冷噴涂的發展及(ji)國內(nei)外研(yan)究現(xian)狀

冷(leng)(leng)噴(pen)(pen)涂(tu)概念于(yu)1990年(nian)(nian)提出，其緣(yuan)起于(yu)80年(nian)(nian)代中(zhong)期前蘇聯(lian)科學院，在用(yong)示(shi)蹤粒(li)子進行超(chao)音(yin)速風(feng)洞試(shi)驗時發(fa)現(xian)，當粒(li)子的速度超(chao)過某一臨界速度時，示(shi)蹤粒(li)子對靶(ba)材(cai)表面的作(zuo)用(yong)從沖蝕轉變為加速沉(chen)積。1995年(nian)(nian)，****參與(yu)冷(leng)(leng)噴(pen)(pen)涂(tu)研(yan)(yan)究的原蘇聯(lian)研(yan)(yan)究者Papyrin在美(mei)國(guo)(guo)召開的全美(mei)熱噴(pen)(pen)涂(tu)會議上(shang)與(yu)美(mei)國(guo)(guo)學者聯(lian)合發(fa)表相關研(yan)(yan)究結結果。2000年(nian)(nian)，在加拿大召開的國(guo)(guo)際(ji)熱噴(pen)(pen)涂(tu)會議上(shang)，組織了冷(leng)(leng)噴(pen)(pen)涂(tu)技(ji)術討(tao)論(lun)會，由(you)此，冷(leng)(leng)噴(pen)(pen)涂(tu)技(ji)術在國(guo)(guo)際(ji)上(shang)引起了廣泛的關注。近幾年(nian)(nian)來，美(mei)國(guo)(guo)、德國(guo)(guo)、英國(guo)(guo)、日本、中(zhong)國(guo)(guo)等****主要(yao)國(guo)(guo)家的高校(xiao)、研(yan)(yan)究機構對冷(leng)(leng)噴(pen)(pen)涂(tu)技(ji)術開展(zhan)了大量的研(yan)(yan)究工作(zuo)。具體如下：

1、俄羅斯

1990年(nian)，俄羅斯科(ke)學院西伯利亞分(fen)院理論(lun)與應(ying)用(yong)(yong)力學研(yan)(yan)究(jiu)所率先提出(chu)了(le)(le)(le)“冷(leng)(leng)噴涂(tu)”概念，隨后科(ke)學家們對(dui)冷(leng)(leng)噴涂(tu)技(ji)(ji)術的(de)(de)理論(lun)、結構進行了(le)(le)(le)深入(ru)的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)，如(ru)對(dui)超(chao)音速雙相氣(qi)流的(de)(de)加(jia)速和(he)阻尼的(de)(de)細致(zhi)研(yan)(yan)究(jiu)、建立數學公式，分(fen)析(xi)不同壓力、溫度和(he)驅(qu)動氣(qi)體(ti)情況下，評估粒(li)子噴出(chu)的(de)(de)速度；建立了(le)(le)(le)冷(leng)(leng)噴涂(tu)過程中的(de)(de)統計(ji)學模型；研(yan)(yan)究(jiu)了(le)(le)(le)氣(qi)流與阻礙物(wu)的(de)(de)熱(re)容量影響(xiang)和(he)顆粒(li)沖擊(ji)阻礙物(wu)時的(de)(de)變(bian)形量，能(neng)得出(chu)噴涂(tu)技(ji)(ji)術的(de)(de)優(you)化條(tiao)件(jian)；探索冷(leng)(leng)噴涂(tu)技(ji)(ji)術應(ying)用(yong)(yong)設計(ji)的(de)(de)具體(ti)方案，力求以空氣(qi)作(zuo)為驅(qu)動氣(qi)體(ti)。這(zhe)些研(yan)(yan)究(jiu)為冷(leng)(leng)噴涂(tu)設備的(de)(de)研(yan)(yan)制奠定了(le)(le)(le)基礎。

