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      冷噴涂的發展及國內外研究現狀

      添加人:材料人 發布時間:2019/1/4 9:58:29 來源:微信公眾號

      冷噴涂概念于1990年提出,其緣起于80年代中期前蘇聯科學院,在用示蹤粒子進行超音速風洞試驗時發現,當粒子的速度超過某一臨界速度時,示蹤粒子對靶材表面的作用從沖蝕轉變為加速沉積。1995年,最先參與冷噴涂研究的原蘇聯研究者Papyrin在美國召開的全美熱噴涂會議上與美國學者聯合發表相關研究結結果。2000年,在加拿大召開的國際熱噴涂會議上,組織了冷噴涂技術討論會,由此,冷噴涂技術在國際上引起了廣泛的關注。近幾年來,美國、德國、英國、日本、中國等世界主要國家的高校、研究機構對冷噴涂技術開展了大量的研究工作。具體如下:
      1、俄羅斯
      1990年,俄羅斯科學院西伯利亞分院理論與應用力學研究所率先提出了“冷噴涂”概念,隨后科學家們對冷噴涂技術的理論、結構進行了深入的研究,如對超音速雙相氣流的加速和阻尼的細致研究、建立數學公式,分析不同壓力、溫度和驅動氣體情況下,評估粒子噴出的速度;建立了冷噴涂過程中的統計學模型;研究了氣流與阻礙物的熱容量影響和顆粒沖擊阻礙物時的變形量,能得出噴涂技術的優化條件;探索冷噴涂技術應用設計的具體方案,力求以空氣作為驅動氣體。這些研究為冷噴涂設備的研制奠定了基礎。
      俄羅斯奧柏尼斯克粉末噴涂中心,在奧•費•克留也夫的領導下,徹底改變了氣體動力噴涂技術的實現方法。他們提出,只用10大氣壓以下的空氣就實現了純金屬與金屬粒子和陶瓷粉末混合物的氣體動力噴涂技術。他們在加速氣流中同時輸入陶瓷顆粒,以陶瓷顆粒的動能補充金屬顆粒動能的不足。已加速的陶瓷顆粒與基體相互作用,對所形成的涂層進行動力加工。由此獲得密實均勻的塑性金屬涂層,例如,鋁、銅、鋅和鎳。這種動力金屬化過程稱為”聚美特” (Dymet)技術。
      “聚美特”技術采用了空氣噴涂,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%,因為加入雙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”技術原理示意圖
      2、烏克蘭
      在烏克蘭,科學家們對氣體動力噴涂技術進行了研究。他們采用空氣(加熱250攝氏度,壓力為18大氣壓)作為驅動氣體,確定了噴涂尺寸大于50微米顆粒應用的可能,因為當超音速氣流處于絕熱冷卻時,它們在噴嘴擴展部分,緩慢變涼。
      3、美國
      美國冷噴涂技術研究始于90年代中期,由巴比林和美國Sandia National Laboratories 實驗室聯合開始研究,他們設計了氣體動力噴涂的基礎裝置。Ktech 公司生產了工業化的計算機系統的氣體動力噴涂設備,氣壓達30大氣壓,功率為25千瓦。ASB工業公司改善了冷噴涂設備的操作性能。設備使用的關健問題在于,當強加熱雙相混合物時,金屬顆粒在噴嘴臨界斷面處沉積很嚴重;并研究看尺寸為50-150微米顆粒的噴涂技術。美國國防研究實驗室和賓夕尼亞大學也從事了噴涂技術優化的研究工作,其中從事改善驅動噴嘴特性的優化,最佳噴涂粉末材料的選擇,以及所噴制的涂層性質研究和確定它們在各種技術任務中應用。
      4、英國
      在英國有劍橋大學、利物浦大學和諾丁漢大學從事冷噴技術的研究,主要科研方向是研究采用純氦氣冷噴涂技術所獲得的涂層性質,探索利用冷噴技術直接制造給定形狀零件的可能性。
      5、加拿大
      加拿大材料科學研究院(CNRC NRC)的低溫噴涂技術能實現200℃以下溫度的噴涂,涂層厚度≥4mm。該技術噴射粒子速度達到1200米/秒,涂層硬度可以通過金屬粒子原料的硬度來控制。據NRC反映,其部分粒子供應商來自中國。該技術可以對零件的內外表面進行噴涂,其中中空件內部噴涂時內徑應≥70mm,在噴涂之前需采用鋁砂對零件表面進行處理。對于該技術,噴涂的設備、原料均可直接采購,重難點在于噴涂的工藝研究,NRC不制造設備,他們主要研究對不同的原料、不同的零件材料,進行噴涂的具體工藝要求。
