冷噴涂(金屬氣體動(dòng)力噴涂GDS)技術(shù)冷方法的產(chǎn)生和它的現(xiàn)狀

1、冷噴涂(金屬涂層氣體動(dòng)力噴涂)技術(shù)方法的產(chǎn)生和它的現(xiàn)狀卡史林阿伊一奧柏尼斯克粉末噴涂中心執(zhí)行經(jīng)理史柯得金阿弗一奧柏尼斯克粉末噴涂中心總工藝師(本文寫于2006年)金屬涂層的氣體動(dòng)力噴涂方法是大約在二十年前，由俄羅斯學(xué)者第一次提出的，并得到研究人員和專家們的廣泛關(guān)注。在2004年以前，氣體動(dòng)力噴涂是一個(gè)夠新的技術(shù)，并不被重視(1。近十幾年以來，本方法在各領(lǐng)域發(fā)展得如此之快2)(3),是與它的基本特性有直接的關(guān)系。這個(gè)特性就是能采用.未熔融金屬顆粒，在被加工表面上制造金屬涂層。氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)與眾所周知的熱氣噴涂方法不同，涂層氣孔率很低，基體材料和涂層的熱負(fù)荷很小，材料氧化少，消除了涂層中結(jié)晶化不

2、均勻的現(xiàn)象。氣體動(dòng)力噴涂方法的產(chǎn)生原蘇聯(lián)科學(xué)院西伯利亞分院理論和應(yīng)用力學(xué)所4的學(xué)者阿巴阿爾赫莫夫、弗費(fèi)柯沙列夫和阿尼馬比林，將鋁以超音速雙相流繞過阻礙物時(shí)，發(fā)現(xiàn)它沉積在阻礙物的頂部。這便是氣體動(dòng)力噴涂金屬涂層方法的歷史起源。他們研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粒子流的速度超過一定值，即所謂的臨界速度時(shí)，在阻礙物上沉積一層硬厚的金屬粉末涂層。作者們稱它為“冷氣動(dòng)力噴涂”(5)(6)。方法的實(shí)質(zhì)，原則上是夠簡(jiǎn)單的。被驅(qū)動(dòng)的未熔融金屬顆粒的速度達(dá)到500-1000米/秒時(shí)，與阻礙物發(fā)生碰撞，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的變形，并在表面固化形成厚涂層。利用這種方法，作者們獲得了許多金屬(Al、Cu、Zn、Ni、Co、V、Fe、Ti等)、它

3、們的合金和混合物的涂層。最初的一些研究發(fā)現(xiàn)：隨著粒子沉積效益的增加，當(dāng)速度超過臨界速度時(shí)，觀察到顆粒的變形程度減弱，涂層的硬度降低和它的氣孔率增加(5)。此外，為了使粒子達(dá)到臨界速度，大多數(shù)情況下，要求采用單一的原子氣體，例如氦氣。這阻礙了該方法實(shí)際應(yīng)用的擴(kuò)展。因此，必須擴(kuò)大研究范圍，不僅要研究涂層的特性，而且還要研究其工作最佳方式和尋找實(shí)現(xiàn)本技術(shù)的具體辦法。氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)的基本參數(shù)由于氣體動(dòng)力噴涂未熔融金屬顆粒的方法應(yīng)用很廣泛，所以登記了專利(7)。專利的基本點(diǎn)(8)是：-加速氣流的溫度應(yīng)該低于顆粒材料的熔點(diǎn)溫度或熱軟化的溫度；-顆粒的大小應(yīng)處于1-50微米范圍內(nèi)；-顆粒的速度與其材料和顆

4、粒的尺寸有關(guān)，為300-1000米/秒。作者(8)介紹“冷氣動(dòng)力噴涂”典型的雙相氣流參數(shù)組如下：-推動(dòng)氣流的壓力，大氣壓10-30-推動(dòng)氣流的溫度，攝氏.度0-700-氣體消耗量，米3/分1-2-粉末材料供給量，公斤/小時(shí)5-15-噴涂距離，毫米10-50-需要的功率(加熱氣體用)，千瓦5-25-顆粒尺寸，微米1-50以上參數(shù)只供研究氣體動(dòng)力噴涂過程使用運(yùn)載氣體的參數(shù)為了進(jìn)行氣體動(dòng)力噴涂，必須加速氣體顆粒，形成顆粒流。我們首先應(yīng)該注意獲得更高的氣流速度，而它與音速a有直接的關(guān)係，為：a-迺JP其中，M一氣體分子量；Y絕熱常數(shù)；Cp/Cv相對(duì)熱容量；T-氣體的絕對(duì)溫度R-氣體萬能常數(shù)當(dāng)氣溫度為0

5、攝氏度時(shí)，某些氣體的音速如下：表1氣體音速米/秒絕熱係數(shù)克分子量克/摩爾密度公斤/米3空氣3311.40291.29氮?dú)?341.40281.25氖氣4351.66200.90氦氣9651.6640.18氫氣12841.4020.09為了得到超音速氣流，需用超音速噴嘴一拉瓦爾式噴嘴（包括收縮和擴(kuò)展兩部分）加速氣體。當(dāng)氣體通過臨界噴嘴斷面（最窄處）時(shí)，氣體速度就是此部位的音速，而在噴嘴出口擴(kuò)展部位，其速度可能超過音速若干倍。從表1中可以看出，氣流在氦氣中比在空氣中更容易達(dá)到高速。因此，單從這點(diǎn)考慮，對(duì)于氣體動(dòng)力噴涂，最好是采用氦氣或它與空氣的混合物。從公式（1）得出，加熱氣體能使其音速增大。因此

