（动力机械及工程专业论文）材料表面改性粉末超音速冷喷涂试验研究.pdf

摘要 粉末超音速冷射喷涂技术( 下文中简称冷喷涂技术) 是表面工程的一 种新兴材料表面改性技术。表面工程以经济、高效、高质量地防护、强化、 修复、改善机械零件表面的物理化学性能为研究对象，受到世界各国的重 视。 在冷喷涂技术中，被喷涂的的工件以及涂层材料的粉末不需要高温 ( 不足以改变工件和涂层材料的晶相) 加热，也就不存在例如像热喷涂中 因高温所造成的诸多缺陷，与目前有广泛前途的热喷涂技术相比别具特 色，更为引人注目，具有极大的实用价值和广泛的应用前景。 本论文的内容是在涡轮机教研室以前对冷喷涂技术的研究成果基础 之上，继续对冷喷涂技术进行进一步深入研究。参考国内外有关的文献和 资料，对喷涂中的喷涂粒子侵彻靶板的过程进行了初步的分析；根据进一 步对冷喷涂技术原理的深入分析，对原冷喷涂实验装置进行了改进设计并 建立了新的实验装置；对此实验装置进行了多种材料的冷喷涂验证实验； 并结合教研室承担的科研课题，进行了冷喷涂特殊工艺技术的研究。 但是由于研究还处于探索阶段，冷喷涂装置的研究工作和冷喷涂的机 理探索都还有待于深入发展。 a b s t r a c t c o l dg a s d y n a m i cs u p e r s o n i cp o w d e rs p r a y i n gm e t h o d ( c s m ) i san e w m e t h o do fc o a t i n gd e p o s i t i o n m a t e r i a l s s u p e r f i c i e sm o d i f y i n g ，w h i c ha i m s t or e i n f o r c em a t e r i a l sc o r r o s i o n - p r o o f , a n t i f r i c t i o n ，s t r e n g t h e n i n g ，e t c ，h a s b e e nr e g a r d e da so n eo ft h ew o r l d w i d en e wh i g h t e c h n o l o g yf o c u s e s t h e d i s t i n g u i s h i n gf e a t u r eo fc s m i st h ep o s s i b i l i t yt op r o d u c ec o a t i n g s u n d e rt h eje t t e m p e r a t u r eo f0 - 5 0 04 c ，w h i c hi s n o th i g he n o u g ht om e l t p a r t i c l e s c o n s e q u e n t l y , a v o i d i n gt h ef a u l t yc a u s e db yt h eh i g ht e m p e r a t u r e u s e di n g a s t h e r m a lm e t h o d sf e a t u r e ss o m ei m p o r t a n ta d v a n t a g e so f c s m ， t h u st h ec s m t e c h n o l o g yh a sg r e a t e rp r a c t i c a lv a l u ea n dm o r ep r o m i s i n g a p p l i c a t i o np r o s p e c tc o m p a r e d w i t ht h e r m a ls p r a y i n gm e t h o d s i nt h i st h e s i s ，t h ec s mi sf u r t h e ri n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n tm e t h o d b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c hr e s u l t so fo u rr e s e a r c hg r o u p f i r s t l y ，ap r i m a r y a n a l y s i so fp r o c e s so f t h ep a r t i c l ep e n e t r a t i n gt h et a r g e td u r i n gt h es p r a y i n g h a sb e e np e r f o r m e dr e f e r r i n gt or e l e v a n tr e f e r e n c e sa n dm a t e r i a l s ，s e c o n d l y ， t h eo r i g i n a ld e s i g nc s m e x p e r i m e n td e v i c ei si m p r