冷喷涂工艺的进展及应用现状

冷喷涂中的喷涂在航空航天领域的应用冷喷涂技术是一种发展较为迅速的新兴表面工程技术，它将粉末喷涂直接喷射到被涂物表面上，并通过高速冲击和变形加热等过程，形成一种具有优良性能的涂层。

冷喷涂应用广泛，十分重要的一个应用领域就是航空航天工业，本文主要从三个方面探讨冷喷涂在航空航天领域的应用。

一、冷喷涂在航空航天领域的基本概念航空航天工业对于涂层的需求是非常高的，涂层可以提高材料的性能、防止腐蚀和摩擦磨损等问题。

而冷喷涂技术对于航空航天工业来说也是一种很好的选择。

冷喷涂技术是一种采用高压喷枪将涂料粉末压缩到300-1200Mpa的超高压状态下，将其喷向被涂件表面并加热、固化的表面技术。

该技术对应用对象材料的热敏性、耐磨性和机械强度等要求都很高，因此可以有效地提高航空航天件的强度、特性和服务寿命。

二、冷喷涂在航空航天领域的应用1. 冷喷涂在航空发动机喷燃室内表面的应用航空发动机的喷燃室内表面具有耐热、耐压等要求。

使用冷喷涂技术可以在短时间内，完成室内表面的涂覆，既满足了防腐、防热的要求，又提高了发动机的性能。

2. 冷喷涂在飞机加油口表面的应用飞机加油口装置的表面受到氧化、磨损等因素的影响，会降低加油口的耐用性。

使用冷喷涂技术可以在表面上形成一层细腻均匀的涂层，具有很好的抗氧化、防腐、抗磨损等性能，大幅度提高飞机加油口的使用寿命，同时也非常符合环保和安全的要求。

3. 冷喷涂在航空气动构件表面的应用航空气动构件比如飞机机翼、垂尾等，涂层可以提供较好的抗腐蚀、抗磨损等性能。

基于航空气动构件使用环境的要求，使用冷喷涂技术，在涂层表面能形成一层完整、均匀、无裂纹、无孔隙的涂层，提高气动构件的综合性能。

三、冷喷涂未来在航空航天领域的发展未来，冷喷涂技术将逐渐成为航空航天工业的主流表面技术。

在工艺研究方面，冷喷涂技术可以实现单次喷射的涂层厚度变化和精度调节，可以实现对不同材料的涂层处理。

此外，冷喷涂的新机理和新技术，还需要更加深入的研究和探讨，以便更好地拓展航天航空领域的应用范围。

冷喷涂技术冷方法的产生和它的现状冷喷涂技术，顾名思义，是指在涂覆过程中不使用火焰或熔融热源，而是利用压缩空气或氮气等冷媒将粉末材料喷射到基材表面，形成坚固的涂层。

它主要通过颗粒的冲击和冷却效应来实现粉末与基材的结合，具有高效节能、低污染、易操作等优势。

该技术的产生和发展与材料表面处理和涂覆技术的需求密切相关。

冷喷涂技术最早可以追溯到20世纪60年代，当时主要用于喷涂金属涂层。

在那个时期，传统的热喷涂技术因其对基材有较高的热影响和材料氧化等问题而受到限制。

而冷喷涂技术通过喷射速度和冷却效应，解决了热喷涂过程中可能产生的热影响问题，实现了更优的表面涂覆效果。

随着冷喷涂技术的不断发展，不仅可以喷涂金属，还可以喷涂陶瓷、高分子材料等多种材料。

冷喷涂涂层具有良好的附着力、良好的耐磨性和耐腐蚀性等优点，可以广泛应用于汽车、航空航天、电子、化工等领域。

此外，冷喷涂技术还可以喷涂复杂形状的工件，提高了涂层均匀性和粘附性，大大提高了涂层的硬度和耐磨性能。

目前，冷喷涂技术已经成为表面涂层领域的重要技术之一、其现状主要体现在以下几个方面：1.技术装备的不断更新：随着冷喷涂技术的发展，各种喷涂设备不断改进升级，实现了更高效的涂层喷涂，例如高速喷涂设备、自动喷涂系统等。

这些技术装备的使用加速了冷喷涂技术的推广和应用。

2.材料的丰富多样：冷喷涂技术不仅可以喷涂金属材料，还可以涂覆非金属材料，如陶瓷、聚合物等。

近年来，新型材料的不断涌现，为冷喷涂技术的发展提供了更多的选择。

3.应用领域的扩大：冷喷涂技术的应用范围越来越广泛，不仅可以应用于传统的汽车、航空航天等行业，还可以应用于新兴的能源、生态环境等领域。

冷喷涂技术能够提供持久的耐磨性和优良的导热性，有望在新能源电池、太阳能电池等领域得到更广泛的应用。

然而，冷喷涂技术仍面临一些挑战。

首先，冷喷涂技术的喷涂效率和成本仍然需要进一步优化。

由于涂层与基材的结合不像热喷涂那样充分，喷涂速度相对较低，降低了涂层的生产效率。

—325—《装备维修技术》2021年第17期冷喷涂工艺的技术特点和应用研究黄雪飞（江西洪都航空工业集团有限责任公司，江西 南昌 330024）摘 要：冷喷涂工艺是一门新兴的喷涂工艺，是利用超音速粒子在低温下与基体材料碰撞后产生塑性变形后而形成的涂层。

该技术不仅可以制备防腐、耐高温、导电导热等涂层，而且还可以作为一种表面修复技术，也可作为一种新型的增材制造技术。

本文简要概述了冷喷涂工艺的技术原理，系统总结了该工艺的技术特点，并全面阐述了其主要应用领域。

关键词：冷喷涂工艺；技术特点；应用领域1. 冷喷涂工艺的技术原理和特点1.1.冷喷涂工艺的技术原理冷喷涂工艺（简称Cold Spray ）是一种能在较低温度时形成涂层的喷涂工艺，该技术建立在空气动力学基础上，其工作原理图如图1所示。