6、，噴嘴中的氣流速度也增大。這種特性常用于噴涂設(shè)備的設(shè)計(jì)工作中。加熱氣體的功率可達(dá)到幾十千瓦，而壓縮氣體的溫度可達(dá)幾百度。在這種情況下，好像冷氣動(dòng)力噴涂是溫?zé)岬模踔梁孟袷强釤岬?。但是，沉積顆粒還是未熔融的固體狀態(tài)。質(zhì)量為Mp的氣體顆粒的加速度a為，a_2mp其中Cd-顆粒的空氣動(dòng)力阻抗系數(shù)；Sp-顆粒的有效斷面積；Pg-加速氣體的密度；Vg-氣流的速度；Vp-顆粒的速度。必須指出：顆粒的加速度a，除了與上述參數(shù)有明顯的關(guān)系以外；而且其中Cd（氣體動(dòng)力阻抗系數(shù)）不僅與顆粒的形狀和尺寸有關(guān)，而且與相互作用的氣體參數(shù)（速度、密度、粘度和溫度）也有關(guān)系。因此，決定加速效率，不僅與氣流速度有關(guān)，而且與它

7、的其它參數(shù)，以及顆粒的特性都有關(guān)系。圖1上所載的是，運(yùn)動(dòng)在超音速噴嘴中的氣流速度變化與溫度的關(guān)系曲線。虛線表示噴嘴臨界斷面和氣體噴出斷面的位置。圖1沿噴嘴中心軸氣體速度Vg變化與溫度Tg的特性曲線加速氣體的制動(dòng)壓力是形成氣流的決定因素，氣體壓力的增加會(huì)擴(kuò)大噴嘴開口的程度，從而使氣流速度增大；除了對(duì)氣流產(chǎn)生嚴(yán)重影響以外，噴嘴壁上的加速氣流也受阻。這限制了噴嘴的長(zhǎng)度，自然也就縮短了顆粒在噴嘴中加速的時(shí)間。增大工作氣體的壓力和噴嘴開口的程度，可以降低這種影響。在已研制的氣體動(dòng)力噴涂設(shè)備中，通常采用的氣壓為15-35大氣壓。噴嘴超音速噴嘴出口處的斷面積和長(zhǎng)度，直接與加速氣體的總消耗量和壓力有關(guān)。當(dāng)氣體

8、動(dòng)力噴涂的壓力和消耗量為正常值時(shí)，其園斷面噴嘴的出口直徑，一般不會(huì)超過8-10毫米。增大噴嘴出口直徑一倍，會(huì)導(dǎo)致氣體消耗量擴(kuò)大4倍。氣體的實(shí)際消耗量大約限制在1-2米3/分。因此，噴嘴出口斷面的尺寸，不能增加太大。要增加噴涂寬度，只能在保持噴嘴斷面積不變的情況下，增加一個(gè)邊的尺寸（斷面為非園）。為了減少顆粒在沖擊層內(nèi)的阻力，在氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)研究的最初階段，選擇了長(zhǎng)方形的斷面。這時(shí)，噴嘴出口斷面一邊尺寸愈小，則沖擊波的輸出愈小，顆粒在阻礙物前的阻力也愈小。但是，過份地減小方形斷面一邊的尺寸，會(huì)減慢氣體的速度，使輸出噴嘴的顆粒速度也減少。目前，大多數(shù)情況下都是采用園形斷面的噴嘴。為了獲得高速的顆

9、粒，必須增長(zhǎng)它在加速氣流中停留的時(shí)間。這要求增長(zhǎng)噴嘴的長(zhǎng)度。圖2中所載的是，氣體和尺寸為5微米和25微米的銅顆粒在噴嘴軸上運(yùn)動(dòng)時(shí)達(dá)到的（Vg、Vp5和Vp25）速度曲線。虛線表示噴嘴的臨界斷面和出口處斷面的位置。顯然可知，噴嘴長(zhǎng)度的增大會(huì)使顆粒速度增高。而噴嘴的總長(zhǎng)度和斷面積又與加速氣體的參數(shù)有關(guān)。所以，噴嘴長(zhǎng)度的增加必定會(huì)增大氣體的壓力。確定驅(qū)動(dòng)噴嘴最佳的參數(shù)是氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)的重要研究課題圖2氣體和銅顆粒（速度為Vg、Vp5和Vp25）沿噴嘴軸線變化的曲線對(duì)沉積顆粒特性的要求從公式（2）中可知，顆粒的質(zhì)量，尺寸和形狀對(duì)氣流的加速有很大的影響。當(dāng)然，顆粒愈輕，達(dá)到高速度就愈快。但是，已加速的

