浅析冷喷涂技术的原理、特点及应用

2025-06-25 11:58:01 作者：本网发布来源：涂料工业分享至：

涂料工业：

冷喷涂 (Cold Spray, CS)，又称为冷气动力喷涂，是一种基于空气动力学原理发展起来的先进表面改性技术。相较于传统的热喷涂技术，冷喷涂具有独特的优势，已在金属涂层防护、增材制造和关键零部件修复等领域发挥了重要作用。本文将浅析冷喷涂技术的原理和特点，以及介绍冷喷涂在涂层领域的应用。

1. 冷喷涂技术的原理

冷喷涂技术的工作原理是：将高压气体（氮气、氦气、空气或混合气体）经过气体加热器进入缩放的拉瓦尔喷嘴，形成超音速气体流碰撞基体，带动粉末粒子在低温（一般低于600 ℃）下进入拉瓦尔喷嘴，使粉末粒子发生强烈的塑性变形，从而沉积在基体表面形成沉积层。冷喷涂技术的喷涂效果主要取决于喷涂速度的选择，喷涂速度应在临界沉积速度与侵蚀速度之间。侵蚀速度是粒子喷涂速度的上限，喷涂速度如果超过侵蚀速度，就会出现冲蚀，而颗粒不会黏着。只有当撞击速度大于临界速度，小于侵蚀速度时，粒子才能与基体结合沉积形成涂层。

冷喷涂涂层形成过程包含2个不同阶段的相互作用。第1阶段主要为颗粒与基体间的相互作用：颗粒与基体碰撞后，在碰撞界面处产生凹陷，导致颗粒与基体接触表面处的氧化膜破裂，暴露出洁净的表面，两者结合形成基体层，这便是前期涂层形成的关键，且与最终基体和涂层之间的结合强度有密切关系。第2阶段主要为颗粒与已沉积涂层间的相互作用：后续颗粒对已沉积涂层中的部分颗粒的锤击作用促使其发生变形，颗粒间孔隙被消除，结合更紧密，这关系到涂层厚度的增加和自身结合强度。当前的研究主要集中在颗粒与基体的结合机理上，对颗粒高速冲击引起的基体表面残余压应力变化、颗粒撞击基体过程中颗粒之间的结合机理研究则相对较少，需要进一步深入探索和研究，为高性能涂层的制备提供理论基础。

2. 冷喷涂技术的特点

与传统的热喷涂技术（火焰喷涂、爆炸喷涂、电弧喷涂等）不同，冷喷涂颗粒加热温度低，而且颗粒仍然保持着固态，固态颗粒在极高应力、应变和应变速度条件引发“绝热剪切失稳”状态，颗粒通过剧烈机械变形等过程，最终在工件上实现沉积。

相对于热喷涂技术而言，冷喷涂的优势包括：喷涂温度低，对基体的影响较小；可制备的材料较为广泛，如锌、铝、铜等金属、合金材料如不锈钢、青铜等、金属陶瓷或金属基复合材料等；喷涂的涂层残余应力较低；喷涂涂层光滑致密，孔隙率低，强度较高，能满足航空、航天等高负荷领域的使用；沉积效率高、粉末利用率高；环境污染小，操作简单、安全，无辐射。

不过，冷喷涂同样存在着它的劣势：涂层的延展性较差，这主要是由颗粒的塑性沉积引起的，可以通过热处理和优化冷喷涂工艺参数进行改善。且喷涂颗粒能否有效沉积以及制备涂层是否稳定，取决于颗粒与基材的特性。此外对于制备一些高温合金涂层必须使用氦气，耗气量会很大，价格会偏贵。

3. 冷喷涂技术的应用与展望

冷喷涂技术能够制备出孔隙率低、结合强度高、厚度可控的涂层，为基体材料提供了卓越的抗腐蚀性能。因此，冷喷涂技术在防腐涂层领域具有广阔的应用前景，尤其在航空航天和海洋环境中飞机、舰艇、轮船等各领域的关键机械部件的腐蚀防护上，冷喷涂技术为它们的表面改性研究、长久高效防腐、快速修补等带来了新的解决方案。

此外，冷喷涂涂层具有低残余应力（主要为压应力），可制备单一金属涂层或含有陶瓷颗粒增强相的复合涂层，这类涂层的耐磨性往往更好，因此冷喷涂技术可用于制备多种耐磨涂层材料，包括减磨合金（如锡青铜、铝合金、锌合金）、金属基材料以及金属陶瓷复合材料。这其中，金属陶瓷复合材料结合了金属相（韧性和可加工性好）和增强陶瓷相（硬度和耐磨性好）的特点，使得涂层具备出色的耐磨性、耐蚀性、力学性能等优点，广泛应用于各种重要的工业领域。目前，冷喷涂已在各种耐磨材料表面制备涂层中得到广泛应用，成为不可或缺的耐磨涂层制备技术。

目前，围绕冷喷涂技术在防腐涂层和耐磨涂层的应用研究，主要聚焦涂层的复合与改性、工艺参数的调节等来进行性能提升。而对于一些严苛服役工况（如重载荷、重腐蚀、高振动环境），对涂层的耐蚀、耐磨、防污、机械性能等的要求也日益提高，仅凭现已掌握的冷喷涂技术提升手段仍有较大的改进空间。对于冷喷涂技术中的沉积与结合机理、物理力学效能、关键因素影响等，仍需要更多更全面的研发来推动系统化理论体系的完善，并逐步克服冷喷涂的涂层延展性较差、有效沉积效率低等缺点，从而让冷喷涂技术走向成熟，拥有更广阔的应用与市场。