高压气体分两条管道流出，一支气流通过气体加热器形成一定温度的高压气流，另一支气流则是将粉末加料器中喷出的原材料粉末带出，之后气流通过拉瓦尔喷管形成超音速气体射流，以高速固态粉末粒子撞击基体，撞击过程中粉末粒子和基体材料均产生严重的塑性变形实现结合，从而在基体表面形成了一层涂层。

图1 冷喷涂技术工作原理图1.2.冷喷涂工艺的技术特点与传统的热喷涂工艺相比，冷喷涂工艺主要具有以下五个特点：一是涂层沉积温度较低，对基体材料的热影响小。

冷喷涂工艺是在低温下通过高速粒子产生塑性变形而实现的涂层沉积，在整个加工过程中原材料粉末粒子的温度较低，全程保持固体状态，在沉积过程中不会对基体材料产生较高的热量，几乎不会发生基体材料氧化、热变形等情况。

由于冷喷涂工艺对基体材料的热影响较小，喷涂过程也无需在保护气体或真空环境进行，在大气中就能实现快速沉积。

二是沉积材料和基体材料选取广泛。

由于冷喷涂工艺对基体的热输入量较少，基体材料选择也因此具有较大选取空间。

当前基体材料已经从金属合金材料扩展到了塑料、陶瓷等材料。

此外，冷喷涂不是将喷涂材料进行熔化，而是加速喷涂粒子，可以沉积金属及其合金材料、陶瓷及其复合材料等，甚至可以根据涂层所需性能灵活设计沉积材料成分，制备出混合涂层。

2023年冷喷涂行业市场分析现状冷喷涂是一种高科技的表面处理技术，广泛应用于航空航天、汽车、造船、石化、钢铁等工业领域。

在我国，冷喷涂行业市场正在逐步壮大，但与发达国家相比还存在一定的差距。

首先，冷喷涂行业市场规模逐年增长。

近年来，我国经济快速发展，各个工业领域对于表面处理技术的需求也不断增加。

冷喷涂作为一种高效、环保的表面处理技术，受到了广泛的关注和应用。

据统计数据显示，近几年冷喷涂行业的市场规模每年以10%左右的速度增长，预计未来几年市场规模将进一步扩大。

其次，冷喷涂技术不断创新。

冷喷涂技术作为一种新兴的表面处理技术，在技术创新方面有着巨大的潜力。

在材料选择、喷涂工艺、设备研发等方面，我国的科研机构和企业不断进行创新研究。

目前，我国已取得了一些重要的科研成果，在某些领域已经达到了国际先进水平。

但与发达国家相比，我国在某些高端技术领域仍存在一定差距，需要加大研发投入，提升技术水平。

第三，冷喷涂行业市场竞争激烈。

随着市场规模的扩大，越来越多的企业涌入冷喷涂行业。

这对于行业的发展有一定的促进作用，但也带来了激烈的竞争。

一些小型企业主要依赖于低价策略来吸引客户，导致市场价格低迷，影响了整个行业的发展。

在此背景下，企业应该加强技术创新，提高产品质量和服务水平，以提升竞争力。

第四，冷喷涂行业面临环保压力。

冷喷涂技术相比传统的热喷涂技术具有更低的能耗、更少的废气排放、更少的废料产生等优势，符合国家环保政策的要求。

但随着环保意识的提高，人们对于环保要求也越来越高，尤其是在一些环境敏感的行业。

冷喷涂企业需要加大环保设备的投入，不断提升环保水平，以满足市场需求。

综上所述，冷喷涂行业市场在我国正处于快速发展的阶段，市场规模逐年增长，技术不断创新。

但与发达国家相比还存在一定的差距，市场竞争激烈，面临环保压力。

冷喷涂企业应该加强技术创新，提高产品质量和服务水平，增强环保意识，以提升竞争力，推动行业的进一步发展。

冷喷涂中的喷涂在纺织工业的应用在现代工业中，喷涂工艺是一种非常重要和常用的表面处理技术。

而冷喷涂技术作为喷涂技术的新兴分支，由于其独特的优势，近年来在许多领域中得到了广泛的应用。

特别是在纺织工业领域，冷喷涂技术因其低温环保、高效、节能和表面效果优良等优点，越来越受到人们的关注和重视。

冷喷涂技术是一种革命性的喷涂技术，其工艺原理是将固体粉末材料通过高速气流射入喷涂枪，然后喷向工件表面，形成一层均匀而紧密的涂层。

与传统的热喷涂技术不同的是，冷喷涂技术是在接近室温的环境下进行喷涂，因此避免了热喷涂过程中可能产生的组织变化、氧化、被污染等问题，可以保证喷涂材料的质量和表面效果。

