黃春杰，殷碩，李文亞，郭學(xué)平

（1.德國漢堡赫爾穆特-施密特大學(xué)/德國聯(lián)邦國防軍大學(xué) 材料技術(shù)研究所，德國 漢堡 22043；2.愛爾蘭都柏林圣三一大學(xué) 機械與制造學(xué)院，愛爾蘭 都柏林 2；3.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國家重點實驗室 陜西省摩擦焊接工程技術(shù)重點實驗室 西安 710072；4.集美大學(xué) 輪機工程學(xué)院，廈門 361021）

冷噴涂（Cold Spray, CS），也稱為冷氣體動力噴涂（Cold Gas Dynamic Spray, CGDS），是近20 年來發(fā)展起來的一種新型表面涂層技術(shù)，是一種固態(tài)成形工藝。在冷噴涂過程中，將一定溫度與壓力的氣體（氮氣、氦氣、壓縮空氣等）送入特定的噴嘴，產(chǎn)生超音速氣體流動，然后將具有一定粒徑的粉末顆粒送入到高速氣流中，經(jīng)過加速加熱，在固態(tài)下高速撞擊基體，產(chǎn)生嚴重的塑性變形而沉積在基體表面形成涂層[1-4]。20 世紀80 年代中期，前蘇聯(lián)科學(xué)院理論與應(yīng)用力學(xué)研究所的Papyrin 及其同事利用示蹤粒子進行超聲速風洞實驗時發(fā)現(xiàn)，當粒子速度超過一定的臨界值后，示蹤粒子會沉積在靶材表面，并于1990年提出冷噴涂的概念，隨后發(fā)表了第一篇關(guān)于冷噴涂的論文[1]，申請了冷噴涂專利[2]。1995—1997 年，有關(guān)于冷噴涂方面的研究報道在美國國際熱噴涂會議上引起了熱議。2000 年，在加拿大召開的國際熱噴涂會議上首次組織了關(guān)于冷噴涂的專題分會。2001 年，德國超音速火焰噴涂會議和2002 年美國國際熱噴涂大會進一步明確了冷噴涂成為熱噴涂領(lǐng)域的重要分支。目前，冷噴涂技術(shù)研究及其系統(tǒng)開發(fā)在俄羅斯、德國、美國、日本、中國等國家受到了廣泛的關(guān)注。

通過查閱大量的冷噴涂技術(shù)及其系統(tǒng)的相關(guān)文獻，以及作者長期對國內(nèi)外研究前沿的跟蹤，冷噴涂不僅是高質(zhì)量金屬涂層制備技術(shù)，也已經(jīng)成為金屬高性能增材制造與修復(fù)的熱點。本文對冷噴涂的材料種類、涂層典型組織結(jié)構(gòu)與性能、工藝與設(shè)備系統(tǒng)地進行了分類和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)冷噴涂技術(shù)研究及其系統(tǒng)開發(fā)正逐漸走向成熟，也在從實驗室研發(fā)階段向工業(yè)應(yīng)用逐漸過渡。此外，新型概念的冷噴涂技術(shù)也不斷出現(xiàn)，并逐漸被驗證。

1 冷噴涂設(shè)備基本組成及分類

為了實現(xiàn)涂層的成功制備，冷噴涂設(shè)備主要包括以下幾部分：噴槍、送粉器、氣體加熱裝置、高壓氣源及管路、控制及操作系統(tǒng)、持槍機械手及其他的輔助裝置等，如圖1a 所示。

1.1 噴槍

在冷噴涂系統(tǒng)中，噴槍是整套設(shè)備的核心部件，粉末顆粒與被加速氣體在噴槍系統(tǒng)中混合，并在噴槍的噴嘴中加速到一定速度，撞擊基體形成涂層；噴槍系統(tǒng)要易于實現(xiàn)粉末顆粒以高速且均勻的噴出，且加工方便、價格適宜。圖1 是傳統(tǒng)的高壓冷噴涂系統(tǒng)（High Pressure Cold Spray, HPCS）示意圖[4]和典型的高壓固定式冷噴涂設(shè)備（德國Impact Innovations公司）噴槍系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖[5]。噴槍系統(tǒng)中使氣體由亞音速加速到超音速的收縮-擴張型噴管，稱為Laval噴管/噴嘴（或de Laval 噴嘴），按下游形狀可分為錐形噴嘴和鐘形噴嘴；另外，噴嘴下游截面可為矩形截面、圓形截面和橢圓形截面。

1.2 送粉器

送粉器是送粉裝置的重要組成部分，用來裝載粉末，并按照噴涂工藝要求以一定的送粉率向噴槍輸送粉末。送粉器應(yīng)確保粉末的穩(wěn)定輸送，根據(jù)不同的送粉原理可分為：自重式送粉器、霧化式送粉器、螺桿式送粉器、轉(zhuǎn)盤式送粉器、刮板式送粉器、毛細管式送粉器以及鼓輪式送粉器。目前，商用的送粉器主要有美國Praxair 公司的1264HP 型高壓送粉器、德國Impact Innovations 公司的易更換式高壓送粉器、以及日本Plasma Giken 公司的高壓送粉器等。

1.3 氣體加熱裝置

從高壓氣源送出的氣體溫度一般不超過室溫，故對粉末加速效果不顯著。因此，為使氣體充分膨脹，提高氣體的加速作用，需要采用一個安全的加熱器對工作氣體進行充分的預(yù)熱。

1.4 高壓氣源裝置

氣體的選擇首先考慮其加速效果，其次考慮其成本、安全性及活性等因素。H2加速效果最好，但易燃易爆，目前無法使用；He 加速效果次之，但價格較高；采用高壓壓縮空氣最為經(jīng)濟，但加速效果一般，且較高的含氧量會導(dǎo)致加熱管、沉積的涂層發(fā)生氧化；N2價格相比He 便宜，且加速效果較好，故大多數(shù)冷噴涂試驗研究采用N2作為工作氣體。按照氣體的用量，可分為單個或多個高壓氣瓶集裝格方式、高壓空氣壓縮裝置、液化氮氣貯存器（配增壓泵和汽化器）。其中，He 通常裝在固定高壓氣瓶內(nèi)，但是由于其生產(chǎn)工藝比N2貴（多達50 倍），因此，將其用于冷噴涂操作的常規(guī)氣體是不實際的。法國LERMPS實驗室已在冷噴涂試驗中建立了He 回收系統(tǒng)，用于He 循環(huán)回收、凈化和再利用。

1.5 冷噴涂控制及操作系統(tǒng)

冷噴涂控制柜由可編程序控制器、控制電路以及輸送工作氣體的控制管路組成。主要控制工作氣體壓力和溫度，同時協(xié)調(diào)完成觸摸屏的操作以及控制其他外圍設(shè)備的工作，從而完成復(fù)雜的邏輯控制功能。

冷噴涂的實驗操作可通過控制界面來設(shè)定、記錄、顯示，并檢測冷噴涂系統(tǒng)所有功能單元的參數(shù)以及設(shè)備的運行狀況，包括工作氣體壓力與溫度、工作氣體流量、送粉氣流量、送粉速度、冷卻水流量和冷卻水溫度等。

1.6 持槍機械手

機械手一般要求為6 軸，且具有較強的持重能力和較大的覆蓋范圍。目前，知名商用機械手制造商包括KUKA、ABB、FANUC 等，其均存在可滿足冷噴涂噴槍加持的機械手型號。

1.7 其他輔助裝置

其他的輔助裝置包括噴槍的水冷裝置、粉末預(yù)熱裝置、工作轉(zhuǎn)臺/夾具系統(tǒng)、通風除塵系統(tǒng)以及噴砂間、隔音間、工具間等。

下面將根據(jù)作者研究經(jīng)驗、最新文獻研究和新聞報道等，對目前冷噴涂材料種類、涂層典型組織結(jié)構(gòu)與性能以及冷噴涂工藝及設(shè)備研究現(xiàn)狀，進行綜述和總結(jié)展望。