o v e da n d n e w e x p e r i m e n t d e v i c e sh a v eb e e ns e tu pa c c o r d i n gt of u r t h e ra n a l y s i so fc s m p r i n c i p l e s ， t h i r d l y ，c s mv e r i f i c a t i o ne x p e r i m e n t so fm a n y k i n d so fm a t e r i a l sh a v eb e e n d o n ew i t hr e s p e c tt ot h en e we x p e r i m e n td e v i c e a n dt h er e s e a r c ha b o u t s p e c i a lc s m c r a f tt e c h n i q u e sh a sb e e nc a r r i e do u tc o u p l e dw i t ht h ep r o j e c t u n d e r t a k e nb yo u rr e s e a r c h g r o u p h o w e v e r , t h er e s e a r c hw o r kr e g a r d i n gt h ec s m d e v i c ed e v e l o p m e n ta n d c s mm e c h a n i s me x p l o r i n gn e e d e dt ob ef u r t h e r d e v e l o p e d s i n c et h i s r e s e a r c hw o r ki ss t i l la tt h et r i a la n de r r o rs t a g e k e yw o r d s ：c o a t i n g d e p o s i t i o n ， c o l dg a s - d y n a m i c s u p e r s o n i cp o w d e r s p r a y i n g ，j e tf l o w 材料表面改性粉末超音速冷喷涂试验研究 第一章概述 1 1 表面工程技术的概述 表面工程是研究各类金属表面的失效机理及综合运用各种表面技术进 行防护的学科。表面工程主要的研究内容之一就是研究各种表面技术及其 工艺装备，以经济、高效、高质量地防护、强化、修复、改善零件表面的 物理化学性能。 全世界各工业发达国家的调查证明，各种机械零件由于磨损与腐蚀而 引起的能源和材料的消耗是十分惊人的，如荚国每年由于摩擦磨损和腐蚀 造成的损失约为2 0 0 0 亿美元，占国民经济总产值的2 4 。在我国，根 据有关部门的不完全统计，每年的摩擦损失达4 0 0 亿元，腐蚀方面的损失 也将近2 0 0 亿元”1 。为此世界各国十分重视表面工程技术的应用和发展 它是适应发展生产、提高经济效益的需要，同时也是支持高新技术的应用 开发和设备的维修和技术改造，并且是节约能源和资源的最为有效手段。 现有的表面工程技术大体如表1 一l 所示【”。 表1 。1 表面工程技术分类 序号表面技术工艺方法应用 士：。删苎堂塑銎妻覃淬火 提高表面硬度、耐磨、疲 l表面热处理 堂堂童要兰奎 ；菡一一一 电子束表面淬火 一 2 3 雠埠 手工电弧堆焊、埋弧堆焊、振动电提高耐蹭住、耐热性、耐 。 弧堆焊、等离子弧堆焊等蚀性 4 热喷涂 蠢霁震豢电弧喷涂、等离子喷涂、 茎萋善霍晶? 黧i 冀望晶 丰才料表面改性粉末超音速冷喷淙试验研究 5电镀槽镀、刷镀、特种镀 提商耐鼯、抗蚀、减膳哥 6化学镀镀n j 、c 。、r a 、r t 、c u 、a u 等 薹嘉薯芏杂菱蚀及在非金 7物登气翼镀蠢翥篆墓：篓象蓦蓑晶箍箍、 。r u 离子镀光学膜等 8 化学气相镀 妻：c v d 、低压c v d 、等离子c v d 、 同序号7 ( c v d )激光c v d 9 化学粘滁廉型、快速固化型、抗冲击型、抗 ：_ ：。“：= = m ：= ： “ 冲仙刑 。 一 10喷丸强化铸铁丸、钢丸等提高j 皮劳极限、表面伽度 在众多的表面工程技术方法中，热喷涂、喷丸强化技术和本课题研究 的冷喷涂技术在某些方面具有相似性，通过对它们的研究，可以更好地理 解冷喷涂技术的机理、应用范围以及实现方式。 1 1 1 热喷涂技术简介 作为表面工程技术之一的热喷涂技术是包括材料科学、表面物理化 学、等离子物理学、非均质流体动力学、传热学、机械学等多学科的边缘 科学。八十年代以来，现代电子技术、机器人技术、真空技术、激光技术 及电子束等高能柬技术，先进的传感器及检测技术，超导、生物功能、磁 控及新兴的复合材料制造技术等交叉渗透到热喷涂技术中，在高起点上促 进了热喷涂技术的高速发展，并广泛地向各个高技术领域渗透。热喷涂由 工艺学发展成一门独立的热喷涂工程学，正发生着深刻的革命性变化。 目前的热喷涂技术典型的有：粉末火焰喷涂、线材电弧喷涂、等离子 喷涂( p l a s m a ) 、爆炸喷涂及超音速火焰喷涂( h v o f ) 技术等。