8千字干貨！冷噴涂金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

導(dǎo)讀：作為一種新興的增材制造技術(shù)，冷氣動力噴涂(冷噴涂)在材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。冷噴涂是一種利用固態(tài)粉末顆粒自固結(jié)能力而實現(xiàn)顆粒相互結(jié)合的粉末沉積方法，在高速沖擊的條件下，這種粉末的自固結(jié)才能得以實現(xiàn)。隨著對冷噴涂工藝設(shè)備及噴涂工藝的研究，冷噴涂的一些缺點逐漸被克服，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)大。

南極熊本期文章總結(jié)了冷噴涂3D打印技術(shù)及其涂層沉積原理，綜述了近年來國內(nèi)外冷噴涂金屬3D打印技術(shù)的研究現(xiàn)狀、應(yīng)用現(xiàn)狀、專利申請情況、發(fā)展方向及應(yīng)用前景，以期為讀者進(jìn)一步了解和學(xué)習(xí)有關(guān)冷噴涂金屬3D打印的專業(yè)知識提供參考。

冷噴涂技術(shù)

冷噴涂技術(shù)是20世紀(jì)80年代中后期由前蘇聯(lián)科學(xué)院理論與應(yīng)用力學(xué)研究所的Papyrin等發(fā)明的一種涂層制備方法。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉末噴涂速度超過某一臨界值時，粉末與基底碰撞后就會在其表面沉積形成涂層。由此，他們在1990年提出了冷噴涂概念并發(fā)表了第一篇關(guān)于冷噴涂的論文。隨后，冷噴涂技術(shù)因其制備優(yōu)勢逐漸引起人們的關(guān)注，在材料表面涂層制備技術(shù)領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。與此同時，研究人員還開展了冷噴涂設(shè)備的研制、涂層沉積原理及涂層結(jié)構(gòu)與性能的研究，對冷噴涂技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用起到了積極推動的作用。

冷噴涂技術(shù)是基于空氣動力學(xué)原理，利用壓縮氣體帶動粉末顆粒通過拉瓦爾縮放噴管將其加速，使獲得超音速的粉末顆粒碰撞基底發(fā)生塑性形變并沉積在基底表面形成涂層的一種新型噴涂技術(shù)。根據(jù)噴涂氣壓大小與送粉方式的不同，冷噴涂設(shè)備主要可分為高壓(1.5~4.0MPa)和低壓(0.6~1.5MPa)冷噴涂。高壓冷噴涂設(shè)備系統(tǒng)主要以N2、He或兩者的混合氣體作為氣源，其高壓氣路和粉末流動管道各自獨立，噴涂粉末由縮放噴管的前端進(jìn)入，在噴管內(nèi)部與熱氣流混合后經(jīng)縮放噴管加速噴出，設(shè)備系統(tǒng)相對龐大，多以固定式安放；此外，該設(shè)備噴涂溫度相對較高(200~800℃)，噴涂粉末速度可達(dá)300~1200m/s；涂層沉積速率高、結(jié)構(gòu)均勻致密，可實現(xiàn)大面積涂層的快速制備；但同時也存在氣體和粉體耗費量大、噴涂經(jīng)濟(jì)成本高及設(shè)備難搬運等缺點。

與高壓冷噴涂設(shè)備系統(tǒng)相比，低壓冷噴涂設(shè)備系統(tǒng)裝置簡單易攜，噴涂粉末由縮放噴管的后段進(jìn)入，經(jīng)過加速、加熱的氣體帶動粉末噴出；噴涂設(shè)備所需氣體壓力較小，多以壓縮空氣為載氣，噴涂溫度(200~650℃)較低，噴涂粉末速度約為350~700m/s，氣體消耗量小，噴涂成本低，可用于涂層制備與破損零部件的增材修復(fù)等；但也存在涂層結(jié)合強(qiáng)度較低和沉積速率較小等缺點。高壓和低壓冷噴涂設(shè)備系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖下圖所示。

