论冷喷涂的现状和前景.doc

。 论冷喷涂的现状和前景摘要：参考关于冷喷涂技术的论文，来总结冷喷涂技术现阶段国内外的发展和应用领域。20 世纪 80 年代中期前苏联科学院西伯利亚分院 理论与应用力学研究所的科学家在进行风洞实验时发 现 ,当示踪原子的速度超过某一临界速度时 ,示踪原子 对靶材表面的作用由冲蚀变为沉积 ,在此基础上提出 了冷喷涂的概念 1 ,2 。之后的数年里 ,美国、德国、日 本等国家都成立了相关的科研团队 ,对冷喷涂的沉积 机理和应用进行了深入的研究。1 现阶段冷喷涂技术的研究现状：目前 ,关于冷喷涂沉积机制的研究很多 ,但尚无定论。很多 研究者根据实验结果提出了不同的机制来解释冷喷涂现象。 H. A ssadi等人 3 提出了“金属冶金结合机制 ”,认为冷喷涂 沉积过程类似于冷 /热压焊。颗粒撞击基体时 ,颗粒和基体都产 生很高的塑性变形 ,不仅使材料发生加工硬化 ,而且导致了在颗 粒和基体界面处产生绝热升温 ,使得材料发生热软化。当撞击 速度超过一定值时 ,热软化超过加工硬化效果 ,导致了颗粒发生 绝热剪切失稳 (Adiabatic Shear Instability) ,塑性变形迅速增加 , 从而使粒子与基体的接触面积迅速增大 ,促进了结合的形成。 另一方面 ,粒子速度的增加 ,不仅使接触面积增加 ,而且使局部 温度增加。当粒子速度超过一定速度后 ,温度的升高可能使粒 子和基体部分熔化 ,形成局部冶金结合。 M. Grujicic等人 4 提出了“机械咬合机制 ”。当粒子撞击基 体时 ,由于粒子速度处于一定范围内 ,从而使基体表面发生 Kel2 vin2Helmholtz失稳现象。颗粒流在基体表面产生的塑性流变使 得表面有着不同的表面速度。不同的表面速度扰动了流体 ,而 且产生了一个离心力 ,使得表面产生了一定的曲率 ,形成卷曲和 漩涡。这些卷曲和漩涡使颗粒与基体达到结合。在表面失稳过 程中 ,塑性流变惯性促进了表面失稳 ,但是材料黏性对塑性流变 有着阻碍作用。因此 ,只有颗粒速度超过临界值时 ,流变惯性超 过黏性阻力 ,使表面发生失稳现象 ,这个临界值就是颗粒撞击的 临界速度。 Van Steenkiste等人 4 提出一种逐渐提高结合强度的粘接 机制 ,认为颗粒先依靠范德华力或静电力粘接在基体表面 ,之后 依靠后续颗粒的多重撞击增大颗粒与基体的结合强度。 2冷喷涂技术的应用2冷喷涂技术的研究方向：冷喷涂是一种经济、环保的涂层制备技术 ,因此在 短时间内受到了广泛重视 ,主要有以下研究方向 : (1) 冷喷涂实验装置的设计和优化 ,由于冷喷涂中 最重要的部件是喷枪 ,所以合理设计喷枪前端粉末粒 子与高速气体的混合室 ,以及使用流体动力学改进喷 枪的形状和其他相关参数 (如喉部直径 ,扩张段长 度) 20 显得特别重要 ,同时改进喷枪比使用其他方法 来提高粒子速度显得更加经济。 (2) 使用计算机软件辅助流体动力学模拟冷喷涂 过程能使研究人员更好、更直观地了解冷喷涂的各个 阶段粉末粒子的速度特性、运动轨迹、相互作用及结合 过程 ,同时根据模拟结果和相应的实验结果进行对比 , 优化实验方案以及验证与冷喷涂相关的理论。目前使 用较多的模拟软件是 Fluent 。Grujicic M 4 采用数学 模型解释了实验中得到的 Cu 在 Al 上的沉积率高于 Al 在 Cu 上的沉积率的现象 ; Takana H 26 模拟了在 冷喷涂过程中施加静电场对粒子沉积的影响 ; Van Steenkiste T H 14 根据实验现象把冷喷涂涂层形成过 程分为 4 个阶段 ,并且认为粒子在不同的入射速度下 , 几个阶段几乎同时发生 ,涂层最后的性能取决于几个 阶段竞争的结果 ;其他学者采用数学模型模拟了工作 气体的速度、温度及粒子在喷枪出口和撞击基体时的 各个物理参数2 ,5 ,6 ,11 ,15 。 (3) 喷涂前对基体和粉末材料进行前处理 ,喷涂后 对涂层进行后处理 ,提高涂层的相关性能。Lee H Y 7 ,27 采用后续的热处理工艺制备了 Al2Ni 和 Al2Ti 金属间化合物涂层 ,检测结果表明中间化合物在 Al 基体中均匀分布 ;Novoselova T 22 制备了 Al2Ti 中间 化合物涂层 ,证实了随着热处理温度的改变 ,涂层中的 化合物成分也随之改变。 (4) 使用冷喷涂制备复合涂层、纳米涂层和其他涂 层 ,拓展冷喷涂的应用范围。例如在 Cu 合金上采用 冷喷涂方法制备了热障涂层 CuCrAl 合金28 ,在 973 1073 K条件下进行热循环氧化实验 ,表面喷涂后使 热氧化的质量损失由 80 %降为 10 % ,显示涂层具有优 越的抗氧化能力。 (5) 针对不同的喷涂材料和基体 ,研究涂层的显微 结构、孔隙率和粘接强度 ,在此基础上完善冷喷涂结合 理论和改进实验方法。Xu Y 19 在 Al 基体上沉积了 聚乙烯塑料 ,表明在喷涂过程中聚乙烯粒子并没有熔 化 ,但是其沉积效率比一般的金属还低。6参考文献 1 GRUJ ICIC M , ZHAO C L , DEROSSET W S , et al. Adiabatic shear instability based mechanism for particles/ substrate bonding in t he cold2gas dynamic2spray processJ . Materials & Design , 2004 ,25 (8) :681 - 688. 2 D YKHUIZEN R C , SMITH M F. Gas dynamic principles of cold sprayJ . Journal of Thermal Spray Technology , 1998 , 7 ( 2 ) : 205 - 212. 3 A ssadi H, Gartner F, Stoltenhoff T, et al. Bondingmechanism in cold gas sp raying J . Acta Materialia, 2003, 51: 437924394 4 Grujicic M, Saylor J R, Beasley D E, et al. Computational analysis of the interfacial bonding between feed2powder particles and the substrate in the cold2gas dynamic2sp ray p rocess J . App l. Surf. Sci. , 2003, 219: 2112227 5 Van Steenkiste T H, Smith J R, Teets R E. A luminum coatings via ki2 netic sp ray with relatively l