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冷噴涂的發(fā)展及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
冷噴涂概念于1990年提出，其緣起于80年代中期前蘇聯(lián)科學(xué)院，在用示蹤粒子進(jìn)行超音速風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粒子的速度超過(guò)某一臨界速度時(shí)，示蹤粒子對(duì)靶材表面的作用從沖蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀俪练e。1995年，****參與冷噴涂研究的原蘇聯(lián)研究者Papyrin在美國(guó)召開(kāi)的全美熱噴涂會(huì)議上與美國(guó)學(xué)者聯(lián)合發(fā)表相關(guān)研究結(jié)結(jié)果。2000年，在加拿大召開(kāi)的國(guó)際熱噴涂會(huì)議上，組織了冷噴涂技術(shù)討論會(huì)，由此，冷噴涂技術(shù)在國(guó)際上引起了廣泛的關(guān)注。近幾年來(lái)，美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、日本、中國(guó)等****主要國(guó)家的高校、研究機(jī)構(gòu)對(duì)冷噴涂技術(shù)開(kāi)展了大量的研究工作。具體如下：
1、俄羅斯
1990年，俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院理論與應(yīng)用力學(xué)研究所率先提出了“冷噴涂”概念，隨后科學(xué)家們對(duì)冷噴涂技術(shù)的理論、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，如對(duì)超音速雙相氣流的加速和阻尼的細(xì)致研究、建立數(shù)學(xué)公式，分析不同壓力、溫度和驅(qū)動(dòng)氣體情況下，評(píng)估粒子噴出的速度；建立了冷噴涂過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型；研究了氣流與阻礙物的熱容量影響和顆粒沖擊阻礙物時(shí)的變形量，能得出噴涂技術(shù)的優(yōu)化條件；探索冷噴涂技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)的具體方案，力求以空氣作為驅(qū)動(dòng)氣體。這些研究為冷噴涂設(shè)備的研制奠定了基礎(chǔ)。
俄羅斯奧柏尼斯克粉末噴涂中心，在奧·費(fèi)·克留也夫的領(lǐng)導(dǎo)下，徹底改變了氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。他們提出，只用10大氣壓以下的空氣就實(shí)現(xiàn)了純金屬與金屬粒子和陶瓷粉末混合物的氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)。他們?cè)诩铀贇饬髦型瑫r(shí)輸入陶瓷顆粒，以陶瓷顆粒的動(dòng)能補(bǔ)充金屬顆粒動(dòng)能的不足。已加速的陶瓷顆粒與基體相互作用，對(duì)所形成的涂層進(jìn)行動(dòng)力加工。由此獲得密實(shí)均勻的塑性金屬涂層，例如，鋁、銅、鋅和鎳。這種動(dòng)力金屬化過(guò)程稱(chēng)為”聚美特” （Dymet）技術(shù)。
“聚美特”技術(shù)采用了空氣噴涂，氣體消耗量為0.5立方米/分，壓力為5—8大氣壓。金屬顆粒沉積的效率比其他方法低，約為50%，因?yàn)榧尤腚p相混合物中的陶瓷顆粒，基本上被基體彈回�？偟某练e效率約20-30% 。由于氣體消耗小，總生產(chǎn)效率同樣受到粉末材料消耗的限制，為0.5-0.6克/秒 。
“聚美特”技術(shù)原理示意圖
2、烏克蘭
在烏克蘭，科學(xué)家們對(duì)氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)進(jìn)行了研究。他們采用空氣（加熱250攝氏度，壓力為18大氣壓）作為驅(qū)動(dòng)氣體，確定了噴涂尺寸大于50微米顆粒應(yīng)用的可能，因?yàn)楫?dāng)超音速氣流處于絕熱冷卻時(shí)，它們?cè)趪娮鞌U(kuò)展部分，緩慢變涼。
3、美國(guó)