10、顆粒在輸出噴嘴之后，受到阻礙物跟前氣體層內(nèi)的阻力。因此，當(dāng)輕顆粒與阻礙物相互作用時(shí)，其速度會(huì)大大地降低。此時(shí)，愈重的顆粒，愈難用氣流驅(qū)動(dòng)；但當(dāng)它接近阻礙物時(shí)，更容易保持自己的速度。正因?yàn)檫@一點(diǎn)，顆粒材料的密度、尺寸和形狀之間的關(guān)系是氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)優(yōu)化的重要參數(shù)。氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)最重要的參數(shù)之一是顆粒材料的硬度。金屬顆粒所以能在阻礙物上固定下來，是因?yàn)樗诮佑|區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了塑性變形。因此，為了固定較軟顆粒所需要的速度較低；對(duì)于固定硬金屬顆粒，要求大大增加它的速度。采用預(yù)熱的辦法（利用硬度與溫度的關(guān)系）可以降低顆粒材料的硬度。這種預(yù)熱運(yùn)載氣體的方法并不常用。當(dāng)在噴嘴中進(jìn)行絕熱擴(kuò)展時(shí)，氣體溫度會(huì)下降很

11、快。所以通常預(yù)熱只能補(bǔ)嘗顆粒溫度的降低。在圖3中，所載的是：當(dāng)初始溫度為673K（絕對(duì)溫度）時(shí)，氣體和直徑為5微米與25微米的銅顆粒，沿著噴嘴軸線運(yùn)動(dòng)的溫度（Tg、Tp5和Tp25）特性曲線。虛線表示臨界斷面和出口斷面處的位置。圖3氣體和銅顆粒沿噴嘴軸線變化的溫度特性線（Tg、Tp5和Tp25）顆粒在氣流中加熱和冷卻的速度，與顆粒材料的導(dǎo)熱性和熱容量以及它的尺寸有關(guān)系。因此氣體動(dòng)力噴涂過程的優(yōu)化，不僅與氣流的選擇有關(guān)，而且與選擇適合的粉末材料也有關(guān)系。涂層的性質(zhì)氣體動(dòng)力噴涂方法所制備的涂層的突出特性，是保持原始粉末材料的化學(xué)成份不變。因?yàn)閲娡窟^程是在比顆粒材料熔點(diǎn)溫度低得多的溫度下進(jìn)行的，所以

12、實(shí)際上不產(chǎn)生任何相位轉(zhuǎn)變，任何化學(xué)變化和嚴(yán)重的材料氧化。這種涂層特點(diǎn)是氣孔率低。因?yàn)樵趪娡窟^程中，顆粒會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的變形。當(dāng)已加速的硬顆粒沖擊阻礙物時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的變形。接觸區(qū)內(nèi)的局部強(qiáng)熱會(huì)產(chǎn)生局部的升溫，使接觸表面附近硬度降低和變形加大。此時(shí)，變形值可達(dá)到80%，涂層的粘合強(qiáng)度達(dá)30-80兆帕。雖然涂層中存在內(nèi)應(yīng)力（因?yàn)橥繉硬牧蟽?nèi)有硬化），但它的熱應(yīng)力余留下來的很小。這使涂層接合得很好，甚至厚度達(dá)到10mm和更厚的涂層也是如此。由于顆粒產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊變形，其涂層材料晶格缺陷的密度也顯著地增大。晶格的缺陷率，涂層中顆粒強(qiáng)度的提高以及由于時(shí)間短和相互作用的溫度所產(chǎn)生的顆粒之間的無滲入?yún)^(qū)的明顯界線的

13、存在，降低了涂層材料的相對(duì)伸長(zhǎng)，其值小于1%。實(shí)際上，用氣體動(dòng)力噴涂法所制的涂層，都是夠脆的。涂層材料在噴涂過程中的強(qiáng)烈硬化，大大地提高了它的硬度。隨后涂層的熱處理，能保證涂層材料相對(duì)伸長(zhǎng)值增加和它的硬度降低。（三）氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)的研究和發(fā)展作者（6）所稱的“冷氣動(dòng)力噴涂技術(shù)“，是利用未熔融金屬顆粒的高動(dòng)能作用，進(jìn)行金屬顆粒噴涂的方法。目前它稱為冷噴（“ColdSpray”），在全世界得到了廣泛的認(rèn)知。供粉筒混合輯氣體加埜器空氣圖4經(jīng)典氣體動(dòng)力噴涂裝置的示意圖圖中包括氣體預(yù)熱器、密封供粉筒、混合箱和拉瓦爾噴嘴過去和現(xiàn)在，本方法的發(fā)展道路都是多樣化的。但它的主要研制都是在經(jīng)典法的框架內(nèi)進(jìn)行的，

