-
1 冷喷涂技术简介
-
1.1 冷喷涂技术的发展历史
-
20 世纪80 年代中期,前苏联科学家Anatolii Papyrin和他的团队在风洞中研究两相流(气体+ 固体颗粒)的模型时发现:当固体颗粒的速度大于某一临界值时,颗粒对挡板表面的作用由冲蚀转变为沉积[1]。受此现象的启发,Anatolii Papyrin和他的团队在1990 年首次提出冷气动力喷涂(Cold gas dynamic spray,简称Cold spray) 可作为一种新型的涂层工艺,并且成功地将多种纯金属、金属合金和复合材料沉积到不同基材上,证明了冷喷涂技术在工程应用中的可能性[1]。与传统的热喷涂工艺相比,冷喷涂工艺最显着的特点是其加工温度低,对原材料的热影响较小。因此,冷喷涂特别适合于制备对氧化敏感的金属材料,也适用于非晶等易于受热发生晶化的材料、受热发生晶粒长大的纳米材料,或适用于必须避免在喷涂过程中氧化和热影响的材料(如金属间化合物) [2-3]。近30 年来,冷喷涂技术在国际上引起了广泛关注,美国、加拿大、德国、法国、日本、澳大利亚、新加坡和中国等国家开始进行相关的基础研究和应用开发。进入21 世纪后,冷喷涂的研究经历了高速发展期,其研究方向逐渐从基础研究和应用基础研究转向工程化应用研究与产业化开发,特别是2010 年以后,冷喷涂技术的规模化工业化产品逐渐发展起来。冷喷涂技术已经成功应用在航空航天、武器装备、能源动力、电子电力、医疗器械等多个领域的表面修复、表面增强、功能涂层和增材制造等[4]。
-
1.2 冷喷涂技术特点
-
冷喷涂技术的工作原理如图1 所示,高压气体预热后通过一个拉瓦尔喷管而产生超音速气体射流,原材料粉末被送入高速气体射流中加速加热后,以固态的形式撞击基体,基体和粒子同时发生严重的塑性变形实现结合。与传统的热喷涂相比,冷喷涂技术及其制备的沉积体具有以下显著特点[5-6] :
-
图1 冷喷涂技术的工作原理示意图
-
Fig.1 Schematic diagram of cold spray process
-
(1) 热输入少。由于加工过程中粒子温度较低,整个过程中完全保持固体状态,因此即使在大气气氛下金属材料也不会发生相变以及化学反应;材料沉积过程中也不会产生较高的热应力,避免了工件在制备过程中发生显著的变形。因此利用冷喷涂技术可以实现无需保护气氛环境中金属快速沉积。
-
(2) 应用的材料广泛。该方法可以沉积多种金属及其合金材料或者它们的混合物,以及部分金属陶瓷或者金属基复合材料,可根据需要灵活地设计沉积材料的成分。
-
(3) 加工后材料性能优越。由于粒子冲击基体的速度高,加工后材料致密,几乎没有缺陷, 因此加工后的材料具有良好的力学、热学、电学等性能,可以与相应材料的锻件媲美。
-
(4) 沉积效率和沉积速率极高。一般的金属原材料的沉积效率可超过90%,每小时可以沉积40 kg以上的金属粉末。
-
(5) 加工工件尺寸不受限制。由于该方法加工过程中无需保护气氛或者腔室,冷喷涂技术与高精度机械手结合后可实现大尺寸工件的表面修复和增材制造。
-
1.3 冷喷涂中关键的工艺参数
-
冷喷涂的涂层质量受到很多种因素的影响, 大致可分为以下3 个方面[7] :
-
(1) 冷喷涂中用于加热加速粉末的载气参数:枪室压强和温度和气体种类等。
-
(2) 冷喷涂喷嘴参数:收缩和扩张长度、形状、材料、喉部面积和出口面积等。
-
(3) 粉末和基材参数:粉末颗粒大小、形状、密度、表面氧化物(或氢氧化物)的厚度[8]、粉末材料的机械和热学性能、基体材料的机械和热学性能、基体表面粗糙度和基体表面温度等。
-
2 冷喷涂技术简介
-
2.1 粒子加热加速状态的研究
-