俄羅斯奧柏尼斯克粉末(mo)噴涂(tu)中心，在奧·費·克留也夫的領(ling)導下(xia)，徹底改變了氣(qi)體動(dong)力噴涂(tu)技(ji)術(shu)的實(shi)現方法。他們(men)(men)提(ti)出，只用10大(da)氣(qi)壓以下(xia)的空氣(qi)就實(shi)現了純金屬(shu)(shu)與金屬(shu)(shu)粒(li)(li)子和陶瓷(ci)粉末(mo)混合(he)物的氣(qi)體動(dong)力噴涂(tu)技(ji)術(shu)。他們(men)(men)在加(jia)速氣(qi)流中同時輸入陶瓷(ci)顆粒(li)(li)，以陶瓷(ci)顆粒(li)(li)的動(dong)能補充金屬(shu)(shu)顆粒(li)(li)動(dong)能的不足。已加(jia)速的陶瓷(ci)顆粒(li)(li)與基(ji)體相互作(zuo)用，對所形成的涂(tu)層進行動(dong)力加(jia)工。由此(ci)獲得密實(shi)均勻的塑性金屬(shu)(shu)涂(tu)層，例如，鋁、銅、鋅(xin)和鎳。這種動(dong)力金屬(shu)(shu)化過(guo)程稱(cheng)為(wei)”聚美特” （Dymet）技(ji)術(shu)。

“聚美特”技術(shu)采用了空氣(qi)(qi)噴涂(tu)，氣(qi)(qi)體消(xiao)耗(hao)量為0.5立方(fang)米/分，壓(ya)力為5—8大氣(qi)(qi)壓(ya)。金屬(shu)顆(ke)粒沉(chen)積的(de)效(xiao)率比其他方(fang)法低，約(yue)為50%，因為加入雙(shuang)相混(hun)合物中的(de)陶瓷顆(ke)粒，基(ji)(ji)本上被基(ji)(ji)體彈回(hui)。總(zong)的(de)沉(chen)積效(xiao)率約(yue)20-30% 。由于(yu)氣(qi)(qi)體消(xiao)耗(hao)小，總(zong)生產(chan)效(xiao)率同(tong)樣受到(dao)粉末材料(liao)消(xiao)耗(hao)的(de)限制(zhi)，為0.5-0.6克/秒 。

“聚美特(te)”技術原理示意圖

2、烏克蘭

在(zai)烏克蘭(lan)，科學(xue)家們對氣(qi)體(ti)動力噴涂技(ji)術進行(xing)了(le)研(yan)究。他們采(cai)用空氣(qi)（加(jia)熱250攝氏度(du)，壓(ya)力為(wei)18大氣(qi)壓(ya)）作為(wei)驅動氣(qi)體(ti)，確定了(le)噴涂尺(chi)寸大于50微米(mi)顆粒應用的可能，因為(wei)當(dang)超(chao)音速氣(qi)流處于絕熱冷卻(que)時(shi)，它們在(zai)噴嘴擴展(zhan)部分，緩(huan)慢變涼。

3、美國

美(mei)國(guo)(guo)冷噴(pen)涂(tu)(tu)技(ji)術(shu)(shu)研(yan)究(jiu)始于90年代中期(qi)，由巴(ba)比(bi)林和美(mei)國(guo)(guo)Sandia National Laboratories 實驗室聯合開始研(yan)究(jiu)，他們設計了(le)氣(qi)體動(dong)力噴(pen)涂(tu)(tu)的(de)(de)(de)基礎(chu)裝(zhuang)置。Ktech 公(gong)司生(sheng)產(chan)了(le)工(gong)業(ye)化的(de)(de)(de)計算(suan)機(ji)系統的(de)(de)(de)氣(qi)體動(dong)力噴(pen)涂(tu)(tu)設備(bei)，氣(qi)壓達30大(da)氣(qi)壓，功率(lv)為25千瓦。ASB工(gong)業(ye)公(gong)司改(gai)善了(le)冷噴(pen)涂(tu)(tu)設備(bei)的(de)(de)(de)操(cao)作性(xing)能。設備(bei)使用(yong)的(de)(de)(de)關健問(wen)題在于，當強加熱雙相混合物時，金屬顆(ke)粒在噴(pen)嘴(zui)臨(lin)界斷面處沉積很嚴重；并研(yan)究(jiu)看尺(chi)寸為50-150微米顆(ke)粒的(de)(de)(de)噴(pen)涂(tu)(tu)技(ji)術(shu)(shu)。美(mei)國(guo)(guo)國(guo)(guo)防研(yan)究(jiu)實驗室和賓夕尼亞大(da)學也(ye)從事了(le)噴(pen)涂(tu)(tu)技(ji)術(shu)(shu)優(you)化的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)工(gong)作，其中從事改(gai)善驅動(dong)噴(pen)嘴(zui)特(te)性(xing)的(de)(de)(de)優(you)化，****噴(pen)涂(tu)(tu)粉(fen)末材料(liao)的(de)(de)(de)選擇，以及所噴(pen)制的(de)(de)(de)涂(tu)(tu)層性(xing)質研(yan)究(jiu)和確定它(ta)們在各種(zhong)技(ji)術(shu)(shu)任務中應用(yong)。

