王婉青，熊成濤，高建紅，任 潞，徐小龍，張勤號(hào)，陳秀勇，所新坤

(1. 寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 多維增材制造研究所，浙江 寧波 315000)

(2. 安徽馬鋼表面技術(shù)股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

1 前 言

冷噴涂(cold spray，CS)，又稱(chēng)為冷空氣動(dòng)力噴涂(cold gas dynamic spray，CGDS)，是一種材料固態(tài)沉積技術(shù)，工作原理如圖1所示，將一定溫度和壓力條件下的氣體(氮?dú)?、氦氣、壓縮空氣等)送入特定結(jié)構(gòu)的噴嘴中產(chǎn)生高速氣流，然后將具有一定粒徑的粉末顆粒送入高速氣流中，通過(guò)加速加熱，固態(tài)粉末高速撞擊基體，產(chǎn)生劇烈的塑性變形而沉積在基體表面形成涂層[1-4]。與傳統(tǒng)的熱噴涂技術(shù)[5，6]相比，冷噴涂最突出的特點(diǎn)是噴涂溫度低和粉末顆粒速度高[7]，因此冷噴涂技術(shù)更適合用于沉積熔點(diǎn)較低和易氧化金屬材料的涂層，如鎂、鋁、銅、鈦等材料，且冷噴涂過(guò)程存在“噴丸效應(yīng)”[8]，可使涂層之間產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，改善涂層的結(jié)合情況。冷噴涂在上述材料零部件修復(fù)和再制造、增材制造及功能涂層等領(lǐng)域均有廣闊的發(fā)展前景[9-11]。

圖1 冷噴涂工作原理示意圖[4]Fig.1 Principle schematic diagram of cold spray[4]

2 冷噴涂技術(shù)的發(fā)展歷程

冷噴涂技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了2個(gè)階段。第1個(gè)階段是原理探索階段(1980年到2015年)，主要集中于理論研究。1980年，前蘇聯(lián)科學(xué)院西伯利亞分院的理論與應(yīng)用力學(xué)研究所的研究人員Papyrin及其同事進(jìn)行超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固體顆粒在高速狀態(tài)下，會(huì)逐層沉積在基材表面，最終形成具有一定厚度的涂層。因此，在1990年提出了冷噴涂的概念，發(fā)表了第一篇冷噴涂的論文[1]，并且在1994年申請(qǐng)了第一個(gè)冷噴涂專(zhuān)利[2]。1995年，McCune等[8]首次將氣體動(dòng)力學(xué)模型運(yùn)用到冷噴涂中并預(yù)測(cè)了冷噴涂過(guò)程中粉末的速度。1999年，Gilmore等[12]創(chuàng)新性地提出了冷噴涂過(guò)程中的臨界速度的概念，即只有當(dāng)顆粒速度加速達(dá)到一定值時(shí)才會(huì)在基體表面發(fā)生沉積。后續(xù)相關(guān)學(xué)者對(duì)不同種類(lèi)的材料進(jìn)行了冷噴涂實(shí)驗(yàn)以獲得不同材料的臨界速度。例如，2002年，Stoltenhoff等[13]發(fā)現(xiàn)當(dāng)含氧量較低的球形銅顆粒的速度超過(guò)臨界速度(約為570 m/s)時(shí)才會(huì)發(fā)生沉積。2003年，Assadi等[14]利用數(shù)值模擬的方法模擬了顆粒的撞擊過(guò)程，提出了一種冷噴涂過(guò)程中顆粒結(jié)合機(jī)制的假設(shè)，第一次指出顆粒之間所發(fā)生的粘結(jié)可歸因于在顆粒表面發(fā)生的絕熱剪切失穩(wěn)現(xiàn)象。同時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)歸納總結(jié)了冷噴涂形成涂層的臨界速度公式，并通過(guò)公式計(jì)算指出顆粒溫度每上升100 ℃，粒子沉積的臨界速度將減小40 m/s，為后續(xù)顆粒預(yù)熱的研究提供了理論支撐。隨后，Schmidt等[15]在Assadi上述研究基礎(chǔ)上考慮了顆粒尺寸的影響，進(jìn)一步地推導(dǎo)出了冷噴涂臨界速度公式。2006年，Richter等[16]和Kreye等[17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明顆粒溫度的升高會(huì)提高冷噴涂涂層質(zhì)量。2007年，Li等[18]在研究鋁顆粒在鋁基體上的變形行為時(shí)，首次觀察到鋁粉表面氧化膜對(duì)鋁顆粒與基體間的結(jié)合情況的影響。2007年，F(xiàn)ukumoto等[19]率先提出基體溫度對(duì)冷噴涂過(guò)程中的顆粒沉積效率的影響，表明基體溫度與顆粒的沉積效率呈正比，同時(shí)證明了基體預(yù)熱對(duì)于提高冷噴涂涂層質(zhì)量的重要性。2008年，Ogawa等[20]首次研究了基體表面條件對(duì)顆粒沉積和冷噴涂涂層機(jī)械性能的影響。