△高/低壓冷噴涂設(shè)備系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

此外，在原有冷噴涂技術(shù)基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的涂層制備技術(shù)還有真空冷噴涂、脈沖氣體冷噴涂、激光輔助冷噴涂、激波風(fēng)洞冷噴涂及電場輔助冷噴涂等。

冷噴涂涂層沉積原理

在冷噴涂涂層沉積原理的研究過程中，材料絕熱剪切失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生成為涂層實現(xiàn)有效沉積的重要前提條件。As⁃sadi等利用數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的方法研究了冷噴涂過程中銅粉以不同噴涂速度碰撞基底并發(fā)生沉積時其界面的應(yīng)力、應(yīng)變及溫度變化情況，分析了涂層的沉積原理。研究結(jié)果表明，噴涂粉末速度太高或太低會產(chǎn)生沖蝕或回彈，無法實現(xiàn)涂層的沉積；只有當(dāng)噴涂粉末的速度達(dá)到或接近其臨界沉積速度時，噴涂粉末與基底表面高速碰撞產(chǎn)生的熱量來不及散失，引發(fā)了其撞擊界面的應(yīng)力、應(yīng)變及溫度的突變，進(jìn)而使銅粉的塑性形變增大，實現(xiàn)涂層的有效沉積。此外，由于不同粉末在噴涂過程中的沉積狀態(tài)存在差異，在發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)過程中涂層內(nèi)部顆粒間的結(jié)合方式主要可分為物理結(jié)合、機(jī)械結(jié)合、冶金結(jié)合及不同種顆粒在高速碰撞過程中由于界面升溫而形成的化學(xué)鍵結(jié)合等方式。

在冷噴涂涂層沉積過程中，噴涂粉末顆粒在機(jī)械撞擊作用下發(fā)生塑性形變，而形變使得粉末顆粒的位錯密度增大，界面晶粒得到細(xì)化，有效阻礙原子層之間的相對運動，涂層硬度和強(qiáng)度均得到明顯提高。此外，研究人員還通過在金屬噴涂粉末中添加較大粒徑粉末和硬質(zhì)陶瓷顆粒等方法，在利用其機(jī)械撞擊作用增大金屬顆粒塑性形變的同時也可通過彌散強(qiáng)化實現(xiàn)涂層力學(xué)與摩擦學(xué)性能的提升。例如，硬質(zhì)陶瓷顆粒在冷噴涂涂層沉積過程中的作用主要可分四個階段：(1)硬質(zhì)陶瓷顆粒對金屬粉末的加速和部分硬質(zhì)顆粒優(yōu)先碰撞基底材料表面；(2)硬質(zhì)陶瓷顆粒通過撞擊去除基底表面氧化層，獲得活化且較為粗糙的基底材料表面；(3)硬質(zhì)陶瓷顆粒撞擊涂層后反彈，少量陶瓷顆粒在涂層中沉積；(4)涂層在硬質(zhì)陶瓷顆粒的連續(xù)撞擊作用下致密度增大，部分陶瓷顆粒相互碰撞后發(fā)生碎裂、反彈。其作用過程示意圖如圖2所示。

△冷噴涂涂層沉積過程中硬質(zhì)陶瓷顆粒作用過程示意圖

冷噴涂涂層的結(jié)合機(jī)制

在冷噴涂相關(guān)文獻(xiàn)中，研究人員通過實驗觀察揭示了冶金結(jié)合、機(jī)械錨固、機(jī)械互鎖和界面混合等顆粒/顆粒和顆粒/基體的結(jié)合機(jī)制。冶金結(jié)合是由于異質(zhì)外延現(xiàn)象導(dǎo)致的動態(tài)再結(jié)晶或者由于大應(yīng)變速率下的超塑性(絕熱剪切)現(xiàn)象而形成的含有金屬間化合物的非晶中間層。機(jī)械錨固是指粒子附著在基材上并在基材上產(chǎn)生較弱的壓痕以確保粒子的錨定，這種現(xiàn)象常見于金屬粒子在陶瓷基材表面的沉積。機(jī)械互鎖則是由于粒子刺入基板的深度較大而嵌在基板上的現(xiàn)象，常在金屬/聚合物、氧化物/聚合物、陶瓷/金屬和金屬/金屬的結(jié)合中發(fā)現(xiàn)。這種機(jī)械互鎖的情況也可以擴(kuò)展到在基體表面缺陷內(nèi)沉積粒子的變形情況，也用來解釋軟的金屬粒子在較硬的基體上沉積時材料在界面處的連續(xù)性，例如軟金屬/聚合物、金屬/陶瓷和聚合物/金屬之間的結(jié)合。在界面混合過程中，結(jié)合機(jī)制則是由使顆粒和基體在界面上混合的界面旋渦的發(fā)展所控制。