4、英國

在英(ying)國(guo)有劍(jian)橋大學(xue)(xue)、利(li)物浦大學(xue)(xue)和諾丁漢大學(xue)(xue)從事(shi)冷噴技(ji)術(shu)的(de)研(yan)究(jiu)，主要科研(yan)方向(xiang)是研(yan)究(jiu)采用(yong)純氦氣冷噴涂技(ji)術(shu)所獲得的(de)涂層性質，探索利(li)用(yong)冷噴技(ji)術(shu)直接制造給定形狀零(ling)件的(de)可能(neng)性。

5、加拿大

加(jia)拿大(da)材料(liao)科學研(yan)究院（CNRC NRC）的(de)(de)低溫(wen)噴(pen)(pen)涂(tu)技術能實現(xian)200℃以下溫(wen)度(du)的(de)(de)噴(pen)(pen)涂(tu)，涂(tu)層(ceng)厚度(du)≥4mm。該(gai)技術噴(pen)(pen)射粒子速度(du)達到(dao)1200米/秒，涂(tu)層(ceng)硬(ying)(ying)度(du)可(ke)以通過金屬粒子原料(liao)的(de)(de)硬(ying)(ying)度(du)來(lai)(lai)控制。據NRC反映，其(qi)部(bu)分粒子供應商來(lai)(lai)自中國(guo)。該(gai)技術可(ke)以對(dui)(dui)零件的(de)(de)內(nei)外表面進(jin)行噴(pen)(pen)涂(tu)，其(qi)中中空(kong)件內(nei)部(bu)噴(pen)(pen)涂(tu)時(shi)內(nei)徑應≥70mm，在(zai)噴(pen)(pen)涂(tu)之(zhi)前需采(cai)用鋁砂對(dui)(dui)零件表面進(jin)行處(chu)理。對(dui)(dui)于該(gai)技術，噴(pen)(pen)涂(tu)的(de)(de)設備(bei)、原料(liao)均可(ke)直接采(cai)購，重(zhong)難(nan)點在(zai)于噴(pen)(pen)涂(tu)的(de)(de)工(gong)藝(yi)研(yan)究，NRC不(bu)制造(zao)設備(bei)，他們主要研(yan)究對(dui)(dui)不(bu)同(tong)的(de)(de)原料(liao)、不(bu)同(tong)的(de)(de)零件材料(liao)，進(jin)行噴(pen)(pen)涂(tu)的(de)(de)具體工(gong)藝(yi)要求。

加(jia)拿(na)大(da)渥太華大(da)學(xue)采用了純(chun)氦氣(qi)和(he)氮氣(qi)作為噴(pen)射(she)氣(qi)體，對冷(leng)噴(pen)技(ji)術和(he)涂(tu)層性質進行了大(da)量(liang)的研究，主要是改善噴(pen)嘴中顆粒驅動技(ji)術和(he)在各種工藝過程中應(ying)用的可能性。

6、日本

日本旬宿大(da)學從事優化噴嘴的研(yan)究(jiu)工作。他(ta)們發現驅(qu)動重顆(ke)粒的噴嘴長(chang)度可以大(da)大(da)地(di)增大(da)；并在(zai)(zai)臨(lin)界斷面(mian)(mian)之后，采用垂直供金(jin)屬(shu)粒子的方法，避免了當強預熱氣體(ti)時(shi)，在(zai)(zai)臨(lin)界斷面(mian)(mian)處沉積顆(ke)粒的毛病，而且(qie)縮短(duan)了加速的長(chang)度。