14、包括雙相混合物的建立和它在超音速噴嘴中的加速（圖4）。在俄國(guó)科學(xué)院新西伯利亞分院的多相系統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)室中，阿巴阿爾赫莫夫、弗費(fèi)柯沙列夫和謝弗克林柯夫繼續(xù)并擴(kuò)大了冷氣動(dòng)力噴涂技術(shù)的實(shí)驗(yàn)和理論研究。他們大部分研究工作是優(yōu)化驅(qū)動(dòng)氣體的噴嘴（9-13）。對(duì)超音速雙相氣流的加速和阻尼的細(xì)致研究，促使建立了數(shù)學(xué)分析公式；利用這個(gè)公式，可以對(duì)在各種不同的壓力、溫度和驅(qū)動(dòng)氣體成份的情況下，同時(shí)還考慮顆粒的濃度，尺寸和密度的影響，評(píng)估顆粒由噴嘴輸出的速度。這就為我們?cè)O(shè)計(jì)出具有最好斷面的噴嘴和選擇最適合的從噴嘴斷面到阻礙物的距離（14-17），提供了依據(jù)。最近，新西伯利亞的研究人員和阿尼巴比林（美國(guó)俄僑譯者）合作研

15、制了冷噴過程的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型。這個(gè)模型是建立在“顆粒和阻礙物高速度相互作用使表面激活”的觀點(diǎn)上（參閱A.n.AnxuMOB等XORO口HOEA3O口MHAMMUECKOEHAnblREHME,（冷氣動(dòng)力噴涂，莫斯科，物理數(shù)學(xué)文獻(xiàn)出版社，共535頁。作者均為俄國(guó)科學(xué)院西北利亞分院理論與實(shí)驗(yàn)力學(xué)所的教授-譯者），2010年）。研究氣流與阻礙物的熱容量影響（18,19）和顆粒沖擊阻礙物時(shí)的變形量（19,20），能得出噴涂技術(shù)的優(yōu)化條件，研制出多種實(shí)用的設(shè)備，包括手動(dòng)操作的裝置（22）?？墒撬鼈?cè)谄髽I(yè)中實(shí)際應(yīng)用受到嚴(yán)重的阻力，主要是運(yùn)載氣體的消耗問題。在企業(yè)中應(yīng)用氦氣是很貴的，而用15個(gè)大氣壓的空氣所得涂

16、層的質(zhì)量又得不到保證（23）。盡管如此，下列單位通過細(xì)致的研究，設(shè)計(jì)出試驗(yàn)設(shè)備或樣機(jī)：MAH（莫斯科）、“Pukc”公司（莫斯科）、flawMnepBeH3公司（德國(guó)）、中科院金屬研究所（中國(guó)、沈陽）和國(guó)際先進(jìn)技術(shù)和粉末噴涂中心（印度）俄羅斯大量的研究工作，是探索氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)的具體方案，力求以空氣作為驅(qū)動(dòng)氣體?？死锷矪.K.和穆哈美查羅夫A.r.研制了雙超音速氣流的方案（24）；尼吉金n.B.和斯莫林A.r.提出了環(huán)狀超音速噴嘴裝置（25）；吉昆Q.B把表面準(zhǔn)備過程和噴涂過程結(jié)合起來（26）。在吉昆的研究基礎(chǔ)上，金屬間復(fù)合物（WHTepMeTKOMno3UT）（IMC）公司（莫斯科

17、）制造了工業(yè)用的氣體動(dòng)力噴涂設(shè)備方案HA-5型，其功率為18kw，空氣為工作氣體，壓力達(dá)15大氣壓。在烏克蘭，果洛柯A.H.和唐吉柯B.H.在冶金研究院（得涅伯羅彼特羅夫斯克）對(duì)氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)進(jìn)行了研究（27,28）。他們采用空氣（加熱250攝氏度，壓力為18大氣壓）作為驅(qū)動(dòng)氣體，確定了噴涂尺寸大于50微米顆粒應(yīng)用的可能，因?yàn)楫?dāng)超音速氣流處于絕熱冷卻時(shí)，它們?cè)趪娮鞌U(kuò)展部分，緩慢變涼。在美國(guó)，氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)是90年代中期，由巴比林（此人原為俄科學(xué)院新西伯利亞分院理論和應(yīng)用力學(xué)所的研究人員，本技術(shù)發(fā)現(xiàn)者之一-譯者）（8）和美國(guó)SandiaNationalLaboratories實(shí)驗(yàn)室共同研究而

18、開始的（29）.他們?cè)O(shè)計(jì)了氣體動(dòng)力噴涂的基礎(chǔ)裝置。后來，Ktech公司生產(chǎn)了工業(yè)化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的氣體動(dòng)力噴涂設(shè)備，氣壓達(dá)30大氣壓，功率為25千瓦.從此在美國(guó)有許多單位開始對(duì)氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)進(jìn)行研究例如，ASBIndustryCorp.的DelphiCorp.實(shí)驗(yàn)室和其它單位等。ASB公司首先是著手改善設(shè)備的操作性能（32）。設(shè)備使用的關(guān)健問題在于，當(dāng)強(qiáng)加熱雙相混合物時(shí)，金屬顆粒在噴嘴臨界斷面處沉積很嚴(yán)重（33）。所以，今后的研究方向是噴涂技術(shù)的應(yīng)用研究和涂層的建立（34,36）。在DelphiCorp.實(shí)驗(yàn)室，研究尺寸為50-150微米顆粒的噴涂技術(shù)（37）。在文獻(xiàn)（27）中，他們發(fā)現(xiàn)：在加