國內(nèi)外冷噴涂增材制造技術(shù)(CSAM)的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

理論上冷噴涂技術(shù)可以制備幾乎所有的金屬和金屬/陶瓷復(fù)合涂層且厚度超過50pm[55]，且冷噴涂沉積層可以有效防止高溫、腐蝕、侵蝕、氧化以及化學(xué)腐蝕，目前在航空航天、汽車、能源、醫(yī)療、海洋等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用并在增材制造技術(shù)領(lǐng)域顯示出獨特的優(yōu)勢。

浙江工業(yè)大學(xué)姚建華提出超音速冷噴涂耦合激光3D打印

2016年，國內(nèi)浙江工業(yè)大學(xué)的姚建華教授為突破3D打印工業(yè)化應(yīng)用的主要瓶頸，加強(qiáng)“產(chǎn)學(xué)研用”，將目光瞄準(zhǔn)了“超音速冷噴涂+激光”這種新型的3D打印技術(shù)，提出了“基于超音速激光沉積的金屬增材制造(3D打印)技術(shù)基礎(chǔ)研究”，將其與激光熔覆相結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

Akron大學(xué)申請“冷噴涂3D打印維修飛機(jī)”技術(shù)許可

2017年3月，美國俄亥俄州的Akron大學(xué)與航空維修工程服務(wù)公司(AMES)展開合作，旨在探索如何更好地利用“冷噴涂技術(shù)”維修飛機(jī)金屬零部件，并向美國聯(lián)邦航空局提交了相關(guān)的許可申請。

Titomic公司開發(fā)基于冷噴涂的全新金屬3D打印工藝——KineticFusion

2017年9月，澳大利亞Titomic公司聯(lián)手CSIRO(澳洲聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織)將冷噴涂技術(shù)應(yīng)用到了制造領(lǐng)域，開發(fā)出了一種新型3D打印工藝—“動力熔融”(KineticFusion)。KineticFusion工藝是在封閉的腔室中進(jìn)行，通過高熱氣體將金屬粉末加速到音速的1.5-3倍，再通過噴嘴從噴槍射出。這樣，粉末顆粒便會在目標(biāo)表面相互撞擊，通過一種塑性變形過程，以機(jī)械水平牢固地結(jié)合到一起。其中，噴槍是由機(jī)械臂精確控制的，所以可以非常精確地按照既定的圖案噴射。

2018年9月，Titomic公司宣布與TAUV達(dá)成協(xié)議，使用Titomic的3D打印技術(shù)生產(chǎn)鈦合金的堅固型士兵無人機(jī)(UAVs)，將冷噴涂技術(shù)應(yīng)用到鈦合金部件的3D打印中。

2021年3月，Titomic公司與土耳其機(jī)床工具工貿(mào)公司Repkon簽署協(xié)議，共同合資在澳大利亞建立新的3D打印生產(chǎn)設(shè)施，用于制造由Repkon設(shè)計并使用Titomic的KineticFusion(TKF)3D打印技術(shù)制造的武器發(fā)射管。新工廠將利用Repkon獨特的流成型能力和Titomic快速增材制造TKF工藝來生產(chǎn)高性能發(fā)射管。同年11月，Titomic公司宣布收購競爭對手——荷蘭的冷噴涂技術(shù)公司DycometEurope。此次交易加強(qiáng)了Titomic的全球影響力，集歐洲的新基地、澳大利亞總部和Titomic美國子公司為一體。通過DycometEurope為整個歐洲大陸帶來了健康的客戶訂單渠道，這筆交易還將為Titomic提供直接的收入來源。