2 冷噴涂材料種類

技術(shù)上，冷噴涂幾乎可沉積所有的金屬和金屬-陶瓷復(fù)合材料，涂層厚度可以從幾十微米到幾毫米。當采用冷噴涂進行零部件的增材制造或修復(fù)時，由于冷噴涂的沉積速率比選擇性激光熔覆技術(shù)（Selective laser melting, SLM）高一個數(shù)量級[4]，因此零件的厚度可快速逐層累加至幾厘米（具體例子可參考后文圖8）。目前，針對冷噴涂的材料制備、工業(yè)應(yīng)用和數(shù)值模擬等方面，已有多篇綜述論文發(fā)表，具體內(nèi)容請參考文獻[3-4,6-13]。圖2 是作者前期采用冷噴涂制備的部分金屬和金屬基復(fù)合涂層的顯微組織圖[7,12,14-17]。通常，陶瓷涂層只能通過真空冷噴涂來制備，即氣溶膠沉積（Aerosol deposition, AD）（具體內(nèi)容參考章節(jié)4.3），這是因為高壓冷噴涂下微米級尺度以上（>5 μm）的陶瓷顆粒會發(fā)生破碎，無法達到厚涂層的有效沉積，但目前冷噴涂也成功用于沉積部分陶瓷材料，如生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的羥基磷灰石（HA）、二氧化鈦和MAX 相（Ti3SiC2、Ti2AlC和Cr2AlC[18]）等。

圖2 冷噴涂沉積的不同類型的金屬和金屬基復(fù)合材料涂層[7,12,14-17]Fig.2 Examples of the cold sprayed coatings[7,12,14-17]

隨著冷噴涂設(shè)備系統(tǒng)的發(fā)展，氣體參數(shù)（溫度和壓力）也得到進一步增加。因此，冷噴涂可沉積的材料種類也在不斷的擴大。根據(jù)目前的文獻報道[3-4,6-13,18]，主要材料如表1 所示。

表1 冷噴涂可沉積的材料種類Tab.1 Sprayability of selected materials

通過上述列舉的材料體系可知，冷噴涂技術(shù)已涵蓋了廣泛的金屬、合金、陶瓷、聚合物和先進的功能材料（包括復(fù)合材料、納米材料、金屬陶瓷）等。其中，先進的功能材料制備代表了冷噴涂的新趨勢。近年來，冷噴涂還成功用于制備高強度的金屬玻璃材料。金屬、合金具有優(yōu)良的加工性能，雖然在過去十幾年得到了大量的研究，但考慮到未來冷噴涂作為一種重要的增材制造和修復(fù)的方法，金屬材料或金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用規(guī)模還將會逐步擴大。

3 典型涂層組織結(jié)構(gòu)與性能

在上述的可冷噴涂材料中，Cu 以其高的塑性和優(yōu)異的電導(dǎo)率/導(dǎo)熱率，在學(xué)術(shù)研究[19-22]和工業(yè)應(yīng)用[23]中均受到了廣泛的關(guān)注。與Cu 塊材相比，冷噴涂Cu 沉積體的電導(dǎo)率可達95%[19]，且能獲得幾乎與塊材同等的強度[19]。然而，由于冷噴涂技術(shù)固有的沉積特性，即通過每個粉末顆粒碰撞過程中，產(chǎn)生劇烈的塑性變形沉積而形成涂層，導(dǎo)致沉積體的塑性較差[19-22]，限制了其廣泛的工業(yè)應(yīng)用[3,24-25]。圖3 給出了冷噴涂Cu 涂層的典型組織形貌，可以發(fā)現(xiàn)，涂層組織具有明顯的不均勻性和各向異性[20-21]，且內(nèi)部存在如未結(jié)合顆粒間界面等缺陷，這是影響冷噴涂Cu 沉積體機械性能的主要影響因素。此外，在冷噴涂Al 合金、Ti 合金和不銹鋼等材料中，由于粉末材料自身特性，如高的強度和表面氧化條件等因素，內(nèi)部還會存在一定量的微孔或微裂紋[7,9,25]，均會對沉積體的力學(xué)行為（如強度、塑性、疲勞等）產(chǎn)生不利的影響。例如，Sample 等人[26]綜述了粉末顆粒和噴涂工藝對冷噴涂材料的組織結(jié)構(gòu)、孔隙率和殘余應(yīng)力的影響，以及如何影響硬度、靜態(tài)力學(xué)性能、疲勞行為和斷裂特征，并指出了涂層-基體間的結(jié)合強度，是冷噴涂用于修復(fù)耐疲勞等關(guān)鍵部件的重要考慮因素。

圖3 采用冷噴涂沉積的純Cu 涂層Fig.3 Cold sprayed pure Cu coating: a) surface topography; b) cross-section topography

盡管使用高的噴涂工藝參數(shù)或?qū)Ψ勰┘铀俑行У腍e 氣，可優(yōu)化涂層組織結(jié)構(gòu)和沉積特性[22]，使涂層達到較高的強度，但仍對塑性貢獻不大（斷裂應(yīng)變往往小于1%）。例如，冷噴涂Cu（He 加速）的拉伸強度可達450 MPa[19]，304L 不銹鋼可達500 MPa[7]，6061 和7075 合金強度分別為350 MPa[7]和400 MPa[7]，但上述沉積材料均表現(xiàn)為脆性斷裂（沿著沉積顆粒間界面），這種較高強度、低塑性特點嚴重阻礙了冷噴涂沉積體作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。盡管粉末預(yù)處理（如退火[25,27]）可改變顆粒內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，從而改善粉末自身的延展性，提高粉末的沉積效率，但不能從根本上完全消除涂層內(nèi)部未結(jié)合的顆粒間界面等缺陷。鑒于此，本文作者李文亞于2019 年提出了“冷噴涂+”的概念[24]，通過形成“冷噴涂”復(fù)合加工制造技術(shù)，來進一步提高沉積體的塑性。類似綜述論文也可參考文獻[25,28-29]，介紹了針對冷噴涂涂層的組織改善及性能強化等不同策略，具體包括傳統(tǒng)退火、熱等靜壓處理、熱軋、原位噴丸強化和原位致密化等。

4 傳統(tǒng)冷噴涂工藝

4.1 高壓冷噴涂工藝

根據(jù)工作氣體的壓力，冷噴涂系統(tǒng)可分為：高壓冷噴涂（>1 MPa）和低壓冷噴涂（≤1 MPa）。圖1a描述了高壓冷噴涂系統(tǒng)的基本工作過程：進入冷噴涂系統(tǒng)后，被壓縮氣體被分為兩股氣流，一股壓縮氣體（稱為工作氣體或推進氣體）流經(jīng)加熱器至高溫，同時，第二股壓縮氣體（稱為載氣或送粉氣）通過送粉器，然后這兩股氣體在噴槍預(yù)氣室內(nèi)混合，并進入Laval 噴嘴產(chǎn)生超音速氣流。

目前，冷噴涂是熱噴涂領(lǐng)域的熱門方向之一，自20 世紀80 年代中期發(fā)展至今，不僅在制備涂層種類和應(yīng)用領(lǐng)域上不斷拓寬，也體現(xiàn)在冷噴涂設(shè)備的研制上，但能制造出成熟的商業(yè)化冷噴涂設(shè)備的公司為數(shù)不多。目前，在全球工業(yè)化背景下，已成功應(yīng)用的高溫高壓冷噴涂設(shè)備，主要來自德國 Impact Innovations、日本Plasma Giken 以及美國VRC Metal Systems等公司。