在冷喷涂过程中,飞行粒子的温度和速度是决定涂层性能的关键因素,因此冷喷涂的大量研究都集中在对粒子温度和速度的分析与调控上。图2 显示了典型冷喷涂的射流以及粒子温度和速度状态。从图2( a) 中可以看出,气体经过拉法尔喷嘴后速度急剧升高,相应温度也迅速降低,气体内能转化为动能,携带粉末加速撞击基体实现沉积。与此同时,粉末粒子的速度和温度也经历了迅速升高和降低的过程。因此以提高粉末粒子沉积时的温度(低于熔点) 和速度为目标,研究喷涂过程中气固两相动量和能量交换是冷喷涂全过程研究的首要内容。
-
对于冷喷涂过程而言,最为重要的气体参数为工作气体压力和工作气体温度,工作气体压力越高,相同条件下气流量越大,气流经扩张段超音速流动时密度更高,能够产生更大的拖拽力,有利于提高粉末粒子速度,然而其提升效果也因送粉量、粉末本身粒径大小而异。而工作气体温度的提高, 其直接效果是气流速度的提高,对粉末粒子的加速效果也更好,如图2( b)和图2(c)所示。不仅如此,全流场温度的提高,也有利于减缓粉末粒子通过喷嘴喉部后的降温过程,保证较高的沉积温度。由粒子速度的分布可看出,利用氮气作为工作气体,典型条件下冷喷涂的粒子速度为300~1000 m/s。另外在一定气流场条件下,粉末本身的物理属性如粒径分布、形状及密度等也直接影响到其与气流之间的相互作用从而影响到沉积前的温度和速度。
-
图2 冷喷涂过程中粒子速度和温度模拟结果
-
Fig.2 Simulation results of particle velocity and temperature in cold spray process
-
2.2 冷喷涂粒子结合机理研究
-
对于冷喷涂中的涂层/基体结合机理尚存一定的争议,通常粒子与基体的结合被认为是一个绝热剪切的过程,冷喷涂中粉末粒子从高速撞击到实现结合通常分为4 个阶段,如图3 所示。首先粉末粒子与基体接触,随后氧化膜在撞击过程中破碎,露出新鲜表面,然后在剪切力作用下粉末粒子边缘局部发生绝热剪切失稳,温度升高产生的软化作用大于高应变产生的加工硬化作用, 在粒子边缘形成金属射流的同时,紧密接触的局部位置甚至发生了局部熔化,产生冶金结合,并在结合界面伴有破碎氧化膜夹杂[9]。因此,此种观点认为高速碰撞的局部高温是产生冶金结合的关键因素,通过研究冷喷涂中不同颗粒速度条件下的粉末结合状态,可以发现随着粉末速度的提高, 结合状态更好, 推测冶金结合程度更高[10-11]。另外,也有研究学者通过人为剥下粉末粒子,可以看到南极区( South pole) 周边有基体物质残留和韧窝,这证实冶金结合机制的存在一定的区域[12],相应模拟结果显示,这一片区域的温度和压力相对较高[12],因此,此种观点认为界面的局部高温、高压是形成冶金结合的关键控制因素。
-
图3 冷喷涂中粒子沉积过程[9]
-
Fig.3 Schematic diagram of particle deposition in cold spray process [9]
-
最近,关于在冷喷涂结合过程中绝热剪切失稳的必要性引起了广泛的讨论。 Assadi等[13] 提出,绝热剪切失稳在粒子和基材冲击区产生粘结方面起着重要作用。在冲击区,材料的热软化和应变硬化相比占有主导的地位。绝热剪切失稳的出现会导致材料在接近熔点的温度下向外粘性流动,从而产生射流[13]。但是, Hassani-Gangaraj等[14]基于建模和单粒子碰撞实验结果,认为绝热剪切失稳对于粒子结合不是必需的。相反,他们提出由于强大的压力波与颗粒的变形边缘相互作用而形成射流。此外,Ichikawa等[15-16] 提出冷喷涂过程中高速粒子破坏了粒子和基体表面上的氧化膜,并且通过材料的剧烈塑性变形使得相邻的新生金属表面之间直接接触,从而可以形成原子级别的金属键合。其他研究学者还提出了通过机械结合[17-18]、界面混合[19]、界面局部熔化[20]和扩散[21]机制来解释冷喷涂沉积过程中形成的颗粒结合过程。然而,关于冷喷涂中粘合机理仍然需要进一步研究。
-
2.3 典型冷喷涂铝合金涂层的特性
-