热喷涂技术 是利用一种热源将喷涂材料加热至熔融状态，并通过气流吹动使其雾化， 高速喷射到零件表面，以形成喷涂层的表面加工技术。喷涂层与基体之间， 以及喷涂层中颗粒之间主要是通过镶嵌、咬合、填塞等机械形式连接，其 次是微区冶金结合以及化学键结合。自从自融性合金粉末，尤其是放热性 自粘结复合粉末问世以来，出现了喷涂层与基体之间以及喷涂层颗粒之间 材科表面改性粉末超音速冷喷擦试验研冗 的微区冶金结合组织，使结合强度明显提高。喷涂材料需要加热熔融，和 喷涂层与零件基体之间主要是机械结合，这是热喷涂技术最基本特征【2 1 。 粉术火焰喷涂是最早得到应用的一种喷涂方法引。它利用气体燃烧发 出的热量进行喷涂。火焰喷涂具有设备简单，操作容易，工艺成熟，投资 少等优点。但是火焰喷涂涂层组织为层状结构，宙较多的氧化物和气孔， 而且混有变形不充分的颗粒，使得涂层结合不够致密。而且火焰温度一般 为300o ，使得火焰喷涂只适用于低熔点的金属。火焰喷涂主要用于 机械零件、化工容器和辊筒表面制备耐蚀和耐磨涂层。 线材电弧喷涂是在两电极间施加一定电压产生电弧，用电弧产生的热 量使金属焊丝熔化，熔化的熔滴在压缩空气的作用下喷向基体形成涂层 【3j 。电弧喷涂涂层也是层状组织，但由于电弧能量密度高，熔化粒子加热 温度高，粒子变形量足够大，所以涂层的结合强度高于火焰喷涂；但是电 弧的高温使得合金元素的烧损和蒸发严重，导致涂层中的合金元素减少， 影响了涂层的质量。近来由于药芯焊丝的使用使得这一情况得以解决，另 外电弧喷涂的材料必须是导电的材料，因此只适用于喷涂金属及合金， 而对陶瓷材料就无能为力。 等离子喷涂是继火焰喷涂、电弧喷涂之后发展起来的一种新的喷涂技 术 4 】。等离子喷涂技术自5 0 年代末期为适应航天工业的发展而问世以来， 一直处于热喷涂技术发展的中心地位，各种等离子喷涂设备和相应的喷涂 工艺不断涌现。等离子喷涂采用喷枪产生的等离子流将粉末加热和加速， 在熔融或接近熔融的状态下喷向母材表面形成涂层。等离子弧产生的温度 高达1 6 ，0 0 0 4 c ，喷流速度达3 0 0 4 0 0 m s ，因而可以喷涂各种高熔点、耐 磨、耐热涂层。用该法制备的涂层有较高的结合强度，气孔及夹杂少，因 而涂层特性好，尺寸也易于控制，更适合于陶瓷材料的喷涂。选用惰性气 体作介质，减少了粒子飞行过程中的氧化，因此等离子喷涂广泛应用于耐 1 材料表面改件粉末超音速冷喷涂试验研宄 蚀、耐磨、隔热、绝缘、抗高温涂层的制备【5 j 。 爆炸喷涂首先是美国联合碳化物公司林德分公司在5 0 年代后期发明， 并申请专利i 。6 0 年代前苏联的乌克兰学院业开发了一系列的爆炸喷涂设 备。我国航天部六二一所也研制成功了爆炸喷涂设备，但国内使用的爆炸 喷涂设备大多是引进的。爆炸喷涂利用氧和可燃性气体的混合气，经电火 花点燃，在喷枪中形成爆炸高温，加热喷涂材料，并利用爆炸波产生的高 压把喷涂材料高速喷向基体表面而形成涂层。颗粒速度大，可达1 2 0 0 m s ， 并产生冲击波。它使涂层更加致密、气孔率更底，而且冲击波的作用有利 于残余应力的释放，从而得到了高结合强度、高硬度、抗磨损的涂层。但 爆炸喷涂是脉冲式加工方法，它的效率较低，噪音大，要在专用隔音间中 操作。在热喷涂技术中，爆炸喷涂的涂层质量最好，但成本高，效率较低， 一般只在重要工件的加工中使用。目前，乌克兰研制的爆炸喷涂设备在世 界上使用的最为广泛。乌克兰科学院焊接研究所开发的爆炸喷涂设备型号 为“泊鲁恩”系列，材料所研制的设备最后定型为“第聂泊”和“捷米顿”。 1 9 8 1 年，美国的j a b r o w n i n g 发明了高速燃气火焰喷涂技术( h v o f ) ， 使传统的氧一乙炔火焰喷涂技术发生了根本性突破，成为继等离子体喷涂 发明之后热喷涂领域最重要的技术进展1 7 1 。燃料气和氧气在混合室内混合 后送入燃烧室中并将其中压力调节到合适的程度，气体燃烧后的火焰大约 可达4 倍音速。此后，惰性气体将粉末送入燃烧室，以同样的高速喷向基 体材料。h v o f 喷涂涂层致密且表面光滑、孔隙率低、化学分解少、氧化 物含量少，因而涂层具有很高质量。超音速喷涂适合喷涂金属粉、合金粉、 混合粉以及炭化物粉。特别适合于金属合余及粘结相的炭化物粉。超音速 火焰喷涂的涂层质量与爆炸喷涂相当，工作效率较高，但设备投资大，不 能喷涂氧化铝等氧化物陶瓷，使用的燃气纯丙烷也不易买到。目前，美国 各个著名的热喷涂公司亦竞相开发低耗气的h v o f 技术，如m e t c o 公司 d 材料表面改性粉末超音速冷喷凉试验研咒 的d i a m o n dj e t ( d j ) j i 技术、m i l l e rt h e r m a li n c 的t o pg u n ( t g ) 技术等。 总之，上述热喷涂技术的关键都是将涂层材料通过某种方式使其熔化、 并以某种手段加速至高速去撞击基板靶体，从而在基板上形成一层致密， 且具有高粘合度的涂层。 热喷涂技术的涂层形成一般经过四个阶段8 l ： 首先是喷涂材料被加热熔化阶段。热喷涂技术的分类一般以喷涂材料 被加热熔化的方式来区分，如等离子喷涂是通过高温等离子体流加热熔化 喷涂粉末，火焰喷涂一般是通过氧气和乙炔燃烧的火焰加热熔化喷涂材 料：然后是熔滴雾化阶段。