4.1.1 德國Impact Innovations

該公司成立于2010 年，總部位于德國巴伐利亞州，其技術(shù)最先源于德國冷氣技術(shù)公司（Cold Gas Technology, CGT）[5]。2001 年，CGT 在國際熱噴涂大會上推出商用Kinetiks? 3000 型冷噴涂系統(tǒng)（圖4a），其工作氣體的溫度和壓力分別是 550 ℃和3 MPa；2006 年CGT 相繼推出了改進后的三種功率型號的Kinetiks? 4000 系列[5,30]（17 kW、34 kW 和47 kW，分別如圖4b—d 所示），最高參數(shù)可將工作氣體的溫度和壓力分別提高至800 ℃和4 MPa。該系列不僅可以實現(xiàn)對送粉氣體不同功率的預(yù)熱，以提高顆粒的溫度和變形能力，從而提高沉積效率（DE）和所制備涂層的質(zhì)量，還可實現(xiàn)難噴涂材料（如金屬陶瓷）的沉積。2009 年開發(fā)的Kinetiks? 8000 系統(tǒng)（圖4e），整體系統(tǒng)的加熱功率可達到85 kW，工作氣體（如N2）的最高溫度可達1000 ℃，可滿足兩個送粉器同時工作，進一步拓寬了噴涂材料的范圍。圖4f是可支持不同類型的噴嘴。

圖4 CGT Kinetiks?冷噴涂系統(tǒng)[5,30]Fig. 4 CGT Kinetiks? CS systems[5,30]

目前，CGT 的Kinetiks 3000[31-32]和Kinetiks 4000（如4000/17[33]、4000/47[34]）系統(tǒng)仍是國內(nèi)外諸多科研機構(gòu)現(xiàn)役的主要噴涂設(shè)備。后來，CGT 被熱噴涂企業(yè)蘇爾壽美科公司收購，原公司經(jīng)理重新成立了Impact Innovations 公司。

目前該公司在市場上主推的新一代冷噴涂系統(tǒng)是Impact Innovations 5/8 噴涂系統(tǒng)（圖5a）和Impact Innovations 5/11 噴涂系統(tǒng)（圖5b），其中5/11 噴涂系統(tǒng)工作氣體的最高溫度和壓力可分別達到1100 ℃和6 MPa，送粉速率為1.5 L/h。目前，Impact Innovations系統(tǒng)客戶涉及中國（625 所、529 廠、北京礦業(yè)研究總院等）、美國（通用電氣GE、ASB Industries 等）、法國（施耐德電氣、CEA Le Ripault 研究所、法國INSA-Lyon 大學(xué)）、德國（漢堡聯(lián)邦國防軍大學(xué)UniBwH）、意大利（Flame Spray S.P.A.公司）和英國（TWI 焊接所）等。

圖5 Impact innovations 公司冷噴涂系統(tǒng)[5]Fig.5 CS systems of (a) Impact 5/8 and (b) Impact 5/11 from Impact Innovations GmbH[5]

4.1.2 日本Plasma Giken

該公司1980 年成立于日本東京，主要從事熱噴涂設(shè)備的研發(fā)制造、噴涂加工和涂層檢測。2002 年從西安交通大學(xué)李長久教授課題組引進冷噴涂技術(shù)開始，該公司便一直從事冷噴涂設(shè)備與技術(shù)的研發(fā)，其開發(fā)制造的PCS 系列冷噴涂設(shè)備已得到國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，例如，用于科研和小型生產(chǎn)的PCS-100 系統(tǒng)和大型工業(yè)化PCS-1000/PCS-800 高溫高壓冷噴涂設(shè)備。圖6a 所示的是一套工業(yè)生產(chǎn)型的PCS-1000 冷噴涂系統(tǒng)的基本組成[35]，其工作氣體的最高溫度和壓力分別是1100 ℃和7.0 MPa，送粉率在300～500 g/min。

目前，該公司PCS 冷噴設(shè)備已工業(yè)成熟化，并廣泛應(yīng)用于航空部件的修復(fù)及增材制造（例如以GE、羅羅為代表的Ni 基高溫合金、Al 合金等重要零部件）、靶材制造和修復(fù)、日用炊具（內(nèi)膽導(dǎo)磁涂層）以及新能源汽車等不同領(lǐng)域。

4.1.3 美國VRC Metal Systems

2011 年，位于美國馬里蘭州Adelphi 市的美國陸軍研究試驗室（ARL）聯(lián)合南達科他州礦業(yè)學(xué)校（SDSM&T）研發(fā)了新型的便攜式高溫高壓冷噴涂系統(tǒng)[36]，如圖6b 所示。目前，該系統(tǒng)已向美國國防部過渡，ARL 和SDSM&T 建立了系統(tǒng)的共同所有權(quán)協(xié)議，并命名為VRC Gen III 系統(tǒng)[36-37]，于2013 年開始商業(yè)化推廣。該系統(tǒng)的開發(fā)旨在為美國軍事基地和戰(zhàn)斗人員提供國防部武器的高質(zhì)量維修，因此該系統(tǒng)的手持功能和移動性是其重要的設(shè)計特征。

圖6 冷噴涂系統(tǒng)Fig.6 CS systems: a) PCS-1000 of Plasma Giken Co., Ltd[35]; b) VRC Gen III system from VRC metal systems[36]

4.1.4 其他高壓冷噴涂系統(tǒng)

除了上述的商用高溫高壓冷噴涂系統(tǒng)，根據(jù)目前最新的文獻報道，還有其他來自國內(nèi)外學(xué)者和研究人員開發(fā)和搭建的冷噴涂系統(tǒng)，如表2 所示。

表2 其他高壓冷噴系統(tǒng)Tab.2 Other HPCS systems

其中，西安交通大學(xué)李長久教授課題組[38-39]于2000 年底最先自主研發(fā)了國內(nèi)第一套CS-2000 型冷噴涂系統(tǒng)。2016 年，西北工業(yè)大學(xué)李文亞教授課題組設(shè)計了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高溫高壓冷噴涂系統(tǒng)（圖7a），工作氣體最高的壓力和溫度分別可達到4 MPa 和800 ℃[40]。圖7b 是李文亞教授協(xié)助集美大學(xué)郭學(xué)平教授課題組于2014 年搭建的高壓冷噴涂系統(tǒng)，壓力、溫度也可達到4 MPa、800 ℃。圖7c 是由愛爾蘭都柏林大學(xué)圣三一大學(xué)（Trinity College Dublin, TCD）開發(fā)的冷噴涂系統(tǒng)，其工作氣體的壓力、溫度范圍分別是0.5～3.5 MPa、室溫～1000 ℃[41]。

圖7 自主研發(fā)的高壓冷噴涂系統(tǒng)Fig.7 Home-made HPCS systems: a) Northwestern Polytechnical University, Xi’an, China[40], b) Jimei University, c) TCD, Ireland[41]

4.1.5 HPCS 商業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用實例—增材制造

目前，Impact Innovations、Plasma Giken 等公司已成功將冷噴涂技術(shù)推廣到實際的工業(yè)應(yīng)用當中。圖8a、8b 分別是采用德國Impact 5/11 和日本PCS-1000冷噴涂系統(tǒng)增材制造的火箭噴嘴[5]和Inconel 625 鎳基高溫合金[35]。前者Cu、Ni 的沉積效率分別是99%、97%，共需噴涂時間250 min；后者是在不銹鋼上制備Inconel 625 鎳基高溫合金，送粉率是350 g/min，沉積效率為80%。

圖8 冷噴涂增材制造Fig.8 Additive manufacturing: a) rocket nozzle by imapct 5/11 system[5]; b) Inconel 625 part by PCS-1000 system[35]