19、熱雙相混合物時(shí)，提高顆粒的塑性，能降低顆粒固化在基體上所需要的速度；而當(dāng)驅(qū)動(dòng)氣絕熱冷卻時(shí)，粗大顆粒冷卻較慢，速度降低也慢（38,40）。加大氣體預(yù)熱會(huì)導(dǎo)致顆粒在噴嘴臨界斷面處的粘附，所以這個(gè)問題必須解決的（41）。美國(guó)國(guó)防研究實(shí)驗(yàn)室（42,43）和賓夕尼亞大學(xué)：（44）從事噴涂技術(shù)優(yōu)化的研究工作，其中從事改善驅(qū)動(dòng)噴嘴特性的優(yōu)化，最佳噴涂粉末材料的選擇，以及所噴制的涂層性質(zhì)研究和確定它們?cè)诟鞣N技術(shù)任務(wù)中應(yīng)用。在英國(guó)有劍橋大學(xué)、利物浦大學(xué)和諾丁漢大學(xué)從事冷噴技術(shù)的研究，主要科研方向是研究采用純氦氣動(dòng)力噴涂技術(shù)所獲得的涂層性質(zhì)，探索利用冷噴技術(shù)直接制造給定形狀另件的可能性（45,46）。加拿大政府提

20、供大額支助，渥太華大學(xué)對(duì)冷噴技術(shù)和涂層性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究。他們采用了純氦氣和氮?dú)?。加拿大的研究主要是改善噴嘴中顆粒驅(qū)動(dòng)技術(shù)和在各種工藝過程中應(yīng)用的可能性：（47-49）。在日本旬宿（山uh山y(tǒng)）大學(xué)從事優(yōu)化噴嘴的研究工作。他們發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)重顆粒的噴嘴長(zhǎng)度可以大大地增大；并在臨界斷面之后，采用垂直供金屬粉的方法（50），因此避免了當(dāng)強(qiáng)預(yù)熱氣體時(shí)，在臨界斷面處沉積顆粒的毛病，而且縮短了加速的長(zhǎng)度。在中國(guó)，西安，某大學(xué)的材料學(xué)院對(duì)冷噴技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化和利用各種粉末涂層性質(zhì)進(jìn)行了非常積極的研究（51,52）。在德國(guó)，在X.克列伊的領(lǐng)導(dǎo)下，漢堡的博得斯維拉（ByHgecBepa）大學(xué)，對(duì)冷噴技術(shù)也進(jìn)行的大力

21、的研究。德國(guó)研究者在數(shù)學(xué)模擬（53）和實(shí)驗(yàn)研究（54,55）的基礎(chǔ)上，建立了冷噴技術(shù)的細(xì)致模型，并獲得了顆粒在涂層上固化的標(biāo)準(zhǔn)條件。他們確定，當(dāng)顆粒在沖擊阻礙物時(shí)，超過臨界速度會(huì)產(chǎn)生絕熱移動(dòng)的不穩(wěn)性，促使顆粒產(chǎn)生塑性變形，并固定在阻礙物上。他們?cè)谶@些研究的基礎(chǔ)上，確定了各種金屬顆粒的臨界速度值，并研制了冷噴技術(shù)用的優(yōu)化園口噴嘴。CGT公司在上述研究基礎(chǔ)上，生產(chǎn)了氣體動(dòng)力噴涂設(shè)備，它功率為30千瓦。為了達(dá)到高效的沉積和高質(zhì)量的涂層，設(shè)備中采用氦氣作為工作氣體。這就要求粉末顆粒大小處于夠窄的粒級(jí)范圍內(nèi)。有時(shí)為了提高效率，也采用氦氣或它與氮?dú)獾幕旌衔铮瑝毫_(dá)30大氣壓，粉末消耗量為2米3/分。X.克

22、列伊后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)，由于顆粒尺寸和溫度的不同，不同材料顆粒的臨界速度也不同（57）。這為提高雙相混合物的加熱和增大工作顆粒的尺寸，提供了依據(jù)（58）。利用這個(gè)研究成果，CGT公司在“Kinetics-4000”（59）中，噴嘴前增加了雙相混合物加熱的補(bǔ)充組件。后者使噴涂的粉末粒級(jí)范圍擴(kuò)大，氮?dú)鈮哼_(dá)30大氣壓，阻尼溫度達(dá)900攝氏度。設(shè)備“Kinetics-3000”在世界市場(chǎng)的出現(xiàn)，使得在比利時(shí)，法國(guó)，意大利和其它國(guó)家開始了氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)的研究工作。他們?cè)诖蠖鄶?shù)情況下是采用氦作為工作氣體，但“Kinetics-4000”的出現(xiàn)，絕大部分研究工作只用氮?dú)?。除了采用?jīng)典方法（即建立雙相混合氣體并

