0 引言
冷噴涂于20世紀(jì)80年代中期, 在俄羅斯科學(xué)院理論及應(yīng)用力學(xué)研究所最早開發(fā),近年來受到廣泛關(guān)注,并在俄國、美國、德國等國家得到了快速發(fā)展。冷噴涂防腐是一項(xiàng)革命性技術(shù),借助這項(xiàng)技術(shù)可直接、就地在鎂合金上生成厚的鋁鍍膜達(dá)到降低或排除常見或電腐蝕造成的危害。這項(xiàng)技術(shù)有望克服原有鎂合金防腐技術(shù)的缺點(diǎn),從而有助于將鎂用于汽車的外部元件。冷噴涂應(yīng)用于特定場合,已有對(duì)Cu、Al、Ti、Ni和MCrAlY合金進(jìn)行研究,應(yīng)用于電子工業(yè)(Cu) 、航空(MCrAlY) 、汽車(Al )和化工(Ti)領(lǐng)域。
1 冷噴涂技術(shù)概述
1.1 冷噴涂定義
冷噴涂全名冷空氣動(dòng)力噴涂法(CGDS:ColdGas Dynamic Spray),它可通過低溫(<600℃)、高速(300~1200m/s)小顆粒(1~50μm)氣流撞擊金屬或絕緣基體表面,在整個(gè)過程中粒子沒有熔化,保持固體狀態(tài),粒子發(fā)生純塑性變形聚合形成涂層。
1.2 冷噴涂特點(diǎn)
冷噴涂的特點(diǎn):溫度低、不發(fā)生氧化、可制備復(fù)合涂層、對(duì)基體的熱影響小、涂層孔隙率低、形成的涂層承受壓應(yīng)力、殘余應(yīng)力小、沉積率高、能保留原始粉末材料的性能、由于不需要高溫因而操作更安全等。
1.3 工藝原理
冷噴涂是一項(xiàng)嶄露頭角的固態(tài)工藝。該方法可將以超聲加速的固體顆粒的動(dòng)能在撞擊到鍍件表面時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩瓿梢苯鸷附印T摴に嚨脑硎牵好糠N金屬均有其特定的、與溫度相關(guān)的臨界顆粒速度,當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)超過這一速度時(shí)即會(huì)焊接于鍍件之上。冷噴涂原理示意圖如圖1所。
2 冷噴涂技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與展望
冷噴涂技術(shù)在化工、汽車、航空航天、造船、電子、機(jī)械、造紙等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,可以生產(chǎn)和修復(fù)渦輪葉片、活塞、軸承、汽缸、閥門等零部件。在國防工業(yè)可以生產(chǎn)、修復(fù)艦船螺旋槳葉片和軸、飛機(jī)彈射裝置、制備耐磨和耐腐蝕的涂層等。應(yīng)用有先進(jìn)水陸兩棲攻擊艇輪子、水陸兩棲攻擊艇裝甲、飛機(jī)彈射器活塞、鈦涂層。
迄今的研究表明采用冷噴涂方法,不僅可以制備低熔點(diǎn)的塑性良好的金屬材料。如Al、Cu等,也可制備如Ni、Ti、MCrAlY合金。涂層制備過程幾乎不存在氧化。同時(shí)還可以制備WC-Co、Cr3C2-NiCr金屬陶瓷涂層。最近的研究表明通過采用真空氣氛,可以實(shí)現(xiàn)亞微米與納米陶瓷顆粒直接沉積制備陶瓷涂層。因此,冷噴涂技術(shù)不僅為制備金屬合金涂層、而且也將成為制備陶瓷與金屬陶瓷的新辦法。
冷噴涂技術(shù)的應(yīng)用包括防腐涂層、耐高溫涂層、耐磨涂層、導(dǎo)電及導(dǎo)熱涂層、抗菌涂層及光催化涂層、生物醫(yī)用涂層、 噴涂成形、 表面修復(fù)。
2.1 冷噴涂技術(shù)在航空航天中的應(yīng)用
