0 引言

    冷喷涂于20世纪80年代中期， 在俄罗斯科学院理论及应用力学研究所最早开发，近年来受到广泛关注，并在俄国、美国、德国等国家得到了快速发展。冷喷涂防腐是一项革命性技术，借助这项技术可直接、就地在镁合金上生成厚的铝镀膜达到降低或排除常见或电腐蚀造成的危害。这项技术有望克服原有镁合金防腐技术的缺点，从而有助于将镁用于汽车的外部元件。冷喷涂应用于特定场合，已有对Cu、Al、Ti、Ni和MCrAlY合金进行研究，应用于电子工业（Cu） 、航空（MCrAlY） 、汽车（Al ）和化工（Ti）领域。

    1 冷喷涂技术概述

    1.1 冷喷涂定义

    冷喷涂全名冷空气动力喷涂法（CGDS：ColdGas Dynamic Spray），它可通过低温（＜600℃）、高速（300～1200m/s）小颗粒（1～50μm）气流撞击金属或绝缘基体表面，在整个过程中粒子没有熔化，保持固体状态，粒子发生纯塑性变形聚合形成涂层。

    1.2 冷喷涂特点

    冷喷涂的特点：温度低、不发生氧化、可制备复合涂层、对基体的热影响小、涂层孔隙率低、形成的涂层承受压应力、残余应力小、沉积率高、能保留原始粉末材料的性能、由于不需要高温因而操作更安全等。

    1.3 工艺原理

    冷喷涂是一项崭露头角的固态工艺。该方法可将以超声加速的固体颗粒的动能在撞击到镀件表面时转变为热能，从而完成冶金焊接。该工艺的原理是：每种金属均有其特定的、与温度相关的临界颗粒速度，当颗粒运动超过这一速度时即会焊接于镀件之上。冷喷涂原理示意图如图1所。

    2 冷喷涂技术应用现状与展望

    冷喷涂技术在化工、汽车、航空航天、造船、电子、机械、造纸等领域具有广阔的应用前景，可以生产和修复涡轮叶片、活塞、轴承、汽缸、阀门等零部件。在国防工业可以生产、修复舰船螺旋桨叶片和轴、飞机弹射装置、制备耐磨和耐腐蚀的涂层等。应用有先进水陆两栖攻击艇轮子、水陆两栖攻击艇装甲、飞机弹射器活塞、钛涂层。

    迄今的研究表明采用冷喷涂方法，不仅可以制备低熔点的塑性良好的金属材料。如Al、Cu等，也可制备如Ni、Ti、MCrAlY合金。涂层制备过程几乎不存在氧化。同时还可以制备WC-Co、Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层。最近的研究表明通过采用真空气氛，可以实现亚微米与纳米陶瓷颗粒直接沉积制备陶瓷涂层。因此，冷喷涂技术不仅为制备金属合金涂层、而且也将成为制备陶瓷与金属陶瓷的新办法。

    冷喷涂技术的应用包括防腐涂层、耐高温涂层、耐磨涂层、导电及导热涂层、抗菌涂层及光催化涂层、生物医用涂层、 喷涂成形、 表面修复。

    2.1 冷喷涂技术在航空航天中的应用

    冷喷涂技术目前主要是用于铜、镍等金属涂层和高分子复合涂层的制备，由于制备的金属涂层结合力强，均匀致密，氧化物含量少，导电导热性好，在工业中有广阔的应用前景，特别是在航空航天中对导热导电有特殊要求的设备，如发动机、燃烧器等。

    应用于商业中的火箭发动机由于不能把更多的热能传递到燃料中来提供更大的推力，由此其应用受到一定的限制。主要原因是在燃烧室中使用不锈钢制造管道系统，限制了热量通过燃烧室的热壁进入到氧燃料中，而且限制了循环参数来保持不锈钢管道具有较低的熔点温度。采用铜涂层就很好地解决了该问题，铜涂层有很高的热传导系数并能与基体很好地结合。在飞机制造业中，由于冷喷涂不产生热影响，因此可以对零部件进行防腐保护喷涂。

    利用冷喷涂技术来制备航空航天器发动机特殊保护涂层。制备航空航天武器的特殊功能涂层，通过喷涂成形可以直接制造复杂结构、形状的航空航天部件。这些工程应用仅仅是冷喷涂技术在航空航天领域应用的几个方面，相信在不久的将来，冷喷涂技术一定能够更为广泛地应用于航空航天工业的各个领域。