冷喷涂技术在纺织工业中的应用主要涉及到纺织机械的表面涂覆和纺织制品的防水、防污和防紫外线等方面。

以下将对其应用进行介绍：一、纺织机械表面涂覆冷喷涂技术可以为纺织机械表面涂覆提供性能优良而又非常适宜的涂层。

纺织机械在运转过程中，由于长期曝露在高温、高速和高摩擦的环境下，表面易受到磨损和氧化等影响，导致工作效率下降、寿命减短等问题。

而冷喷涂技术可以应对这些问题，通过喷涂一层抗磨损、耐腐蚀、耐热的涂层，可以有效地提高机械的耐久性和安全性。

比如喷涂铜铝合金材料可以提高纺织机械的导热性和抗磨损性，喷涂陶瓷材料可以增加机械的耐腐蚀和防粘性。

二、纺织制品的涂覆冷喷涂技术也可以为纺织制品提供具有防水、防污和防紫外线等特性的涂层。

纺织制品经常遭受到水、污染等外界环境的侵袭，导致材料老化、色泽变化、损耗加速等问题。

而喷涂一层有机硅聚合物等防水涂层可以有效地防水、防油、防粘和防腐蚀，增加纺织制品的使用寿命。

此外，喷涂一层纳米氧化锌、纳米二氧化钛等纳米级材料也能够为纺织制品提供出色的抗紫外线功能，防止纤维因阳光暴晒而老化和色泽变化。

综合来说，冷喷涂技术是一种十分优秀的涂层技术，不仅可以提高机械的耐久性和表面性能，还可以为纺织制品提供保护和增值。

未来，冷喷涂技术将会在纺织工业领域内更加广泛的应用，成为一种不可或缺的技术手段。

2024年冷喷涂市场需求分析引言随着工业发展的进一步推进，冷喷涂技术作为一种新兴的表面涂层处理方法，被广泛应用于各个行业。

本文将对冷喷涂市场需求进行分析，旨在了解目前市场对冷喷涂技术的需求状况以及未来的发展趋势。

市场背景冷喷涂技术是一种将涂料或者涂层材料喷射到工件表面形成保护层的方法。

相比传统的热喷涂技术，冷喷涂技术具有低温、低能耗、无污染等优势，越来越受到市场的关注和青睐。

市场需求分析1. 节能环保冷喷涂技术与传统的热喷涂技术相比，不需要加热处理，能有效降低能耗，减少环境污染。

随着全球对环境保护意识的提高，节能环保的需求也越来越迫切，因此对冷喷涂技术的需求也在不断增加。

2. 表面保护在工业生产中，很多工件需要在表面形成一层保护膜，以延长使用寿命、提高耐磨性等。

冷喷涂技术能够形成均匀的涂层，提供良好的表面保护效果，满足市场对于表面保护的需求。

3. 轻质材料应用冷喷涂技术适用于对轻质材料的涂层处理，如铝合金、镁合金等。

随着轻量化技术在汽车、航空航天、船舶等领域的应用，对轻质材料涂层的需求也在增加，冷喷涂技术在这些领域具有较大的市场潜力。

4. 高性能涂层需求冷喷涂技术能够制备出高性能的涂层，如高硬度、高耐磨、高耐腐蚀等。

在冶金、石油化工、航空航天等行业中，对于耐磨性、耐腐蚀性的需求非常迫切，冷喷涂技术能够满足这些高性能涂层的需求。

5. 维修和翻新市场冷喷涂技术在维修和翻新领域也有广泛的应用。

对于老化、损坏的工件，通过冷喷涂技术进行修复，能够延长使用寿命，减少更换成本，因此在维修和翻新市场中有较大的需求。

未来发展趋势随着冷喷涂技术的不断创新和推广应用，未来冷喷涂市场有望呈现以下趋势：1. 技术推陈出新随着科技的进步，冷喷涂技术将会不断推陈出新，不断提升涂层质量和性能。

新的冷喷涂材料和设备的研发，将为市场需求提供更好的解决方案。

2. 扩大应用领域随着对冷喷涂技术的认可度提高，其应用领域也将扩大。

除了传统的工业领域，冷喷涂技术有望应用于更多新兴领域，如新能源、电子等。

2023年冷喷涂行业市场规模分析冷喷涂（Cold spray）是一种新兴的喷涂工艺，采用压缩空气加速高速喷射金属粉末形成高速喷射流，在高速气流的冲击下，金属粉末颗粒受到严重变形，其表面原子产生高度活化，通过高速冲击和沉积，将喷材快速形成冷喷涂复合材料。