铝及其合金具有密度小、延展性高、耐腐蚀性好、导热性和导电性优异等特点,因此在工业和生活中应用广泛。冷喷涂铝及其合金涂层可用于修复铝合金的工业零部件从而可以节省大量的成本,因此受到学术界和工业界的广泛关注。虽然铝及其合金强度和熔点相对较低,但其塑性较好、变形容易,并且其在冷喷涂过程中所需的沉积临界速度较低,因此理论上是易于喷涂的材料。但是由于其密度较低,运动状态更容易受基体附近弓形激波的影响,而且铝粉末的表面容易氧化,要突破氧化层,制备高致密度沉积体仍然存在挑战。此外,铝是较活泼的金属,容易产生堵嘴现象,难以长时间稳定喷涂。图4 是经过优化喷涂工艺及喷嘴后制备的冷喷涂纯铝金相以及力学性能数据[22]。可以看到,制备的纯铝沉积体十分致密,孔隙率小于0.5%。喷涂态纯铝的抗拉强度(约为70 MPa) 超过块体,但是塑性较差(伸长率约为0.2%),其断裂主要发生在颗粒与颗粒的界面处。通过热处理可进一步改善纯铝涂层的性能,经200℃ 热处理后抗拉强度提高至100 MPa,伸长率提高至0.3%,这是由于通过200℃ 热处理促进了涂层中颗粒与颗粒间的原子扩散,从而提高了颗粒间的结合强度以及涂层的抗拉强度。然而随着热处理温度的进一步提高,塑性提高但是相应的强度有所降低,经600℃热处理后伸长率可超过20%,这是由于热处理温度的升高促进了涂层材料的晶粒长大和再结晶过程。
-
图4 冷喷涂纯铝涂层微观组织及拉伸强度[22]
-
Fig.4 Microstructure and tensile strengths of cold sprayed Al coatings [22]
-
除纯铝之外,冷喷涂铝合金也具有较优异的性能,同时受到很多研究学者的关注。铝硅合金具有高强度、低的热膨胀性和优异的抗摩擦能力,研究发现在冷喷涂铝硅合金涂层的过程中, 由于高温气体的热作用,使铝硅合金涂层中不仅具有 α-Al相并且具有细小的硅颗粒增强相,从而提高了材料的强度[23]。另外,铝锡二元合金具有出色的抗粘特性和低模量的性能,通常可用作汽车中滑动轴承材料。冷喷涂铝锡二元合金涂层具有气孔率低、沉积率高和机械性能优异的特点[24]。此外,高强度的铝铜合金广泛应用于航空航天和汽车领域。在铝铜合金中加入不同的合金元素(如Mg、Fe、Ag、Ni等) 可形成不同的金属间化合物( 如Al2Cu、Al2CuMg、Al9FeNi等),从而可以进一步提高其机械强度。研究发现冷喷涂AA2618 铝铜合金( Al-Cu-Mg-Fe-Ni) 的涂层非常致密并且在晶界处有金属间化合物Al2CuMg以及在晶体内部分布着Al9FeNi沉淀相[25]。
-
2.4 冷喷涂铜合金涂层的特性
-
铜及其合金具有优异的导热性、导电性、延展性、耐腐蚀性和耐磨性,被广泛应用于电力、电子、能源、机械等领域,同时是冷喷涂最易喷涂材料之一。图5( a) 为冷喷涂纯铜金相组织,可以看到涂层非常致密,几乎没有孔隙[22]。图5( b) 为不同热处理条件下沉积体应力-应变曲线。同样的,喷涂态铜的抗拉强度超过块体,几乎达到300 MPa,但是塑性较差(伸长率约为0.4%),随着热处理温度的提升,塑性升高,强度降低。此外,值得注意的是,冷喷涂铜的功能特性———导电性在喷涂态可接近块体的100%(如图5(c)所示)。图5( d)为不同基体上冷喷涂铜涂层的结合强度,可以看到在AA5052、AA6063 和316 L基体上的结合强度均超过了200 MPa, 但是基体屈服强度越高,需要产生有效结合的粒子速度越高,随着粉末粒子速度的提高,不同的基体材料都可以产生较高的结合强度[26]。另外,研究发现由于冷喷涂过程中铜颗粒发生剧烈的塑性变形和动态再结晶过程,因此铜涂层中具有大量纳米级晶粒[27]和纳米级孪晶[28]。
-
图5 冷喷涂铜涂层的微观组织和性能[22]
-
Fig.5 Microstrure and properties of cold sprayed Cu coatings [22]
-
2.5 冷喷涂钛和钛合金涂层的特性
-