△KineticFusion工藝原理圖

△Titomic的超大型冷噴涂金屬3D打印機(jī)，可以實現(xiàn)9mx3mx1.5m的金屬零部件

西工大李文亞教授綜述“冷噴涂+”復(fù)合增材制造技術(shù)

2019年5月，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院李文亞教授在焊接領(lǐng)域頂刊上發(fā)表綜述類論文“Coldspray+’asanewhybridadditivemanufacturingtechnology:aliteraturereview”，旨在討論并解決冷噴涂沉積體界面弱冶金結(jié)合以及塑性差的科學(xué)問題。由于冷噴涂固有的沉積特性，即每個顆粒經(jīng)過劇烈的塑性變形沉積形成涂層，顆粒界面的結(jié)合，機(jī)械結(jié)合占主導(dǎo)地位，存在少量冶金結(jié)合，導(dǎo)致冷噴涂沉積體塑性差。針對這一科學(xué)問題，李文亞教授提出了“冷噴涂+”的概念，即冷噴涂復(fù)合后熱處理、激光、噴丸、攪拌摩擦加工、熱軋和熱等靜壓等加工制造技術(shù)來增強(qiáng)沉積體界面冶金結(jié)合，改善沉積體的強(qiáng)塑性；同時，冷噴涂涂層作為強(qiáng)化涂層，已用來提高攪拌摩擦焊、釬焊、熔焊接頭的強(qiáng)塑性，同時顯著提升被涂覆基體的疲勞壽命。

△冷噴涂能夠制備的材料種類及氣體溫度對沉積效率的影響

NRC和Polycontrol開啟冷噴涂增材制造研究設(shè)施

2019年7月加拿大國家研究委員會(NationalResearchCouncilofCanada)和總部位于魁北克的工程解決方案公司Polycontrol聯(lián)合建立一個研究機(jī)構(gòu)，支持制造商和研究人員研究、采用和部署冷噴涂增材制造技術(shù)。該研究中心通過冷噴涂研究各種形式的表面處理，涂層和3D積累。他們還研究局部激光熱處理，原位機(jī)器人加工和表面處理等先進(jìn)技術(shù)。

SPEE3D冷噴涂金屬3D打印機(jī)在軍隊?wèi)?yīng)用火熱

2020年6月，澳大利亞陸軍對金屬3D打印機(jī)制造商SPEE3D的WarpSPEE3D增材制造(AM)系統(tǒng)進(jìn)行了實地測試。同年8月，又進(jìn)行了第二輪實地演習(xí)。陸軍部隊利用SPEE3D的專利冷噴3D打印技術(shù)，能夠以一種快速和具有成本效益的方式創(chuàng)建組件。事實證明，WARPSPEE3D系統(tǒng)能夠打印重量達(dá)40公斤的大型金屬部件，并且以每分鐘100克的速度進(jìn)行打印，即使在37℃的溫度和80%的濕度下也能打印。

△澳大利亞陸軍正在準(zhǔn)備操作WarpSPEE3D打印機(jī)

2021年7月8日，SPEE3D公司宣布獲得超過150萬澳元(約727.41萬人民幣)資金，用于冷噴涂金屬3D打印火箭發(fā)動機(jī)的低成本批量生產(chǎn)。WarpSPEE3D是SPEE3D的大幅面金屬3D打印機(jī)，與傳統(tǒng)制造相比，這款機(jī)器可顯著提高速度、成本效益和可擴(kuò)展性。SPEE3D的處理速度也比傳統(tǒng)3D金屬打印快100到1000倍，成為將設(shè)計變成可用金屬零件的快速方法之一。