4.2 低壓冷噴涂工藝

圖9a 給出的是低壓冷噴涂（Low Pressure Cold Spray, LPCS）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖[4]。與高壓系統(tǒng)相比，低壓系統(tǒng)具有兩個明顯的特征：1）一般采用便攜式空氣作為高壓壓縮氣體，也可采用氮氣或氦氣；2）粉末顆粒的送入點一般位于噴嘴的擴張段，此處的局部壓力足夠低，可允許粉末在大氣壓下從送粉器送至噴槍。大多數(shù)情況下，“冷噴涂”一詞是指“高壓冷噴涂”，而使用“低壓冷噴”時須特別指出。

圖9 低壓冷噴涂Fig.9 Low pressure cold spray: a) schematic of LPCS[4]; b) spray gun structure of LPCS system of SST-PX from Centerline[49]

上述特征讓低壓冷噴涂系統(tǒng)具有更加靈活、噴槍尺寸更小、設(shè)備及加工成本相對較低等優(yōu)點，因此特別適合破損零部件的現(xiàn)場修復(fù)；缺點是低壓冷噴系統(tǒng)中的粒子速度較低，因此在材料沉積種類上受到限制，僅可噴涂有限的材料，如Cu、Al、Ni 以及其復(fù)合材料等。目前，市場上主流的LPCS 系統(tǒng)是加拿大的CenterLine SSTTM系統(tǒng)[49]、美國的Inovati KM 系統(tǒng)[50-51]以及俄羅斯的OCPS DYMET 設(shè)備[52]等。

4.2.1 加拿大CenterLine SST

自2003 年以來，CenterLine 的超音速噴涂技術(shù)（Supersonic Spray Technologies, SST）部門開發(fā)和設(shè)計了移動式和固定式的實用型低壓冷噴涂系統(tǒng)，可滿足手動或機械臂噴涂的不同應(yīng)用要求[49]。SST 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，便于運輸、現(xiàn)場噴涂操作。目前最新一代的SST-PX 和SST-EPX 系統(tǒng)是分別基于SST-P 和SST-EP系統(tǒng)的升級更新。圖10 所示的是最新SST-PX 低壓冷噴系統(tǒng)，UltiLife、UltiFlow 兩款噴嘴分別具有長壽命、防阻塞功能，工作氣體的壓力為0.7～1.72 MPa，溫度范圍為室溫～ 550 ℃。該系統(tǒng)配備最新的SST-X送粉系統(tǒng)，最高送粉率可達120 g/min（Al 粉）；此外，還可分別搭配自動噴槍或手持噴槍使用。

圖10 SST-PX 系統(tǒng)[49]Fig.10 SST-PX LPCS system[49]

4.2.2美國Inovati KM

美國Inovati 公司是一家位于美國加州的低壓冷噴涂設(shè)備制造商[50]，該公司提供三種不同配置的冷噴涂設(shè)備KM-CDS、KM-PCS 和KM-MCS，可分別適用于實驗室研究、自動化生產(chǎn)以及現(xiàn)場手動操作等不同場合，如圖11 所示。目前，該系統(tǒng)是美國海軍用于專業(yè)維修的主要設(shè)備。

該系統(tǒng)采用的動力噴涂技術(shù)與傳統(tǒng)冷噴涂技術(shù)不同，主要體現(xiàn)在Inovati 噴涂過程中，采用低壓的He 氣加速，氣流在噴嘴內(nèi)粒子的速度是音速而非超音速。目前3 種噴槍（圖11b）均采用了摩擦補償型音速噴嘴的專利技術(shù)[51]，因此Inovati KM 系統(tǒng)的操作壓力比其他設(shè)備低得多，均可在3.8 kW 熱量調(diào)節(jié)單元下工作，氣體的壓力和溫度范圍分別是0.35～0.9 MPa、0～1000 ℃。值得一提的是，該系統(tǒng)可用于噴涂金屬陶瓷（如WC-Co）、Nb 等硬金屬。此外，Inovati可移動式KM-MCS 系統(tǒng)（圖11c）的KM 手持式噴槍具有和其他噴槍所等同的氣體和粉末控制參數(shù)，可用于現(xiàn)場噴涂、設(shè)備維修。（注：該低壓冷噴系統(tǒng)受美國商務(wù)部監(jiān)管，無法銷售給中國軍工部門）

圖11 美國KM 系列冷噴系統(tǒng)[50]Fig. 11 USA KM-series cold spray systems[50]:

4.2.3俄羅斯OCPS DYMET

前蘇聯(lián)是最早提出冷噴涂概念的國家，并進行了相關(guān)的理論和實驗研究。俄羅斯奧布寧斯克粉末噴涂中心（OCPS）自1992 年以來一直從事低壓冷噴涂設(shè)備的研發(fā)[52]。目前，DYMET 423 設(shè)備（圖12a）可用沉積Al、Zn、Ni 等不同材料的金屬涂層。該設(shè)備可用手持操作，也可被安裝在自動化、機器人系統(tǒng)中使用，還可用于金屬基體的表面噴砂處理。該設(shè)備最大輸入的壓縮空氣壓力為1.2 MPa，在DM45 噴槍內(nèi)部工作氣體的壓力、溫度分別為 0.5～0.8 MPa、200～600 ℃，最大功率為3.3 kW，送粉量為0.1～0.8 g/s。此外，DYMET 425（圖12b）設(shè)備的送粉量為1～7 g/min，噴槍內(nèi)部工作氣體的壓力為0.5 ～1 MPa，供應(yīng)電壓為220 V。

圖12 俄羅斯OCPS 公司LPCS 系統(tǒng)[52]Fig.12 Russian OCPS LPCS systems[52]

4.2.4LPCS 商業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用實例—損傷修復(fù)

低壓冷噴涂技術(shù)已被證明可用在腐蝕緩解與防護、尺寸修復(fù)、鑄造件和模具維修與再造等工業(yè)領(lǐng)域[53]。如圖13a 所示，KM 系統(tǒng)已用于修復(fù)F/A-18 飛機大量的零部件，結(jié)果表明用WC-Co 維修過的液壓泵齒輪軸（圖13a 紅色箭頭所示）比原來的鋼軸更具有耐磨功能[54]；圖13b 所示的是SST 系統(tǒng)用于現(xiàn)場修復(fù)腐蝕部件的表面損傷[55]；此外，便攜式的DYMET 系統(tǒng)（圖13c）成功用于修復(fù)圣彼得堡以撒大教堂的古董雕塑上脫落的電鍍銅涂層[56]。

圖13 LPCS 修復(fù)實例Fig.13 LPCS repair example: a) dimensional restoration of F/A-18 parts by KM system[54]; b) field damage repair on corrosion surface by SST system[55]; c) restoration of lost copper coating on the antique sculptures by DYMET system[56]

4.3 真空冷噴涂技術(shù)

1994 年，日本J. Akedo 教授[57-60]提出了一種在室溫下制備陶瓷涂層的新方法—粉末氣浮沉積法（Powder Aerosol Deposition, PAD 或AD），即真空冷噴涂（Vacuum Cold Spray, VCS）。作為一種新型的陶瓷薄膜制備工藝，與其他涂層制備技術(shù)相比，它具有沉積溫度低、材料無相變以及較高的沉積效率（通常每分鐘可達幾百納米至幾微米）等優(yōu)點，可用于致密薄膜的高效制備，能在較低的溫度和顆粒速度下實現(xiàn)不同類型的材料的沉積，如陶瓷、金屬、玻璃、硅或塑料等[57-68]。

4.3.1真空冷噴涂沉積機理

有效的噴涂“沉積窗口”是指給定噴涂溫度和粒徑的金屬材料只有在一定速度范圍內(nèi)才能實現(xiàn)涂層沉積沉積，粒子速度過低時，涂層沉積效率和顆粒結(jié)合率低，而速度過高將造成明顯的沖蝕。由圖14 可見，與常規(guī)冷噴涂（見4.1 章節(jié)）相比[69]，真空冷噴涂具有更小的沉積窗口，更低的沉積溫度（室溫）和臨界速度[68]。AD 能否實現(xiàn)材料沉積的決定性因素是載氣種類、氣體流量、噴涂距離以及掃描速度等參數(shù)；通常，涂層的厚度和面積可根據(jù)在基體上的掃描次數(shù)和長度來調(diào)整[45]。