冷喷涂工艺具有高沉积效率、低能耗、无热应力等优势，在军工、航空航天、汽车制造等领域得到广泛应用，具有广阔的市场前景。

一、冷喷涂的市场需求分析1. 军工领域军工领域是冷喷涂技术的最早应用领域之一。

随着武器装备的高度复杂化和技术装备的高新化，军工装备对表面涂层材料的性能要求越来越高。

冷喷涂技术在生产模拟航空发动机部件、导弹外壳等方面已有广泛应用，其高效、高精度、低损伤的特点是军工行业的需求所在。

另外，冷喷涂技术可以在不影响基材表面质量和形状的情况下实现高精度复合材料的制备，可以降低基材的维修成本和维修时间，成为军工领域的一项重要技术。

2. 航空航天领域航空航天领域是冷喷涂技术应用的另一个重要领域。

冷喷涂技术可以用于制备航空、航天发动机叶片、涡轮、加速器等高温零件，具有与实际成型件性能相似的优点。

冷喷涂制备的复合材料可以显著提高航空器的性能和耐用性，提高飞行安全，同时也减少了对环境的影响，成为航空航天领域的热门技术。

3. 汽车制造领域随着汽车制造行业的不断发展，汽车制造所需材料种类、性能要求也在不断提高。

冷喷涂技术可以用于制备汽车零部件的表面涂层，例如制动系统、缸体、加速器、支架等，可增强汽车零部件的耐磨性、耐高温性、耐腐蚀性等性能。

冷喷涂技术还可以用于制备汽车的外壳、底盘和内饰，实现模块化设计，大大缩短了生产周期和成本。

二、冷喷涂市场现状分析1. 技术方面技术方面，国内在冷喷涂领域的技术研究和成熟应用相对较晚，与国际先进水平还有一定的差距。

目前，冷喷涂技术在国内主要是由一些国企、高校和科研单位开展研究，但企业对技术应用的投入和实践较少。

与国际先进水平相比，国内的冷喷涂技术尚处于初级阶段，需要加快研发投入和技术更新，推动冷喷涂技术的产业化进程。

冷喷涂中的喷涂在教育机构的应用随着科技的不断发展，冷喷涂技术在各个领域得到了广泛的应用。

教育机构也不例外，越来越多的教育机构开始采用冷喷涂技术，将其用于学生的创意设计课程中。

本文将从冷喷涂技术的基本原理、其在教育机构中的应用及其优势等方面进行探讨。

一、冷喷涂技术的基本原理冷喷涂技术是一种新型的涂装技术，相较于传统的喷涂技术，更加环保、省时、省力，同时也更加稳定耐用。

冷喷涂机是将液态材料通过超级快速气流喷射到工件表面上，利用气流冷却和固化，形成完整的涂层。

与传统的涂装方式相比，冷喷涂技术具有以下优势：1. 可以喷涂多种材料，包括金属、塑料、陶瓷等材料，适用范围广。

2. 喷涂过程无火花，不会对环境和人体造成危害。

3. 喷涂后的涂层极为坚固，具有较好的耐磨损性。

二、冷喷涂在教育机构中的应用越来越多的教育机构开始采用冷喷涂技术，用于学生的创意设计课程中。

以创意设计课为例，教学通常分为三个步骤：1. 学生提出创意设计方案。

2. 学生采用计算机设计软件进行模型制作。

3. 学生使用冷喷涂机进行涂装加工。

其中，第三个步骤是使用冷喷涂机的环节，通过课堂实践让学生了解创意设计到实际制作的整个流程。

冷喷涂技术的应用，不仅可以在学生的创意设计课中发挥重要作用，还可以在其他课程中发挥积极作用。

例如，一些理工类的课程需要学生进行制作实验，使用冷喷涂技术可以加工出更为精美的实验器具，提高学生的制作实验能力。

三、冷喷涂技术在教育机构中的优势1. 提高学生的创意设计能力。

冷喷涂技术的应用可以让学生了解创意设计到实际制作的整个流程。

从中，学生可以掌握创意设计的思想和方法，并提高其创意设计的能力。

2. 增加课堂趣味性。

传统的教学方式单调，学生常常会产生疲劳感。

而冷喷涂技术的应用，增加了课堂的趣味性，让学生更加喜欢学习。

3. 开发学生的动手能力。

冷喷涂机需要学生自己操作，这不仅可以开发学生的动手能力，还可以让学生感受到制作的乐趣。

四、冷喷涂在教育机构中的应用存在的问题及解决方法虽然冷喷涂技术的应用在教育机构中取得了较好的效果，但是在实际应用中仍面临一些问题，例如：1. 缺乏教师的指导和帮助。