热喷涂装置利用高压气体作为气源，或如爆炸 喷涂技术中产生的高压气体，把产生的融滴从热喷涂装置中喷射出去，同 时使聚集形成的大颗粒熔滴雾化成细小、均匀的小熔滴。对于细小的粉末 材料，这个过程的雾化效应几乎没有，只是粉末由高压气体夹带离开喷涂 装置；接着是飞行阶段。这个阶段是指离开喷涂装置到撞击被喷涂工件之 前的过程，此时是气体携带熔融状态的颗粒飞行的气、固两相流动过程。 飞行距离的长短影响着最后喷涂的涂层效果；最后是被雾化的熔滴颗粒撞 击基板表面 1 0 】。当熔滴颗粒以一定的动能冲击基板表面时，产生强烈的碰 撞，在产生碰撞瞬间，颗粒的动能转化为热能传给基板，并延凹凸不平的 表面产生变形，熔滴在碰撞到基体后首先作垂直基体向下的变形运动，然 后逐渐转变为沿基体表面的横向流动变形，成扁平状粘贴在基体表面。 综上所述，热喷涂技术的涂层形成机理是依靠喷涂颗粒所具有的动能 和热能的双重作用。经热源加热后雾化的并处于熔融态的颗粒流以高速打 击到被净化及粗化的基体表面，形成所需要的涂层。颗粒打击基体表面的 瞬间将变形，依靠“镶嵌”作用，形成具有层状结构的涂层。涂层的结合 包括涂层与基体的结合及涂层内聚的结合，前者的结合强度为结合力，后 者为内聚力。在热喷涂发展初期，认为喷涂涂层与基体材料表面的结合是 e 材料表血改性粉末超音速冷喷练试验珂f 究 严格的机械结合，即机械嵌合，亦即所谓的“抛锚效应”。随着高温热源 及放热型自秸结涂料的采用，发现喷涂表面有扩散效应，产生了微区冶金 结合的组织。现在人们认为涂层与基体表面及颗粒之洲的结合相同，均属 “物理一化学7 7 结合 9 。 随着热喷涂技术的发展及其应用领域的扩展，热喷涂技术自身存在的 缺陷也暴露出来，在某些领域限制了它的应用。热喷涂技术有几个主要缺 点： 首先，喷涂涂层与基体的结合强度不高。由于热喷涂在喷涂过程中， 随着塑性颗粒大量“重叠式连续沉积”，颗粒间的结合大部分是机械的， 那么颗粒之间必然存在一定数量的孔洞。这些缺陷的存在必然大大降低涂 层材料的机械性能和抗氧化、抗腐蚀能力； 第二，被加工的工件存在较大的热应力。由于热喷涂的喷涂材料是在 熔融状态喷涂到基板上，长时间的工作必然会使基板温度上升很多，待到 加工之后，冷却后的涂层存在较大的热应力。 第三，喷涂是在空气中进行，处于熔融状态的喷涂材料一般都是依靠 空气夹带飞行的，颗粒在高温、高速的情况下，涂层中必然存在氧化物夹 杂，使喷涂的粉末材料在高温下易被氧化。如果喷涂材料是单质金属，空 气中的氧气就会和金属发生氧化反应，喷涂的涂层性能因此会与期待的涂 层性能出现差异。 第四，热喷涂技术的成本较高。所有的热喷涂技术都需要热源，而且 随着热喷涂的发展，热源温度越来越高，热源的成本也越来越高。等离子 喷涂之所以成为重要部件热喷涂的首选，就是因为火焰喷涂的涂层性能效 果不是很好，等离子喷涂的涂层性能比较好，成本不是太高。而超音速火 焰喷涂和爆炸喷涂的成本很高，应用的领域较小。所以现在的热喷涂技术 正在向着高能、高速的方向发展，超音速喷涂技术、爆炸喷涂技术的发展 6 材料表面改性粉末超音速冷喷涂试验研究 就表明了这种趋势，但由于热喷涂自身的一些缺陷也使得热喷涂技术的应 用受到了某些限制。 1 1 2 喷丸强化技术 喷丸处理是在受喷材料再结晶温度以下进行的一种冷加工方法，是将 弹丸在很高速度下撞击受喷工件表面而完成的。喷丸可应用于表面清理、 光整加工、喷丸成型、喷丸校正、喷丸强化等方面。喷丸强化又称受控喷 丸，不同于一般的喷丸工艺，要求喷丸过程中严格控制工艺参数，使工件 在受喷后具有预期的表面形貌、表层组织结构和残余应力场，从而大幅度 提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力1 0 。实施喷丸时，弹丸由专用的喷丸机， 籍助压缩空气、高压水流或叶轮，高速射向零件受喷部位。常用弹丸有球 形铸铁丸、铸钢丸和其它非金属材料制成的弹丸。概括起来，喷丸强化就 是利用高速运动的弹丸流对金属表面的冲击，而使金属表面产生塑性循环 应变层的工艺过程，从而提高金属零件的抗疲劳性能和抗应力腐蚀等性 能，消除残余应力。通过此手段提高零件的可靠性和耐久性。 喷丸工艺参数就是弹丸直径、弹丸速度、弹丸流量、喷射角度、喷射 距离、喷射时间、覆盖率等。其中任何一个参数的变化都会不同程度的影 响喷丸强度，即影响强化的效果】。 通常情况下，弹丸直径大，可以得到较高的喷丸强度，取得较好的强 化效果，但并不是说弹丸直径越大强化效果越好，当弹丸直径过大时，反 而会影响喷丸效果。因此选择弹丸尺寸的一般原则是：第一，当对表面粗 糙度有要求时，应尽量采用较小弹丸：第二，当带内、外圆角、沟槽时， 弹丸的直径尺寸应小于内、外圆角半径及槽的宽度。 在其他工艺参数不变的情况下，弹丸的速度越高，喷丸强度越高。同 样，并不是说速度越大，效果越好。速度过大则疲劳强度略有下降，因此 应严格控制弹丸速度。 7 材料表面改性粉末超音速冷喷涂试验影 咒 喷射入射角为4 5 。比6 7 5 。具有更大的摩擦力作用，这样其外表压缩 残余应力就大。 通常强化时间不足比强化时间过度更为不利。因此当发现强化时间低 于规定时间时，可以对该零件再进行补充强化一次。 