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淺析冷噴涂技術的原理、特點及應用

2025-06-25 11:58:01 作者：本網發布來源：涂料工業分享至：

涂料工業：

冷噴涂 (Cold Spray, CS)，又稱為冷氣動力噴涂，是一種基于空氣動力學原理發展起來的先進表面改性技術。相較于傳統的熱噴涂技術，冷噴涂具有獨特的優勢，已在金屬涂層防護、增材制造和關鍵零部件修復等領域發揮了重要作用。本文將淺析冷噴涂技術的原理和特點，以及介紹冷噴涂在涂層領域的應用。

1. 冷噴涂技術的原理

冷噴涂技術的工作原理是：將高壓氣體（氮氣、氦氣、空氣或混合氣體）經過氣體加熱器進入縮放的拉瓦爾噴嘴，形成超音速氣體流碰撞基體，帶動粉末粒子在低溫（一般低于600 ℃）下進入拉瓦爾噴嘴，使粉末粒子發生強烈的塑性變形，從而沉積在基體表面形成沉積層。冷噴涂技術的噴涂效果主要取決于噴涂速度的選擇，噴涂速度應在臨界沉積速度與侵蝕速度之間。侵蝕速度是粒子噴涂速度的上限，噴涂速度如果超過侵蝕速度，就會出現沖蝕，而顆粒不會黏著。只有當撞擊速度大于臨界速度，小于侵蝕速度時，粒子才能與基體結合沉積形成涂層。

冷噴涂涂層形成過程包含2個不同階段的相互作用。第1階段主要為顆粒與基體間的相互作用：顆粒與基體碰撞后，在碰撞界面處產生凹陷，導致顆粒與基體接觸表面處的氧化膜破裂，暴露出潔凈的表面，兩者結合形成基體層，這便是前期涂層形成的關鍵，且與最終基體和涂層之間的結合強度有密切關系。第2階段主要為顆粒與已沉積涂層間的相互作用：后續顆粒對已沉積涂層中的部分顆粒的錘擊作用促使其發生變形，顆粒間孔隙被消除，結合更緊密，這關系到涂層厚度的增加和自身結合強度。當前的研究主要集中在顆粒與基體的結合機理上，對顆粒高速沖擊引起的基體表面殘余壓應力變化、顆粒撞擊基體過程中顆粒之間的結合機理研究則相對較少，需要進一步深入探索和研究，為高性能涂層的制備提供理論基礎。

2. 冷噴涂技術的特點

與傳統的熱噴涂技術（火焰噴涂、爆炸噴涂、電弧噴涂等）不同，冷噴涂顆粒加熱溫度低，而且顆粒仍然保持著固態，固態顆粒在極高應力、應變和應變速度條件引發“絕熱剪切失穩”狀態，顆粒通過劇烈機械變形等過程，最終在工件上實現沉積。

相對于熱噴涂技術而言，冷噴涂的優勢包括：噴涂溫度低，對基體的影響較小；可制備的材料較為廣泛，如鋅、鋁、銅等金屬、合金材料如不銹鋼、青銅等、金屬陶瓷或金屬基復合材料等；噴涂的涂層殘余應力較低；噴涂涂層光滑致密，孔隙率低，強度較高，能滿足航空、航天等高負荷領域的使用；沉積效率高、粉末利用率高；環境污染小，操作簡單、安全，無輻射。

不過，冷噴涂同樣存在著它的劣勢：涂層的延展性較差，這主要是由顆粒的塑性沉積引起的，可以通過熱處理和優化冷噴涂工藝參數進行改善。且噴涂顆粒能否有效沉積以及制備涂層是否穩定，取決于顆粒與基材的特性。此外對于制備一些高溫合金涂層必須使用氦氣，耗氣量會很大，價格會偏貴。

3. 冷噴涂技術的應用與展望

冷噴涂技術能夠制備出孔隙率低、結合強度高、厚度可控的涂層，為基體材料提供了卓越的抗腐蝕性能。因此，冷噴涂技術在防腐涂層領域具有廣闊的應用前景，尤其在航空航天和海洋環境中飛機、艦艇、輪船等各領域的關鍵機械部件的腐蝕防護上，冷噴涂技術為它們的表面改性研究、長久高效防腐、快速修補等帶來了新的解決方案。

此外，冷噴涂涂層具有低殘余應力（主要為壓應力），可制備單一金屬涂層或含有陶瓷顆粒增強相的復合涂層，這類涂層的耐磨性往往更好，因此冷噴涂技術可用于制備多種耐磨涂層材料，包括減磨合金（如錫青銅、鋁合金、鋅合金）、金屬基材料以及金屬陶瓷復合材料。這其中，金屬陶瓷復合材料結合了金屬相（韌性和可加工性好）和增強陶瓷相（硬度和耐磨性好）的特點，使得涂層具備出色的耐磨性、耐蝕性、力學性能等優點，廣泛應用于各種重要的工業領域。目前，冷噴涂已在各種耐磨材料表面制備涂層中得到廣泛應用，成為不可或缺的耐磨涂層制備技術。

目前，圍繞冷噴涂技術在防腐涂層和耐磨涂層的應用研究，主要聚焦涂層的復合與改性、工藝參數的調節等來進行性能提升。而對于一些嚴苛服役工況（如重載荷、重腐蝕、高振動環境），對涂層的耐蝕、耐磨、防污、機械性能等的要求也日益提高，僅憑現已掌握的冷噴涂技術提升手段仍有較大的改進空間。對于冷噴涂技術中的沉積與結合機理、物理力學效能、關鍵因素影響等，仍需要更多更全面的研發來推動系統化理論體系的完善，并逐步克服冷噴涂的涂層延展性較差、有效沉積效率低等缺點，從而讓冷噴涂技術走向成熟，擁有更廣闊的應用與市場。