7、德(de)國

德國漢堡的(de)博得斯維拉大學(xue)(xue)，對冷噴(pen)(pen)技(ji)術(shu)也進(jin)行(xing)的(de)大力(li)的(de)研究。德國研究者在(zai)(zai)數學(xue)(xue)模擬和實驗研究基(ji)礎(chu)上(shang)，建立(li)了(le)冷噴(pen)(pen)技(ji)術(shu)的(de)細致模型，并獲得了(le)顆(ke)粒(li)在(zai)(zai)涂(tu)(tu)層(ceng)上(shang)固化的(de)標準條(tiao)件。他(ta)們確(que)定，當顆(ke)粒(li)在(zai)(zai)沖擊(ji)阻礙(ai)物時，超過(guo)臨界速度會產(chan)生(sheng)絕熱移動的(de)不穩性(xing)，促使顆(ke)粒(li)產(chan)生(sheng)塑性(xing)變形，并固定在(zai)(zai)阻礙(ai)物上(shang)。他(ta)們在(zai)(zai)這(zhe)些研究的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)，確(que)定了(le)各(ge)種金屬顆(ke)粒(li)的(de)臨界速度值，并研制了(le)冷噴(pen)(pen)技(ji)術(shu)用的(de)優化圓口(kou)噴(pen)(pen)嘴。CGT公司在(zai)(zai)上(shang)述研究基(ji)礎(chu)上(shang)，生(sheng)產(chan)了(le)氣(qi)體(ti)動力(li)噴(pen)(pen)涂(tu)(tu)設備 ，功率為30千瓦。為了(le)達到****的(de)沉積(ji)和高質量的(de)涂(tu)(tu)層(ceng)，設備中(zhong)采用氦(hai)氣(qi)作為工作氣(qi)體(ti)。

8、中國

我(wo)國也有很多(duo)大學和科(ke)(ke)研院(yuan)(yuan)所(suo)對(dui)冷(leng)噴涂(tu)技術展開了研究(jiu)(jiu)，主要西安交通大學、中(zhong)科(ke)(ke)院(yuan)(yuan)金屬研究(jiu)(jiu)所(suo)、哈爾濱焊接研究(jiu)(jiu)所(suo)、大連理工(gong)大學、西北(bei)(bei)工(gong)業(ye)大學、上海交通大學、北(bei)(bei)京(jing)理工(gong)大學、集美(mei)大學、寧(ning)波兵科(ke)(ke)院(yuan)(yuan)、中(zhong)科(ke)(ke)院(yuan)(yuan)寧(ning)波材料所(suo)、浙江工(gong)業(ye)大學、北(bei)(bei)京(jing)科(ke)(ke)技大學等。

（1）西(xi)安交通大學

西安交通大學材料(liao)學院金屬(shu)材料(liao)強(qiang)度國(guo)(guo)家(jia)重(zhong)點實驗室(shi)(shi)、焊接研(yan)(yan)(yan)究所熱噴(pen)涂(tu)實驗室(shi)(shi)，以(yi)青年(nian)(nian)教師和(he)****的(de)研(yan)(yan)(yan)究生為生力軍，經過20年(nian)(nian)的(de)發展，獲(huo)得了(le)如下技術成(cheng)果：超音速火焰噴(pen)涂(tu)系(xi)統(tong)（1995年(nian)(nian)在國(guo)(guo)內(nei)首創(chuang)研(yan)(yan)(yan)制(zhi)成(cheng)功）；常壓/真(zhen)空冷噴(pen)涂(tu)系(xi)統(tong)（2003年(nian)(nian)國(guo)(guo)內(nei)率(lv)(lv)先研(yan)(yan)(yan)制(zhi)成(cheng)功）；微束等離(li)子噴(pen)涂(tu)系(xi)統(tong)（1997年(nian)(nian)國(guo)(guo)內(nei)****研(yan)(yan)(yan)制(zhi)成(cheng)功）；液料(liao)火焰噴(pen)涂(tu)系(xi)統(tong)（2000年(nian)(nian)國(guo)(guo)內(nei)率(lv)(lv)先研(yan)(yan)(yan)制(zhi)成(cheng)功）；高速飛行粒(li)子狀態(tai)在線監測系(xi)統(tong)（1999年(nian)(nian)國(guo)(guo)內(nei)率(lv)(lv)先研(yan)(yan)(yan)制(zhi)成(cheng)功）；真(zhen)空等離(li)子噴(pen)涂(tu)－物****相沉積系(xi)統(tong)（PS-PVD）等噴(pen)涂(tu)制(zhi)備(bei)設(she)(she)備(bei)（在建）等，形成(cheng)了(le)多樣化(hua)、國(guo)(guo)內(nei)**齊全的(de)涂(tu)層制(zhi)備(bei)與檢測設(she)(she)備(bei)。

實驗(yan)室同時在冷噴(pen)(pen)涂(tu)特(te)性，冷噴(pen)(pen)涂(tu)銅(tong)粒(li)子參量對碰撞行為(wei)的(de)(de)影響，冷噴(pen)(pen)涂(tu)納米結構，利用冷噴(pen)(pen)涂(tu)制備WC-CO涂(tu)層、NiCrAlY涂(tu)層、鎳基金剛石涂(tu)層等方面形，取得了大量的(de)(de)研究(jiu)成果，開發的(de)(de)高性能(neng)涂(tu)層技(ji)術(shu)已廣泛應用于電力、石化(hua)、機械、冶(ye)煉(lian)、材料等領域，取得了顯(xian)著的(de)(de)經(jing)濟效(xiao)益(yi)和(he)社(she)會(hui)效(xiao)益(yi)。