㊀第43卷㊀第4期2024年4月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.43㊀No.4Apr.2024收稿日期:2024-01-23㊀㊀修回日期:2024-03-30基金项目:国家自然科学基金资助项目(52171072)第一作者:王婉青,女,1999年生,硕士研究生通讯作者:所新坤,男,1982年生,教授,博士生导师,Email:suoxinkun@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202401026冷喷涂技术发展历史㊁趋势与挑战王婉青1,熊成涛1,高建红2,任㊀潞1,徐小龙2,张勤号1,陈秀勇1,所新坤1(1.宁波大学机械工程与力学学院多维增材制造研究所,浙江宁波315000)(2.安徽马钢表面技术股份有限公司,安徽马鞍山243000)摘㊀要:冷喷涂作为一种新兴的涂层制备技术,具有沉积效率高㊁涂层孔隙率低㊁结合强度高等优点,引起了产业界的广泛关注,在航空航天㊁汽车㊁能源㊁海洋工程㊁石油和化工等领域有着广泛的应用前景㊂经过30多年的发展,冷喷涂技术的研究已从基础理论研究转变到产业化应用研究,在简述冷喷涂技术原理的基础上,综述了冷喷涂技术在成形机理㊁材料体系等方面的研究历程;其次,调研了冷喷涂近年来的发展现状,梳理并提出了未来冷喷涂技术向高性能㊁低成本㊁增材制造等方向发展的趋势,包括喷涂系统㊁粉末㊁工作气体以及离线编程路径设计等方面的改进提升;最后,提出了冷喷涂技术现存的问题与未来发展展望㊂关键词:冷喷涂;涂层;增材制造;发展趋势中图分类号:TG174.442㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2024)04-0273-08引用格式:王婉青,熊成涛,高建红,等.冷喷涂技术发展历史㊁趋势与挑战[J].中国材料进展,2024,43(4):273-280.WANG W Q,XIONG C T,GAO J H,et al .History,Trends and Challenges of Cold Spray[J].Materials China,2024,43(4):273-280.History ,Trends and Challenges of Cold SprayWANG Wanqing 1,XIONG Chengtao 1,GAO Jianhong 2,REN Lu 1,XU Xiaolong 2,ZHANG Qinhao 1,CHEN Xiuyong 1,SUO Xinkun 1(1.Institute of Multi-Dimensional Additive Manufacturing,Faculty of Mechanical Engineering and Mechanics,Ningbo University,Ningbo 315000,China)(2.Anhui Ma Steel Surface Technology Co.,Ltd.,Ma a nshan 243000,China)Abstract :Cold spray is an emerging coating preparation technology with advantages of high deposition efficiency,lowporosity and high bonding strength,which has broad application potential in aerospace,automobile,energy,ocean,petrole-um and chemical industries.The research focus of cold spray has transformed from theoretical research to industrial applica-tion over the past 30years.Therefore,development history of bonding mechanisms and material systems of cold spray was reviewed in this paper,followed a brief introduction on the principle of cold spray.Furthermore,development trends of cold spray in terms of high performance,low cost and additive manufacturing were summarized,involving improvements of spray systems,powders,working gases and off-line path optimization.Finally,challenges and prospects of cold spray were pro-posed.Key words :cold spray;coating;additive manufacturing;development trend1㊀前㊀言冷喷涂(cold spray,CS),又称为冷空气动力喷涂(cold gas dynamic spray,CGDS),是一种材料固态沉积技术,工作原理如图1所示,将一定温度和压力条件下的气体(氮气㊁氦气㊁压缩空气等)送入特定结构的喷嘴中产生高速气流,然后将具有一定粒径的粉末颗粒送入高中国材料进展第43卷速气流中,通过加速加热,固态粉末高速撞击基体,产生剧烈的塑性变形而沉积在基体表面形成涂层[1-4]㊂与传统的热喷涂技术[5,6]相比,冷喷涂最突出的特点是喷涂温度低和粉末颗粒速度高[7],因此冷喷涂技术更适合用于沉积熔点较低和易氧化金属材料的涂层,如镁㊁铝㊁铜㊁钛等材料,且冷喷涂过程存在 喷丸效应 [8],可使涂层之间产生残余压应力,改善涂层的结合情况㊂冷喷涂在上述材料零部件修复和再制造㊁增材制造及功能涂层等领域均有广阔的发展前景[9-11]㊂图1㊀冷喷涂工作原理示意图[4]Fig.1㊀Principle schematic diagram of cold spray [4]2㊀冷喷涂技术的发展历程冷喷涂技术发展经历了2个阶段㊂第1个阶段是原理探索阶段(1980年到2015年),主要集中于理论研究㊂1980年,前苏联科学院西伯利亚分院的理论与应用力学研究所的研究人员Papyrin 及其同事进行超声速风洞试验时发现,当固体颗粒在高速状态下,会逐层沉积在基材表面,最终形成具有一定厚度的涂层㊂因此,在1990年提出了冷喷涂的概念,发表了第一篇冷喷涂的论文[1],并且在1994年申请了第一个冷喷涂专利[2]㊂1995年,McCune 等[8]首次将气体动力学模型运用到冷喷涂中并预测了冷喷涂过程中粉末的速度㊂1999年,Gilmore 