冷喷涂特性

冷喷涂技术是近年来发展起来的新型喷涂技术，该方法通过低温（＜600℃）的高速固态粒子与基体发生塑性碰撞而实现涂层沉积，可以避免喷涂材料在喷涂过程中受热影响而发生氧化，分解等，可以将喷涂材料的组织结构在不发生变化的条件下移植到基体表面，简要介绍了冷喷涂技术的原理与特点，冷喷涂层的组织结构与性能以及涂层沉积特性与行为的研究现状，粒子的速度对于涂层的沉积起着决定性作用，对于一定的材料存在一临界速度，约为500－600m/s，当粒子速度超过该临界速度后，随着速度的增加，沉积效率增加，最高可以达到80％以上，迄今的研究表明，冷喷涂可以实现大多数金属材料甚至金属陶瓷材料的沉积。     

基于稳定最大应变的冷喷涂粒子临界速度预测

利用ABAQUS显式有限元分析软件,对冷喷涂铜粒子与铜基体的碰撞过程进行了欧拉法数值分析.结果表明,欧拉模型可有效模拟冷喷涂粒子碰撞变形行为,粒子撞击基体形貌的模拟结果与试验观察吻合较好.在不同碰撞速度下,最大等效塑性应变均会快速上升并达到各自稳定值,并且在290～400 m/s内稳定等效应变最大值基本不变,但随着粒子速度增加,粒子扁平化程度、与基体结合面积与金属射流量均明显增加.最后,结合金属射流形貌与等效塑性应变稳定最大值的变化规律,提出了一种冷喷涂粒子临界速度预测的新方法,计算获得了20 μm铜粒子冷喷涂临界速度约为290m/s.     

冷喷涂粒子碰撞行为三维有限元热力耦合分析

冷喷涂粒子的碰撞变形行为对粒子的沉积起着重要的作用.采用ABAQUS/Explicit显式有限元分析软件对冷喷涂过程中粒子碰撞行为进行了三维数值模拟.通过引入材料的失效模型,获得了与文献报道试验结果相吻合的计算结果.计算结果表明,随着粒子速度增加,粒子变形程度增加,基体坑深增加.粒子大小对其碰撞变形形貌影响不大,不同尺寸粒子的变形具有相似性.     

冷喷涂TC4涂层临界沉积速度计算及制备涂层性能研究

目的研究冷喷涂TC4涂层的临界沉积速度及粒子温度对临界沉积速度的影响规律,并研究气体压强对沉积涂层性能的影响规律。方法理论研究上,采用有限元LS-DYNA软件中的Johnson-Cook塑性模型,选取3D164计算单元建立模型,研究粒子在不同温度和不同速度下碰撞基体后的形貌特征,确定粒子沉积临界速度。试验研究上,采用N_2作为冷喷涂驱动气体,在TC4合金上制备TC4涂层,然后采用SEM、Image J图像分析软件、硬度计等分析已沉积涂层的孔隙率和硬度等性能。结果 25、400、500、600℃温度下,计算表明10μm的TC4合金粒子在TC4基板上的临界沉积速度分别为730、465、392、361 m/s,即随粒子温度升高,粒子临界沉积速度降低,粒子沉积成涂层更容易。采用冷喷涂工艺在TC4基板上沉积TC4涂层,在N_2温度600℃、气体压力3 MPa的条件下,制备的TC4涂层厚度约1000μm,与TC4钛合金基体结合紧密,涂层孔隙率约为6.46%。结论气体温度升高,粒子临界沉积速度降低;气体压强变大,制备的涂层厚度就大且更加致密。     

基于Euler法的冷喷涂粒子与基体高速冲击过程数值分析

利用非线性动力分析软件LS-DYNA,对冷喷涂中铜粒子与铜基体的碰撞过程进行了数值分析.研究冷喷涂过程中沉积粒子与被喷涂基体的变形行为.结果表明:使用Lagrange法,当粒子撞击速度过大时,网格的过度畸变会导致计算的终止,其计算结果与实验结果相比有一定差距.而采用Euler法计算得到的铜粒子与铜基体在碰撞结束后的沉积形貌与实验观察吻合很好,表明模拟结果相对于Lagrange法的计算结果更为精确.此外,Euler法能准确的模拟多粒子共同撞击基体的过程,数值计算得到的多粒子涂层内部结构与实验结果也能很好的吻合.     