冷噴涂技術(shù)目前主要是用于銅、鎳等金屬涂層和高分子復(fù)合涂層的制備,由于制備的金屬涂層結(jié)合力強(qiáng),均勻致密,氧化物含量少,導(dǎo)電導(dǎo)熱性好,在工業(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景,特別是在航空航天中對(duì)導(dǎo)熱導(dǎo)電有特殊要求的設(shè)備,如發(fā)動(dòng)機(jī)、燃燒器等。
應(yīng)用于商業(yè)中的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由于不能把更多的熱能傳遞到燃料中來提供更大的推力,由此其應(yīng)用受到一定的限制。主要原因是在燃燒室中使用不銹鋼制造管道系統(tǒng),限制了熱量通過燃燒室的熱壁進(jìn)入到氧燃料中,而且限制了循環(huán)參數(shù)來保持不銹鋼管道具有較低的熔點(diǎn)溫度。采用銅涂層就很好地解決了該問題,銅涂層有很高的熱傳導(dǎo)系數(shù)并能與基體很好地結(jié)合。在飛機(jī)制造業(yè)中,由于冷噴涂不產(chǎn)生熱影響,因此可以對(duì)零部件進(jìn)行防腐保護(hù)噴涂。
利用冷噴涂技術(shù)來制備航空航天器發(fā)動(dòng)機(jī)特殊保護(hù)涂層。制備航空航天武器的特殊功能涂層,通過噴涂成形可以直接制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)、形狀的航空航天部件。這些工程應(yīng)用僅僅是冷噴涂技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的幾個(gè)方面,相信在不久的將來,冷噴涂技術(shù)一定能夠更為廣泛地應(yīng)用于航空航天工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。
美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室與聯(lián)合技術(shù)研究中心正在完善冷噴涂技術(shù),以便用其維修UH-60“黑鷹”直升機(jī)的主要部件。冷噴涂是一種在鎂合金表面上生成金屬粉或金屬/陶瓷混合物鍍膜的表面固態(tài)工藝,可降低或消除腐蝕造成的危害。腐蝕作用會(huì)影響零件的強(qiáng)度,從而降低其安全性,通常導(dǎo)致零部件無法滿足其使用壽命和疲勞壽命的要求。因此需要頻繁更換零部件,增加了后請(qǐng)負(fù)擔(dān),并影響了裝備的戰(zhàn)備水平。冷噴涂技術(shù)的應(yīng)用有助于解決這一問題。
陸軍和海軍直升機(jī)變速箱等鎂制零部件老化是后勤保障工作面臨的一大難題,經(jīng)常因腐蝕而需要提前拆卸,而且拆下來的零部件不能回收再利用。噴涂作為一種維修結(jié)構(gòu)件的技術(shù),克服了這一缺陷,能夠回收零部件,從而節(jié)省采辦費(fèi)用。
2.2 冷噴涂技術(shù)在汽車中的應(yīng)用
在汽車維修領(lǐng)域中,采用冷噴涂技術(shù)可以給汽車涂上不同的金屬,同時(shí)可以降低車體的影響:對(duì)汽車的缸體、密封閥等也可以進(jìn)行噴涂維修。
冷噴涂的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)工件的熱負(fù)載達(dá)到最小,很低的熱輸出不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此,涂層厚度可達(dá)數(shù)毫米或更多。選用不同噴嘴,造成不同噴射界面,能形成一種自由結(jié)構(gòu),例如,汽車制造業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤,可以自如的噴涂而無需進(jìn)行任何后處理;噴涂射流非常集中,只有數(shù)毫米,可靈活的噴涂任何復(fù)雜工件,也不許進(jìn)行噴前遮蓋,噪音不大。目前冷噴涂裝置設(shè)計(jì)成最大壓力為3.5MPa,氣體溫度達(dá)600°C。
