0 引言

    冷噴涂于20世紀80年代中期， 在俄羅斯科學院理論及應用力學研究所最早開發，近年來受到廣泛關注，并在俄國、美國、德國等國家得到了快速發展。冷噴涂防腐是一項革命性技術，借助這項技術可直接、就地在鎂合金上生成厚的鋁鍍膜達到降低或排除常見或電腐蝕造成的危害。這項技術有望克服原有鎂合金防腐技術的缺點，從而有助于將鎂用于汽車的外部元件。冷噴涂應用于特定場合，已有對Cu、Al、Ti、Ni和MCrAlY合金進行研究，應用于電子工業（Cu） 、航空（MCrAlY） 、汽車（Al ）和化工（Ti）領域。

    1 冷噴涂技術概述

    1.1 冷噴涂定義

    冷噴涂全名冷空氣動力噴涂法（CGDS：ColdGas Dynamic Spray），它可通過低溫（＜600℃）、高速（300～1200m/s）小顆粒（1～50μm）氣流撞擊金屬或絕緣基體表面，在整個過程中粒子沒有熔化，保持固體狀態，粒子發生純塑性變形聚合形成涂層。

    1.2 冷噴涂特點

    冷噴涂的特點：溫度低、不發生氧化、可制備復合涂層、對基體的熱影響小、涂層孔隙率低、形成的涂層承受壓應力、殘余應力小、沉積率高、能保留原始粉末材料的性能、由于不需要高溫因而操作更安全等。

    1.3 工藝原理

    冷噴涂是一項嶄露頭角的固態工藝。該方法可將以超聲加速的固體顆粒的動能在撞擊到鍍件表面時轉變為熱能，從而完成冶金焊接。該工藝的原理是：每種金屬均有其特定的、與溫度相關的臨界顆粒速度，當顆粒運動超過這一速度時即會焊接于鍍件之上。冷噴涂原理示意圖如圖1所。

    2 冷噴涂技術應用現狀與展望

    冷噴涂技術在化工、汽車、航空航天、造船、電子、機械、造紙等領域具有廣闊的應用前景，可以生產和修復渦輪葉片、活塞、軸承、汽缸、閥門等零部件。在國防工業可以生產、修復艦船螺旋槳葉片和軸、飛機彈射裝置、制備耐磨和耐腐蝕的涂層等。應用有先進水陸兩棲攻擊艇輪子、水陸兩棲攻擊艇裝甲、飛機彈射器活塞、鈦涂層。

    迄今的研究表明采用冷噴涂方法，不僅可以制備低熔點的塑性良好的金屬材料。如Al、Cu等，也可制備如Ni、Ti、MCrAlY合金。涂層制備過程幾乎不存在氧化。同時還可以制備WC-Co、Cr3C2-NiCr金屬陶瓷涂層。最近的研究表明通過采用真空氣氛，可以實現亞微米與納米陶瓷顆粒直接沉積制備陶瓷涂層。因此，冷噴涂技術不僅為制備金屬合金涂層、而且也將成為制備陶瓷與金屬陶瓷的新辦法。

    冷噴涂技術的應用包括防腐涂層、耐高溫涂層、耐磨涂層、導電及導熱涂層、抗菌涂層及光催化涂層、生物醫用涂層、 噴涂成形、 表面修復。

    2.1 冷噴涂技術在航空航天中的應用

    冷噴涂技術目前主要是用于銅、鎳等金屬涂層和高分子復合涂層的制備，由于制備的金屬涂層結合力強，均勻致密，氧化物含量少，導電導熱性好，在工業中有廣闊的應用前景，特別是在航空航天中對導熱導電有特殊要求的設備，如發動機、燃燒器等。

    應用于商業中的火箭發動機由于不能把更多的熱能傳遞到燃料中來提供更大的推力，由此其應用受到一定的限制。主要原因是在燃燒室中使用不銹鋼制造管道系統，限制了熱量通過燃燒室的熱壁進入到氧燃料中，而且限制了循環參數來保持不銹鋼管道具有較低的熔點溫度。采用銅涂層就很好地解決了該問題，銅涂層有很高的熱傳導系數并能與基體很好地結合。在飛機制造業中，由于冷噴涂不產生熱影響，因此可以對零部件進行防腐保護噴涂。

    利用冷噴涂技術來制備航空航天器發動機特殊保護涂層。制備航空航天武器的特殊功能涂層，通過噴涂成形可以直接制造復雜結構、形狀的航空航天部件。這些工程應用僅僅是冷噴涂技術在航空航天領域應用的幾個方面，相信在不久的將來，冷噴涂技術一定能夠更為廣泛地應用于航空航天工業的各個領域。