    美国空军研究实验室与联合技术研究中心正在完善冷喷涂技术，以便用其维修UH-60“黑鹰”直升机的主要部件。冷喷涂是一种在镁合金表面上生成金属粉或金属/陶瓷混合物镀膜的表面固态工艺，可降低或消除腐蚀造成的危害。腐蚀作用会影响零件的强度，从而降低其安全性，通常导致零部件无法满足其使用寿命和疲劳寿命的要求。因此需要频繁更换零部件，增加了后请负担，并影响了装备的战备水平。冷喷涂技术的应用有助于解决这一问题。

    陆军和海军直升机变速箱等镁制零部件老化是后勤保障工作面临的一大难题，经常因腐蚀而需要提前拆卸，而且拆下来的零部件不能回收再利用。喷涂作为一种维修结构件的技术，克服了这一缺陷，能够回收零部件，从而节省采办费用。

    2.2 冷喷涂技术在汽车中的应用

    在汽车维修领域中，采用冷喷涂技术可以给汽车涂上不同的金属，同时可以降低车体的影响：对汽车的缸体、密封阀等也可以进行喷涂维修。

    冷喷涂的优点是对工件的热负载达到最小，很低的热输出不会产生热应力。因此，涂层厚度可达数毫米或更多。选用不同喷嘴，造成不同喷射界面，能形成一种自由结构，例如，汽车制造业的发动机和底盘，可以自如的喷涂而无需进行任何后处理；喷涂射流非常集中，只有数毫米，可灵活的喷涂任何复杂工件，也不许进行喷前遮盖，噪音不大。目前冷喷涂装置设计成最大压力为3.5MPa，气体温度达600°C。

    2.3 冷喷涂技术在油气装备中的应用

    冷喷涂技术可获得低氧化物含量、低内应力、高硬度、高耐磨性，大厚度涂层，可广泛应用于航空航天、石油、化工、汽车、造船等工业。冷喷涂技术在油气装备中尤其具有发展前景。当前油气勘探开发已经进入后期、深部开采阶段，钻遇的地层越来越复杂，地层硬度越来越高，对机械装备特别是井下工具的强度、耐磨性提出了更高的要求。新兴的冷喷涂技术可应用于诸多油气装备及工具的性能改进中，降低内应力，提高硬度和耐磨性等。例如，可应用于钢齿钻头的齿面强化，牙轮钻头轴承的表面强化，钻头保径部分材料强化，钻杆柱（钻杆、钻铤、稳定器）、套管柱及接头的强化及表面改性，抽油杆接头强化，泥浆泵滑动件耐磨性改进，地面装备旋转部件强化及表面改性，还可以用于油气管道及接头表面改性，以提高耐腐蚀性，以及提高催化裂化提升管热电偶的耐磨性等等。

    2.4 冷喷涂技术主要应用领域

    冷喷涂技术是采用高速气流将固态粒子加速，并将其沉积在预置的基体上，粒子的动能驱使粒子塑性变形而扁平化形成涂层。从其发展看，冷喷涂技术的潜在应用类型及应用领域主要有以下四类：

    2.4.1 保护涂层

    （1）耐腐蚀涂层冷喷涂技术与Zn，Al及它们的合金这类多孔、易氧化的传统热喷涂保护涂层相比，冷喷涂保护涂层更耐腐蚀，使用寿命更长，涂层制备费用更低。

    （2）耐高温涂层冷喷涂技术可以用于火箭发动机的高温保护涂层，如MCrAlY高温保护涂层、TBCs热障涂层粘合层、Cu-Cr-Al抗氧化保护层等。

    （3）耐磨涂层冷喷涂技术可以用于耐磨材料涂层，如金属陶瓷、金属基复合材料和减磨合金，可显着提高工业零部件的耐磨性能。

    2.4.2 功能涂层

    冷喷涂技术也可以用到功能涂层材料。如非晶涂层、生物Ti材料及其复合材料、金属间化合物涂层、光催化TiO2涂层、热塑性材料沉积物等。

    2.4.3 喷涂成型

    冷喷涂根据自身的喷涂特点，具有近净成形制造零部件的巨大潜力，对于一些形状并不复杂的轴对称旋转件或者平面状共建，都有可能直接喷涂成型。不仅是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合金等都可以通过冷喷涂成型来经济地制造零部件。

    2.4.4 零件修复

    冷喷涂技术具有操作方便的优点，可用于工业零部件的快速修复，如冷喷涂Cu涂层可以修复水冷铜部件的外壁破损部分，另外，利用Al涂层修复航天飞机固体燃料火箭推进器、修复飞行器结构中的部件、修复燃气轮机密封外壳的研究正在进行中。