2.3 冷噴涂技術(shù)在油氣裝備中的應(yīng)用
冷噴涂技術(shù)可獲得低氧化物含量、低內(nèi)應(yīng)力、高硬度、高耐磨性,大厚度涂層,可廣泛應(yīng)用于航空航天、石油、化工、汽車、造船等工業(yè)。冷噴涂技術(shù)在油氣裝備中尤其具有發(fā)展前景。當(dāng)前油氣勘探開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入后期、深部開采階段,鉆遇的地層越來越復(fù)雜,地層硬度越來越高,對(duì)機(jī)械裝備特別是井下工具的強(qiáng)度、耐磨性提出了更高的要求。新興的冷噴涂技術(shù)可應(yīng)用于諸多油氣裝備及工具的性能改進(jìn)中,降低內(nèi)應(yīng)力,提高硬度和耐磨性等。例如,可應(yīng)用于鋼齒鉆頭的齒面強(qiáng)化,牙輪鉆頭軸承的表面強(qiáng)化,鉆頭保徑部分材料強(qiáng)化,鉆桿柱(鉆桿、鉆鋌、穩(wěn)定器)、套管柱及接頭的強(qiáng)化及表面改性,抽油桿接頭強(qiáng)化,泥漿泵滑動(dòng)件耐磨性改進(jìn),地面裝備旋轉(zhuǎn)部件強(qiáng)化及表面改性,還可以用于油氣管道及接頭表面改性,以提高耐腐蝕性,以及提高催化裂化提升管熱電偶的耐磨性等等。
2.4 冷噴涂技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域
冷噴涂技術(shù)是采用高速氣流將固態(tài)粒子加速,并將其沉積在預(yù)置的基體上,粒子的動(dòng)能驅(qū)使粒子塑性變形而扁平化形成涂層。從其發(fā)展看,冷噴涂技術(shù)的潛在應(yīng)用類型及應(yīng)用領(lǐng)域主要有以下四類:
2.4.1 保護(hù)涂層
(1)耐腐蝕涂層冷噴涂技術(shù)與Zn,Al及它們的合金這類多孔、易氧化的傳統(tǒng)熱噴涂保護(hù)涂層相比,冷噴涂保護(hù)涂層更耐腐蝕,使用壽命更長,涂層制備費(fèi)用更低。
(2)耐高溫涂層冷噴涂技術(shù)可以用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫保護(hù)涂層,如MCrAlY高溫保護(hù)涂層、TBCs熱障涂層粘合層、Cu-Cr-Al抗氧化保護(hù)層等。
(3)耐磨涂層冷噴涂技術(shù)可以用于耐磨材料涂層,如金屬陶瓷、金屬基復(fù)合材料和減磨合金,可顯著提高工業(yè)零部件的耐磨性能。
2.4.2 功能涂層
冷噴涂技術(shù)也可以用到功能涂層材料。如非晶涂層、生物Ti材料及其復(fù)合材料、金屬間化合物涂層、光催化TiO2涂層、熱塑性材料沉積物等。
2.4.3 噴涂成型
冷噴涂根據(jù)自身的噴涂特點(diǎn),具有近凈成形制造零部件的巨大潛力,對(duì)于一些形狀并不復(fù)雜的軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)件或者平面狀共建,都有可能直接噴涂成型。不僅是Ti及Ti合金,其他工程材料,如Al及Al合金、Cu及Cu合金、Ni及Ni合金等都可以通過冷噴涂成型來經(jīng)濟(jì)地制造零部件。
2.4.4 零件修復(fù)
冷噴涂技術(shù)具有操作方便的優(yōu)點(diǎn),可用于工業(yè)零部件的快速修復(fù),如冷噴涂Cu涂層可以修復(fù)水冷銅部件的外壁破損部分,另外,利用Al涂層修復(fù)航天飛機(jī)固體燃料火箭推進(jìn)器、修復(fù)飛行器結(jié)構(gòu)中的部件、修復(fù)燃?xì)廨啓C(jī)密封外殼的研究正在進(jìn)行中。
2.5 冷噴涂技術(shù)高級(jí)應(yīng)用方面