      加拿大渥太華大學采用了純氦氣和氮氣作為噴射氣體,對冷噴技術和涂層性質進行了大量的研究,主要是改善噴嘴中顆粒驅動技術和在各種工藝過程中應用的可能性。
      6、日本
      日本旬宿大學從事優化噴嘴的研究工作。他們發現驅動重顆粒的噴嘴長度可以大大地增大;并在臨界斷面之后,采用垂直供金屬粒子的方法,避免了當強預熱氣體時,在臨界斷面處沉積顆粒的毛病,而且縮短了加速的長度。
      7、德國
      德國漢堡的博得斯維拉大學,對冷噴技術也進行的大力的研究。德國研究者在數學模擬和實驗研究基礎上,建立了冷噴技術的細致模型,并獲得了顆粒在涂層上固化的標準條件。他們確定,當顆粒在沖擊阻礙物時,超過臨界速度會產生絕熱移動的不穩性,促使顆粒產生塑性變形,并固定在阻礙物上。他們在這些研究的基礎上,確定了各種金屬顆粒的臨界速度值,并研制了冷噴技術用的優化圓口噴嘴。CGT公司在上述研究基礎上,生產了氣體動力噴涂設備 ,功率為30千瓦。為了達到高效的沉積和高質量的涂層,設備中采用氦氣作為工作氣體。
      8、中國
      我國也有很多大學和科研院所對冷噴涂技術展開了研究,主要西安交通大學、中科院金屬研究所、哈爾濱焊接研究所、大連理工大學、西北工業大學、上海交通大學、北京理工大學、集美大學、寧波兵科院、中科院寧波材料所、浙江工業大學、北京科技大學等。
      (1)西安交通大學
      西安交通大學材料學院金屬材料強度國家重點實驗室、焊接研究所熱噴涂實驗室,以青年教師和優秀的研究生為生力軍,經過20年的發展,獲得了如下技術成果:超音速火焰噴涂系統(1995年在國內首創研制成功);常壓/真空冷噴涂系統(2003年國內率先研制成功);微束等離子噴涂系統(1997年國內首家研制成功);液料火焰噴涂系統(2000年國內率先研制成功);高速飛行粒子狀態在線監測系統(1999年國內率先研制成功);真空等離子噴涂-物理氣相沉積系統(PS-PVD)等噴涂制備設備(在建)等,形成了多樣化、國內最齊全的涂層制備與檢測設備。
      實驗室同時在冷噴涂特性,冷噴涂銅粒子參量對碰撞行為的影響,冷噴涂納米結構,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,開發的高性能涂層技術已廣泛應用于電力、石化、機械、冶煉、材料等領域,取得了顯著的經濟效益和社會效益。
      焊接研究所熱噴涂實驗室可承接冷噴涂系統的設計與制造、各式涂層工藝、零件噴涂修復等技術服務。
      西安交通大學冷噴涂設備系統圖
      (2)中科院金屬研究所(沈陽)
      中科院金屬研究所沈陽先進材料研發中心在冷噴涂技術及涂層制備方面具有深入的理論基礎和實踐經驗,研制了IMR—M6000冷噴涂設備,該設備具有手動和自動化控制可用機械手操作的兩種型號。
      IMR—M6000冷噴涂設備
      (3)哈爾濱焊接研究所(機械科學院)
      哈爾濱焊接研究所超音速冷氣噴涂設備、工藝的研究和開發取得了一定的研究成果,目前已經獲得銅、鋅、鋁、鎳、鉬、鎳-鋁、鎳鉻合金等材料的超音速冷噴涂涂層。無論是冷噴涂設備還是涂層性能,都達到了俄羅斯科學院西伯利亞分院的水平。在超音速冷噴涂成套技術與設備方面,已經具備了商品化的條件。此外,眾多專家預測超音速冷噴涂技術一個非常重要的應用領域是生產納米涂層或納米化層,目前哈爾濱焊接研究所已經應用超音速冷氣噴涂技術在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
      大連理工大學熱力渦輪機教研室于1996年建立了常溫下超音速起、固兩相流制備功能涂層實驗裝置,就金屬粒子(鋅粉、鈦粉等)進行了冷噴涂實驗,獲得了優質涂層。該實驗裝置為冷噴涂機理的研究提供了實驗、分析手段。同時,近年來該教研室在冷氣體動力學噴涂制備功能涂層機理、超音速氣流冷噴涂材料改性方法等方面展開了研究工作。
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