    2.5 冷喷涂技术高级应用方面

    在目前状态下，冷喷涂被越来越多地应用于各种工业以减缓敏感材料的腐蚀，例如：镁铝合金、表面修复、喷射靶制造、加热玻璃上的母线槽制造、硬铬替换涂层的WC-Co（碳化钨-钴）沉积、过渡曲面的电导和热导涂层、铜焊接准备以及热阻挡层和NiCrAlY粘接涂层沉积。在许多这类应用中，冷喷涂显得更为经济，因为它可以真正消除或减少制造步骤。

    随着技术的进步，预计冷喷涂应用将继续扩展到更多的非传统应用中，例如光电、风能、医疗和建筑领域。在光电应用中，冷喷涂可以用于复杂的传导型太阳能电池制造。风能发电可以利用冷喷涂加强高级聚合物矩阵合成物制造的元件的表面性能。

    在医疗领域，冷喷涂已经可以将一种有名的生物相容材料羟磷灰石（HAP）有效地喷涂到大量的基板上，但同时不会影响HAP的完整性。建筑师可以利用冷喷涂在任何金属或陶瓷基板上创造无限美观的金属图案 。

    纳米技术和智能结构方面，其它的一些非传统应用包括使用高级材料，例如纳米结构和无定形材料。在纳米结构材料中，其微粒尺寸极小，具有极端断裂韧度的同时可以维持材料高强度等机械优势。纳米结晶对于工艺温度极其敏感，可以有效使用冷喷涂，不会影响有益的微结构。

    由于沉积温度低，冷喷涂可以在表面嵌入微传感器及其功能涂层，以形成智能结构。这些结构可以提供与材料性能或环境条件相关的实时信息。许多新兴企业正聚焦于为桥梁、电网、风力涡轮机、飞机、汽车、轮船、管道和施工设备提供感应、数据库管理和预分析解决方案。冷喷涂的未来有赖于将高级材料沉积到各种基板的同时将热量损失和成本将至最低。

    2.6 冷喷涂技术的其它应用

    冷喷涂技术是在镁合金表面上生成厚的铝镀膜的一种有效方法，该方法对表面制备要求不高，而且对镀件的力学或热学特性无需顾及。铝镀膜表现出对镁元件具有防止常见腐蚀以及电腐蚀的能力。

    很多时候，仅在钢紧固件周围需要进行电池腐蚀保护，而冷喷涂恰恰是一种对暴露镁表面进行局部保护的创新技术。

    在KY-HVO（A）F多功能超音速火焰喷涂的基础上通过加入降温氮气实现了冷喷涂技术。在碳钢、工业纯铝、不锈钢基体上成功制备了高分子涂层。

    运用XRD、SEM对喷涂用粉末和涂层的显微结构和物相组成进行了观察和确定。与原始粉末相比，涂层的化学成分基本没有发生变化，也没有发生相变。在结合强度实验中，试样拉伸后均在涂层内部断裂。涂层内部的结合强度超过10MPa，不同基体对涂层结合强度的影响较小。随着喷涂距离的增加，结合强度略有减小。

    冷喷涂技术由于其独特的优点，如涂层含氧量低、热应力小、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，期望能在焊接工程技术上得到一定的应用。冷喷涂能够应用于钎焊、扩散焊、材料的自由连接以及改善焊接接头的疲劳性能等焊接工程。

    Lugscheider E、Zhao L D等人对铝基合金冷喷涂铝基钎料进行了研究。研究中使用了两种合金粉末A1Si12和A1Si10Cu4，和两种铝合金基体6063和3003。结果表明，喷涂A1Si12的6063和3003试样在氩气中钎焊效果良好。

    Wielage B等人的研究表明，AI-12Si、Zn-Al和Cu-Ni等钎料能够通过冷喷涂方法成功地制备到Al、Mg、Ti等轻合金的表面。

    冷喷涂技术有望用于制备钢结构焊缝的腐蚀与防护涂层。王祺等人研究了1Crl3不锈钢基体上冷喷涂钛涂层的电偶腐蚀行为，从热力学和动力学两方面研究了冷喷涂钛涂层与1Crl3不锈钢的电偶腐蚀行为，发现两者的电偶腐蚀倾向较小。因此，在不锈钢等钢结构焊缝表面制备一层Zn，Al，Ti等金属涂层，可以大大改善钢结构件的耐腐蚀性能。