在目前狀態(tài)下,冷噴涂被越來越多地應(yīng)用于各種工業(yè)以減緩敏感材料的腐蝕,例如:鎂鋁合金、表面修復(fù)、噴射靶制造、加熱玻璃上的母線槽制造、硬鉻替換涂層的WC-Co(碳化鎢-鈷)沉積、過渡曲面的電導(dǎo)和熱導(dǎo)涂層、銅焊接準(zhǔn)備以及熱阻擋層和NiCrAlY粘接涂層沉積。在許多這類應(yīng)用中,冷噴涂顯得更為經(jīng)濟(jì),因?yàn)樗梢哉嬲驕p少制造步驟。
隨著技術(shù)的進(jìn)步,預(yù)計(jì)冷噴涂應(yīng)用將繼續(xù)擴(kuò)展到更多的非傳統(tǒng)應(yīng)用中,例如光電、風(fēng)能、醫(yī)療和建筑領(lǐng)域。在光電應(yīng)用中,冷噴涂可以用于復(fù)雜的傳導(dǎo)型太陽能電池制造。風(fēng)能發(fā)電可以利用冷噴涂加強(qiáng)高級(jí)聚合物矩陣合成物制造的元件的表面性能。
在醫(yī)療領(lǐng)域,冷噴涂已經(jīng)可以將一種有名的生物相容材料羥磷灰石(HAP)有效地噴涂到大量的基板上,但同時(shí)不會(huì)影響HAP的完整性。建筑師可以利用冷噴涂在任何金屬或陶瓷基板上創(chuàng)造無限美觀的金屬圖案 。
納米技術(shù)和智能結(jié)構(gòu)方面,其它的一些非傳統(tǒng)應(yīng)用包括使用高級(jí)材料,例如納米結(jié)構(gòu)和無定形材料。在納米結(jié)構(gòu)材料中,其微粒尺寸極小,具有極端斷裂韌度的同時(shí)可以維持材料高強(qiáng)度等機(jī)械優(yōu)勢。納米結(jié)晶對(duì)于工藝溫度極其敏感,可以有效使用冷噴涂,不會(huì)影響有益的微結(jié)構(gòu)。
由于沉積溫度低,冷噴涂可以在表面嵌入微傳感器及其功能涂層,以形成智能結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可以提供與材料性能或環(huán)境條件相關(guān)的實(shí)時(shí)信息。許多新興企業(yè)正聚焦于為橋梁、電網(wǎng)、風(fēng)力渦輪機(jī)、飛機(jī)、汽車、輪船、管道和施工設(shè)備提供感應(yīng)、數(shù)據(jù)庫管理和預(yù)分析解決方案。冷噴涂的未來有賴于將高級(jí)材料沉積到各種基板的同時(shí)將熱量損失和成本將至最低。
2.6 冷噴涂技術(shù)的其它應(yīng)用
冷噴涂技術(shù)是在鎂合金表面上生成厚的鋁鍍膜的一種有效方法,該方法對(duì)表面制備要求不高,而且對(duì)鍍件的力學(xué)或熱學(xué)特性無需顧及。鋁鍍膜表現(xiàn)出對(duì)鎂元件具有防止常見腐蝕以及電腐蝕的能力。
很多時(shí)候,僅在鋼緊固件周圍需要進(jìn)行電池腐蝕保護(hù),而冷噴涂恰恰是一種對(duì)暴露鎂表面進(jìn)行局部保護(hù)的創(chuàng)新技術(shù)。
在KY-HVO(A)F多功能超音速火焰噴涂的基礎(chǔ)上通過加入降溫氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)了冷噴涂技術(shù)。在碳鋼、工業(yè)純鋁、不銹鋼基體上成功制備了高分子涂層。
運(yùn)用XRD、SEM對(duì)噴涂用粉末和涂層的顯微結(jié)構(gòu)和物相組成進(jìn)行了觀察和確定。與原始粉末相比,涂層的化學(xué)成分基本沒有發(fā)生變化,也沒有發(fā)生相變。在結(jié)合強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中,試樣拉伸后均在涂層內(nèi)部斷裂。涂層內(nèi)部的結(jié)合強(qiáng)度超過10MPa,不同基體對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響較小。隨著噴涂距離的增加,結(jié)合強(qiáng)度略有減小。