23、利用高壓驅(qū)動(dòng)氣體，在超音速噴嘴中加速它）研究和設(shè)計(jì)設(shè)備以外，另外還有兩種獨(dú)立發(fā)展起來的氣體動(dòng)力噴涂方法。在美國(guó)P托珀侯林指出：在氦氣中音速是足夠大，所以加速金屬顆粒甚至可以在低于音速的氣流中進(jìn)行（60）。如果在氦氣中采用低于音速，那么不會(huì)產(chǎn)生密度的降低和那么輕的氣體。這樣促使顆粒更好地得到加速。意洛瓦低公司（美國(guó)，加利弗尼亞）曾研制過“動(dòng)力金屬化方法“，其氣體壓力比經(jīng)典方案中氣體壓力低得多（61,62）。采用特殊斷面的噴嘴實(shí)現(xiàn)了低于音速的工作方式。此時(shí)，不論是在粉末輸入?yún)^(qū)，還是在整個(gè)顆粒加速過程中，顆粒都進(jìn)行加熱；這與超音速方法不同，顆粒在加速氣流中進(jìn)行冷卻。意洛瓦低公司設(shè)備的示意圖與氣體動(dòng)力

24、噴涂經(jīng)典設(shè)備沒有區(qū)別。由于采用了低音速的噴嘴，氣壓與需要的功率均大大地降低。奧柏尼斯克粉末噴涂中心，在奧費(fèi)克留也夫的領(lǐng)導(dǎo)下，徹底改變了氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。他們提出，只用10大氣壓以下的空氣就實(shí)現(xiàn)了純金屬與它們和陶瓷粉末混合物的氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)（63,64）。他們?cè)诩铀贇饬髦型瑫r(shí)輸入陶瓷顆粒，以陶瓷顆粒的動(dòng)能補(bǔ)充金屬顆粒動(dòng)能的不足。已加速的陶瓷顆粒與基體相互作用，對(duì)所形成的涂層進(jìn)行動(dòng)力加工。由此獲得密實(shí)均勻的塑性金屬涂層，例如，鋁、銅、鋅和鎳。這種動(dòng)力金屬化過程稱為”聚美特”（Dymet）技術(shù)（65）。由于陶瓷顆粒對(duì)噴嘴斷面的強(qiáng)烈腐蝕，因此需要從根本上改變實(shí)現(xiàn)噴涂的方法。首先應(yīng)該避開顆粒

25、流通過噴嘴臨界斷面。在設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)，把混合粉末輸入口安裝在噴嘴的擴(kuò)展部位，臨界斷面之后。用這種方法，他們研制生產(chǎn)了氣體動(dòng)力噴涂機(jī)，其壓縮空氣只有5大氣壓（66-68）。圖5“集美特”裝置示意圖（由氣體加熱器，粉末供給筒，粉末噴射組和拉瓦爾噴嘴等四部分組成）加速用的氣體要求低和設(shè)備所需功率小，保證奧柏尼斯克粉末噴涂中心（俄羅斯）設(shè)計(jì)生產(chǎn)了結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶方便的一系列“聚美特”噴涂設(shè)備（68）。這些設(shè)備應(yīng)用廣范，甚至在小型的車間或作坊都適合采用。加拿大”CenterLine”公司購(gòu)買“聚美特”技術(shù)，生產(chǎn)了移動(dòng)式設(shè)備（69），但它只能在北美銷售。由于出現(xiàn)了對(duì)加速氣體要求低和粉末消耗少的低壓氣體動(dòng)力噴涂設(shè)

26、備（70,71），所以產(chǎn)生了新名稱，”高壓氣體動(dòng)力噴涂”和”低壓氣體力噴涂”之分或稱”高壓冷噴涂”（Highpressurecoldspray）和低壓冷噴涂”（Lowpressurecoldspray）（2）。近十年以來，大量的研究工作加深了對(duì)氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)的理解和研制了許多實(shí)用的氣體動(dòng)力噴涂設(shè)備。X克列也在2006年艾爾金（3pguHe）（72）會(huì)議上提出的圖示，很好地說明氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)的發(fā)展。圖6反映了采用30大氣壓的氦氣（灰亮色橢圓表示）和氦氣（暗灰色橢圓表示）的經(jīng)典方法的發(fā)展變化步驟。橢圓用于瞄繪，當(dāng)尺寸為20微米變到50微米的銅顆粒沖擊阻礙物時(shí)的溫度變化區(qū)和速度變化區(qū)。噴嘴的優(yōu)化

27、和氣體加熱溫度的增加，能提高顆粒的速度和溫度（圖中用1-5表示）。這里，劃細(xì)線條的區(qū)域是表示兩種不相干而獨(dú)立的意洛瓦低公司的技術(shù)（I）和聚美特（Dymet）技術(shù)（D）。由圖3可以看出，在經(jīng)典方法發(fā)展的范圍內(nèi)，增加速度和提高溫度能保證噴嘴斷面和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時(shí)也能增加能量在過程中的吸收。目前已達(dá)到的成果是，尺寸為2070微米銅顆粒的沉積效率大于90%，結(jié)合力大約為80兆帕。此時(shí)，氮的消耗量為2米3/分，壓力為30大氣壓，加熱溫度達(dá)900C。為了達(dá)到以上結(jié)果，采用氦氣的話，其加熱溫度可以減少一倍“Inovati”（意洛瓦低）的設(shè)備只能采用氦氣工作，但它壓力和氣體消耗大大地減少；因?yàn)樗遣捎玫陀谝羲俚?/p>