△WarpSPEE3D

2022年5月，SPEE3D的冷噴涂金屬3D打印技術(shù)被美國海軍選中參加代號為MaintenX演習(xí)，以驗證金屬3D打印技術(shù)在實戰(zhàn)中的能力，實現(xiàn)日常維護(hù)和解決供應(yīng)鏈等問題。同時，還可以改善老舊船舶缺少配件的狀況，以及戰(zhàn)損修復(fù)。

△安裝在M113上的3D打印車輪軸承蓋。照片來自SPEE3D

德國ImpactInnovations新一代高速冷噴涂金屬3D打印機(jī)EvoCSII

2021年5月初，德國ImpactInnovations發(fā)布了最新的冷噴涂系統(tǒng)：ImpactEvoCSII。新設(shè)備使用冷噴涂增材制造(CSAM)工藝，由ImpactInnovations與AirborneEngineeringLtd.合作開發(fā)。能夠制造具有出色機(jī)械性能、大尺寸和特定幾何復(fù)雜性組件。新型ImpactEvoCSII最多可并行四個沖擊粉末給料器，非常適合批量生產(chǎn)。另外，機(jī)器也可以并行操作兩把沖擊式噴槍，進(jìn)行雙面噴涂或僅用來提高容量。EvoCSII集成了多種傳感器、數(shù)據(jù)記錄以及更高級別控制系統(tǒng)，與以前的版本相比，可靠性得到了顯著提高。

△ImpactEvoCSII可以更好的進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控

美國空軍用冷噴涂技術(shù)維修現(xiàn)役飛機(jī)

2021年5月，位于美國埃爾斯沃思(Ellsworth)空軍基地的第28維修小組增材制造飛行隊對一架現(xiàn)役飛機(jī)進(jìn)行了首次修復(fù)，并使用金屬冷噴涂(動能固結(jié))技術(shù)修復(fù)了B-1B轟炸機(jī)機(jī)翼上方滑動接頭，實現(xiàn)機(jī)翼輪廓內(nèi)的上下垂直運動。這是這項技術(shù)在2019年首次在美國空軍基地成功演示之后在現(xiàn)役飛機(jī)上的首次應(yīng)用。在冷噴涂過程中，他們使用氦氣將粒子加速到3馬赫。通過撞擊，使6061鋁合金顆粒和基材結(jié)合。據(jù)悉，使用冷噴涂技術(shù)只需數(shù)小時或數(shù)天即可完成維修，這能夠使空軍能夠通過增材制造技術(shù)每年節(jié)省大約200萬美元(約1296萬人民幣)。

△美國空軍維護(hù)使用冷噴涂修理現(xiàn)役飛機(jī)

鄒宇教授綜述冷噴涂增材制造中金屬粉末的組織演變和結(jié)合特征

2021年11月，加拿大多倫多大學(xué)鄒宇教授的AMR發(fā)表述評文章“ColdSprayAdditiveManufacturing：MicrostructureEvolutionandBondingFeatures”，該綜述著重討論冷噴涂過程中四種常見金屬(銅，鎳，鋁，鈦)的微觀組織演變，并總結(jié)整理了大量的組織特征，其中包括冷噴涂銅中的再結(jié)晶晶粒、退火孿晶、剪切帶、亞微米晶粒、變形孿晶和納米晶粒，冷噴涂鎳中的動態(tài)再結(jié)晶，和冷噴涂鋁中的形成的尺寸小于10nm的晶粒。文章還介紹了冷噴涂材料的后處理熱處理和納米壓痕表征。最后，作者提出了借鑒舊經(jīng)驗，利用機(jī)器學(xué)習(xí)、納米力學(xué)測試、高熵合金等新興技術(shù)和材料，推進(jìn)冷噴涂增材制造研究。

△未經(jīng)處理的冷噴涂銅材料的EBSD表征(冷噴涂條件：氣體溫度473K，氣壓30bar)：(a)IPF圖像，(b)IQ圖像，(c)KAM圖像，(d)孿晶面邊界圖像。