喷丸作为一种工艺很早就出现，但直到十九世纪后期，随着航空航天 事业的发展，才被开始用于做强化处理，尽管我国已有相应的标准，但是 在国内的其他领域当中的使用还不多。 虽然喷丸强化技术是一种在受喷材料再结晶温度以下进行的一种冷加 工方法，但它仅仅是通过弹丸的冲击作用消除工件的残余应力，提高工件 的抗疲劳性能。而没有对工件表面提供额外的保护。喷丸强化技术主要的 应用领域还是在大工件的表面处理，对小工件而言，弹丸的尺寸太大了。 总结以上分析，由于现有的表面工程技术中的热喷涂技术，在其喷涂 原理和过程中存在着缺陷，且对于某些工件或涂层材料来说这些不足是致 命的，也就是说现有的热喷涂技术存在着应用上的局限性。而喷丸强化技 术又不能算作纯粹材料表面改性。就此本论文要研究的是另一种表面工程 新技术一一冷喷涂技术，它是一种新兴的材料表面改性技术。在冷喷涂技 术中，涂层材料的金属粉末颗粒或陶瓷粉末颗粒，以及被喷涂工件不需要 高温( 不足以使涂层粉末和工件因熔化或高温而发生晶相与机械性能的改 变) 加热，也就不存在例如像热喷涂中因高温熔融所造成的诸多缺陷，这 使冷喷涂技术尤其在基体材料受热易变形及需要保持涂层材料原有的优 良性能的场合，有着热喷涂技术所无法比拟的优点。 1 2 冷喷涂技术的简介 冷喷涂技术既冷气体动力学喷涂技术的简称，指在不足以便涂层粉末 及工件的晶相与机械性能因熔化或高温而发生改变的常温或较低的温度 下，利用高压气体在缩放喷嘴形成的超音速气流将涂层粉末加速并喷射到 r 材料表曲改性粉末超音速冷喷涂试验研究 基板，形成致密表面涂层的材料表面改性新技术。 由于冷喷涂技术是一项以实现材料表面改性为目的的技术综合体系， 所以该项技术涉及多个学科领域，主要有：材料科学、表面物理化学、多 相( 气固两相) 气体动力学、传热学、冲击动力学( 固体力学、塑性力 学) 以及机械设计等。综合运用这些学科领域的研究成果对冷喷涂技术开 展深入的研究，将对冷喷涂技术由机理探索阶段走向成熟，并进入实际应 用，提供坚实的理论基础和保证。 1 3 冷喷涂技术的发展现状及意义 对于“热”喷涂技术目前国内、外各研究机构已经进行了相当长期和 深入的研究，并取得了突出的成就。相比之下冷喷涂领域的研究尚属初期。 作为一种新兴的材料表面改性技术，冷喷涂技术与目前已有的、广泛应用 的热喷涂技术相比有其独特之处，因此国外已对此项技术表现出极大的热 情和兴趣，并已经对此项技术开始了初步的研究。据文献记载，俄罗斯 科学院新西伯利亚分院，率先开展了这个项目的研究，并已经得到了一些 很好的实验结果1 2 。美国康乃尔大学一课题组正在开展常温超音速分子束 制备薄膜研究，即在压力较高的混合室( 几百乇) 中，将硅烷分子和载气 体氦混合，通过喷嘴喷射到超真空室，产生超音速流，撞击基板形成硅膜 1 3 【1 4 】1 1 5 1 。但鉴于该项技术的先进性，国外公开发表的有关该研究的文 献和资料很少。目前国内为数不多的科研机构开展了该项技术的研究，并 尚处在机理研究的探索阶段或终止研究( 中科院力学所曾在该方向有过一 些研究，目前停止) ，检索国内的近期文献，有关冷喷涂技术的研究，未 见有公开的报道。 大连理工大学动力系涡轮机教研早在1 9 9 7 年就开始进行冷喷涂技术 的研究1 酗。至今，已经设计、建立了玲喷涂的实验装置，利用此装置进行 9 。 材料表面改性粉末超奇速冷喷涂试验研究 了初步的冷喷涂试验。对实验结果的分析证实了冷喷涂技术上的可行性。 在进行冷喷涂装罱设计的同时，他们还进行喷射过程中的气、固两相射流 计算，为装置的优化设计和实验结果的分析提供了参考。在此期间，他们 多次在杂志、会议上发表阶段研究成果。 由于热喷涂技术的关键都是将涂层材料通过某种方式使其熔化、并加 速至高速去撞击基板靶体。从而在基板上形成一层致密，且具有高粘合度 的涂层。显然可见，这些技术存在一个通病，即涂层材料在喷涂过程中由 于高温( 参见表l 一2 ) 熔化而存在氧化、汽化、熔化、晶化、气体分离 嚷谂溢爱t t f ) 啕 3 0 486 0 96 9 1 4 4 1 2 19 m 却 l # t m , t k i , 蟹 图卜i 各类喷j 余技术的应用范围图 材料表面改性粉末超音速冷喷涂试验研究 表1 2 热喷涂的热源温度 热源形式温度( ) 氧丙烷 2 7 6 0 氧煤气 2 0 0 0 氧氢气 2 7 0 0 氧乙炔 3 】o o 电弧及等离子弧焰流 2 4 0 0 8 5 0 0 等效应，由此导致涂层性能下降。冷喷涂技术正是针对热喷涂的通病提 出的，它是喷涂领域中一种新的发展动向。图1 - 1 中给出了热喷涂技术及 冷喷涂技术的应用范围【4 1 。 由于冷喷涂是在常温下或较低的温度( 不足以改变涂层粉末的晶相) 下，利用高压气体在缩放喷嘴形成的超音速气流将喷涂用粉米喷射到基板 形成涂层。因此，冷喷涂技术中不存在高温加热涂层材料的粉末颗粒，也 就不存在热喷涂中上述因高温给涂层性能带来的负面影响。在文献 1 3 ， 1 4 】中提到，提高热喷涂中的涂层与基体的结合强度，还是要提高未熔部 分的相对含量和粒子的速度。所以如果冷喷涂技术中的粒子速度能提高到 一定的程度，冷喷涂涂层的结合强度就会满足大多数产品的要求。归纳起 来冷喷涂技术有以下主要特点和优点： ( 1 ) 没有过多的热量传递到被加工工件的表面，减少加工零件的热应 力，从而克服了基体工件的高温变形，还可以加工非耐热或有限耐 热的基体工件。 ( 2 ) 冷喷涂过程没有高温，大大减少了喷涂材料氧化的机会，所产生涂 层的性能接近于初始涂层粉末材料的性能。 ( 3 ) 喷涂过程不需要高温热源，大大降低冷喷涂的设备成本。热喷涂设 备的热源费用占总成本很大的比例。 材料表面改陡粉末超音速冷喷涂试验研究 ( 4 ) 由于没有高温喷射和辐射，提高了工作的安全性，也简化了喷涂的 工艺过程。适于在线加工。 ( 5 ) 在喷涂过程中能回收和再次利用涂层粉末，从而比热喷涂大大节约 了喷涂成本。 上述的优点将使得冷喷涂技术成为引人注目的新喷涂技术，有着广泛 的应用前景，所以开展本课题研究具有重要的现实意义。 1 4 冷喷涂技术的应用价值 从大连理工大学动力系涡轮机教研室对冷喷涂技术的研究成果看，许 多热喷涂的应用领域冷喷涂技术也可以应用，而且还具有自己独特的优 势。而在一些热喷涂无法应用的领域，冷喷涂技术仍可采用。因而冷喷涂 技术在推广应用上会有更广阔的市场。 冷喷涂技术能应用到机械制造、航天航空工业、造船、汽车工业、电 子工业、仪器制造等领域。它能够提高设备的使用寿命，从而大大降低了 维修费用及其由维修造成的停工损失，尤其对于大型设备如：电厂汽轮机、 化工厂压缩机、大型轮船等。并且该技术还能作为维修手段对损坏的设备 进行喷涂维修，进而能够得到比原零件更好的性能。 具体来说在金属及非金属等工件表面，产生抗腐蚀、耐磨擦、强化、 绝缘、导电和导磁涂层。该方法还能够用来生产非晶材料涂层和多层涂覆 特别是在一些非耐热或有限耐热材料的表面，如塑料材料的绝缘涂层或超 细粉末金属涂层。另外在轴承、平板、管状钢件上，能够利用其喷涂锌、 铝或它们的合金形成抗腐蚀涂层；加上其附属设备较少，故可以设计成移 动式的，这样对于大直径长管、海及内河的船舶、桥梁和各种机械的壳体 等等进行表面在线喷涂。 材料表血改性粉末超罾速冷喷、凉试验研咒 总之由于热喷涂技术已在我国成功地应用到高温隔热、耐磨、生物相 容等方面，冷喷涂技术因其在基体材料受热易变形及需要保持涂层材料优 良性能的场合，是热喷涂技术所无法涉足的，因此有更为乐观和广泛的应 用前景。所以，对该技术的研究和开发出商品化的冷喷涂设备，必将带来 巨大的经济效益和社会效益。 1 5 冷喷涂技术需解决的关键问题 冷喷涂技术需解决的主要问题有两个方面：首先是冷喷涂装置的研究 和设计的问题；其次是涂敷机理( 或称侵切机理) 的研究，以便获得冷喷 涂涂层尺寸、性能和冷喷涂装置有关参数及基体材料性能之间的关系等。 1 _ 5 1 冷喷涂装置的研究和设计的问题。 根据对冷喷涂装置功能实现要求的分析，一般可以将其大体分为四大 系统：高压气源系统、送粉系统、超音速流喷射系统、喷涂腔室及回收系 统。对应地提出了四方面的问题： ( 1 ) 高压气源系统的设计应满足能够提供尽可能高和稳定的气体压力。 最好其设备简单和易于移动，必要时便于野外作业。 ( 2 ) 超音速流喷射系统如何实现将粉末以最大动能喷出，从而在基板表 面形成最致密地的涂层； ( 3 ) 送粉系统如何实现连续、稳定、均匀地输送涂层粉末。上述送粉条 件满足程度的好坏直接关系到最终得到的涂层的性能的好坏，因此送粉系 统需要尽可能地解决送粉中存在的粉末不连续和不均匀问题。 ( 4 ) 喷涂腔室及回收系统应具有：避免飞散的粉料泄漏进大气而污染环 境；保证能够快速地散热与散气，并排出清洁空气的功能，以防止腔室的 材料表面改性粉末超音速冷喷涂试验研究 温度与压力的累积升高：要能够捕集由腔室过来的含粉料气体中的粉料， 而且单位时间内要有相当量的气粉分离处理能力。 冷喷涂装置的研究设计不能仅仅依靠理论设计，在目前没有参考资料 的情况下，有时还要依靠实验经验，借鉴热喷涂设备和其它类似产品的设 计思想，在实践中不断发展和完善， 1 5 2 冷喷涂技术的涂敷机理研究 获得冷喷涂涂层性能和喷射参数及基体材料性能之间的关联关系是 冷喷涂技术研究的另一个重点之一，也是难点所在。冷喷涂技术中的涂层 形成机理的研究为解决这个问题可以提供帮助。从前面热喷涂的介绍中可 以看出，虽然热喷涂技术中的涂层形成机理的研究目前已有很大进展，但 还不能完全解决涂层形成时的颗粒与基板之间的微观作用过程，还在随着 诊断工具的发展进一步发展。冷喷涂技术的涂层形成机理和热喷涂技术还 有很大的区别，主要原因是两者的技术原理存在根本的不同。 热喷涂技术是由最初的依靠热源温度熔化喷涂颖粒，逐渐发展到提高 热源加热喷涂颗粒的温度和提高喷涂颗粒的撞击动能两种方法实现喷涂 的。所以热喷涂的涂层形成时主要是依靠熔融状态的喷涂颗粒和基板的粘 贴结合。 冷喷涂技术则主要是依靠高速运动的喷涂颗粒撞击基板形成涂层，所 以涂层形成时应该是以侵彻为主的结合方式。在喷涂材料高速撞击工件表 面时，喷涂材料和工件表面都会发生塑性变形，使两者的屈服强度大大的 增加。同时由于喷涂材料的速度很高，喷涂材料的颗粒会侵彻入工件，就 使得喷涂涂层和工件形成很高的结合强度。 因此对于冷喷涂的涂层形成机理要进一步地开展理论和实验方面的 研究。这个f o 题解决的关键是对粉粒侵入基板的过程的研究，在这方面参 1 4 材料表面改性粉末超音速冷喷瓣试验谛r 芄 考穿甲力学和冲击动力学方面关于撞击和侵切的原理f 1 7 】，可以初步的建立 冷喷涂涂层形成模型。