    美國空軍研究實驗室與聯合技術研究中心正在完善冷噴涂技術，以便用其維修UH-60“黑鷹”直升機的主要部件。冷噴涂是一種在鎂合金表面上生成金屬粉或金屬/陶瓷混合物鍍膜的表面固態工藝，可降低或消除腐蝕造成的危害。腐蝕作用會影響零件的強度，從而降低其安全性，通常導致零部件無法滿足其使用壽命和疲勞壽命的要求。因此需要頻繁更換零部件，增加了后請負擔，并影響了裝備的戰備水平。冷噴涂技術的應用有助于解決這一問題。

    陸軍和海軍直升機變速箱等鎂制零部件老化是后勤保障工作面臨的一大難題，經常因腐蝕而需要提前拆卸，而且拆下來的零部件不能回收再利用。噴涂作為一種維修結構件的技術，克服了這一缺陷，能夠回收零部件，從而節省采辦費用。

    2.2 冷噴涂技術在汽車中的應用

    在汽車維修領域中，采用冷噴涂技術可以給汽車涂上不同的金屬，同時可以降低車體的影響：對汽車的缸體、密封閥等也可以進行噴涂維修。

    冷噴涂的優點是對工件的熱負載達到最小，很低的熱輸出不會產生熱應力。因此，涂層厚度可達數毫米或更多。選用不同噴嘴，造成不同噴射界面，能形成一種自由結構，例如，汽車制造業的發動機和底盤，可以自如的噴涂而無需進行任何后處理；噴涂射流非常集中，只有數毫米，可靈活的噴涂任何復雜工件，也不許進行噴前遮蓋，噪音不大。目前冷噴涂裝置設計成最大壓力為3.5MPa，氣體溫度達600°C。

    2.3 冷噴涂技術在油氣裝備中的應用

    冷噴涂技術可獲得低氧化物含量、低內應力、高硬度、高耐磨性，大厚度涂層，可廣泛應用于航空航天、石油、化工、汽車、造船等工業。冷噴涂技術在油氣裝備中尤其具有發展前景。當前油氣勘探開發已經進入后期、深部開采階段，鉆遇的地層越來越復雜，地層硬度越來越高，對機械裝備特別是井下工具的強度、耐磨性提出了更高的要求。新興的冷噴涂技術可應用于諸多油氣裝備及工具的性能改進中，降低內應力，提高硬度和耐磨性等。例如，可應用于鋼齒鉆頭的齒面強化，牙輪鉆頭軸承的表面強化，鉆頭保徑部分材料強化，鉆桿柱（鉆桿、鉆鋌、穩定器）、套管柱及接頭的強化及表面改性，抽油桿接頭強化，泥漿泵滑動件耐磨性改進，地面裝備旋轉部件強化及表面改性，還可以用于油氣管道及接頭表面改性，以提高耐腐蝕性，以及提高催化裂化提升管熱電偶的耐磨性等等。

    2.4 冷噴涂技術主要應用領域

    冷噴涂技術是采用高速氣流將固態粒子加速，并將其沉積在預置的基體上，粒子的動能驅使粒子塑性變形而扁平化形成涂層。從其發展看，冷噴涂技術的潛在應用類型及應用領域主要有以下四類：

    2.4.1 保護涂層

    （1）耐腐蝕涂層冷噴涂技術與Zn，Al及它們的合金這類多孔、易氧化的傳統熱噴涂保護涂層相比，冷噴涂保護涂層更耐腐蝕，使用壽命更長，涂層制備費用更低。

    （2）耐高溫涂層冷噴涂技術可以用于火箭發動機的高溫保護涂層，如MCrAlY高溫保護涂層、TBCs熱障涂層粘合層、Cu-Cr-Al抗氧化保護層等。

    （3）耐磨涂層冷噴涂技術可以用于耐磨材料涂層，如金屬陶瓷、金屬基復合材料和減磨合金，可顯著提高工業零部件的耐磨性能。

    2.4.2 功能涂層

    冷噴涂技術也可以用到功能涂層材料。如非晶涂層、生物Ti材料及其復合材料、金屬間化合物涂層、光催化TiO2涂層、熱塑性材料沉積物等。

    2.4.3 噴涂成型

    冷噴涂根據自身的噴涂特點，具有近凈成形制造零部件的巨大潛力，對于一些形狀并不復雜的軸對稱旋轉件或者平面狀共建，都有可能直接噴涂成型。不僅是Ti及Ti合金，其他工程材料，如Al及Al合金、Cu及Cu合金、Ni及Ni合金等都可以通過冷噴涂成型來經濟地制造零部件。

    2.4.4 零件修復

    冷噴涂技術具有操作方便的優點，可用于工業零部件的快速修復，如冷噴涂Cu涂層可以修復水冷銅部件的外壁破損部分，另外，利用Al涂層修復航天飛機固體燃料火箭推進器、修復飛行器結構中的部件、修復燃氣輪機密封外殼的研究正在進行中。