由于钛和钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀性好、生物相容性好等特点,其广泛应用于航空、航天、石油、化工、医疗、建筑、汽车、体育器材等领域。冷喷涂中,钛和钛合金沉积所需的临界速度较高,因此若要获得致密的钛和钛合金涂层,需要用高压冷喷涂设备和较高的参数(例如: 氮气作为载气,气体温度800~1100℃,气体压强4~5 MPa [18, 29-30])。另外,使用氦气作为载气可以使钛和钛合金颗粒加速到更高的速度,从而使钛和钛合金颗粒发生更强烈的塑性变形和更强的结合强度,因此使用氦气可以使钛和钛合金涂层非常致密。通过控制参数可以获得不同空隙率的钛和钛合金的涂层,多孔钛和钛合金涂层可用于生物医疗领域的应用,而致密的涂层可用于修复航空航天零部件和再制造。通过优化冷喷涂的参数,图6 展示了优化参数后冷喷涂钛和钛合金涂层的横截面,可以看出利用冷喷涂技术沉积的钛和钛合金涂层非常致密且无明显的裂纹。并且,通过拉伸试验发现冷喷涂Ti6Al4V涂层与Ti6Al4V基体的结合强度超过90 MPa [29] 以及Ti6Al4V颗粒间的结合强度超过350 MPa [31]。除机械性能外,冷喷涂涂层中残余应力也会影响涂层的综合性能。通常认为,冷喷涂中的残余应力由两个主要因素产生的,即热失配(Thermal mismatch)和颗粒撞击(Particle peening)。通过研究冷喷涂Ti6Al4V涂层中的残余应力,发现在涂层的自由表面存在一定的拉应力,但是在涂层与基体的界面附近存在压应力[32]。并且,不同的冷喷涂参数和涂层厚度会影响涂层中残余应力的分布情况。此外,冷喷涂钛和钛合金涂层的抗摩擦性能较弱,研究者发现可以通过一定的后处理或者制备钛基复合材料涂层, 提高涂层的耐磨性。
-
图6 冷喷涂钛和钛合金涂层的微观组织
-
Fig.6 Microstrures of cold sprayed Ti and Ti6Al4V coatings
-
2.6 冷喷涂镍基高温合金Inconel718 涂层的特性
-
Inconel718 是一种含有Ni、Cr、Mo、Nb、Ti、Al等合金元素的镍基超级合金,通过形成 γ′和 γ″强化相以及细小而稳定的碳化物,从而使得其在高温工作条件下具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力,因此Inconel718 被广泛地用于航空航天中工作温度较高的零部件。相比纯镍, Inconel718 的屈服强度高、塑性差、应变硬化率更高,也是较难冷喷涂的材料。与钛合金类似, 冷喷涂Inconel718 沉积所需的临界速度较高,因此若要获得致密的Inconel718 涂层,需要用高压冷喷涂设备和较高的参数。通过对工艺参数的研究与优化,冷喷涂Inconel718 高温合金涂层孔隙率可降至0.3%以下(如图7(a)所示)。如图7(b) 所示,热处理后抗拉强度可达到1 200 MPa,与此同时,伸长率可超过9%。图7(c)和图7(d)分别为热处理前后显微硬度和结合强度,可以看到, 喷涂态的Inconel718 显微硬度达到了590 HV0.3 左右,而热处理后降低至400 HV0.3 左右,结合强度热处理前后可分别达到400 和900 MPa [33]。因此,可以看出热处理后的Inconel718 涂层的抗拉强度和结合强度都达到了与铸态Inconel718相当的水平。此外,通过对冷喷涂Inconel718 涂层在室温和高温条件下耐磨性的研究, 发现Inconel718 涂层在高温摩擦过程中磨损表面可形成一种致密且连续的NixFe2-xO4 氧化膜,从而可以提高材料的耐磨性[34],因此Inconel718 涂层在高温下表现出比常温条件下更加优异的耐磨性。基于冷喷涂Inconel718 涂层优异的综合性能,其有望用于修复镍基超级合金的零部件或用于高温零部件表面增强涂层。
-
