冷喷涂的发展及国内外研究现状

冷喷涂的发展及国内外研究现状

冷喷涂概念于1990年提出，其缘起于80年代中期前苏联科学院，在用示踪粒子进行超音速风洞试验时发现，当粒子的速度超过某一临界速度时，示踪粒子对靶材表面的作用从冲蚀转变为加速沉积。1995年，最先参与冷喷涂研究的原苏联研究者Papyrin在美国召开的全美热喷涂会议上与美国学者联合发表相关研究结结果。2000年，在加拿大召开的国际热喷涂会议上，组织了冷喷涂技术讨论会，由此，冷喷涂技术在国际上引起了广泛的关注。近几年来，美国、德国、英国、日本、中国等世界主要国家的高校、研究机构对冷喷涂技术开展了大量的研究工作。具体如下：

1、俄罗斯

    1990年，俄罗斯科学院西伯利亚分院理论与应用力学研究所率先提出了“冷喷涂”概念，随后科学家们对冷喷涂技术的理论、结构进行了深入的研究，如对超音速双相气流的加速和阻尼的细致研究、建立数学公式，分析不同压力、温度和驱动气体情况下，评估粒子喷出的速度；建立了冷喷涂过程中的统计学模型；研究了气流与阻碍物的热容量影响和颗粒冲击阻碍物时的变形量，能得出喷涂技术的优化条件；探索冷喷涂技术应用设计的具体方案，力求以空气作为驱动气体。这些研究为冷喷涂设备的研制奠定了基础。

俄罗斯奥柏尼斯克粉末喷涂中心，在奥·费·克留也夫的领导下，彻底改变了气体动力喷涂技术的实现方法。他们提出，只用10大气压以下的空气就实现了纯金属与金属粒子和陶瓷粉末混合物的气体动力喷涂技术。他们在加速气流中同时输入陶瓷颗粒，以陶瓷颗粒的动能补充金属颗粒动能的不足。已加速的陶瓷颗粒与基体相互作用，对所形成的涂层进行动力加工。由此获得密实均匀的塑性金属涂层，例如，铝、铜、锌和镍。这种动力金属化过程称为”聚美特” （Dymet）技术。

“聚美特”技术采用了空气喷涂，气体消耗量为0.5立方米/分，压力为5—8大气压。金属颗粒沉积的效率比其他方法低，约为50%，因为加入双相混合物中的陶瓷颗粒，基本上被基体弹回。总的沉积效率约20-30% 。由于气体消耗小，总生产效率同样受到粉末材料消耗的限制，为0.5-0.6克/秒 。

2、乌克兰

     在乌克兰，科学家们对气体动力喷涂技术进行了研究。他们采用空气（加热250摄氏度，压力为18大气压）作为驱动气体，确定了喷涂尺寸大于50微米颗粒应用的可能，因为当超音速气流处于绝热冷却时，它们在喷嘴扩展部分，缓慢变凉。

3、美国

    美国冷喷涂技术研究始于90年代中期，由巴比林和美国Sandia National Laboratories 实验室联合开始研究，他们设计了气体动力喷涂的基础装置。Ktech 公司生产了工业化的计算机系统的气体动力喷涂设备，气压达30大气压，功率为25千瓦。ASB工业公司改善了冷喷涂设备的操作性能。设备使用的关健问题在于，当强加热双相混合物时，金属颗粒在喷嘴临界断面处沉积很严重；并研究看尺寸为50-150微米颗粒的喷涂技术。美国国防研究实验室和宾夕尼亚大学也从事了喷涂技术优化的研究工作，其中从事改善驱动喷嘴特性的优化，最佳喷涂粉末材料的选择，以及所喷制的涂层性质研究和确定它们在各种技术任务中应用。

4、英国

    在英国有剑桥大学、利物浦大学和诺丁汉大学从事冷喷技术的研究，主要科研方向是研究采用纯氦气冷喷涂技术所获得的涂层性质，探索利用冷喷技术直接制造给定形状零件的可能性。

5、加拿大

    加拿大材料科学研究院（CNRC NRC）的低温喷涂技术能实现200℃以下温度的喷涂，涂层厚度≥4mm。该技术喷射粒子速度达到1200米/秒，涂层硬度可以通过金属粒子原料的硬度来控制。据NRC反映，其部分粒子供应商来自中国。该技术可以对零件的内外表面进行喷涂，其中中空件内部喷涂时内径应≥70mm，在喷涂之前需采用铝砂对零件表面进行处理。对于该技术，喷涂的设备、原料均可直接采购，重难点在于喷涂的工艺研究，NRC不制造设备，他们主要研究对不同的原料、不同的零件材料，进行喷涂的具体工艺要求。

加拿大渥太华大学采用了纯氦气和氮气作为喷射气体，对冷喷技术和涂层性质进行了大量的研究，主要是改善喷嘴中颗粒驱动技术和在各种工艺过程中应用的可能性。

6、日本

日本旬宿大学从事优化喷嘴的研究工作。他们发现驱动重颗粒的喷嘴长度可以大大地增大；并在临界断面之后，采用垂直供金属粒子的方法，避免了当强预热气体时，在临界断面处沉积颗粒的毛病，而且缩短了加速的长度。

7、德国

德国汉堡的博得斯维拉大学，对冷喷技术也进行的大力的研究。德国研究者在数学模拟和实验研究基础上，建立了冷喷技术的细致模型，并获得了颗粒在涂层上固化的标准条件。他们确定，当颗粒在冲击阻碍物时，超过临界速度会产生绝热移动的不稳性，促使颗粒产生塑性变形，并固定在阻碍物上。他们在这些研究的基础上，确定了各种金属颗粒的临界速度值，并研制了冷喷技术用的优化圆口喷嘴。CGT公司在上述研究基础上，生产了气体动力喷涂设备 ，功率为30千瓦。为了达到高效的沉积和高质量的涂层，设备中采用氦气作为工作气体。

8、中国

   我国也有很多大学和科研院所对冷喷涂技术展开了研究，主要西安交通大学、中科院金属研究所、哈尔滨焊接研究所、大连理工大学、西北工业大学、上海交通大学、北京理工大学、集美大学、宁波兵科院、中科院宁波材料所、浙江工业大学、北京科技大学等。

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