等[12]创新性地提出了冷喷涂过程中的临界速度的概念,即只有当颗粒速度加速达到一定值时才会在基体表面发生沉积㊂后续相关学者对不同种类的材料进行了冷喷涂实验以获得不同材料的临界速度㊂例如,2002年,Stoltenhoff 等[13]发现当含氧量较低的球形铜颗粒的速度超过临界速度(约为570m /s)时才会发生沉积㊂2003年,Assadi 等[14]利用数值模拟的方法模拟了颗粒的撞击过程,提出了一种冷喷涂过程中颗粒结合机制的假设,第一次指出颗粒之间所发生的粘结可归因于在颗粒表面发生的绝热剪切失稳现象㊂同时,根据经验归纳总结了冷喷涂形成涂层的临界速度公式,并通过公式计算指出颗粒温度每上升100ħ,粒子沉积的临界速度将减小40m /s,为后续颗粒预热的研究提供了理论支撑㊂随后,Schmidt 等[15]在Assadi 上述研究基础上考虑了颗粒尺寸的影响,进一步地推导出了冷喷涂临界速度公式㊂2006年,Richter 等[16]和Kreye 等[17]通过实验表明颗粒温度的升高会提高冷喷涂涂层质量㊂2007年,Li 等[18]在研究铝颗粒在铝基体上的变形行为时,首次观察到铝粉表面氧化膜对铝颗粒与基体间的结合情况的影响㊂2007年,Fukumoto 等[19]率先提出基体温度对冷喷涂过程中的颗粒沉积效率的影响,表明基体温度与颗粒的沉积效率呈正比,同时证明了基体预热对于提高冷喷涂涂层质量的重要性㊂2008年,Ogawa 等[20]首次研究了基体表面条件对颗粒沉积和冷喷涂涂层机械性能的影响㊂在第1阶段的原理探索过程中,冷喷涂材料体系得到了极大的发展㊂起初,学者们在应用较为广泛的金属基体上进行冷喷涂技术的相关研究㊂1996年,Tokarev [21]首次尝试并成功利用冷喷涂技术在钢材表面沉积铝涂层㊂同年,Mccune 等[22]成功制备了钢涂层和铜涂层,观察并对比了冷喷涂工艺与热喷涂工艺制备的同种材料涂层的机械性能和微观结构㊂随后,Dykhuizen 等[23]和Gilmore 等[12]又分别在不锈钢基体和铝基材上成功喷涂铜涂层㊂2000年,Karthikeyan 等[24]首次成功喷涂钛涂层并探讨了不同工艺参数对钛颗粒沉积效率和钛涂层性能的影响㊂同年,Mccune 等[25]成功通过冷喷涂技术制备了铁涂层和铜涂层,并观察到与热喷涂处理不同的是,通过冷喷涂技术制备的涂层,其颗粒结合界面并未出现熔化现象,其结合机制多为机械结合㊂2004年,Steenkiste 等[26]首次尝试利用大气冷喷涂制备钽涂层,并成功得到高硬度且低孔隙率的钽涂层㊂2005年,Li 等[27]采用氮气作为工作气体,通过冷喷涂成功制备了致密的锌涂层,并对涂层进行了表征,发现在其结合界面形成了纳米晶粒,而472㊀第4期王婉青等:冷喷涂技术发展历史㊁趋势与挑战颗粒内部的晶粒尺寸较原始粉末并没有发生太大变化㊂2012年,Suo等[28]首次成功制备镁涂层,通过数值模拟得出颗粒的临界沉积速度在653~677m/s之间,并讨论了沉积过程中镁颗粒的变形行为和结合机制㊂基体材料除了最常见的金属材料,研究人员将冷喷涂技术扩展延伸到了非金属材料领域㊂2006年,剑桥大学Sturgeon团队[29]首次成功在碳纤维增强聚合物上通过冷喷涂沉积铝涂层,开启了基于冷喷涂技术的高分子材料金属化的序幕㊂2009年,日本丰桥大学的Yamada团队[30]采用纯锐钛相TiO2纳米晶粒团聚粉末(粒径约20μm)为喷涂原料,沉积了厚度为350μm且均匀致密的涂层,实现了冷喷陶瓷涂层的突破性进展㊂2009年,Hussain等[31]成功将铜喷涂到了陶瓷基体上,形成均匀致密的涂层,并观察到陶瓷基板表面的高粗糙度能够促进涂层与基板之间的粘结,实现了陶瓷金属化㊂在设备研发方面,各个研发团队也开始尝试着手研发一系列冷喷涂设备,自2000年开始,德国冷气技术(Cold Gas Technology,CGT)公司㊁日本Plasma Giken公司以及美国VRC Metal Systems等纷纷投入到冷喷涂设备及系统的研发中,例如德国CGT于2001年在国际热喷涂大会上推出商用Kinetiks 3000型冷喷涂系统,其工作气体的温度和压力分别是550ħ和3MPa;2009年该公司开发了Kinetiks 8000系统,整体系统的加热功率可达到85kW,工作气体(如N2)的最高温度可达1000ħ㊂但是由于设备的工作温度与压力仍然无法满足特殊材料的喷涂需求,辅助冷喷涂技术应运而生,以提高喷涂质量㊂英国剑桥大学的Bray等[32]在2009年率先提出将冷喷涂与激光技术相结合的激光原位辅助冷喷涂复合技术㊂随后2015年,西安交通大学李长久和雒晓涛等[33]首先提出将原位喷丸技术应用到冷喷涂中以提高涂层质量,由此提出了微锻造辅助冷喷涂技术,大大降低了冷喷涂技术对设备的依赖程度㊂第2个阶段是冷喷涂技术工业化应用阶段(2015年至今),由于冷喷涂技术越来越完善,国内外市场对于冷喷涂设备的需求量增大,相关企业开始批量生产成熟的高性能冷喷涂设备并投入市场㊂德国Impact Innovations㊁日本Plasma Giken公司以及美国的VRC Metal Systems公司相继推出成熟的冷喷涂设备,工作性能不断得到提升㊂例如德国Impact Innovations公司在2021年5月推出了EvoCS II系列的冷喷涂设备,其设备性能得到了极大程度的提升,最高工作温度和工作压力分别达到了1200ħ和7.5MPa,接近高温合金的使用极限,可以满足大部分材料的工作要求㊂日本Plasma Giken公司研发的PCS-1000冷喷涂系统,其最高温度与压力分别可达到1100ħ和7.0MPa,送粉速度为300~500g/min[34]㊂随着设备的完善,冷喷涂技术在金属增材制造和航空航天等关键零部件的损伤修复中实现了具体的工业化应用,例如美国VRC Metal Systems公司将研发的冷喷涂设备用于美国军事领域相关设备的零件修复工作中[35],如图2a所示;湖北超卓航科公司利用冷喷涂技术成功对飞机结构件,例如飞机加油盖的裂纹部位进行了补强修复,将其剩余寿命提高至30倍以上,完成了国内该领域技术突破,如图2b所示[36];广州尤特新材料等公司通过冷喷涂技术制备旋转靶材,如图2c和2d所示[37,38]㊂图2㊀冷喷涂技术用于修复T7000前车架(a)[35]和飞机加油盖(b)[36];冷喷涂技术用于制备旋转银靶材(c)[37]和旋转硅铝靶材(d)[38]Fig.2㊀Repaired T7000front frame(a)[35]and aircraft refueling cap(b)[36]by cold spray technology;rotating silver target(c)[37]and rotating silicon aluminum target(d)[38]prepared by coldspray