其它，如喷嘴出口到基板的气流冲击射流问题，可 以参考水利冲击方面研究比较多的冲击射流建立数学模型1 8 】。 解决了这些难题就能够根据不同的基体材料及要获得的涂层性能而 选取适宜的涂层材料和喷射气动参数，以及设计、调整冷喷涂装置等。 1 6 本论文的研究内容及方法 本论文的研究工作是在本教研室已前对冷喷涂技术初步研究的基础 之上进行的【”】。前面的研究工作( 其中的主要工作：实验装置的探索性设 计和两相流的自由射流简化模型计算软件编制) 是开创性的、探索性的。 其阶段成果对此次论文工作具有很大的启发作用，但以前的研究工作中也 存在一些不足之处，主要体现在实验装置进粉不连续、结构较复杂改性效 率。本论文在吸收以前工作的经验的基础之上，研究的内容主要为以下三 个方面：实验装置的优化设计：喷涂粉粒撞击喷涂基板过程的力学模拟分 析：结合涡轮机教研室承担的课题，进行压气机叶片表面喷涂成纹的研究。 出于本项技术涉及多学科交叉领域，加之论文时间有限，所以本论文采取 理论研究和实验探索相结合的方法对冷喷涂装置设计和理论研究做进一 步研究工作。 论文具体的工作如下： 1 在现有热喷涂技术的研究成果和前期冷喷涂研究工作的基础之 上，参考国、内外有关的文献和资料，通过实验，寻找较好的冷 喷涂实验装置的设计方案。 2 据此实验装置进行多个方案的试验研究。用不同品种和粒度的粉 末，对不同材质的靶板进行数次喷涂，以便向试验装置的性能和 冷喷涂技术的机理研究提供必要的分析依据。 15 材料表面改性粉末超音速冷喷滁试验研究 3 分析试验结果。通过对喷涂样品的物理测试和金相分析，分析涂 层的性能，确定喷涂的效果和喷涂设备的效果。 4 对涂层的形成过程进行理论分析，为解释涂层形成机理作铺垫。 5 在进行冷喷涂的基本研究的基础之上，将冷喷涂技术应用于实际 生产中，对工件进行特种加工。 材料表面改性粉末超膏速冷喷涂试验研究 r 第二章冷喷涂实验装置的设计 2 1 实验装置的设计要求 根据冷喷涂功能实现的要求，可以将冷喷涂实验装最大体分为四大系 统：高压气源系统、进粉系统、超音速射流系统和喷涂腔室及回收系统。 高压气源系统的设计应满足所需的空气压力和流量，要求设备简单可 靠、调节方便。 对进粉系统要求实现连续、稳定、均匀地输送涂层粉末。这些条件满 足程度的好坏直接关系到最终获得的涂层性能的好坏，因此在设计中务必 着重解决。 超音速射流系统是冷喷涂的核心所在，基本任务是实现粉末以最大动 能、较均匀地喷出，从而在基板表面形成最致密地的涂层。另外由于超音 速喷嘴会造成巨大噪音，这在环境保护日益受重视的今天是不能认可的， 故而如何在不减少喷气动能的条件下，尽可能降低噪音，这对喷嘴的设计 提出更高的要求。 喷涂回收系统是提供喷涂的工作场所，其性能好坏将会应影响到操作 人员的健康、操作人员的工作强度以及喷涂工艺的经济性的高低。 下文将对冷喷涂实验装置的这四大部分的设计要求和存在的设计难 点作进一步分析。在此基础上结合有关理论和工程设计的经验给出了冷喷 涂实验装置的设计。 2 ，2 高压气源的设计 常用的高压气源有空气压缩机、高压气体钢瓶等。空气压缩机可以根 据使用要求提供各种流量和各种压力等级，操作简单、使用方便。缺点是 材料表面改性粉末超皆遭冷喷稼试验母r 究 体积大，耗电多，噪声大，而且一般提供的工质只能提供压缩空气。高压 气体钢瓶可按需要提供不同工质的、规定压力等级的高压气体，且容量有 限，不适合长时间、大耗气量的工作。高压气源系统的设计要求如上小节 所述。为达到上述要求，在供气系统中，高压空气钢瓶是较为理想的选择 之一。它能提供高压力的空气，一般可以达到9 m p a 以上，而且使用方便， 供应也很方便，还便于移动。这样不仅在实验室、工厂里可以方便的使用， 对于野外操作或对于大型工件也可以通过移动气源实现喷涂的目的。高压 空气钢瓶的不足之处是不能长时间连续地、稳定的供气，且供气量受到很 大限制。但作为试验用，或是小规模和小范围地使用是能够满足要求的， 对于大型工件可以通过并联钢瓶的办法，增加稳定供气的时间和流量。 本论文实验中，根据高压风源系统特点比较，将原无油润滑压缩机中 压风源系统改为并联钢瓶系统的高压风源系统。但由于本课题工作中需要 的气体压力较高，普通的流量计难以承受，加之实验中，测试仪器精度有 限，所以通过对钢瓶内的气体压力的监测，结合理论计算，可以得出流量 的变化值，如下： 钢瓶内的容积y 是固定的，压力p 、密度p 、比容u 、随时间变化。 v = 晰u = c o n s t m 为钢瓶内气体质量 d v = d ( m u ) d v = 0 d ( m v ) = m d u + v d m ：m d ( + 土西” pp = 一7 1m 咖+ 吉咖 即： 一d m ：塑 ( 2 1 ) ，竹口 钢瓶内气体流出过程可以看作是绝热过程，根据绝热过程的气体状态 方程：其中五为理想气体绝热指数 = c o n s t 即d ( p u k ) 叫争卸( 协。 軎一p 妒“1 咖= 7 d p 印 p 上p 和= 。 