    2.5 冷噴涂技術高級應用方面

    在目前狀態下，冷噴涂被越來越多地應用于各種工業以減緩敏感材料的腐蝕，例如：鎂鋁合金、表面修復、噴射靶制造、加熱玻璃上的母線槽制造、硬鉻替換涂層的WC-Co（碳化鎢-鈷）沉積、過渡曲面的電導和熱導涂層、銅焊接準備以及熱阻擋層和NiCrAlY粘接涂層沉積。在許多這類應用中，冷噴涂顯得更為經濟，因為它可以真正消除或減少制造步驟。

    隨著技術的進步，預計冷噴涂應用將繼續擴展到更多的非傳統應用中，例如光電、風能、醫療和建筑領域。在光電應用中，冷噴涂可以用于復雜的傳導型太陽能電池制造。風能發電可以利用冷噴涂加強高級聚合物矩陣合成物制造的元件的表面性能。

    在醫療領域，冷噴涂已經可以將一種有名的生物相容材料羥磷灰石（HAP）有效地噴涂到大量的基板上，但同時不會影響HAP的完整性。建筑師可以利用冷噴涂在任何金屬或陶瓷基板上創造無限美觀的金屬圖案 。

    納米技術和智能結構方面，其它的一些非傳統應用包括使用高級材料，例如納米結構和無定形材料。在納米結構材料中，其微粒尺寸極小，具有極端斷裂韌度的同時可以維持材料高強度等機械優勢。納米結晶對于工藝溫度極其敏感，可以有效使用冷噴涂，不會影響有益的微結構。

    由于沉積溫度低，冷噴涂可以在表面嵌入微傳感器及其功能涂層，以形成智能結構。這些結構可以提供與材料性能或環境條件相關的實時信息。許多新興企業正聚焦于為橋梁、電網、風力渦輪機、飛機、汽車、輪船、管道和施工設備提供感應、數據庫管理和預分析解決方案。冷噴涂的未來有賴于將高級材料沉積到各種基板的同時將熱量損失和成本將至最低。

    2.6 冷噴涂技術的其它應用

    冷噴涂技術是在鎂合金表面上生成厚的鋁鍍膜的一種有效方法，該方法對表面制備要求不高，而且對鍍件的力學或熱學特性無需顧及。鋁鍍膜表現出對鎂元件具有防止常見腐蝕以及電腐蝕的能力。

    很多時候，僅在鋼緊固件周圍需要進行電池腐蝕保護，而冷噴涂恰恰是一種對暴露鎂表面進行局部保護的創新技術。

    在KY-HVO（A）F多功能超音速火焰噴涂的基礎上通過加入降溫氮氣實現了冷噴涂技術。在碳鋼、工業純鋁、不銹鋼基體上成功制備了高分子涂層。

    運用XRD、SEM對噴涂用粉末和涂層的顯微結構和物相組成進行了觀察和確定。與原始粉末相比，涂層的化學成分基本沒有發生變化，也沒有發生相變。在結合強度實驗中，試樣拉伸后均在涂層內部斷裂。涂層內部的結合強度超過10MPa，不同基體對涂層結合強度的影響較小。隨著噴涂距離的增加，結合強度略有減小。

    冷噴涂技術由于其獨特的優點，如涂層含氧量低、熱應力小、可將噴涂材料的組織結構在不發生變化的條件下轉移到基體表面等，期望能在焊接工程技術上得到一定的應用。冷噴涂能夠應用于釬焊、擴散焊、材料的自由連接以及改善焊接接頭的疲勞性能等焊接工程。

    Lugscheider E、Zhao L D等人對鋁基合金冷噴涂鋁基釬料進行了研究。研究中使用了兩種合金粉末A1Si12和A1Si10Cu4，和兩種鋁合金基體6063和3003。結果表明，噴涂A1Si12的6063和3003試樣在氬氣中釬焊效果良好。

    Wielage B等人的研究表明，AI-12Si、Zn-Al和Cu-Ni等釬料能夠通過冷噴涂方法成功地制備到Al、Mg、Ti等輕合金的表面。

    冷噴涂技術有望用于制備鋼結構焊縫的腐蝕與防護涂層。王祺等人研究了1Crl3不銹鋼基體上冷噴涂鈦涂層的電偶腐蝕行為，從熱力學和動力學兩方面研究了冷噴涂鈦涂層與1Crl3不銹鋼的電偶腐蝕行為，發現兩者的電偶腐蝕傾向較小。因此，在不銹鋼等鋼結構焊縫表面制備一層Zn，Al，Ti等金屬涂層，可以大大改善鋼結構件的耐腐蝕性能。