冷噴涂技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),如涂層含氧量低、熱應(yīng)力小、可將噴涂材料的組織結(jié)構(gòu)在不發(fā)生變化的條件下轉(zhuǎn)移到基體表面等,期望能在焊接工程技術(shù)上得到一定的應(yīng)用。冷噴涂能夠應(yīng)用于釬焊、擴(kuò)散焊、材料的自由連接以及改善焊接接頭的疲勞性能等焊接工程。
Lugscheider E、Zhao L D等人對(duì)鋁基合金冷噴涂鋁基釬料進(jìn)行了研究。研究中使用了兩種合金粉末A1Si12和A1Si10Cu4,和兩種鋁合金基體6063和3003。結(jié)果表明,噴涂A1Si12的6063和3003試樣在氬氣中釬焊效果良好。
Wielage B等人的研究表明,AI-12Si、Zn-Al和Cu-Ni等釬料能夠通過冷噴涂方法成功地制備到Al、Mg、Ti等輕合金的表面。
冷噴涂技術(shù)有望用于制備鋼結(jié)構(gòu)焊縫的腐蝕與防護(hù)涂層。王祺等人研究了1Crl3不銹鋼基體上冷噴涂鈦涂層的電偶腐蝕行為,從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面研究了冷噴涂鈦涂層與1Crl3不銹鋼的電偶腐蝕行為,發(fā)現(xiàn)兩者的電偶腐蝕傾向較小。因此,在不銹鋼等鋼結(jié)構(gòu)焊縫表面制備一層Zn,Al,Ti等金屬涂層,可以大大改善鋼結(jié)構(gòu)件的耐腐蝕性能。
冷噴涂技術(shù)因其低溫沉積、對(duì)基體的熱影響小、涂層基本無氧化現(xiàn)象等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了Cu、Ti、Mg等對(duì)氧化敏感材料的涂層制備。冷噴涂技術(shù)在鎂基體上制備的鋁涂層具有硬度高、結(jié)合強(qiáng)度好、耐腐蝕及耐磨性也有所提高等特點(diǎn)。同時(shí)由于冷噴涂技術(shù)不受增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)的限制、分布均勻且低溫沉積等特點(diǎn),可將增強(qiáng)體粒子的諸多優(yōu)良性能直接移植到復(fù)合材料中,因而冷噴涂技術(shù)在制備鎂合金表面防護(hù)涂層、鎂基復(fù)合材料和近凈成形中具有良好的應(yīng)用前景。
冷噴涂在電力部門應(yīng)用導(dǎo)電性能良好的銅涂層而大大降低電力損耗。此外,高速冷噴涂技術(shù)還在生物醫(yī)學(xué)、空間技術(shù)、化學(xué)工業(yè)、采礦、機(jī)械制造、電力、石油、建筑等領(lǐng)域得到應(yīng)用。由于具有低溫特點(diǎn),在材料中有70%都適用于冷噴涂處理。
冷噴涂技術(shù)對(duì)貴重材料可以進(jìn)行收集和再利用,因此在投資比較大的其它表面處理工程領(lǐng)域中具有一定的商業(yè)競爭能力,如電力工業(yè)、生物工程、電子工業(yè)等。
冷噴涂技術(shù)可以在金屬、玻璃、陶瓷等的工件表面,產(chǎn)生抗腐蝕、耐摩擦、強(qiáng)化、絕緣、導(dǎo)電和導(dǎo)磁涂層。也可以用來生產(chǎn)非晶材料涂層和多層涂敷,特別是在一些非耐熱或有限耐熱材料的表面,如塑料材料的絕緣涂層或超細(xì)粉末金屬涂層技術(shù)。