焊接(jie)研究所熱噴涂(tu)實驗室可承(cheng)接(jie)冷噴涂(tu)系(xi)統的設計與制造、各(ge)式涂(tu)層工藝(yi)、零件噴涂(tu)修(xiu)復(fu)等技術服務。

西安交通大學冷噴涂設備系統圖

（2）中科(ke)院金屬(shu)研究所(suo)（沈(shen)陽）

中科院金屬研究所沈(shen)陽先進材(cai)料(liao)研發(fa)中心在冷噴涂技術及涂層制(zhi)(zhi)備(bei)方(fang)面具有深入的理(li)論基礎和(he)實踐經驗，研制(zhi)(zhi)了IMR—M6000冷噴涂設備(bei)，該設備(bei)具有手(shou)動和(he)自動化控(kong)制(zhi)(zhi)可用機械手(shou)操作的兩種型號。

IMR—M6000冷噴涂(tu)設備

（3）哈爾濱焊接(jie)研究所（機械科學院）

哈(ha)爾(er)濱(bin)(bin)焊接(jie)研(yan)究所超(chao)音(yin)速(su)冷(leng)(leng)氣噴(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)(tu)(tu)設(she)備、工藝的(de)(de)研(yan)究和(he)開發取得了一(yi)定的(de)(de)研(yan)究成(cheng)果(guo)，目前(qian)已經獲得銅、鋅、鋁、鎳、鉬、鎳-鋁、鎳鉻合金等(deng)材料的(de)(de)超(chao)音(yin)速(su)冷(leng)(leng)噴(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)(tu)(tu)涂(tu)(tu)(tu)(tu)層(ceng)。無論是(shi)冷(leng)(leng)噴(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)(tu)(tu)設(she)備還是(shi)涂(tu)(tu)(tu)(tu)層(ceng)性能，都(dou)達到了俄(e)羅斯科(ke)學院西伯利亞(ya)分院的(de)(de)水平(ping)。在超(chao)音(yin)速(su)冷(leng)(leng)噴(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)(tu)(tu)成(cheng)套(tao)技(ji)術(shu)(shu)與設(she)備方(fang)面，已經具(ju)備了商品化(hua)的(de)(de)條件。此外(wai)，眾多專家預測超(chao)音(yin)速(su)冷(leng)(leng)噴(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)(tu)(tu)技(ji)術(shu)(shu)一(yi)個(ge)非常(chang)重要(yao)的(de)(de)應(ying)用(yong)領域是(shi)生產納(na)(na)米涂(tu)(tu)(tu)(tu)層(ceng)或納(na)(na)米化(hua)層(ceng)，目前(qian)哈(ha)爾(er)濱(bin)(bin)焊接(jie)研(yan)究所已經應(ying)用(yong)超(chao)音(yin)速(su)冷(leng)(leng)氣噴(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)(tu)(tu)技(ji)術(shu)(shu)在316L和(he)40Cr鋼表面制(zhi)作出(chu)平(ping)均為30納(na)(na)米的(de)(de)納(na)(na)米化(hua)層(ceng)。

（4）大連理工大學

大(da)連(lian)理(li)工大(da)學熱力渦(wo)輪(lun)機教研(yan)室于1996年(nian)建立了(le)常溫(wen)下超(chao)音速起、固兩相流制備(bei)功(gong)能涂(tu)(tu)層實(shi)驗裝(zhuang)置(zhi)，就金屬粒子（鋅粉、鈦粉等(deng)）進行(xing)了(le)冷噴涂(tu)(tu)實(shi)驗，獲得了(le)優(you)質涂(tu)(tu)層。該實(shi)驗裝(zhuang)置(zhi)為冷噴涂(tu)(tu)機理(li)的研(yan)究(jiu)提(ti)供了(le)實(shi)驗、分析手段。同時(shi)，近年(nian)來(lai)該教研(yan)室在冷氣(qi)體(ti)動力學噴涂(tu)(tu)制備(bei)功(gong)能涂(tu)(tu)層機理(li)、超(chao)音速氣(qi)流冷噴涂(tu)(tu)材(cai)料改性(xing)方(fang)法(fa)等(deng)方(fang)面展開(kai)了(le)研(yan)究(jiu)工作。