图7 冷喷涂Inconel718 涂层的微观结构和性能[33]
-
Fig.7 Microstrure and properties of the cold sprayed Inconel718 coatings [33]
-
3 冷喷涂技术的应用
-
3.1 冷喷涂修复技术的应用
-
在航空航天零部件维修再制造领域,传统氩弧焊、热喷涂和激光沉积仍然是3 种最主要的修复技术,而这3 种传统工艺均因热输入过大、温度过高容易导致修复部分产生氧化夹杂、热变形和开裂,使得修复能力和修复效果十分受限,一些形状复杂的薄壁零部件甚至无法修复而直接报废,从而造成巨大的资源和成本浪费。冷喷涂固态沉积的技术特点使得它能够避免所有与过量热输入有关的缺陷,在航空航天零部件修复中有着极大的应用价值。图8 为F/A-18E/F超级大黃蜂战斗机A357 铸铝工件表面的微动损伤(Fretting damage),采用冷喷涂方法进行修复,能够完全恢复待修复部位尺寸和功能[35]。此外,利用冷喷涂技术修复海鹰直升机的零部件,与制造新的零部件相比节省35%~50%的成本[35]。并且,冷喷涂技术受到美国国防部的青睐,长期以来,美国国防部投入大量的科研经费用于对冷喷涂技术的研究,以维修美国军事装备(如战斗机、军舰、坦克车等),并且美国国防部针对冷喷涂技术的使用标准建立了MIL-STD-3021 [35]。除此之外,一些航空制造企业也投入大量的科研资金进行冷喷涂理论和应用方面的研究,以利用冷喷涂技术修复高价值的航空零部件,如美国的波音、通用(GE)、普惠、霍尼韦尔(Honeywell)、法国的空客和Safran、英国的罗尔斯-罗伊斯(Rollsroyce)和TWI等。
-
图8 冷喷涂技术技术应用于修复F/A-18E/F超级大黃蜂战斗机A357 铸铝工件[35]
-
Fig.8 Repair of casting Al components of the F/A-18E/F fighter aircrafts by cold spray technique [35]
-
3.2 代替电镀的冷喷涂技术应用
-
相比于传统电镀技术,冷喷涂技术不仅能够有效避免环境污染问题,更重要的是,涂层性能好、厚度不受限制的特点使得其特别适用于印刷辊、电极等表面的铜、银等金属涂层的制备。如图9 所示为凹版印刷用铜辊,采用冷喷涂制备铜涂层后再进行激光雕刻,雕刻后的版纹清晰、鲜明,完全满足凹版印刷的版辊要求。冷喷涂工艺相比于原电镀,生产效率更高,环保,而且可以满足厚涂层需求使得印刷后的产品立体感更强。
-
图9 冷喷涂凹版印刷的铜版辊
-
Fig.9 Cold sprayed copper coatings on printing roll
-
图10 为多晶硅还原炉用电极,是多晶硅生产所需装备中的核心部件,电极材料通常采用纯铜,虽然纯铜中杂质含量很低,但是电极头部受到硅芯介质的加热,微量的杂质容易析出并带入工艺气体中,最终影响多晶硅的品质。为解决这一问题,某些厂商采用电镀/化学镀银作为防护涂层,目的是使电极导电性能不受影响的同时能够避免杂质污染,然而其工艺稳定性差、镀层厚度受限(几十到几百微米级)、环境污染等问题不能得到很好解决。广东省科学院新材料研究所采用冷喷涂技术制备的银涂层完全克服了上述问题,制备的纯银涂层与铜基体结合强度超过60 MPa,厚度不受限制,银涂层纯度可保持与粉末一致,达到99.9%,而且涂层制备效率极高,加工能力高达40 kg/h,环境友好无污染。
-
图10 多晶硅还原炉用电极冷喷涂银涂层
-
Fig.10 Cold sprayed silver coatings on electrodes used for polysilicon manufacturing
-
3.3 冷喷涂功能涂层的应用
-