與傳統(tǒng)CS 較明確的結(jié)合機制（高速碰撞的金屬粒子發(fā)生嚴重塑性變形引起的機械嵌合和以絕熱剪切失穩(wěn)引起的局部冶金結(jié)合不同[4]）相比，目前對AD 沉積機制的認識尚不完全，目前普遍認可的結(jié)合機理有晶粒細化、塑性變形和后續(xù)粒子夯實作用等[57,62,66-67,70]。圖15a 是采用分子動力學(xué)（Molecular Dynamics）模擬了粒徑50 nm 的TiO2顆粒在不同速度下的碰撞行為[70]：1）反彈，2）沒有通過裂紋抑制產(chǎn)生斷裂的完全鍵合，3）具有斷裂的部分鍵合?？梢娞沾闪Ｗ铀俣鹊拇笮μ沾深w粒的沉積具有重要的影響。圖15b 描述了Al2O3顆粒在玻璃基體上的沉積過程：粒子以139～395 m/s 速度撞擊基體，經(jīng)歷嚴重的塑性變形和動態(tài)破碎，后續(xù)粒子的連續(xù)撞擊和夯實作用增加了碎裂顆粒的納米結(jié)晶度和顆粒間結(jié)合，誘發(fā)破碎顆粒之間較強的固結(jié)力，沉積薄膜最后由致密的納米晶顆粒組成，但表面呈現(xiàn)一定數(shù)量的沖蝕坑[66]。圖15c 是初始的Al2O3粉末和室溫下沉積薄膜的TEM照片，結(jié)果表明，涂層具有高的致密度和隨機取向的納米多晶結(jié)構(gòu)，且晶粒尺寸小于20 nm，TEM 和電子衍射結(jié)果在晶界處未發(fā)現(xiàn)明顯的非晶區(qū)域[57-58]。

圖15 真空冷噴涂顆粒碰撞行為和組織結(jié)構(gòu)Fig.15 Partcie impact behaviors and microstructures of vacuum cold sprayed deposits:

最近，德國拜羅伊特大學(xué)（University of Bayreuth,UBT）的Moos 教授課題組[61]在Adv. Mater.雜志發(fā)表了后退火處理對AD 涂層的影響的綜述論文，討論了11 種AD 薄膜的后退火行為，這些涂層根據(jù)不同的電荷載體可分為4 類，即：氧離子、質(zhì)子、鋰離子和電子。還揭示了熱處理對電導(dǎo)率σ和組織行為的影響，指出AD 薄膜存在的大量納米晶和高應(yīng)變會極大降低材料的性能，退火處理有助于增加材料的結(jié)晶度，降低微應(yīng)變，從而提高薄膜的導(dǎo)電性。并提出了低熔點陶瓷的退火溫度范圍為500～600 ℃，而具有極高熔點陶瓷的退火溫度范圍為約1000～1100 ℃。由此可見，與傳統(tǒng)HPCS 和LPCS 所制備的涂層類似，后熱處理對AD 涂層同樣具有重要意義。

基于AD 室溫制備致密薄膜的優(yōu)勢，AD 已在微電子、新能源、生物醫(yī)護和金屬防護等不同領(lǐng)域展示了良好的應(yīng)用前景[57-68]。迄今，AD 已用來制備各類陶瓷涂層，如：α-Al2O3、納米TiO2、光電催化涂層（BiVO4、Fe2O3等）、陶瓷MAX 相（包括Ti3SiC2、Cr2AlC 和Ti2AlC）、儲能材料NMC、防腐蝕YSZ 薄膜、壓電陶瓷PZN-PZT 涂層、熱敏電阻NiMn2O4材料、固體氧化物燃料電池LSGM 薄膜和全固態(tài)鋰電池LLZ 薄膜等[57-64,66-68]。目前，AD 也用來制備金屬薄膜，如Cu[65,71]、Ti[71]、CuAlMn 等。

4.3.2 AD 系統(tǒng)

基于目前文獻報道（不完全統(tǒng)計），國內(nèi)外主要從事AD 技術(shù)研究和設(shè)備開發(fā)的機構(gòu)包括：日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, AIST）[57-60]、德國漢堡聯(lián)邦國防軍大學(xué)（Universit?t der Bundeswehr in Hamburg, Uni.BwH）表面技術(shù)實驗室[60,70]、UBT 大學(xué)Moos 教授功能材料課題組[61,68,71]、西安交通大學(xué)熱噴涂實驗室[62-63,65]、韓國材料科學(xué)研究所（Korea Institute of Materials Science, KIMS）[58,64,66]、漢陽大學(xué)國家研究實驗室（National Research Laboratory,NRL）[66-67]、美國P. Fuierer 教授課題組（德國UBT大學(xué)合作者之一）[72]、桑迪亞國家實驗室[73]以及法國利摩日大學(xué)歐洲陶瓷中心[74]等。

圖16 總結(jié)了上述機構(gòu)中開發(fā)的兩種主要AD 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。對比發(fā)現(xiàn)，共同之處是系統(tǒng)均主要由氣源系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、真空沉積艙室、加速噴嘴、移動平臺以及真空系統(tǒng)等部分組成。不同之處是，圖16a 中所示的是德國UBT 大學(xué)AD 系統(tǒng)[61]（其與AIST[57-60]、Uni.BwH[60]、以及KIMS[58,64,66]提供的結(jié)構(gòu)圖類似），亞微米級粉末粒子在氣浮腔室直接與來自氣源系統(tǒng)提供的載氣混合，通過振動形成氣溶膠，然后進入真空艙室內(nèi)通過噴嘴加速，并撞擊在基體表面形成涂層；而在西安交通大學(xué)[62-63,65]研發(fā)的VCS-2003 系統(tǒng)中（圖16b），來自氣源系統(tǒng)的氣體被分為兩股，一股氣體直接進入噴嘴，同時，第二股氣體（稱為送粉氣體）通過送粉器，然后這兩股氣體在真空腔室內(nèi)混合，再經(jīng)過噴嘴的進一步加速而撞擊基體表面形成涂層。

圖16 AD 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.16 Schematic diagrams of AD system: a) UBT[61]; b) VCS-2003 system by XJTU[62-63,65]

由于AD 原理相對CS 簡單，因此AD 技術(shù)具有將系統(tǒng)尺寸從較大的固定裝置改造成緊湊型的臺式設(shè)備的潛力，如圖17a 所示，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的J. Akedo 教授在2008 年發(fā)表的文章中給出了不同尺寸的AD 設(shè)備原型，其中最大尺寸的設(shè)備可用于沉積面積50 cm2的涂層，而最小的尺寸小于1 cm2。其中小型AD 設(shè)備（圖16a 左下）已成功在零重力飛機中進行噴涂測試，為太空站提供潛在用途[75]。圖17b 展示了德國UBT 實驗室的AD 設(shè)備的真空腔室和氣浮發(fā)生裝置[68]，圖17c、d 是AIST 在2018 年給出的AD 設(shè)備外觀圖片，以及真空腔室內(nèi)的噴槍和基體夾持的圖片[76]。值得一提的是，AD 方法于2011 年被TOTO 公司投入到半導(dǎo)體陶瓷結(jié)構(gòu)零部件材料的制造中，極大地提高了半導(dǎo)體的生產(chǎn)效率。

圖17 不同的氣浮沉積裝置Fig.17 Various AD systems: a) AD devices in different sizes at AIST[75]; b) photo of aerosol generation unit and AD chamber at UBT[68]; c) photo pf AIST system in 2018[76]; d) spray gun and substrate[76]