美國(guó)冷噴涂技術(shù)研究始于90年代中期，由巴比林和美國(guó)Sandia National Laboratories 實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)始研究，他們?cè)O(shè)計(jì)了氣體動(dòng)力噴涂的基礎(chǔ)裝置。Ktech 公司生產(chǎn)了工業(yè)化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的氣體動(dòng)力噴涂設(shè)備，氣壓達(dá)30大氣壓，功率為25千瓦。ASB工業(yè)公司改善了冷噴涂設(shè)備的操作性能。設(shè)備使用的關(guān)健問(wèn)題在于，當(dāng)強(qiáng)加熱雙相混合物時(shí)，金屬顆粒在噴嘴臨界斷面處沉積很?chē)?yán)重；并研究看尺寸為50-150微米顆粒的噴涂技術(shù)。美國(guó)國(guó)防研究實(shí)驗(yàn)室和賓夕尼亞大學(xué)也從事了噴涂技術(shù)優(yōu)化的研究工作，其中從事改善驅(qū)動(dòng)噴嘴特性的優(yōu)化，****噴涂粉末材料的選擇，以及所噴制的涂層性質(zhì)研究和確定它們?cè)诟鞣N技術(shù)任務(wù)中應(yīng)用。
4、英國(guó)
在英國(guó)有劍橋大學(xué)、利物浦大學(xué)和諾丁漢大學(xué)從事冷噴技術(shù)的研究，主要科研方向是研究采用純氦氣冷噴涂技術(shù)所獲得的涂層性質(zhì)，探索利用冷噴技術(shù)直接制造給定形狀零件的可能性。
5、加拿大
加拿大材料科學(xué)研究院（CNRC NRC）的低溫噴涂技術(shù)能實(shí)現(xiàn)200℃以下溫度的噴涂，涂層厚度≥4mm。該技術(shù)噴射粒子速度達(dá)到1200米/秒，涂層硬度可以通過(guò)金屬粒子原料的硬度來(lái)控制。據(jù)NRC反映，其部分粒子供應(yīng)商來(lái)自中國(guó)。該技術(shù)可以對(duì)零件的內(nèi)外表面進(jìn)行噴涂，其中中空件內(nèi)部噴涂時(shí)內(nèi)徑應(yīng)≥70mm，在噴涂之前需采用鋁砂對(duì)零件表面進(jìn)行處理。對(duì)于該技術(shù)，噴涂的設(shè)備、原料均可直接采購(gòu)，重難點(diǎn)在于噴涂的工藝研究，NRC不制造設(shè)備，他們主要研究對(duì)不同的原料、不同的零件材料，進(jìn)行噴涂的具體工藝要求。
加拿大渥太華大學(xué)采用了純氦氣和氮?dú)庾鳛閲娚錃怏w，對(duì)冷噴技術(shù)和涂層性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究，主要是改善噴嘴中顆粒驅(qū)動(dòng)技術(shù)和在各種工藝過(guò)程中應(yīng)用的可能性。
6、日本
日本旬宿大學(xué)從事優(yōu)化噴嘴的研究工作。他們發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)重顆粒的噴嘴長(zhǎng)度可以大大地增大；并在臨界斷面之后，采用垂直供金屬粒子的方法，避免了當(dāng)強(qiáng)預(yù)熱氣體時(shí)，在臨界斷面處沉積顆粒的毛病，而且縮短了加速的長(zhǎng)度。
7、德國(guó)
德國(guó)漢堡的博得斯維拉大學(xué)，對(duì)冷噴技術(shù)也進(jìn)行的大力的研究。德國(guó)研究者在數(shù)學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，建立了冷噴技術(shù)的細(xì)致模型，并獲得了顆粒在涂層上固化的標(biāo)準(zhǔn)條件。他們確定，當(dāng)顆粒在沖擊阻礙物時(shí)，超過(guò)臨界速度會(huì)產(chǎn)生絕熱移動(dòng)的不穩(wěn)性，促使顆粒產(chǎn)生塑性變形，并固定在阻礙物上。他們?cè)谶@些研究的基礎(chǔ)上，確定了各種金屬顆粒的臨界速度值，并研制了冷噴技術(shù)用的優(yōu)化圓口噴嘴。CGT公司在上述研究基礎(chǔ)上，生產(chǎn)了氣體動(dòng)力噴涂設(shè)備 ，功率為30千瓦。為了達(dá)到****的沉積和高質(zhì)量的涂層，設(shè)備中采用氦氣作為工作氣體。
8、中國(guó)