如图11 所示,电磁加热炊具是厨房家电必需品之一,高端电磁加热炊具往往采用铝合金制造。但是铝合金并不导磁,单一的铝合金炊具本体无法实现加热功能,需在底部制备导磁涂层铁或者马氏体不锈钢。然而常规涂层制备方法———热喷涂,由于涂层易发生氧化,一方面涂层与基体结合力差,另一方面,由于缺陷较多导致涂层导磁性能不好。在原有技术基础之上开发的冷喷涂导磁涂层可以应用于高端厨具,导磁涂层约0.3 mm厚,与基体结合性能、磁导率以及加热效率等技术指标均满足到产品要求。
-
图11 冷喷涂导磁涂层应用于高端厨具
-
Fig.11 Cold spray coatings on premium cookers
-
3.4 冷喷涂增材制造技术的应用
-
冷喷涂不仅是一种厚涂层制备技术,也是一种新兴的固态增材制造技术。如图12 所示为冷喷涂制备的大型靶材。冷喷涂可快速在靶材背衬上喷涂成型16 mm以上的银靶材材料。冷喷涂直接成型靶材的生产效率高,与背衬的结合好,与铸造相比晶粒更细小。因此冷喷涂直接成形的大型金属溅射靶材已经应用于电子及信息产业,如集成电路、信息存储、液晶显示屏、激光存储器、电子控制器件、玻璃镀膜等领域。
-
图12 冷喷涂技术应用于高端溅射靶材
-
Fig.12 Cold spray coatings for sputting target applications
-
4 结论
-
文章简要介绍了冷喷涂技术的研究现状和一些工业应用的最新进展。经过30 多年的发展,冷喷涂技术可用于沉积多种金属、合金和金属基复合材料,从而形成致密的高性能涂层。作为一种低温加工工艺,冷喷涂的涂层几乎不会发生氧化,涂层的微观结构与原始粉末几乎相同。因此,冷喷涂涂层具有与相应的块状材料相当的机械性能、导热和导电性能。而且,冷喷涂可以沉积具有高沉积效率的厚涂层,可以用于修复零部件表面、增强零部件表面的抗摩擦和抗腐蚀性能以及增材制造。利用这些特性,冷喷技术已经应用于一些工业领域,例如电力或飞机工业,甚至用于批量生产。
-
参考文献
-
[1] PAPYRIN A.Cold spray technology[J].Advanced Materi-als & Processes,2001,159(9):49-51.
-
[2] ASSADI H,KREYE H,GARTNER F,et al.Cold spraying-A materials perspective [J].Acta Materialia,2016,116:382-407.
-
[3] MORIDI A,HASSANI-GANGARAJ S M,GUAGLIANO M,et al.Cold spray coating:Review of material systems and fu-ture perspectives[J].Surface Engineering,2014,30(6):369-395.
-
[4] YIN S,CAVALIERE P,ALDWELL B,et al.Cold spray additive manufacturing and repair:Fundamentals and appli-cations[J].Additive Manufacturing,2018,21:628-650.
-
[5] VILLAFUERTE J.Modern cold spray:Materials,process,and applications[C].Springer,2015:43-48.
-
[6] HUANG R,FUKANUMA H.Future trends in cold spray techniques[C],Elsevier,2015:143-162.
-
[7] LI W,CAO C,YIN S.Solid-state cold spraying of Ti and its alloys:A literature review [J].Progress in Materials Sci-ence,2019,110:100633.