西北工業(yè)大學(xué)探索冷噴涂固態(tài)增材制造高熵合金組織演變

2022年2月，西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室李文亞教授等人使用冷噴涂技術(shù)，將微米尺度的FeCoNiCrMn顆粒以800m/s以上的速度噴射至基板上，利用高速撞擊，引起了應(yīng)變率高達(dá)108~109s-1的絕熱塑性變形過程，并對HEA的劇烈塑性變形過程進(jìn)行了研究。該研究豐富了學(xué)界對FeCoNiCrMn高熵合金大應(yīng)變率極端塑性變形下微觀組織及成分演變規(guī)律了解，為未來使用劇烈塑性變形條件進(jìn)一步優(yōu)化FeCoNiCrMn高熵合金微觀組織，提高力學(xué)性能提供了重要依據(jù)。

△冷噴涂FeCoNiCrMn高熵合金沉積體顯微組織分析

冷噴涂專利申請情況分析

自1990年蘇聯(lián)科學(xué)院提出了冷噴涂的概念到2000年前，冷噴涂技術(shù)研究一直處于萌芽階段，在該階段基礎(chǔ)研究較多，其他國家的科研機(jī)構(gòu)和公司也相繼開始冷噴涂的技術(shù)跟蹤和科學(xué)研究，均取得了一定的成果，冷噴涂技術(shù)的專利申請也是增長較慢。

2001年，第一臺商用冷噴涂原型機(jī)由美國的Ktech公司推出，ABS工業(yè)有限公司也開發(fā)了自己的噴涂系統(tǒng)，冷噴涂技術(shù)由基礎(chǔ)研究階段開始向工業(yè)領(lǐng)域商業(yè)化過渡，其在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，這極大促進(jìn)了冷噴涂技術(shù)的發(fā)展，因此，相應(yīng)專利申請也迅速增長。

△冷噴涂技術(shù)全球?qū)＠�申請量和中國專利申請量隨時間變化（單位：件）

近年來，隨著新的冷噴涂技術(shù)發(fā)展、更加實用的冷噴涂設(shè)備被開發(fā)、不同學(xué)科交叉研究，冷噴涂技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展，其專利申請量也在穩(wěn)步發(fā)展。國內(nèi)冷噴涂技術(shù)在2010年之前發(fā)展較為緩慢，在2011年之后維持穩(wěn)步增長的水平。

通過對比各國冷噴涂技術(shù)的專利申請情況發(fā)現(xiàn)，日本的專利申請數(shù)量占比最高，其主要原因在于日本是冷噴涂技術(shù)研究較早的國家之一，且早在2003年，其對軍備、航空、航海的零件嘗試用冷噴涂工藝來修復(fù)，并取得了一定程度的成功。中國的專利申請量位居第二名，一些高校和科研院所都在早期就進(jìn)行了相關(guān)的科學(xué)研究，例如西安交通大學(xué)、大連理工大學(xué)、中科院所等，但是主要技術(shù)在科研機(jī)構(gòu)，例如西安交通大學(xué)在1995年率先研制了超聲速火焰噴涂系統(tǒng)，后續(xù)也取得了大量的研究成果，同時研制的高性能涂層技術(shù)已廣泛應(yīng)用各個領(lǐng)域。美國的專利申請量位居第三名，其較早研制了氣體動力噴涂的基礎(chǔ)裝置和工業(yè)化的計算機(jī)系統(tǒng)的氣體動力噴涂設(shè)備，相應(yīng)的科研機(jī)構(gòu)較早就開始噴涂技術(shù)優(yōu)化的研究工作。

△冷噴涂技術(shù)專利申請人的國別/地區(qū)分布

德國、韓國、俄羅斯的專利申請量也占據(jù)一定的比例，俄羅斯ITAM冷噴涂裝置是最早研發(fā)并投入實際生產(chǎn)的，目前已研發(fā)了一系列的冷噴涂裝置；德國CGT-Kinetics系列冷噴涂裝置是在俄羅斯生產(chǎn)的裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)的裝置，其最大的優(yōu)點就是操作更加簡便，涂層質(zhì)量得到了明顯的提高；俄羅斯奧布寧斯克粉末噴涂中心等成功研發(fā)了低壓冷噴涂裝置，其設(shè)備趨于小型化，操作安全適用于現(xiàn)場操作。

