大等问题。
3、吸声降噪
超细无机纤维经特殊喷涂工艺施工后，其内部纤维交织在一起，形成具有一定强度和韧性的三维立体网状结构，极大地延长了声波在其内部的传播路径和时间，进而增加了因声波使纤维振动而引发的声能向机械能转换时间，使遇到纤维喷涂层的声波能量急剧衰减，因而具有良好的吸声性能。
4、异形结构适应性
现场喷涂的施工工艺可满足设计师的设计随意性，适应任何复杂结构及异型结构的原状态，解决了传统的支撑、吊挂件和加固材料的复杂工序，即使是施工人员很难到达的空间例如管线、吊挂件、密集区域，均可轻松喷涂施工。
喷涂棉长期使用不收缩、不卷曲、不塌陷、不脱落，是一种专门针对幕墙保温的喷涂新技术。
5、节能环保
无机纤维喷涂产品更大程度上提高了建筑的整体保温绝热性能，能够有效降低能源损耗，降低运行成本。
无机纤维喷涂产品可直接喷涂于钢结构、混凝土、木材、钢板、砌块等多种介质上，无需进行基层找平处理，可节约建筑成本。
扩展资料
应用
1、地下室、地下车库防火保温顶棚
地下车库顶板上下两面分别为采暖区和非采暖区，冬季供热季节温差大，热量由上层住户的室内，向地下车库散失，热量损失非常严重。地下车库是各类管线设施汇集区，梁柱错落，给保温材料安装造成了困难。地下车库又是车辆存放场所，要求保温材料的燃烧性能为A级不燃材料。
2、大型公建顶棚应用
应用于大型公共建筑及别墅住宅，如博物馆、会议会展中心、体育场馆、影剧院的室内顶棚。是根据建筑物室内屋顶的设计要求，制定出喷涂专用解决方案，满足防火A级国家标准的同时，还具有优异的保温隔热、吸声降噪等综合性能，无需吊挂件、支撑等，大幅降低施工难度，节约成本。
参考资料来源：百度百科-无机纤维喷涂
冷喷涂技术是在镁合金表面上生成厚的铝镀膜的一种有效方法，该方法对表面制备要求不高，而且对镀件的力学或热学特性无需顾及。铝镀膜表现出对镁元件具有防止各种以及电腐蚀的能力。很多时候，仅在钢紧固件周围需要进行电池腐蚀保护，而冷喷涂恰恰是一种对暴露镁表面进行局部保护的创新技术。
热喷涂是指一系列过程，在这些过程中，细微而分散的金属或非金属的涂层材料，以一种熔化或半熔化状态，沉积到一种经过制备的基体表面，形成某种喷涂沉积层.它是利用某种热源（如电弧、等离子喷涂或燃烧火焰等）将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰留本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面，沉积而形成具有各种功能的表面涂层的一种技术.
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,粒子的速度能够得到有效提高。在60~120 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12μm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25μm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3~5个数量级。冷喷涂涂层还有一些其他的优异性能,如可使涂层的耐疲劳性提高、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-50Al复合涂层,涂层的孔隙率较低,约为1.7%,电化学试验表明,Zn-50Al涂层的自腐蚀速率较低,腐蚀电位较为稳定,100 h后稳定在-0.990 V左右,涂层具有较好的耐蚀性,能够有效地保护钢基体,提高其使用寿命。
制备纳米涂层。冷喷涂技术温度低的特点决定了其适合于制备纳米结构涂层。李长久等采用纳米结构WC-12Co通过冷喷涂方法成功制备了纳米结构WC-Co涂层[28],涂层组织致密,热喷涂粉末中的纳米结构在冷喷涂过程中完全移植到了涂层。涂层的平均维氏硬度为1 869 HV0.3,显著高于热喷涂纳米结构WC-Co涂层的硬度。研究还表明,疏松多孔的粉末适合于冷喷涂制备WC-Co涂层,因为疏松多孔的结构促进了粉末拟变形的发生。观察热处理后的WC-Co涂层断面形貌,压痕周围未出现塌陷现象,也未出现裂纹,说明热处理过程可以显著改善涂层粒子间的结合和涂层韧性。
在航空航天领域该技术也得到广泛的应用,利用冷喷涂技术来制备航空航天器发动机特殊保护涂层,制备航空航天武器的特殊功能涂层,通过喷涂成形可以直接制造复杂结构及形状的航空航天部件[29]。
4 结语
目前,冷喷涂技术作为一种新的工艺受到广泛关注。冷气动力喷涂技术与传统的热喷涂完全不同,它是在低温状态下通过高速粉末颗粒撞击基体时发生强塑性变形形成涂层,形成的冷喷涂涂层具有低温沉积、对基体的热影响小、分布均匀、涂层基本无氧化现象、无内应力且可回收利用等特点,具有其他表面喷涂不可替代的优势。鉴于目前对冷喷涂技术的研究,冷喷涂技术可以制备导电、导热、防腐、耐磨、耐蚀等涂层以及功能涂层,使用冷喷涂技术对实际构件的表面缺陷进行修复具有很大的优势,且有望用于生产和修复许多工业零部件。随着冷喷涂技术研究的不断深入,其应用领域将不断扩大,将在航空航天、石油化工、汽车、国防工业等领域得到广泛的应用