-
[8] LIENHARD J,CROOK C,AZAR M Z,et al.Surface oxide and hydroxide effects on aluminum microparticle impact bonding[J].Acta Materialia,2020,197:28-39.
-
[9] LI W Y,GAO W.Some aspects on 3D numerical modeling of high velocity impact of particles in cold spraying by explicit finite element analysis [J].Applied Surface Science,2009,255(18):7878-7892.
-
[10] XIE Y,CHEN C,PLANCHE M P,et al.Strengthened pee-ning effect on metallurgical bonding formation in cold spray additive manufacturing[J].Journal of Thermal Spray Tech-nology,2019,28(4):769-779.
-
[11] HUANG R,FUKANUMA H.Study of the influence of parti-cle velocity on adhesive strength of cold spray deposits[J].Journal of Thermal Spray Technology,2012,21(3-4):541-549.
-
[12] SUN W,TAN A W Y,BHOWMIK A,et al.Deposition characteristics of cold sprayed Inconel 718 particles on In-conel 718 substrates with different surface conditions [J],Materials Science and Engineering:A,2018,720:75-84.
-
[13] ASSADI H,GARTNER F,STOLTENHOFF T.Bonding mechanism in cold gas spraying[J].Acta Materialia,2003,51(15):4379-4394.
-
[14] HASSANI-GANGARAJ M,VEYSSET D,CHAMPAGNE V K,et al.Adiabatic shear instability is not necessary for ad-hesion in cold spray[J].Acta Materialia,2018,158:430-439.
-
[15] ICHIKAWA Y,TOKORO R,TANNO M,et al.Elucidation of cold-spray deposition mechanism by auger electron spectro-scopic evaluation of bonding interface oxide film[J].Acta Materialia,2019,164:39-49.
-
[16] XIE Y,YIN S,CHEN C,et al.New insights into the coat-ing/substrate interfacial bonding mechanism in cold spray [J],Scripta Materialia,2016,125:1-4.
-
[17] CHAMPAGNE V,HELFRITCH D,LEYMAN P,et al.The effects of gas and metal characteristics on sprayed metal coat-ings[J].Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering,2005,13(7):1119.
-
[18] SUN W,TAN A W Y,MARINESCU I,et al.Adhesion,tri-bological and corrosion properties of cold-sprayed CoCrMo and Ti6Al4V coatings on 6061-T651 Al alloy[J].Surface & Coatings Technology,2017,326:291-298.
-
[19] CHAMPAGNE V,HELFRITCH D,LEYMAN P,et al.In-terface material mixing formed by the deposition of copper on aluminum by means of the cold spray process[J].Journal of Thermal Spray Technology,2005,14(3):330-334.
-
[20] BAE G,KUMAR S,YOON S,et al.Bonding features and associated mechanisms in kinetic sprayed titanium coatings [J].Acta Materialia,2009,57(19):5654-5666.
-
[21] GUETTA S,BERGER M H,BORIT F,et al.Influence of particle velocity on adhesion of cold-sprayed splats[J].Jour-nal of Thermal Spray Technology,2009,18(3):331-342.
-
[22] HUANG R,SONE M,MA W,et al.The effects of heat treatment on the mechanical properties of cold-sprayed coat-ings[J].Surface and Coatings Technology,2015,261:278-288.
-
[23] LI W Y,ZHANG C,GUO X P,et al.Deposition character-istics of Al-12Si alloy coating fabricated by cold spraying with relatively large powder particles [J].Applied Surface Sci-ence,2007,253(17):7124-7130.
-
[24] NING X J,JANG J H,KIM H J,et al.Cold spraying of Al-Sn binary alloy:Coating characteristics and particle bonding features[J].Surface and Coatings Technology,2008,202(9):1681-1687.
-
[25] AJDELSZTAJN L,ZUNIGA A,JODOIN B,et al.Cold-spray processing of a nanocrystalline Al-Cu-Mg-Fe-Ni alloywith Sc[J].Journal of Thermal Spray Technology,2006,15(2):184-190.
