冷喷涂技术概述
一、冷喷涂的定义、原理及特点
1.冷喷涂的定义
冷喷涂是一种金属、陶瓷喷涂工艺。

但是它不同于传统热喷涂（超音速火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂等），它不需要将喷涂的金属粒子熔化，喷涂基体表面产生的温度不会超过150℃。

同时，陶瓷烧结温度在1500℃以上。

因此，冷喷涂可以将陶瓷涂层（如氧化铝）喷涂在几乎所有基体上。

2.冷喷涂的原理
冷喷涂的理论基础是：压缩空气使金属粒子加速到临界速度（超音速），金属粒子直击到基体表面后发生物理形变，金属粒子在基体表面撞扁并牢固附着。

整个过程金属粒子没有被熔化，但如果金属粒子没有达到超音速则无法附着。

金属粒子沉积过程如图8-24所示。

3.冷喷涂的特点
冷喷涂具有以下特点：
1）冷喷涂材料的可选择范围广。

凡具有塑性的金属、塑料以及含塑性变形成分的材料混合物，都可用于冷喷涂。

2）涂层致密和氧化物含量低。

冷喷涂与电弧喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂相比，最明显的特点是涂层中的氧化物极少，甚至几乎没有，因而可以避免易氧化物涂层材料在喷涂过程中性能发生变化，也有利于制备高电导率、高热导率涂层。

图8-24 金属粒子沉积过程
3）沉积效率高。

可高速喂入粉末，以高的沉积速度和沉积效率形成涂层，生产率高。

喷涂生产率可达3kg/h，沉积效率为70%。

4）对基材热影响小。

粉末加热温度低，喷涂过程对基体的热影响小，可保留最初粉末和基材的性能，可喷涂热敏感材料。

5）操作条件宽、喷涂质量好。

喷涂距离极短，微束宽度可调，涂层外形与基材紧密保持一致，可达到较低的表面粗糙度。

6）涂料粉末喷涂损失少。

操作过程中基本不需要遮蔽，而且粉末可以收集和重复使用，粉末利用率高，节约资源。

7）可喷涂纳米涂层。

喷涂过程中，晶粒生长速度极慢，故可用于喷涂纳米涂层。

8）操作条件好。

冷喷涂在吸风除尘净化装置的隔音室中工作，其噪声远低于超音速火焰喷涂；无高温气体喷射，也无辐射或爆炸气体，安全性高。

冷喷涂的主要缺点是适用于喷涂的粒子直径范围比较小，而且不宜使用非塑性喷涂材料。

二、冷喷涂设备系统和工艺参数
1.冷喷涂设备系统
冷喷涂设备系统一般由喷枪、加热器、送粉气器、控制装置、喷涂机械手和其他辅助装置组成。

2.冷喷涂的工艺参数
在冷气动力喷涂中，除临界速度外，影响喷涂工艺的主要因素有气体的性质和压力、气体温度、粉末材料粒度和喷涂距离。

一般来说，气体的压力和预热温度越高，得到的粒子速度越高；不同的粉末材料和粒度，在不同的喷涂距离上，粉末粒子的飞行速度不同，因此应根据粉末情况确定喷涂距离。

在冷喷涂过程中，主要工艺参数一般控制如下：
1）冷喷涂中一般采用氮、氦、氩、空气和混合气，其稳态喷射压力通常为1.5～3.5MPa。

2）气体温度为373～873K（100～6000℃）。

3）喷嘴马赫数为2～4。

4）喷嘴气流速度为300～1200m/s。

5）粉末粒度为10～50μm（一般在40μm以下）。

6）喷嘴距离为10～50mm（一般约25mm）。

7）粉末喂入速度为5115kg/h。

8）功率为5～25kW。

三、冷喷涂技术的应用
冷喷涂技术作为一种新的工艺受到广泛关注。

冷喷涂技术制备的涂层具有氧化物含量低、涂层热应力小、硬度高、结合强度好，可将喷涂材料的组织结构在不发生变化的条件下转移到基体表面等优点。

冷喷涂技术为制备纳米结构金属涂层及块体材料提供了有效方法，也为制备耐磨的金属陶瓷复合涂层，以及陶瓷功能涂层提供了工艺保证。

鉴于目前对冷喷涂技术的研究，冷喷涂技术可以制备导电、导热、防腐、耐磨等涂层及功能涂层，且有望用于生产和修复许多工业零部件，如涡轮盘、气缸、阀门、密封件、套管
等。

冷喷涂技术的设计与研究正向工业化应用的方向转化，并涉及军事应用，同时也将在航空航天、石油化工、汽车、国防军工及其他工业领域等得到广泛的应用。