    冷噴涂技術因其低溫沉積、對基體的熱影響小、涂層基本無氧化現象等特點實現了Cu、Ti、Mg等對氧化敏感材料的涂層制備。冷噴涂技術在鎂基體上制備的鋁涂層具有硬度高、結合強度好、耐腐蝕及耐磨性也有所提高等特點。同時由于冷噴涂技術不受增強體體積分數的限制、分布均勻且低溫沉積等特點，可將增強體粒子的諸多優良性能直接移植到復合材料中，因而冷噴涂技術在制備鎂合金表面防護涂層、鎂基復合材料和近凈成形中具有良好的應用前景。

    冷噴涂在電力部門應用導電性能良好的銅涂層而大大降低電力損耗。此外，高速冷噴涂技術還在生物醫學、空間技術、化學工業、采礦、機械制造、電力、石油、建筑等領域得到應用。由于具有低溫特點，在材料中有70％都適用于冷噴涂處理。

    冷噴涂技術對貴重材料可以進行收集和再利用，因此在投資比較大的其它表面處理工程領域中具有一定的商業競爭能力，如電力工業、生物工程、電子工業等。

    冷噴涂技術可以在金屬、玻璃、陶瓷等的工件表面，產生抗腐蝕、耐摩擦、強化、絕緣、導電和導磁涂層。也可以用來生產非晶材料涂層和多層涂敷，特別是在一些非耐熱或有限耐熱材料的表面，如塑料材料的絕緣涂層或超細粉末金屬涂層技術。

    另外在軸承、平板、管狀鋼件上，能夠利用其進行噴涂鋅、鋁或它們的合金形成抗腐蝕涂層。用冷噴涂法制備PTC陶瓷的Al電極。采用冷噴涂方法制備Al電極，它與PTC陶瓷片表面能形成良好的歐姆接觸。涂層均勻，氧含量極低，Al電極的電阻值接近 In-Ga電極。美國專利US 7402277：用冷噴涂技術形成金屬泡沫的方法。本發明涉及一種用冷噴涂技術制取泡沫金屬的方法，此方法是在已有的基底上形成一層泡沫金屬層。其方法包括：制備一個噴涂泡沫金屬的基底，在基底上用冷噴涂法噴涂一層金屬粒子和發泡劑的混合物，把涂有金屬粒子和發泡劑層的基底加熱到高于發泡劑分解溫度，并保溫足夠的時間，再把涂有金屬粒子和發泡劑層的基底冷卻到室溫，在基底上形成泡沫金屬層。本發明可用于石油、天然氣和化學工業的裝置中。

    2.7 冷噴涂技術的發展前景

    目前最常見的涂層有銅涂層，高純銅涂層具有高的導電與導熱性能。另一方面，冷噴涂為制備納米結構金屬涂層以及塊材提供了有效的方法。基于不僅可以金屬合金、還可以制備用于耐磨的金屬陶瓷復合涂層，甚至陶瓷功能涂層，因此，冷噴涂不僅可以制備可以用于導電、導熱、防腐、耐磨等涂層等，也可以用于制備功能涂層，不僅很有希望用于生產和修復許多工業零部件，如渦輪盤、活塞、汽缸、閥門、環件、軸承、泵零件、套管、軸以及密封件等，也可以用于快速成型，直接生產零部件。目前，冷噴涂系統的設計與制造已經商品化，國外許多大公司已經開始使用冷噴涂進行生產，涉及一般工業到軍事應用。為此，冷噴涂的開發將在航空航天、石油化工、能源、汽車、電子、軍事和其他工業得到廣泛的應用。展望冷噴涂技術，必將會開創功能涂層制備技術的新時代。

    3 結束語

    冷噴涂技術對于擴展及補充熱噴涂技術具有極其重要的意義，在工業上能夠帶來更大的經濟效益。為表面工程技術的應用開辟了新的途徑。它不僅在涂層的制備技術和金屬材料表面自身納米化方面具有重要價值，而且在制備復雜結構材料的復合技術方面也將發揮巨大的作用。鑒于目前對冷噴涂技術的研究，冷噴涂技術可以制備導電、導熱、防腐、耐磨、耐蝕等涂層以及功能涂層，使用冷噴涂技術對實際構件的表面缺陷進行修復具有很大的優勢，且有望用于生產和修復許多工業零部件。隨著冷噴涂技術研究的不斷深入，其應用領域將不斷擴大，將在航空航天、汽車、石油化工、國防工業等領域得到廣泛的應用。

    特別是在我國，對于這項新技術的研究、開發與國際先進水平還有很大差距，需要科研機構和工業部門之間通力合作，加大投入力度，爭取早日使這項新技術為國民經濟和國防建設服務。

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責任編輯：王元

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