-
[26] HUANG J,YAN X,CHANG C,et al.Pure copper compo-nents fabricated by cold spray(CS)and selective laser melt-ing(SLM)technology[J].Surface and Coatings Technolo-gy,2020,395:125936.
-
[27] BORCHERS C,GARTNER F,STOLTENHOFF T,et al.Microstructural bonding features of cold sprayed face centered cubic metals [J],Journal of Applied Physics,2004,96(8):4288-4292.
-
[28] FENG Y,LI W,GUO C,et al.Mechanical property im-provement induced by nanoscaled deformation twins in cold-sprayed Cu coatings[J].Materials Science and Engineering:A,2018,727:119-122.
-
[29] TAN A W Y,SUN W,BHOWMIK A,et al.Effect of coat-ing thickness on microstructure,mechanical properties and fracture behaviour of cold sprayed Ti6Al4V coatings on Ti6Al4V substrates[J].Surface and Coatings Technology,2018,349:303-317.
-
[30] TAN A W Y,SUN W,PHANG Y P,et al.Effects of traverse scanning speed of spray nozzle on the microstructure and me-chanical properties of cold-sprayed Ti6Al4V coatings[J].Jour-nal of Thermal Spray Technology,2017,26(7):1484-1497.
-
[31] TAN A W Y,SUN W,BHOWMIK A,et al.Effect of sub-strate surface roughness on microstructure and mechanical properties of cold-sprayed Ti6Al4V coatings on Ti6Al4V sub-strates[J].Journal of Thermal Spray Technology,2019,28(8):1959-1973.
-
[32] BORUAH D,AHMAD B,LEE T L,et al.Evaluation of re-sidual stresses induced by cold spraying of Ti-6Al-4V on Ti-6Al-4V substrates[J].Surface and Coatings Technolo-gy,2019,374:591-602.
-
[33] MA W,XIE Y,CHEN C,et al.Microstructural and me-chanical properties of high-performance Inconel 718 alloy by cold spraying[J].Journal of Alloys and Compounds,2019,792:456-467.
-
[34] SUN W,TAN A W Y,KING D J Y,et al.Tribological be-havior of cold sprayed Inconel 718 coatings at room and ele-vated temperatures [J].Surface and Coatings Technology,2020,385:125386.
-
[35] CHAMPAGNE V,HELFRITCH D.Critical assessment 11:Structural repairs by cold spray[J].Materials Science and Technology,2014,31(6):627-634.
-
摘要
近年来,冷喷涂技术是一门备受关注的新兴技术,冷喷涂过程中超音速金属粒子以固态形式碰撞基体后产生剧烈的塑性变形从而形成沉积。 由于冷喷涂的沉积可以实现连续堆积而逐层增厚,从而使该技术从一种涂层加工技术发展成为一种快速的增材制造技术。 经历了 30 多年的迅猛发展,冷喷涂技术的研究方向正在从基础理论研究转变到应用开发,其中一些应用已经实现工业化量产。 文中介绍了冷喷涂的技术及工程化应用特点,展示了典型冷喷涂涂层性能等基础研究以及冷喷涂涂层应用等开发方面的工作,并且重点介绍了冷喷涂技术在航空航天、能源动力、电子电力、增材制造等领域的应用研究方面所取得的一些新进展。
Abstract
In recent years, cold spray is an emerging technology that has attracted much attention,cold spray has attracted much attention, in cold spray process, supersonic metal particles impact with the substrate in solid form, thus producing a strong bonding with the substrate via severe plastic deformation and subsequently forming a deposit. Thick deposits can be achieved by cold spray process via a layer-by-layer mechanism. Therefore, cold spray has been developed from a coating technology to an additive manufacturing technology. After a rapid development of more than 30 years, research focus of cold spray technology is gradually shifting from fundamental and theoretical studies to application developments, some of which have been industrialized and mass-produced. In this paper, the characteristics of cold spray technology and engineering application are introduced, the fundamental researches on coating properties of typical cold spray and the development of cold spray coating application etc. are demonstrated. Besides, the recent developments of cold spray applications in different fields including aerospace, energy, electronics and additive manufacturing are emphatically introduced.