我國(guó)也有很多大學(xué)和科研院所對(duì)冷噴涂技術(shù)展開(kāi)了研究，主要西安交通大學(xué)、中科院金屬研究所、哈爾濱焊接研究所、大連理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京理工大學(xué)、集美大學(xué)、寧波兵科院、中科院寧波材料所、浙江工業(yè)大學(xué)、北京科技大學(xué)等。
（1）西安交通大學(xué)
西安交通大學(xué)材料學(xué)院金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、焊接研究所熱噴涂實(shí)驗(yàn)室，以青年教師和****的研究生為生力軍，經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，獲得了如下技術(shù)成果：超音速火焰噴涂系統(tǒng)（1995年在國(guó)內(nèi)首創(chuàng)研制成功）；常壓/真空冷噴涂系統(tǒng)（2003年國(guó)內(nèi)率先研制成功）；微束等離子噴涂系統(tǒng)（1997年國(guó)內(nèi)****研制成功）；液料火焰噴涂系統(tǒng)（2000年國(guó)內(nèi)率先研制成功）；高速飛行粒子狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（1999年國(guó)內(nèi)率先研制成功）；真空等離子噴涂－物****相沉積系統(tǒng)（PS-PVD）等噴涂制備設(shè)備（在建）等，形成了多樣化、國(guó)內(nèi)**齊全的涂層制備與檢測(cè)設(shè)備。
實(shí)驗(yàn)室同時(shí)在冷噴涂特性，冷噴涂銅粒子參量對(duì)碰撞行為的影響，冷噴涂納米結(jié)構(gòu)，利用冷噴涂制備WC-CO涂層、NiCrAlY涂層、鎳基金剛石涂層等方面形，取得了大量的研究成果，開(kāi)發(fā)的高性能涂層技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電力、石化、機(jī)械、冶煉、材料等領(lǐng)域，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
焊接研究所熱噴涂實(shí)驗(yàn)室可承接冷噴涂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造、各式涂層工藝、零件噴涂修復(fù)等技術(shù)服務(wù)。
西安交通大學(xué)冷噴涂設(shè)備系統(tǒng)圖
（2）中科院金屬研究所（沈陽(yáng)）
中科院金屬研究所沈陽(yáng)先進(jìn)材料研發(fā)中心在冷噴涂技術(shù)及涂層制備方面具有深入的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研制了IMR—M6000冷噴涂設(shè)備，該設(shè)備具有手動(dòng)和自動(dòng)化控制可用機(jī)械手操作的兩種型號(hào)。
IMR—M6000冷噴涂設(shè)備
（3）哈爾濱焊接研究所（機(jī)械科學(xué)院）
哈爾濱焊接研究所超音速冷氣噴涂設(shè)備、工藝的研究和開(kāi)發(fā)取得了一定的研究成果，目前已經(jīng)獲得銅、鋅、鋁、鎳、鉬、鎳-鋁、鎳鉻合金等材料的超音速冷噴涂涂層。無(wú)論是冷噴涂設(shè)備還是涂層性能，都達(dá)到了俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院的水平。在超音速冷噴涂成套技術(shù)與設(shè)備方面，已經(jīng)具備了商品化的條件。此外，眾多專(zhuān)家預(yù)測(cè)超音速冷噴涂技術(shù)一個(gè)非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域是生產(chǎn)納米涂層或納米化層，目前哈爾濱焊接研究所已經(jīng)應(yīng)用超音速冷氣噴涂技術(shù)在316L和40Cr鋼表面制作出平均為30納米的納米化層。
（4）大連理工大學(xué)
大連理工大學(xué)熱力渦輪機(jī)教研室于1996年建立了常溫下超音速起、固兩相流制備功能涂層實(shí)驗(yàn)裝置，就金屬粒子（鋅粉、鈦粉等）進(jìn)行了冷噴涂實(shí)驗(yàn)，獲得了優(yōu)質(zhì)涂層。該實(shí)驗(yàn)裝置為冷噴涂機(jī)理的研究提供了實(shí)驗(yàn)、分析手段。同時(shí)，近年來(lái)該教研室在冷氣體動(dòng)力學(xué)噴涂制備功能涂層機(jī)理、超音速氣流冷噴涂材料改性方法等方面展開(kāi)了研究工作。