technology3㊀冷喷涂技术的发展趋势2000年至今,国内外多家企业专注于冷喷涂技术的发展,其工艺水平得到了很大程度的提升㊂据华经产业研究院整理预计[39],未来几年冷喷涂市场规模及增长速度会不断升高,预计2026年,全球冷喷涂行业市场规模将达到12.13亿美元,如图3所示㊂随着冷喷涂技术在工业领域的迅猛发展,该技术呈现高性能化㊁低成本化和增材制造等发展趋势㊂3.1㊀高性能化趋势随着冷喷涂技术在工业细分领域的应用,工业界对冷喷涂涂层性能和质量的要求越来越高,引领冷喷涂技术向高性能方向发展㊂涂层的高性能主要取决和依赖于设备高性能和粉末高性能㊂572中国材料进展第43卷图3㊀全球冷喷涂行业市场规模及增速曲线预测[39]Fig.3㊀Predicted market size and growth curve of global cold spray in-dustry [39]3.1.1㊀设备性能提高德国Impact Innovations 公司在2021年5月在市场上主推的新一代冷喷涂系统是EvoCS II 系列,如图4所示[40],该喷涂系统工作时的最高温度和压力可分别达到1200ħ和7.5MPa,送粉速率为1.5L /h㊂图4㊀Impact Innovations 公司2021年推出的EvoCS II 冷喷涂设备[40]Fig.4㊀EvoCS II cold spray equipment from Impact Innovations compa-ny at 2021[40]日本Plasma Giken 公司的PCS-1000V2冷喷涂系统(图5)最高工作温度和压力可以达到1200ħ和7.5MPa,送粉速率接近300~500g /min [41]㊂图5㊀Plasma Giken 公司的PCS-1000V2冷喷涂设备[41]Fig.5㊀Cold spray equipment PCS-1000V2of Plasma Giken company [41]与此同时,国内企业例如陕西德维科技股份有限公司㊁宁波普罗特新材料有限公司㊁厦门佰事兴新材料科技有限公司等也已经有了相对完善的高性能冷喷涂系统㊂3.1.2㊀粉末性能提高粉末作为冷喷涂的关键原材料之一,其纯度㊁粒度以及成分等都会对涂层的机械性能造成影响㊂Deforce 等[42]在AZ41A-T5合金基材上采用冷喷涂技术制备纯铝涂层,比较了商用铝粉末(99.5%)和高纯铝粉末(99.95%)对AZ41A-T5合金耐腐蚀性能的影响㊂结果发现商用纯铝涂层的腐蚀电流密度大约为2.35mA /cm 2,而高纯铝涂层的腐蚀电流密度仅为0.05mA /cm 2㊂同时,研究人员发现,利用混合粉末制备涂层同样可以获得极为优良的机械性能㊂Sova 等[43]发现在软金属(Al 和Cu)粉末中添加细硬质粉末可以显著降低喷涂 临界 温度,增大沉积效率㊂Liberati 等[44]将金属粉末(Al㊁Cu 和Zn)添加到锡粉末中混合后进行冷喷涂,结果表明,由于夯实机制,在锡粉末中添加任何的二次组分均可提高其沉积效率㊂除了粉末成分,粉末的粒径分布也会影响其涂层性能㊂2013年,Wong 等[45]研究了纯钛粉末形态和粒径分布对冷喷涂涂层性能的影响,发现平均粒径为29μm 的球形钛粉末制备的涂层具有最低的孔隙率和最佳的冷喷涂性㊂3.2㊀低成本化趋势低成本是企业在工业生产中获得市场竞争力的关键因素,随着近年来冷喷涂技术的不断成熟,冷喷涂技术的成本出现了大幅度的下降,冷喷涂铜涂层的价格从原来的100~200CNY /mm 2降到现在的10~20CNY /mm 2㊂冷喷涂技术实现低成本得益于以下几个方面㊂3.2.1㊀国产设备日益成熟冷喷涂是热喷涂领域的热门研究方向之一,在全球工业化的大背景下,关于冷喷涂的设备研发也越发地成熟㊂目前,已经广泛投入使用的冷喷涂设备来自德国Im-pact Innovations㊁日本Plasma Giken 以及美国VRC MetalSystems 等公司,但是由于运费及维修费等因素,进口设备往往价格昂贵,价格约为400万~500万人民币㊂因此国内市场涌现出了一批高质量的冷喷涂设备,2000年末,西安交通大学李长久教授课题组[34]最先自主研发了国内首套CS-2000型冷喷涂系统,带动了国内自主研发冷喷涂设备的风潮㊂2001年9月,中国科学院金属研究所[46]研发了一台冷气动力喷涂装置,其工作气体最高温度和压力可达到580ħ和3MPa㊂除了各高校团队以外,企业也开展了相应的研究设计㊂2005年6月,宝山钢铁股份有限公司[47]自主研发了冷气动力喷涂装置,很大程度上避免了喷涂粉末对喷嘴的堵塞情况,降低了零件修672㊀第4期王婉青等:冷喷涂技术发展历史㊁趋势与挑战复成本㊂目前,宁波普罗特㊁北京联合等公司均有相对完整的冷喷涂设备生产体系,设备和耗材成本较进口设备有较大幅度下降㊂3.2.2㊀定制化专用设备发展随着冷喷涂技术原理的不断完善和相关设备的研发,冷喷涂技术的应用场合得到了扩展,生产的产品逐渐多样化㊂在实际生产中,通常只需要对某一种特定材料进行批量化冷喷涂处理,因此,设备定制化成为了冷喷涂产业发展的趋势之一㊂多家国产冷喷涂装备公司已经推出了定制化专用设备,以满足特定材料的喷涂,同时进一步降低设备投入与运营成本㊂3.2.3㊀气体成本降低氮气㊁氦气是冷喷涂的主要工作气体,采用氦气作为喷涂气体可以显著提高沉积效率及沉积体性能㊂2015年,Yin等[48]分别用氦气㊁氩气及空气3种气体作为喷涂气体进行了铜颗粒的沉积,结果表明,氦气作为工作气体时颗粒速度最高,对颗粒表现出良好的加速性能㊂但由于我国氦气资源稀少,氦气供应主要依赖于国外进口,成本较高,约为50CNY/L㊂为保证涂层质量,冷喷涂过程中需要消耗大量的氦气,造成极大的成本消耗㊂为解决氦气费用昂贵的问题,法国ICB-PMDM-LERMPS实验室提出气体循环使用的方法,建立了氦气回收系统,用于氦气循环回收㊁净化和再利用[34],极大程度上降低了生产成本,国内科研单位如西安交通大学㊁宁波大学㊁中国兵器集团五二研究所等在这方面开展了相关的研究㊂3.2.4㊀多技术复合采用冷喷涂制备涂层时,为提高沉积效率,降低涂层内部缺陷,通常选择更高的喷涂气体温度㊁压力以及加速效果更好的氦气㊂然而,上述方法会极大提高设备和气体成本㊂为保证涂层质量同时降低制备成本,研究人员考虑通过将冷喷涂与其他技术结合起来共同制备涂层,通过技术的改进来降低冷喷涂工艺对设备的严格要求㊂2015年,雒晓涛等[33]首次将原位喷丸强化引入冷喷涂,以期降低涂层的孔隙率㊂2019年,雒晓涛和李长久等[49]首次提出基于原位微锻造冷喷涂制备高致密度金属沉积体的技术,其工作原理如图6所示㊂他们利用原位微锻造冷喷涂制备铝涂层时发现,当混合粉末中的喷丸颗粒的体积分数高于40%时,铝涂层的孔隙率低于0.35%,并且在AZ31B镁合金基材表面的铝涂层可使镁合金的腐蚀速率降低接近3个数量级,表现出良好的耐腐蚀性能㊂与传统的冷喷涂技术相比,通过该技术可以在较低的温度和压力条件下,在镁合金表面获得完全致密的铝腐蚀防护涂层,可以在很大程度上降低冷喷涂技术的成本㊂考虑到激光的加热软化处理能够提高基体和颗粒变形程度,英国剑桥大学的Bray等[32]首先提出将冷喷涂与激光相结合的激光原位辅助冷喷涂复合技术,随后国内浙江工业大学姚建华等[50]也开始了该项技术的研究工作,其原理如图7[32]所示,是将激光束同步引入冷喷涂加工过程,利用激光对喷涂颗粒㊁基材或两者同时加热并使之软化,在保持冷喷涂固态沉积特性的同时提高涂层性能㊂图6㊀原位微锻造辅助冷喷涂技术的原理示意图[49] Fig.6㊀Principle