    冷喷涂技术因其低温沉积、对基体的热影响小、涂层基本无氧化现象等特点实现了Cu、Ti、Mg等对氧化敏感材料的涂层制备。冷喷涂技术在镁基体上制备的铝涂层具有硬度高、结合强度好、耐腐蚀及耐磨性也有所提高等特点。同时由于冷喷涂技术不受增强体体积分数的限制、分布均匀且低温沉积等特点，可将增强体粒子的诸多优良性能直接移植到复合材料中，因而冷喷涂技术在制备镁合金表面防护涂层、镁基复合材料和近净成形中具有良好的应用前景。

    冷喷涂在电力部门应用导电性能良好的铜涂层而大大降低电力损耗。此外，高速冷喷涂技术还在生物医学、空间技术、化学工业、采矿、机械制造、电力、石油、建筑等领域得到应用。由于具有低温特点，在材料中有70％都适用于冷喷涂处理。

    冷喷涂技术对贵重材料可以进行收集和再利用，因此在投资比较大的其它表面处理工程领域中具有一定的商业竞争能力，如电力工业、生物工程、电子工业等。

    冷喷涂技术可以在金属、玻璃、陶瓷等的工件表面，产生抗腐蚀、耐摩擦、强化、绝缘、导电和导磁涂层。也可以用来生产非晶材料涂层和多层涂敷，特别是在一些非耐热或有限耐热材料的表面，如塑料材料的绝缘涂层或超细粉末金属涂层技术。

    另外在轴承、平板、管状钢件上，能够利用其进行喷涂锌、铝或它们的合金形成抗腐蚀涂层。用冷喷涂法制备PTC陶瓷的Al电极。采用冷喷涂方法制备Al电极，它与PTC陶瓷片表面能形成良好的欧姆接触。涂层均匀，氧含量极低，Al电极的电阻值接近 In-Ga电极。美国专利US 7402277：用冷喷涂技术形成金属泡沫的方法。本发明涉及一种用冷喷涂技术制取泡沫金属的方法，此方法是在已有的基底上形成一层泡沫金属层。其方法包括：制备一个喷涂泡沫金属的基底，在基底上用冷喷涂法喷涂一层金属粒子和发泡剂的混合物，把涂有金属粒子和发泡剂层的基底加热到高于发泡剂分解温度，并保温足够的时间，再把涂有金属粒子和发泡剂层的基底冷却到室温，在基底上形成泡沫金属层。本发明可用于石油、天然气和化学工业的装置中。

    2.7 冷喷涂技术的发展前景

    目前最常见的涂层有铜涂层，高纯铜涂层具有高的导电与导热性能。另一方面，冷喷涂为制备纳米结构金属涂层以及块材提供了有效的方法。基于不仅可以金属合金、还可以制备用于耐磨的金属陶瓷复合涂层，甚至陶瓷功能涂层，因此，冷喷涂不仅可以制备可以用于导电、导热、防腐、耐磨等涂层等，也可以用于制备功能涂层，不仅很有希望用于生产和修复许多工业零部件，如涡轮盘、活塞、汽缸、阀门、环件、轴承、泵零件、套管、轴以及密封件等，也可以用于快速成型，直接生产零部件。目前，冷喷涂系统的设计与制造已经商品化，国外许多大公司已经开始使用冷喷涂进行生产，涉及一般工业到军事应用。为此，冷喷涂的开发将在航空航天、石油化工、能源、汽车、电子、军事和其他工业得到广泛的应用。展望冷喷涂技术，必将会开创功能涂层制备技术的新时代。

    3 结束语

    冷喷涂技术对于扩展及补充热喷涂技术具有极其重要的意义，在工业上能够带来更大的经济效益。为表面工程技术的应用开辟了新的途径。它不仅在涂层的制备技术和金属材料表面自身纳米化方面具有重要价值，而且在制备复杂结构材料的复合技术方面也将发挥巨大的作用。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、耐蚀等涂层以及功能涂层，使用冷喷涂技术对实际构件的表面缺陷进行修复具有很大的优势，且有望用于生产和修复许多工业零部件。随着冷喷涂技术研究的不断深入，其应用领域将不断扩大，将在航空航天、汽车、石油化工、国防工业等领域得到广泛的应用。

    特别是在我国，对于这项新技术的研究、开发与国际先进水平还有很大差距，需要科研机构和工业部门之间通力合作，加大投入力度，争取早日使这项新技术为国民经济和国防建设服务。

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责任编辑：王元

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