28、氣流，加熱氣體的功率也變得很小。從圖6中也可以看到：I指的是Inovodi技術(shù)的情況，它的噴涂效率達(dá)60%。但由于氣體消耗量小，它的總生產(chǎn)率也會(huì)下降。為了節(jié)約氦氣，采用了回收系統(tǒng)，因此整個(gè)系統(tǒng)需要密封“聚美特”技術(shù)采用了空氣噴涂，氣體消耗量為0.5米3/分，壓力為58大氣壓。這限制了顆粒的速度范圍（請(qǐng)參看圖6中，D）。金屬顆粒沉積的效率比其他方法低，約為50%，因?yàn)榧尤腚p相混合物中的陶瓷顆粒，基本上被基體彈回。總的沉積效率約20-30%。由于氣體消耗小，總生產(chǎn)效率同樣受到粉末材料消耗的限制，為0.5-0.6克/秒5900-Q00270050040030010002D0CVcopper50pm1

29、00020004-2CHJJcopper20pm圖6，銅顆粒在阻礙物前的速度和溫度圖示亮橢圓1-5表示Kinekics氦氣設(shè)備的在各個(gè)發(fā)展階段的圖示暗橢圓1-5表示Kinekics氮?dú)庠O(shè)備的在各個(gè)發(fā)展階段的圖示黑橢圓（l）（D）分別表示意洛瓦低（Inovati）技術(shù)（和聚美特（Dymet）技術(shù)的圖示（四）氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)實(shí)際采用的設(shè)備大多數(shù)氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)的研究，促使各單位設(shè)計(jì)制造了各種不同的噴涂設(shè)備。這些自制的設(shè)備是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)計(jì)制造的；它們大多數(shù)，不是單臺(tái)為從事實(shí)驗(yàn)研究工作用，就是為了某項(xiàng)特定任務(wù)的需要而設(shè)計(jì)制造的。、目前能批量生產(chǎn)供應(yīng)市場(chǎng)的氣體動(dòng)力噴涂設(shè)備的單位有：CGT（德國(guó)）、WHT

30、epMeTKOMno3UT（IMC）（俄羅斯）、Inovati（美國(guó)）和OnH（OPSC）（俄羅斯）。這四家主要技術(shù)參數(shù)列入下表：表2生產(chǎn)者CGTInovatiIMCOPSC設(shè)備型號(hào)Kinetics-3000Kinetics-4000KMHA-5Dymet工作氣體氦/氮氮/氦氦空氣空氣壓力，大氣壓25-3030-403.510-155-8消耗量，米3分2-42-40.220.4功率，千瓦30472.5183.5Kinetics”設(shè)備是在X.克列也的領(lǐng)導(dǎo)下研究工作的基礎(chǔ)上，由CGT公司生產(chǎn)的，并在電氣工業(yè)中找到了應(yīng)用，即在散熱片上涂銅層。另外，還有一些公司曾有個(gè)別定貨。大部分還是在實(shí)驗(yàn)室作研究使

31、用。圖7所載的就是設(shè)備的圖片。Kinecics設(shè)備的噪聲很大，工作時(shí)必須采用隔音操作箱。采用“Kinetics”設(shè)備，其噴嘴一般要固定在工業(yè)機(jī)器人操作裝置上。圖7CGT公司生產(chǎn)的Kintics-3000設(shè)備WHTepMeTK0M3UT(IMC)公司在尤吉庫(kù)研究的基礎(chǔ)上，采用經(jīng)典氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)，設(shè)計(jì)制造了HA型號(hào)的噴涂設(shè)備。其供粉末的位置，在噴嘴的臨界斷面處。但該設(shè)備目前尚未找到廣泛的應(yīng)用。由于功率小和氣體消耗少，它可以手動(dòng)操作，圖8MHTepMeTK0M3UT(IMC)公司生產(chǎn)HA-5型噴涂設(shè)備Inovati公司生產(chǎn)的KM型設(shè)備，既可以在鋼結(jié)構(gòu)件上噴涂局部鋁涂層，也可以在航天和航空技術(shù)中制造

32、專用涂層。盡管該產(chǎn)品粉末沉積效率高，但其應(yīng)用范圍也是有限的，因?yàn)樗仨毑捎煤怛?qū)趕顆粒。采用氦氣回收裝置，可以擴(kuò)大它的應(yīng)用范圍。KM型噴涂設(shè)備示于圖9。為了實(shí)現(xiàn)氦氣的回收，整個(gè)噴涂過程必須在密閉環(huán)境中進(jìn)行。圖9，Inovati公司生產(chǎn)的KM型噴涂設(shè)備奧柏尼斯粉末噴涂中心生產(chǎn)的“聚美特”（Dymet）設(shè)備，具有非常低的驅(qū)動(dòng)氣體的要求和夠低的功率要求。它們主要是手動(dòng)操作，也可以利用操作器進(jìn)行自動(dòng)操作。聚美特-405型設(shè)備示于圖10。盡管該設(shè)備的生產(chǎn)效率和粉末應(yīng)用效率都低，但它可以解決局部修理和小批量生產(chǎn)中的許多技術(shù)任務(wù)。由于設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊和對(duì)工作氣體要求很低，聚美特產(chǎn)品已得到了廣泛的應(yīng)用。目前已有幾

