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冷喷涂原理

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冷喷涂技术是在20世纪80年代由苏联科学院AntolliPapyrin博士及其同事首先提出的。20世纪90年代苏联解体后该技术得到了公开。  

冷喷涂技术是一种操作简便、安全且无公害的一种材料表面改性新技术。冷喷涂法指在常温下或较底的温度下,由超音速气、固两相气流将涂层粉末击射到基板形成质密涂层。  

冷喷涂原理  

冷喷涂原理(见图1)是:气体加压装置使气体(氦气或氮气等)成为高压气体;加热器有两套,分别为载体加热器和气体加热器,把载气和工作气加热到一定的温度;载气在载体加热器受热后,经加粉器成轴向将粉末送入喷枪;另一路的工作气在气体加热器预热到100~600℃,以加大粉末颗粒的流速,进入喷枪;喷枪后部是腔膛,送入的粉末与进入的工作气相混合,经喉管进入喷嘴,该喷嘴专门设计为收敛-扩展型拉乌尔(Laval)喷嘴,以使气体得到加速;工作气从喷嘴进口处1.5~3.5MPa的压力膨胀到常压,造成一种超音速气流,随喷嘴结构和大小、工作气类别、进气压力与温度,粉末颗粒大小和密度等因素的不同,颗粒速度有所不同,一般为500~1000m/s,与基材撞击产生变形,并牢固附着在基材上,形成涂层。工作气的预热,有利于颗粒速度的提升,又会使颗粒受热,在撞击基材时容易变形。由于工作气温度明显低于材料的熔点,因而不会出现熔化时那样的氧化和相变。为了获得所希望的涂层,要掌握颗粒尺寸、密度、温度和速度之间的平衡。  

冷喷涂的特点  

喷涂温度较低。  

这与传统的热喷涂有显著的区别。冷喷涂无须熔化金属粒子,降低了设备和涂层的热应力、热变形,涂层厚度可达数毫米或更多。  

能量来自压缩气体和加热单元。  

这与传统的热喷涂也不同,例如火焰喷涂的能量来源是氧乙炔火焰,等离子体电弧喷涂是等离子体喷枪,电弧喷涂是电弧,爆炸喷涂是爆炸气体喷枪(火花点燃),超音速火焰喷涂是燃料、氧气、氢气及燃烧室。冷喷涂的能量来源与它们不同,在设备、工艺和控制上具有自身的特点。  

涂层性能良好。  

冷喷涂涂层的气孔率很低,基材与涂层的热负荷小,材料氧化少,结晶化较为均匀。冷喷涂涂层的突出特点是致密和含氧量低,有利于喷铜、钛等材料。  

高压与低压冷喷涂  

高压冷喷涂的压缩气体压力在15atm(1am=101.325kPa)以上,低压冷喷涂的压缩气体压力在10atm以下。低压冷喷涂的噪声较小(低于60dB),没有高温、火焰、辐射、化学废料、危险气体,可操作性强,安全性高,喷涂定向性好,因此目前正在逐渐推广使用。高压冷喷涂因噪声较大(高于100dB)、压力要求高、设备庞大、安全性较低、成本较高等问题,所以推广应用还存在较大的困难。

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