中国冷喷涂研究进展

冷喷涂是通过高速固态颗粒依次与固态基体碰撞后、经过适当的变形牢固结合在基体表面而依次沉积形成沉积层的方法.其关键技术是控制不同材料粒子的速度超过其相应的临界速度.文中总结了中国冷喷涂研究的进展.10年来,中国对冷喷涂的研究有了长足进展,发表的论文数量从2000年1篇增加到2007年的28篇.在冷喷涂设备系统研究的基础上,研究工作的基本方法包括数值模拟和试验研究两个方面.当前中国冷喷涂涂层沉积研究基本处于国际前沿,实现了多种金属合金材料、金属间化合物、金属陶瓷与陶瓷涂层的沉积.涂层不仅可以用作保护涂层,还可以用作功能涂层,具有钎料功能的涂层可以通过冷喷涂预制钎料而为钎焊作准备,关于涂层的结合、涂层内颗粒之间的结合、涂层沉积过程规律与组织结构的控制等相关的基础研究还有待于深入开展.     

冷喷涂技术的研究进展

冷喷涂是基于空气动力学原理的一种新型喷涂技术.它是利用低温(一般低于600℃)超音速气体射流加速喷涂粒子,使粒子不熔化,以固态形式与基体发生塑性碰撞而实现涂层沉积.相比于热喷涂技术,冷喷涂可以避免材料在喷涂过程中发生过热、氧化、晶粒长大等现象,适用于非晶、纳米晶涂层的制备.介绍了冷喷涂技术的原理、特点、沉积机制和工艺参数,总结了冷喷涂纳米涂层的研究进展.     

冷喷涂Cu粒子参量对其碰撞变形行为的影响

采用有限元数值计算方法研究了冷喷涂过程中Cu粒子与Cu基体的碰撞变形行为,探讨了粒子速度、温度对其碰撞基体后的变形行为、界面温度变化与粒子和基体的接触面积的影响．结果表明,随粒子碰撞速度的增加,粒子扁平率与碰撞界面温度增加、接触面积增大．证实了存在使碰撞界面发生绝热剪切失稳变形的临界速度,该速度与粒子沉积的临界速度一致．当粒子速度大于产生绝热剪切失稳变形的临界速度时,粒子的变形扁平率显著增加,且界面温度与有效接触界面面积也显著增加;随碰撞前粒子温度的增加,碰撞界面的温度也显著增加．高达粒子材料熔点的界面温度与有效接触面积的显著增加,将有助于粒子与基体之间冶金结合的形成．     

冷喷涂Au纳米粒子在金属表面沉积过程的分子动力学模拟

通过对Au纳米粒子在Au基体上沉积过程的分子动力学模拟，再现了冷喷涂中Au纳米粒子在Au基体上沉积的过程以及粒子和基体表层的形貌变化；在撞击过程中，基体的局部区域有熔化现象，通过计算粒子原子进入基体表面层的数量及粒子与基体间的最终接触面积，探讨了影响喷涂粒子沉积过程的主要因素．     

冷喷涂粒子速度-温度协同作用及复合喷涂新工艺研究进展

从冷喷涂粒子速度与温度协同问题出发,归纳总结了影响冷喷涂涂层质量的主要因素,并在此基础上,重点综述了喷嘴结构、气体类型与性质、粒子形态与材料等工艺参数与粒子速度-温度的作用关系.提高喷枪喷嘴扩张段膨胀比,改善黏性效应,提高高速区面积,使用高热扩散系数材料的喷嘴,均能够显著改善粒子速度-温度的协同效果.在工业应用中,可采用喷丸辅助冷喷涂、激光辅助冷喷涂、静电辅助冷喷涂、真空冷喷涂等新型复合沉积技术,实现高强低塑性喷涂粒子材料的沉积成形.最后,就如何深入研究速度-温度高质量协同并获得高质量涂层进行了展望.