即：塑：塑 ( 2 2 ) pp 山f2 1 ) 、( 2 2 ) 可得： 塑：土d p( 2 - 3 ) 脚kp 对( 2 - 3 ) 进行积分，可得： 1 n m l i = 乏1 - l n p l 2 , ( 2 - 4 ) 根据理想气体状态方程：p v = m r t ，其中p 可由钢瓶出口的压力表读 出，v 可由钢瓶上的铭牌读出，r 为气体常数，t 为室温，就可以算出m 。 初始状态的参数已知道，根据钢瓶出口的压力表的读数，以及压力变化所 用的时间，就可以算出从钢瓶中排出的气体的平均质量流量。 2 3 进料系统的设计 喷涂的效率和涂层的质量，不仅与喷管的进、出口气动参数有关，还 和进粉系统性能的好坏有直接关系。尤其是能否连续、均匀、稳定地输送 涂敷粉末，将直接对功能涂料的厚度、均匀度、生长速率及性能产生极大 影响。 一般进料系统由贮粉器、粉末输送器、粉末进入量控制器等组成。对 进粉装置的具体要求主要有如下几点： 1 能定量、连续供粉，这是保证被喷涂工件膜厚均匀的关键。 2 尽量采用结构简单的设备，易于安装和拆卸，可以方便的更换喷 1 9 材料表面改性粉末超音速冷喷涂试验研究 涂使用的粉末。 3 要尽量减少机械作用或活动的零部件，以减少各类故障的发生及 粉未外泄，提高进料系统的稳定性。 4 希望能有足够的贮粉和粉末输送能力，能够满足长时间的工件喷 涂连续作业的需要。 5 贮粉器到喷枪之间的输送粉末距离尽量短。 目前，在喷涂技术中应用较广的送粉装置 19 】主要有：自重式送粉器、 刮板式送粉器、雾化式送粉器、鼓轮式送粉器、微细粉送粉器、1 1 9 5 型送 粉器、硫化床虹吸法送粉器、虹吸法送粉器。上述各种进粉系统各有优缺 点，可根据不同的场合和要求进行选用。应当指出以上各种进粉器都不同 程度地存在着进粉不连续和不均匀的问题。 参考上述各种设计，结合 本论文研究的实际情况，在本 实验装置的设计中，采用抽吸 原理和自重式送粉器原理相接 合的设计思想，重新设计、改 官 造了进粉系统，并加工、安装、 调试使用，实验效果优于原进 圈2 - 1 ：自重式送粉器不总图 f i g2 - 1 ：s c h e m a t i cd i a g r a m o f d e l i v e r i n g 粉系统( 因技术保密原因，结 口o w d e re 口u i v m e n to fd e a d w e i g h ts t v l e构示意图见图2 1 ) 。该进粉方 式利用粉体的自身重量，并通过喷嘴管道的高速气流形成的负压，将贮粉 器中的粉末带入粉末输送器，确保粉体能够由贮粉器出口处顺利流出，并 进入高速气流管道。这种结构的进粉装置，结构简单，可以方便的更换喷 涂使用的粉末，有足够的贮粉能力，可以连续地向喷枪供粉，贮粉器到喷 枪之间的距离也可以方便的调节。 2 0 材料表面改性粉末超音速冷喷涂试验硼咒 2 4 超音速喷嘴的设计 2 4 1 设计原则 超音速射流系统是本研究实验装罱的核心部分。因为由进料系统送来 的涂层粉末在超音速喷嘴系统中和高速气流混合，实现加速，最终以高速 撞击工件形成致密的涂膜层。所以，为在基板表面形成最致密地的涂层， 如何实现将粉末以最大动能喷出，是本设计最为关心的。出于在超音速射 流系统中存在气体和喷涂粉末颗粒的混合流动，对于这样的气固两相流的 流动情况，目前研究的还不是很成熟，因此本论文在设计整个射流部件时， 采用半经验的设计方法，确定了喷嘴和混合段的设计 2 0 【2 1 】 22 1 。另外，对 于超音速喷嘴系统的降噪问题，也是在设计中应该考虑的，但这还需做更 深入的研究。 超音速射流系统中的喷嘴必须采取缩放型喷嘴即拉法尔喷嘴，这样才 能在喷嘴中使气流加速至超音速。只有使气流速度越大，最后喷涂粉术颗 粒具有的动能才能越大。在喷涂过程中，最好控制的参数是喷嘴入口的气 体压力、温度和出口的压力，所以在设计喷嘴时要参考这三个参数。另外 为了设计喷嘴。还要知道气体的质量流量或喷嘴的临界截面积。在实际设 计中，考虑到工程应用时主要应该考虑喷涂的面积，而实验时也是要通过 分析喷涂面的喷涂效果来考察喷涂效果，所以喷涂面不能太小。而喷涂面 太大，消耗的高压气体较多，对于实验来说保持大流量的稳定气流还是有 一定困难的。所以设计中就选择了喷嘴的临界截面积作为已知量。这样， 就有喷嘴入口压力、入口温度、出口压力和临赛截面积四个控制变量，同 时参考常规拉法尔喷嘴渐缩段和渐扩段设计的角度，设计出超音速喷嘴。 2 4 2 设计原理 已知喷嘴入口压力p l 、喷嘴入口温度t l 、喷嘴出口压力p 2 和喷嘴临 2 1 - 材判表面改性粉末超音速冷喷涂试验研究 界截面积a 。，以及渐缩段的e f 心角为日，渐扩段的中一i l , 角为审。由于喷 涂过程e e 的温度基本在常温下进行，压力在允许范围之内，所以喷嘴中的 气体可视为理想气体，而且喷嘴中的流动视为一维稳定绝热流动23 1 ，所 以计算如下： ( 1 ) 、计算通过喷嘴的气体质量流量所 根据理想气体状态方程向2 怠，鲁= ( 百2 一击可得到p ， 由簪：百2 可得到：归西iz女+ 。“” 所以通过喷嘴的气体质量流量= p 。4 ， ( 2 ) 、计算喷嘴出i ：7 气流速度c ： 雁2五雨-rt,1 ( 3 ) 、计算喷嘴出口截面积4 ： 由空气绝热w 、l u w 一一c a i , 万0 22 ( 丝p i ) i ，可得到p ：p l 。 爿：生