5 基于噴槍/噴嘴設(shè)計的冷噴涂工藝

5.1 內(nèi)孔冷噴涂

眾所周知，工業(yè)領(lǐng)域中很多重要的零部件內(nèi)壁往往面臨磨損、腐蝕、沖蝕或高溫等苛刻工況，必須進行表面防護，如Al 合金發(fā)動機的缸體、航空發(fā)動機噴管、液壓油缸、石油管道和閥門等等。同時，由于磨損或腐蝕造成零件內(nèi)壁的尺寸超差也需要修復(fù)。其中，汽車發(fā)動機的氣缸套是磨損最為嚴重的零部件之一，因此，在缸套的內(nèi)壁上噴涂涂層代替原有的鑄鋼套具有重要意義。

2005 年，李文亞等人[77-78]最早提出了內(nèi)孔冷噴涂技術(shù)，并進行了相關(guān)的噴嘴設(shè)計，于2005—2007年在法國標致公司支持下，在法國LERMPS 實驗室開發(fā)了70 mm 內(nèi)徑的冷噴涂系統(tǒng)，并成功實現(xiàn)了內(nèi)壁涂層的制備（圖18），可沉積Cu（圖18b）、Al、Fe 等材料。目前，李文亞教授課題組還設(shè)計并制造了小于50 mm 內(nèi)徑的噴嘴，例如2019 年設(shè)計了一個～30 mm 內(nèi)徑的噴嘴，可用于制備較致密的Cu 涂層。

圖18 內(nèi)徑70 mm 內(nèi)孔噴嘴及所沉積的Cu 涂層（N2：2 MPa, 300 ℃）[77]Fig.18 Designed nozzle with inner dimater of 70 mm and the corresponding Cu coating (N2 at 2 MPa, 300 ℃)[77]

此外，CenterLine 公司SST 推出的兩種噴嘴UltiLife 和UltiFlow（長度分別是70 mm 和120 mm），均可連接至90°支架，用于內(nèi)孔涂層的制備[49]，如圖19a、b 所示。Inovati KM 公司也開發(fā)了內(nèi)孔噴槍（圖11b），可用于50 mm 的內(nèi)孔壁涂層的制備[50]。日本Plasma Giken 公司2019 年也報道了內(nèi)孔冷噴技術(shù)（≥80 mm），如圖19c、d 所示，其收縮段的材料是WC，擴張段材料可以是WC、SiC 或玻璃[79]。圖19e 是Impact innovations 公司研發(fā)內(nèi)孔噴槍，可用于84 mm管徑內(nèi)壁的涂層制備[5]。

圖19 內(nèi)孔噴嘴Fig.19 Inner diameter nozzles

5.2 脈沖式冷噴涂

2005 年，加拿大渥太華大學(xué)及合作者基于噴嘴設(shè)計，研發(fā)出了脈沖氣體動力冷噴涂（Pulsed Gas Dynamic Spray, PGDS）系統(tǒng)，又稱為沖擊波推進冷噴涂（Shockwave-induced Spray Process, SISP），2007年的第一篇文獻全面報道了該工藝[77,80]，2008 年獲得專利后[81]，與CenterLine 公司建立了合作伙伴關(guān)系[82]，推出了第一代PGDS 商業(yè)設(shè)備，名為Waverider，如圖20a 所示。

圖20 脈沖氣體動力冷噴涂Fig.20 Pulsed gas dynamic spray: a) PGDS equipment named“Waverider”[82]; b) schematic of PGDS technique. A, B and C represent shock wave generation, particles flow under compressed gas and coating build-up, respectively[83]

PGDS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖20b 所示，其基本原理與CS 類似，均是由高速顆粒撞擊基體發(fā)生塑性變形而沉積形成涂層。不同的是，在傳統(tǒng)HPCS 中，推動顆粒前進的氣流是連續(xù)的，而PGDS 是使用一系列的高壓脈沖氣流來推動粉末顆粒，優(yōu)點是可節(jié)省氣體的使用量。通過高頻截止閥門非同步的開啟/關(guān)閉，產(chǎn)生一定頻率的脈沖震動（A），該沖擊波能夠加速和加熱噴槍中的粉末（B），使其達到高的沖擊速度（類似于HPCS），撞擊基體形成涂層（C）。在HPCS 中，將熱量轉(zhuǎn)換成動能的de Laval 噴嘴的擴張段會導(dǎo)致推進氣體溫度驟減，從而冷卻顆粒；而在PGDS 中，不需要de Laval 噴嘴，粉末顆粒沒有經(jīng)歷冷卻過程，在加速的同時可能被加熱到更高的溫度。因此與CS相比，PGDS 沉積所需的臨界速度較低[83-84]。

圖21 介紹了基于渥太華大學(xué)冷噴涂實驗室開發(fā)并由Centerline 公司制造的商用PGDS 系統(tǒng)，包括PGDS 系統(tǒng)整體圖、PGDS 噴槍以及噴涂室內(nèi)部[81]。整體系統(tǒng)由驅(qū)動氣體裝置、氣體加熱裝置、旋轉(zhuǎn)閥、噴槍系統(tǒng)、噴涂室和控制系統(tǒng)等組成。PGDS 噴槍固定在噴涂室頂部（圖21b），兩軸移動系統(tǒng)安裝在噴涂室內(nèi)部，直線精度為0.01%，用于移動噴槍下方的基體（圖21c）。詳細的過程圖和系統(tǒng)參數(shù)可參考文獻[81]。

圖21 脈沖氣體動力冷噴涂裝置[81]Fig.21 Pulsed gas dynamic spray device[81]: a) layout of PGDS system; b) PGDS gun; c) PGDS spray chamber

目前，該工藝可有效沉積Cu、Zn、Al 及其合金、Ti、不銹鋼（300、400 系列）、Fe 基非晶、Ni 合金和WC-Co/WC-Cr 等一系列材料[77,81-83]，如圖22 所示，顯微組織圖片表明，所制備的涂層致密，顆粒變形程度高。

圖22 PGDS 制備的涂層[82]Fig.22 Microstructures of deposits by PGDS[82]: a) Al-Si alloy, b) stainless steel, e) pure copper

5.3 激波風洞冷噴涂

激波風洞冷噴涂（Shock Tunnel Produced Cold Spray）技術(shù)是由德國亞琛工大表面工程研究所和沖擊波實驗室共同開展的一項研發(fā)工作[85]，其技術(shù)原理[86]如圖23 所示：在高壓部分（HPS）和雙隔膜腔室（DD）加入壓縮氣體至所需的壓力，在低壓部分（LPS）、超音速噴嘴（N）和存儲罐（DT）充入與大氣壓相等的N2；打開釋放閥，導(dǎo)致雙隔膜腔室的壓力迅速下降、膜片破裂；然后形成一個沖向低壓部分的沖擊波（ISW），同時也產(chǎn)生一個沖向上游高壓段的膨脹波（EF），進而沖擊波后面的高溫流動區(qū)和膨脹波引起的低溫流動區(qū)中間形成了一個接觸表面（CS），在這兩個區(qū)域的氣體具有等同的速度和壓力；當沖擊波碰撞到超音速噴嘴的入口時，由于噴嘴入口和喉部的尺寸均非常小，沖擊波幾乎完全被反射回來，但反射導(dǎo)致在噴嘴入口和反射沖擊波（RSW）之間形成了一個可以視為貯存器的高溫高壓區(qū)域，當反射沖擊波與接觸面相互作用時，會產(chǎn)生傳播沖擊波（TSW）和反射沖擊波，從接觸表面向右傳播的反射波到達噴嘴入口，幾乎再次被完全反射，并再次與接觸面相互作用。在相互作用過程中，致使沖擊波的震蕩強度降低，并形成幾乎穩(wěn)定的貯存條件。應(yīng)當指出，多次的反射過程導(dǎo)致貯存條件進一步增加，即需更高的溫度、密度和壓力。當入射波通過噴嘴，只需經(jīng)過很短的時間便可形成準穩(wěn)態(tài)的噴嘴流，注入的粉末顆粒進入氣體流并被加速，與基體碰撞形成致密的涂層。