另外在軸承、平板、管狀鋼件上,能夠利用其進(jìn)行噴涂鋅、鋁或它們的合金形成抗腐蝕涂層。用冷噴涂法制備PTC陶瓷的Al電極。采用冷噴涂方法制備Al電極,它與PTC陶瓷片表面能形成良好的歐姆接觸。涂層均勻,氧含量極低,Al電極的電阻值接近 In-Ga電極。美國專利US 7402277:用冷噴涂技術(shù)形成金屬泡沫的方法。本發(fā)明涉及一種用冷噴涂技術(shù)制取泡沫金屬的方法,此方法是在已有的基底上形成一層泡沫金屬層。其方法包括:制備一個(gè)噴涂泡沫金屬的基底,在基底上用冷噴涂法噴涂一層金屬粒子和發(fā)泡劑的混合物,把涂有金屬粒子和發(fā)泡劑層的基底加熱到高于發(fā)泡劑分解溫度,并保溫足夠的時(shí)間,再把涂有金屬粒子和發(fā)泡劑層的基底冷卻到室溫,在基底上形成泡沫金屬層。本發(fā)明可用于石油、天然氣和化學(xué)工業(yè)的裝置中。
2.7 冷噴涂技術(shù)的發(fā)展前景
目前最常見的涂層有銅涂層,高純銅涂層具有高的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能。另一方面,冷噴涂為制備納米結(jié)構(gòu)金屬涂層以及塊材提供了有效的方法。基于不僅可以金屬合金、還可以制備用于耐磨的金屬陶瓷復(fù)合涂層,甚至陶瓷功能涂層,因此,冷噴涂不僅可以制備可以用于導(dǎo)電、導(dǎo)熱、防腐、耐磨等涂層等,也可以用于制備功能涂層,不僅很有希望用于生產(chǎn)和修復(fù)許多工業(yè)零部件,如渦輪盤、活塞、汽缸、閥門、環(huán)件、軸承、泵零件、套管、軸以及密封件等,也可以用于快速成型,直接生產(chǎn)零部件。目前,冷噴涂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)商品化,國外許多大公司已經(jīng)開始使用冷噴涂進(jìn)行生產(chǎn),涉及一般工業(yè)到軍事應(yīng)用。為此,冷噴涂的開發(fā)將在航空航天、石油化工、能源、汽車、電子、軍事和其他工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。展望冷噴涂技術(shù),必將會(huì)開創(chuàng)功能涂層制備技術(shù)的新時(shí)代。
3 結(jié)束語
冷噴涂技術(shù)對(duì)于擴(kuò)展及補(bǔ)充熱噴涂技術(shù)具有極其重要的意義,在工業(yè)上能夠帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。為表面工程技術(shù)的應(yīng)用開辟了新的途徑。它不僅在涂層的制備技術(shù)和金屬材料表面自身納米化方面具有重要價(jià)值,而且在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料的復(fù)合技術(shù)方面也將發(fā)揮巨大的作用。鑒于目前對(duì)冷噴涂技術(shù)的研究,冷噴涂技術(shù)可以制備導(dǎo)電、導(dǎo)熱、防腐、耐磨、耐蝕等涂層以及功能涂層,使用冷噴涂技術(shù)對(duì)實(shí)際構(gòu)件的表面缺陷進(jìn)行修復(fù)具有很大的優(yōu)勢,且有望用于生產(chǎn)和修復(fù)許多工業(yè)零部件。隨著冷噴涂技術(shù)研究的不斷深入,其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大,將在航空航天、汽車、石油化工、國防工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
特別是在我國,對(duì)于這項(xiàng)新技術(shù)的研究、開發(fā)與國際先進(jìn)水平還有很大差距,需要科研機(jī)構(gòu)和工業(yè)部門之間通力合作,加大投入力度,爭取早日使這項(xiàng)新技術(shù)為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)服務(wù)。
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