schematic diagram of in-situ micro-forging auxiliary cold spray technology[49]图7㊀激光原位辅助冷喷涂复合技术的原理示意图[32] Fig.7㊀Principle schematic diagram of laser in-situ assisted cold spray composite technology[32]3.3㊀增材制造应用趋势近年来,随着人工智能技术的发展,冷喷涂技术逐渐演变成为一种新的增材制造技术[51]㊂相较于传统的基于熔融过程的增材制造工艺,冷喷涂增材制造工艺具有热效应较低㊁制造效率高㊁产品尺寸限制小等优点,然而,冷喷涂增材制造技术制造精度较低,从而限制了冷772中国材料进展第43卷喷涂增材制造的广泛应用㊂迄今为止,一些公司和研究机构已在冷喷涂增材制造技术上进行了大量投资,并取得了各种突破性的成果㊂法国ICB-PMDM-LERMPS 实验室运用冷喷涂增材制造技术3D 打印了手掌模型,如图8所示[52]㊂近年来针对冷喷增材制造技术,主要围绕喷涂路径离线优化和喷嘴设计优化两方面进行了深入的探讨研究㊂图8㊀冷喷涂增材制造技术打印的手掌模型[52]Fig.8㊀Palm model printed by cold spray additive manufacturing[52]3.3.1㊀喷涂路径离线优化在冷喷涂过程中,为获得更精确的涂层厚度和涂层形状,需要精准控制喷枪路径,规划和创建合理的喷涂路径成为了保证涂层质量关键的一步㊂2012年,Deng 等[53]在机器人编程软件Robot Studio 上采用切片方式处理喷涂表面,并且开发了基于该软件的热喷涂专用程序包,为后续研究人员进行相关的研究提供了技术支持㊂采用RobotStudio 软件来创建针对制造对象的喷涂路径,可以真实反映实际喷涂过程,随时修改喷涂程序,还能观察各元素之间是否发生了干涉,进而有效防止实际喷涂中发生设备相互间的碰撞㊂进一步地,Deng 等[54]提出了一种基于冷喷涂增材制造中网格几何重构策略的通用MATLAB 数值沉积建模方法,以更准确地模拟沉积过程,通过仿真和实验验证了所提方法的有效性,实验结果表明,该方法能够准确模拟冷喷涂增材制造过程中的沉积物增长㊂3.3.2㊀喷嘴设计优化喷嘴是冷喷涂增材制造精度提高的关键之一,Sova 等[55-57]采用出口直径为1mm 的微型喷嘴来对铜㊁铝颗粒进行冷喷涂增材制造,以此来减少粉末的发散,得到了小于1mm 的喷涂斑点,提高了冷喷涂增材制造在小尺寸成形方面的能力㊂2012年,Suo 等[58]通过研究喷嘴尺寸对冷喷涂过程中颗粒分布情况的影响得出,颗粒分布随着喷嘴的出口直径的增加而变得更加扁平化㊁均匀化㊂2022年,Alonso 等[59]研究了不同尺寸参数的喷嘴对于不同种类的冷喷涂粉末颗粒速度以及沉积表面形貌的影响,并整理了不同粒径的铝和不锈钢粉末颗粒所对应的最佳喷嘴尺寸参数㊂通过对喷嘴设计的优化,能够一定程度上提高涂层表面质量㊂4㊀冷喷涂技术的挑战与机遇冷喷涂作为一种先进的表面处理与增材制造技术,经过30多年的研究,已经具备了产品化应用条件[60],但由于工业化要求的不断提高,该技术仍存在一些问题,主要表现在以下几个方面㊂4.1㊀装备性能接近极限随着冷喷涂技术工业应用的不断探索,对装备性能的要求也在不断提升㊂德国Impact Innovations 推出的EvoCS II 系列喷涂设备以及日本Plasma Giken 公司推出的PCS-1000V2冷喷涂系统最高工作温度和压力可达到1200ħ和7.5MPa,接近高温合金的使用极限㊂在现有基础上再要大幅度地提升气体的加热温度难度提高,需要在设计和材料等方面有所突破㊂4.2㊀打印精度有待提升由于工业生产中广泛应用的冷喷涂喷嘴出口直径范围为4~10mm,单道涂层宽度较大,因此一般的拉瓦尔喷嘴难以满足小尺寸工件的加工要求,受限于毫米级的分辨率㊂选区激光熔化(selective laser melting,SLM)技术以及超声波增材制造技术(ultrasonic additive manufactur-ing,UAM)可以达到微米级的分辨率[61]㊂同时在冷喷涂过程中,很难保证涂层形状精度,位于中心的颗粒速度高于外侧的颗粒速度,导致粉末颗粒数量沿喷嘴横截面呈类高斯分布,导致沉积在中心区域的颗粒数量大于边缘的[62,63]㊂Wu 等[64]指出,当喷枪移动速度较低或喷涂次数较多时,沉积体中心区域与边缘区域的厚度增长速度不一致,造成最终沉积体厚度不均匀,形成中间高两边低的 三角形 轮廓,如图9所示㊂4.3㊀专业人才缺口较大冷喷涂技术涵盖了多个学科的专业知识,若研究人员没有经过专业培养,对相关的知识与操作理解起来比较困难;其次,冷喷涂加工过程涉及的控制因素较多,比如喷涂距离㊁粉末粒度㊁喷嘴尺寸㊁气体参数等,它们对不同材料的涂层质量具有不同的影响,需要大量研究人员开展相关研究,以明确各种因素的影响及确定最佳喷涂参数,以此来指导解决工程实际问题㊂5㊀结㊀语自20世纪80年代中期冷喷涂技术被提出至今,对其工艺原理及结合机制等方面开展了大量的研究与讨论,为后续冷喷涂系统设备的开发研究提供了重要的理论依872㊀第4期王婉青等:冷喷涂技术发展历史㊁趋势与挑战图9㊀喷嘴处颗粒速度不同导致的沉积层厚度不一致[64]Fig.9㊀Inhomogeneous sprayed layer thickness caused by particle velocity difference of spray nozzle [64]据㊂目前冷喷涂技术已开始投入工业化生产,且其应用领域㊁设备生产规模逐渐扩大㊂但该技术面临着许多挑战,例如冷喷涂设备的工作性能提升面临极大的限制,最高工作温度及压力难以得到大幅提高㊂目前国内的冷喷涂设备在喷涂温度㊁喷涂压力和稳定性等方面,与国外相比存在一定的差距㊂为提高涂层质量,需要结合激光等其他辅助技术㊂与此同时,冷喷涂增材制造技术与其他的金属增材制造技术相比,尺寸精度较低,仍需大量研究提供理论支持㊂由于专业人才数量有限,冷喷涂技术发展受到了一定限制,亟需大量职业教育进行人才培养㊂参考文献㊀References[1]㊀ALKHIMOV A P,KOSAREV V F,PAPYRIN A N.Soviet PhysicsDoklady[J],1990,35:1047-1049.[2]㊀ALKHIMOV A P,PAPYRIN A N,KOSAREV V F,et al .Gas-Dynamic Spray Method for Applying A Coating:US5302414B1[P].1997-02-25.[3]㊀ASSADI H,KREYE H,GÄRTNER F,et al .Acta 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