33、百臺(tái)設(shè)備應(yīng)用在俄羅斯和國(guó)外（本文寫于2006年。到2012年為止，單在俄國(guó)就有一千多個(gè)單位在使用聚美特設(shè)備。另外，有17個(gè)國(guó)家在應(yīng)用。加拿大購(gòu)買了聚美特技術(shù)，生產(chǎn)了產(chǎn)品，但只能在北美銷譯者）。圖10OCSP生產(chǎn)的聚美特-405型（已改為423型）可攜帶的設(shè)備氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)與熱噴涂方法比較，首先是材料不存在氧化和基體被加熱的溫度低;特別重要的是低氣孔率和厚金屬涂層的氣體滲透性低。其次，其厚度達(dá)到10毫米時(shí)，涂層與基體的結(jié)合力仍然很高。目前氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)已得到了很好的實(shí)際應(yīng)用。為了改善電接觸和熱交換，研制了銅涂層；在新西北利亞理論和實(shí)用力學(xué)研究所研制了鋁電纜頭上噴銅層的設(shè)備。CGT公司的Kin

34、etics-3000已應(yīng)用于電子技術(shù)中鋁散熱器上噴銅層。聚美特設(shè)備已用于電解槽的鋁觸點(diǎn)上噴涂銅;在大型銅母線接觸面上噴涂錫和鋁，以及在強(qiáng)電流鋁母線接觸表面上噴涂鎳和銅。一般地說，在電工技術(shù)中，噴涂層比較薄，約小于1毫米。同樣可以用薄涂層來作防銹保護(hù)。Inovati公司的KM設(shè)備用于在鋼結(jié)構(gòu)表面上噴涂局部的鋁層。聚美特設(shè)備用于：在焊縫和鋼結(jié)構(gòu)的選定表面上局部噴涂鋅層；噴涂鉛和鎳，保護(hù)工作在腐蝕環(huán)境中的另件。鎳涂層和鋁涂層能降低高溫腐蝕的速度。氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)在復(fù)原和改變金屬另件的尺寸（例如鋁合金另件）的工作范圍內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用。此時(shí)，涂層的厚度，從十分之幾毫米到幾十毫米。這樣以來，說是噴涂，還不

35、如說是生長(zhǎng)金屬。例如，Praxair公司用體動(dòng)力噴涂技術(shù)復(fù)原已磨損的螺旋漿飛機(jī)推進(jìn)器的葉片。聚美特設(shè)備，結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，廣泛地應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷的修理；小批量生產(chǎn)中，修正鑄件的缺陷和聚合物造模的模型。氣體動(dòng)力噴涂所制造的涂層的氣體滲透率低。這允許不采用聚合物也能恢復(fù)金屬結(jié)構(gòu)的密封性。聚美特設(shè)備能用于在汽車空調(diào)器的鋁薄壁散熱片；在航天技術(shù)中消除制件焊接連接中的微氣泄漏；以及已在庫(kù)怡托夫研究所（原子能所）用于復(fù)原回轉(zhuǎn)加速器銅制外殼的密封性。在任何金屬和陶瓷表面上，采用氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)，獲得任意厚度的涂層。因此，氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)和聚美特設(shè)備，在很多生產(chǎn)制造和修理部門獲得推廣和應(yīng)用。（五）結(jié)論氣

36、體動(dòng)力噴涂方法理所當(dāng)然地是金屬噴涂技術(shù)之一，它屬于低溫和高速的技術(shù)領(lǐng)域。顆粒的變形和固化過程是在足夠低的溫度下進(jìn)行的。也就說，顆粒始終是處在固體狀態(tài)，而不是液體狀態(tài)。因此，要加強(qiáng)研究和設(shè)計(jì)制造出專門設(shè)備。由于技術(shù)參數(shù)的區(qū)別和各方研究人員的假設(shè)前提不同，本人所介紹的金屬噴涂技術(shù)具有很多名稱：“冷噴涂”，“快速噴涂”，“運(yùn)動(dòng)金屬化”“動(dòng)力噴涂”和“動(dòng)力金屬化”等，不管他們有什么技術(shù)差異，但它們都包函著同一個(gè)意思。金屬顆粒加速是按照氣體動(dòng)力學(xué)定律進(jìn)行的，金屬顆粒與基體的相互動(dòng)力作用也是如此。因此，采用名稱“氣體動(dòng)力噴涂”，在整體上能比較完善地描繪本方法和過程的實(shí)質(zhì)。目前，隨著氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)研究的發(fā)

37、展，它在修理行業(yè)和生產(chǎn)制造行業(yè)中，實(shí)際應(yīng)用會(huì)更加廣泛。可以肯定地說，氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)已進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用的階段，它將在現(xiàn)代涂層制造技術(shù)中占有一席之地。參考文獻(xiàn)EoGpOEjI.B.HjibuhA.A.HaHecenneneopiajiHecKnxnoKpbiTiifi.MocKBa,KHTej?MeT2004,624c*Buildingon100YearsofSuccess:Proceedingsofthe2006InternationalThermalSprayConference.B.R.Marple.M.M.Hyland,Y.C.Lau,R.S.Lima,andJHVoyer,Eck,May

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