圖23 激波風洞技術(shù)原理[86]Fig.23 Technical principle of shock tunnel[86]

激波風洞技術(shù)可將35 μm Cu 顆粒的碰撞速度提高至1200 m/s，并在氧化鋁基體上成功沉積成較厚的涂層，極大地提高了涂層的致密性[86]。在前期研究中，使用尺寸較大的裝置可以實現(xiàn)更好的氣體流動可視化和測量；但在具體的工業(yè)應(yīng)用中，只需較小的噴涂設(shè)備、噴嘴和較低的工作氣體量。

5.4 徑向冷噴涂

2016 年，俄羅斯新西伯利亞理論和應(yīng)用力學(xué)研究所報道了一種徑向超音速噴嘴（Radial Supersonic Nozzle），旨在提高Al、Cu、Ni 材料在管道內(nèi)表面涂層的應(yīng)用[87-88]，該徑向噴嘴的基本幾何形狀如圖24a所示。具體的工作原理是：一定的預(yù)設(shè)壓力/溫度的工作氣體（2）從氣體加熱器進入徑向的噴嘴主體（1）中，然后通過穿孔（4）進入混合室（6）；（3）是粉末（與載氣混合）入口，粉末是通過徑向穿孔（5）注入混合室，在到達直徑dcr（見圖24 中標注，下同）的噴嘴喉部之前，混有粉末顆粒的工作氣體轉(zhuǎn)向其運動方向，在徑向噴嘴（7）的超音速部分中加速（即dcr喉部和dex段出口之間），碰撞鋼管內(nèi)表面（10），沉積成內(nèi)壁涂層（11），同時噴嘴以適當?shù)乃俣妊毓茌S由里向外移動。其中（8）和（9）分別是混合室內(nèi)和噴嘴出口處的壓力傳感器[87]。

圖24 徑向超音速噴涂[87]Fig.24 Radial supersonicspray[87]: a) diagram of internal coating deposition process using radial nozzle assembly, b) photos of radial nozzle assemblies; c,d) photos before and after coated steel pipe; e) microstructure of Al coating on steel pipe internal surface

圖24b 是制造的兩個徑向噴嘴裝置，尺寸較大的噴嘴出口直徑為72 mm，喉部直徑為18 mm；尺寸較小的噴嘴出口直徑為40 mm，喉部直徑為10 mm。圖24c、d 是利用出口直徑72 mm 的噴嘴在鋼管內(nèi)壁噴涂Al 涂層前后的圖片；內(nèi)壁Al 涂層的顯微組織照片如圖24e所示，涂層組織致密，可作為鋼管內(nèi)壁良好的保護層。

6 其他工藝輔助冷噴涂技術(shù)

6.1 激光輔助冷噴涂

當采用冷噴涂沉積Stellite-6、Ni60 和鈦合金等高硬度或高強度材料時，顆粒的塑性變形不足，會導(dǎo)致沉積物具有低的沉積效率，高的孔隙率和差的力學(xué)性能[89-90]。為了提高這類材料的沉積效率和涂層的機械強度，英國劍橋大學(xué)的O′Neill 等人[91]于2009 年提出了激光原位輔助冷噴涂復(fù)合技術(shù)（Laser-assisted Cold Spray, LACS），也稱為超音速激光沉積（Supersonic Laser Deposition, SLD）。圖25 是LACS 工藝的原理圖[91]，其主要由傳統(tǒng)的 CS 系統(tǒng)、激光器（Laserlines LDL-80：功率1 kW，波長980 nm）和用于實時測量并控制沉積區(qū)域溫度的高速紅外高溫計（Kleiber KMGA 740-LO：溫度300～2500 ℃）等裝置組成。研究結(jié)果表明，LACS 制備的Ti 涂層孔隙率（0.3%～ 0.6%）遠低于CS 涂層（2%～4%），且兩種涂層的含氧量相當[91]。

圖25 LACS 系統(tǒng)[91]Fig.25 Schematic (a) and layout (b) of LACS system[91]

隨后，W. O′Neill 課題組又相繼采用LACS 研究了一系列的高強度材料，包括Ti、Ni60-WC、W 和Stellite-6 等[89-90,92]；同時，國內(nèi)的浙江工業(yè)大學(xué)率先與劍橋大學(xué)展開合作[93]，也開展了LACS 的研究工作[94-95]；此外，美國ARL 實驗室和俄羅斯等機構(gòu)也進行了一些相關(guān)的研究工作。表3 總結(jié)了激光加熱原位輔助冷噴涂的相關(guān)研究工作。

表3 激光加熱輔助冷噴涂的文獻報道Tab.3 Literature survey on laser heating cold-sprayed deposits

激光增材制造與激光加熱原位輔助冷噴涂的區(qū)別在于：激光增材制造過程中溫度高于材料的熔點，材料發(fā)生熔化。然而在LACS 過程中，激光噴槍同步移動，噴涂顆粒經(jīng)過噴嘴加速后，利用激光輻照對高速的金屬顆粒流和基體進行加熱，將顆粒溫度提高至其熔點的30%～80%；沉積區(qū)域溫度可通過高溫計實時測量，然后通過激光功率來控制涂層的表面溫度；激光輻照產(chǎn)生的熱輸入可顯著軟化顆粒和基體，并降低顆粒的臨界速度，從而使顆粒以較低的速度沉積。因此，LACS 有助于提高粉末的沉積效率，增強涂層內(nèi)部結(jié)合強度以及降低孔隙率[89-91,93,95]。同時，通過控制激光輻照的強度來確保粒子溫度不超過其熔化溫度，防止材料發(fā)生相變或氧化。

此外，Perton 等人[100]將脈沖Nd:YAG 燒蝕激光（Quantel Laserblast 1000）和Nd-YAG 連續(xù)加熱激光（Rofin Sinar CW 020）與傳統(tǒng)冷噴涂工藝（N2：4 MPa/800 ℃）結(jié)合，用于基體表面和制備Ti6Al4V涂層每層的處理，系統(tǒng)裝置圖如圖26 所示。結(jié)果表明，噴涂前的基體激光燒蝕使涂層結(jié)合強度增加，但噴涂中的激光燒蝕降低了涂層的結(jié)合強度。

圖26 激光（加熱+燒蝕）輔助冷噴涂裝置[100]Fig.26 Laser (heating+ablation) assited cold spray[100]

LACS 在制備高硬度材料時展現(xiàn)出較大的潛力，但與傳統(tǒng)冷噴涂工藝相比，由于LACS 沉積溫度較高，可能會導(dǎo)致某些涂層的嚴重氧化[101]。再則，針對易于常規(guī)冷噴涂沉積的材料（如銅、不銹鋼等），由于附加的激光系統(tǒng)和能量，從制造成本角度來看，LACS 的優(yōu)勢較弱。此外，如果所采用的激光功率過高，LACS 還會引入沉積體的熱變形。因此，LACS主要可用于沉積Ti 及其合金[91-92,96,99-100]、W[89-90]、Ni60-WC[93]、Fe91Ni8Zr1 鋼[97]和Stellite-6[95]等高硬度材料。

6.2 靜電場輔助冷噴涂

在傳統(tǒng)CS 過程中，噴嘴外部的基體附近會產(chǎn)生弓形沖擊波，導(dǎo)致整個沖擊的壓力急劇上升；當氣流穿透弓形激波，并接近基體時，載氣速度急劇降低，溫度回升，致使粒徑較小的顆粒碰撞速度不能超過其臨界速度。因此，對于常規(guī)CS 而言，粒徑的選擇是一個重要的參數(shù)。