△冷噴涂技術(shù)專利重點申請人分析

冷噴涂3D打印技術(shù)的發(fā)展方向

材料多樣化

冷噴涂系統(tǒng)主要分為高壓和低壓兩種形式，高壓冷噴涂可以提供更高的噴涂壓力（1.5～5.0MPa）和噴涂溫度（最高1100℃），有更大的材料選擇范圍，噴涂氣體使用氦氣或氮氣。低壓冷噴涂使用的氣體壓力在0.8MPa以下，顆粒加速效果較差，材料選擇范圍也有所限制。冷噴涂粉末類型涵蓋金屬、陶瓷、高分子及復(fù)合粉末。對金屬粉末的冷噴涂研究是最早開始的，主要以銅、鋁、鈦、鎂、鋅、錫、鉭、鐵基、鎳基、鈦基、鎂基、鋅基合金等穩(wěn)態(tài)材料為主，目前朝著非晶、準(zhǔn)晶和高熵合金等亞穩(wěn)態(tài)材料方向發(fā)展。高分子粉末由于密度小，通常使用低壓冷噴涂完成高分子材料沉積，冷噴涂使用的高分子材料主要有聚乙烯（PE）、高密度聚乙烯（HDPE）、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）、氟乙烯丙烯（FEP）和聚酰胺12（PA12）。冷噴陶瓷粉末在普通冷噴涂下難以實現(xiàn)有效沉積，大都通過真空冷噴涂實現(xiàn)，如羥基磷灰石、TiN、TiO2等多以金屬/陶瓷復(fù)合粉末的形式使用。金屬/陶瓷復(fù)合粉末主要有Al‒Al2O3、Al‒SiC、Al‒Diamond、Ni‒Al2O3、Cu‒Al2O3、Ni‒WC和Co‒WC。同時，基體材料的多樣化也進(jìn)一步拓展了冷噴涂技術(shù)的應(yīng)用，從金屬‒金屬體系發(fā)展到高分子‒金屬、陶瓷‒金屬等多種體系。

技術(shù)復(fù)合化

隨著材料體系多樣化的發(fā)展，原有的工藝條件不能滿足特殊材料的沉積要求，因此，復(fù)合型冷噴涂技術(shù)的開發(fā)成目前的研究重點。西安交通大學(xué)焊接與涂層研究所開發(fā)了微鍛輔助冷噴涂技術(shù)，在5～50μm的金屬粉末中添加150～200μm左右的原位噴丸顆粒，噴丸顆粒在噴涂過程中對已沉積的涂層進(jìn)行微鍛造，通過夯實作用增強(qiáng)顆粒與顆粒之間的結(jié)合，提高涂層相對密度。微鍛輔助冷噴涂技術(shù)在硬度高、塑性差的金屬涂層制備中具有獨特優(yōu)勢。劍橋大學(xué)和浙江工業(yè)大學(xué)激光加工技術(shù)工程研究中心開發(fā)了激光輔助冷噴涂技術(shù)，在冷噴涂沉積過程中引入激光輻照加熱技術(shù)，通過調(diào)節(jié)機(jī)械手將激光斑點和噴涂束匯聚到一起，在顆粒沉積到基體之前二次預(yù)熱顆粒，使顆粒的溫度達(dá)到熔點附近。900℃激光輔助冷噴涂與正常冷噴涂相比，單道涂層厚度從869.5μm增加到1153μm，涂層中的WC體積分?jǐn)?shù)從23.98%提高到29.35%。激光輔助冷噴涂技術(shù)通過二次預(yù)熱提高了低塑性金屬顆粒的塑性變形能力，有利于低塑性金屬材料的涂層制備。下圖所示為微鍛輔助和激光輔助冷噴涂技術(shù)原理圖。