Jen 等人[102]從理論上研究了靜電場對冷噴涂的作用效果，目的是通過靜電場進一步加速粉末顆粒，從而提高粒子的撞擊速度。圖27a 給出了一種納米顆粒沉積工藝的數(shù)值計算，其研究了超音速氣流中納米帶電粒子與靜電場的傳輸特性。結(jié)果表明，靜電力可輔助帶電粒子加速碰撞基體，較小的顆粒具有較高的飛行速度，較高的粒子電荷密度也可產(chǎn)生較高的撞擊速度，且顆粒越接近基體表面，靜電場的作用力越強。對于納米級顆粒，顆粒密度（即不同的材料）對速度分布幾乎沒有影響。

此外，Takana 等人[103]建立了用于冷噴涂工藝的可壓縮熱流體，如圖27b 所示。研究結(jié)果揭示了納米顆粒的飛行行為、超音速噴射流中沖擊波與粒子之間的相互作用以及靜電力對粒子加速度的進一步影響，表明存在撞擊粒子速度超過臨界速度的最佳粒徑；此外，亞微米粒子與沖擊波相互作用，會導(dǎo)致撞擊速度降低，然而通過靜電力可有效地加速粒子的撞擊速度。該模型還表明涂層厚度可以通過粒度分布來控制，并可通過增加顆粒尺寸分布的標準偏差，使涂層厚度變薄，涂層區(qū)域向外延伸。

圖27 靜電力輔助冷噴涂Fig.27 Electrostatic-force-assisted cold spray: a) schematic of EFACS[102]; b) computational model[103]

靜電場輔助冷噴涂技術(shù)目前還處在計算模擬中，根據(jù)目前不完全的文獻統(tǒng)計，還未有相應(yīng)的EFACS系統(tǒng)和試驗研究的報道結(jié)果。

6.3 磁場輔助冷噴涂

針對冷噴涂沉積鐵磁性的粉末，意大利Astarita等人[104]于 2019 年提出了磁場輔助冷噴涂技術(shù)（Magnetic-assisted Cold Spray, MACS），如圖28b 所示，磁場由NdFeB 永磁體（N30SH-N42SH 級，剩余磁感應(yīng)強度Br=1.2 T，矯頑力Hc= 870 kA/m）提供。外加磁場可用于磁化顆粒（鐵粉）將其加速向基體表面運動。此外，磁引力還能聚焦粉末粒子的飛行軌跡，從而減小擴散。與常規(guī)CS（N20.7 MPa/500 ℃）相比，MACS 技術(shù)可實現(xiàn)鐵磁性材料高的沉積效率，從而使所制備的涂層具有低的孔隙率和高的性能，如圖28c、d 所示，但需要控制送粉率，否則過多的粉末會造成高的孔隙率。

圖28 冷噴涂Fe 的示意圖[104]Fig.28 Schematic diagram of cold spraying Fe[104]: a,c)traditional CS; b,d) MACS

6.4 攪拌摩擦加工輔助冷噴涂

國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)李文亞教授課題組率先進行了冷噴涂涂層的攪拌摩擦加工（Friction Stir Processing, FSP）后處理的工作[105-106]，并基于FSP 后處理的研究工作，提出了攪拌摩擦加工原位輔助冷噴涂技術(shù)（Friction-Stir-in-situ-assisted-CS，圖29）增材制造的新思路，工藝過程是：依次啟動噴槍及攪拌工具，且在第一機械手與第二機械手的協(xié)同作用下，分別帶動噴槍進行涂層制備和攪拌工具進行原位同步改性處理；調(diào)節(jié)第一機械手與第二機械手的位置，控制噴槍和攪拌工具與第一層已沉積涂層表面的距離，完成第二層、第三層、直至第n 層金屬基復(fù)合塊材的制備與改性，逐層達到金屬或金屬基復(fù)合塊材所需的厚度。

圖29 攪拌摩擦加工原位輔助冷噴涂技術(shù)原理圖Fig.29 Schematic of FSP-in-situ-assisted-CS additive manufacturing

2020 年，Wang 等人[107]開展了CS 和FSP 復(fù)合增材制造技術(shù)制備Al 塊材，如圖30a 所示。在實際的試驗當中，預(yù)先制備了第一層2.5 mm 厚的Al 涂層，再采用FSP 對第1 層涂層進行改性處理；然后，在第1 層FSP 后的涂層表面噴涂第2 層Al 涂層（1.5 mm），并進行相應(yīng)的FSP 處理，如圖30b 所示。結(jié)果表明，復(fù)合技術(shù)所制備塊材的強度（87 MPa）和延伸率（60.3%）均高于傳統(tǒng)冷噴涂制備的材料（60 MPa 和4.2%）。但上述過程比較復(fù)雜，研究人員未在文獻中對如下問題進行說明，即同一層的CS 和FSP 工序之間是否需要對樣品進行拆卸。

圖30 攪拌摩擦加工輔助冷噴涂技術(shù)[107]Fig.30 Friction stir processing-cold spray additive manufacturing[107]

7 總結(jié)與展望

冷噴涂技術(shù)自20 世紀80 年代中期被前蘇聯(lián)科學(xué)院理論與應(yīng)用力學(xué)研究所發(fā)現(xiàn)至今，其工藝原理和涂層沉積機理已經(jīng)得到了大量的研究，這些研究對冷噴涂系統(tǒng)的開發(fā)具有重要的理論意義。冷噴涂系統(tǒng)質(zhì)量對沉積涂層的性能和粉末的沉積效率有重要的影響。冷噴涂系統(tǒng)的不斷更新迭代，使冷噴涂技術(shù)的理論研究不斷地應(yīng)用在實踐生產(chǎn)上，并由實驗室研究逐漸走向工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。

在冷噴涂的材料研究、沉積工藝和結(jié)合機理等方面仍需大量的基礎(chǔ)研究，例如：1）在冷噴涂材料體系和涂層/基體組合上仍存在大量的探索空間；2）如何通過粉末的粒徑、形貌、內(nèi)部組織和表面氧化狀態(tài)來優(yōu)化沉積效率；3）揭示氣固兩相流過程中氣流與顆粒的熱動力學(xué)行為；4）如何通過研究顆粒沉積過程中的組織演變，從而預(yù)測沉積體的最終力學(xué)性能和斷裂特征；5）進一步解釋真空冷噴涂陶瓷、冷噴涂金屬復(fù)合材料和聚合物材料的沉積行為和結(jié)合機制。

此外，冷噴涂作為一種具有潛力的金屬增材制造和修復(fù)的方法，在制備高強高韌塊材、復(fù)雜零部件和損傷修復(fù)尚存在一些關(guān)鍵難題，例如：1）如何通過機械手編程控制噴槍移動軌跡來增材制造或修復(fù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件，并根據(jù)零部件的尺寸大小及涂層表面距離噴槍距離來實時反饋并調(diào)節(jié)噴涂工藝參數(shù)，是冷噴涂在今后增材制造及零部件修復(fù)等領(lǐng)域的主要工作；2）如何通過機械手編程和噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計來進一步提高沉積成形件的精度以及成形零件的復(fù)雜度，并使之滿足近凈成形的要求；3）冷噴涂制備的塊材塑性極低，因此如何采用傳統(tǒng)的單一冷噴涂技術(shù)或者復(fù)合工藝制備強塑性均高的塊材仍是需要解決冷噴涂沉積體作為工程結(jié)構(gòu)材料的重要難題；4）冷噴涂噴嘴堵嘴問題，仍是大批量工業(yè)應(yīng)用的障礙，如何從噴嘴設(shè)計、噴嘴材料選擇、輔助冷卻等各方面尋找有效措施，仍是亟需開展的工作。