原位微鍛輔助冷噴涂沉積示意圖（a）和超音速激光沉積技術(shù)原理圖（b）

應(yīng)用高端化

冷噴涂技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用一直是困擾學(xué)術(shù)界的問題，由于冷噴涂技術(shù)還存在著結(jié)合強(qiáng)度不理想、沉積層脆性、耗氣量高等問題，限制其在工業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模推廣。目前，冷噴涂技術(shù)一般以軍事、航天裝備應(yīng)用為主，美國埃爾斯沃斯空軍基地利用氦氣冷噴涂將6062鋁合金粉末噴涂在2024鋁合金表面，該技術(shù)應(yīng)用于B-1B戰(zhàn)略轟炸機(jī)緊固件孔埋頭孔維修。美國廷克空軍基地通過氦氣冷噴涂將6061鋁合金噴涂在AZ92A鎂合金表面，用于修復(fù)TF-33發(fā)動機(jī)后變速箱殼體。美國加州圣塔芭芭拉的Inovati公司利用冷噴涂技術(shù)進(jìn)行軍用飛機(jī)零件的現(xiàn)場修復(fù)工作，極大縮短零件更換所需時間。美國moog公司利用冷噴涂技術(shù)對S-92Sump直升機(jī)進(jìn)行修復(fù)處理，如下圖所示。冷噴涂技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用主要為旋轉(zhuǎn)靶材，如冷噴涂旋轉(zhuǎn)鈦鋁、鋅鋁、鋅錫、鈦、鉭、銀、銅、鎳鉻等，應(yīng)用于半導(dǎo)體、平面顯示、磁存儲、玻璃鍍膜、裝飾鍍等領(lǐng)域。

△冷噴涂技術(shù)再制造前后對比：（a）修復(fù)前；（b）修復(fù)后

冷噴涂3D打印技術(shù)的應(yīng)用前景

冷噴涂低溫高速的特性使其成為一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的表面處理技術(shù)，冷噴涂的優(yōu)點如涂層無氧化、顆�？苫厥盏仁瞧渌麌娡抗に囁�不能實現(xiàn)的，目前冷噴涂的材料已經(jīng)從塑性較好的金屬材料擴(kuò)展到納米材料，對于較難實現(xiàn)沉積的陶瓷材料等也會慢慢實現(xiàn)應(yīng)用。

今后國內(nèi)冷噴涂技術(shù)在以下研究方向仍有較大的進(jìn)步空間：

新型冷噴涂設(shè)備與工藝的設(shè)計及優(yōu)化。其中噴槍是噴涂設(shè)備中最重要的裝置，改進(jìn)和優(yōu)化噴槍的結(jié)構(gòu)是提高噴涂層質(zhì)量最經(jīng)濟(jì)的方式，同時也可以制備更多材質(zhì)的涂層。

冷噴涂過程的數(shù)值模擬。數(shù)值模擬可以更直觀地了解噴涂過程中各種參數(shù)對涂層質(zhì)量的影響，并且可以將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行比較，以優(yōu)化實驗方案并驗證已有的理論。

使用冷噴涂制備新型涂層。擴(kuò)大噴涂粉末的范圍、提高噴涂粉末的沉積效率、提高涂層顆粒之間的結(jié)合力都是制備新型涂層的保證。國內(nèi)雖然對此有一定的研究但是對各種耐熱、隔熱、醫(yī)療、輕量化等功能涂層開發(fā)仍然較少。

冷噴涂的前、后處理工藝。噴涂前對基體粉末的前處理和噴涂后對涂層的后處理對最終得到的涂層質(zhì)量有很大的影響。冷噴涂涂層塑性差，在合適的處理工藝下制備強(qiáng)度高、塑性好的涂層仍比較困難。

工業(yè)部件的修復(fù)與增材制造。目前國內(nèi)外已實現(xiàn)冷噴涂制造零件的報道，冷噴涂還可以應(yīng)用于零件的快速修復(fù)，有望實現(xiàn)對多種類型損傷的修復(fù)，如裂紋、磨損等。

參考閱讀：

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