在第1階段的原理探索過(guò)程中，冷噴涂材料體系得到了極大的發(fā)展。起初，學(xué)者們?cè)趹?yīng)用較為廣泛的金屬基體上進(jìn)行冷噴涂技術(shù)的相關(guān)研究。1996年，Tokarev[21]首次嘗試并成功利用冷噴涂技術(shù)在鋼材表面沉積鋁涂層。同年，Mccune等[22]成功制備了鋼涂層和銅涂層，觀察并對(duì)比了冷噴涂工藝與熱噴涂工藝制備的同種材料涂層的機(jī)械性能和微觀結(jié)構(gòu)。隨后，Dykhuizen等[23]和Gilmore等[12]又分別在不銹鋼基體和鋁基材上成功噴涂銅涂層。2000年，Karthikeyan等[24]首次成功噴涂鈦涂層并探討了不同工藝參數(shù)對(duì)鈦顆粒沉積效率和鈦涂層性能的影響。同年，Mccune等[25]成功通過(guò)冷噴涂技術(shù)制備了鐵涂層和銅涂層，并觀察到與熱噴涂處理不同的是，通過(guò)冷噴涂技術(shù)制備的涂層，其顆粒結(jié)合界面并未出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，其結(jié)合機(jī)制多為機(jī)械結(jié)合。2004年，Steenkiste等[26]首次嘗試?yán)么髿饫鋰娡恐苽溷g涂層，并成功得到高硬度且低孔隙率的鉭涂層。2005年，Li等[27]采用氮?dú)庾鳛楣ぷ鳉怏w，通過(guò)冷噴涂成功制備了致密的鋅涂層，并對(duì)涂層進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)在其結(jié)合界面形成了納米晶粒，而顆粒內(nèi)部的晶粒尺寸較原始粉末并沒(méi)有發(fā)生太大變化。2012年，Suo等[28]首次成功制備鎂涂層，通過(guò)數(shù)值模擬得出顆粒的臨界沉積速度在653～677 m/s之間，并討論了沉積過(guò)程中鎂顆粒的變形行為和結(jié)合機(jī)制?；w材料除了最常見(jiàn)的金屬材料，研究人員將冷噴涂技術(shù)擴(kuò)展延伸到了非金屬材料領(lǐng)域。2006年，劍橋大學(xué)Sturgeon團(tuán)隊(duì)[29]首次成功在碳纖維增強(qiáng)聚合物上通過(guò)冷噴涂沉積鋁涂層，開(kāi)啟了基于冷噴涂技術(shù)的高分子材料金屬化的序幕。2009年，日本豐橋大學(xué)的Yamada團(tuán)隊(duì)[30]采用純銳鈦相TiO2納米晶粒團(tuán)聚粉末(粒徑約20 μm)為噴涂原料，沉積了厚度為350 μm且均勻致密的涂層，實(shí)現(xiàn)了冷噴陶瓷涂層的突破性進(jìn)展。2009年，Hussain等[31]成功將銅噴涂到了陶瓷基體上，形成均勻致密的涂層，并觀察到陶瓷基板表面的高粗糙度能夠促進(jìn)涂層與基板之間的粘結(jié)，實(shí)現(xiàn)了陶瓷金屬化。

在設(shè)備研發(fā)方面，各個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)也開(kāi)始嘗試著手研發(fā)一系列冷噴涂設(shè)備，自2000年開(kāi)始，德國(guó)冷氣技術(shù)(Cold Gas Technology，CGT)公司、日本Plasma Giken公司以及美國(guó)VRC Metal Systems等紛紛投入到冷噴涂設(shè)備及系統(tǒng)的研發(fā)中，例如德國(guó)CGT于2001年在國(guó)際熱噴涂大會(huì)上推出商用Kinetiks ? 3000 型冷噴涂系統(tǒng)，其工作氣體的溫度和壓力分別是550 ℃和3 MPa；2009年該公司開(kāi)發(fā)了Kinetiks ? 8000系統(tǒng)，整體系統(tǒng)的加熱功率可達(dá)到85 kW，工作氣體(如N2)的最高溫度可達(dá)1000 ℃。但是由于設(shè)備的工作溫度與壓力仍然無(wú)法滿足特殊材料的噴涂需求，輔助冷噴涂技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，以提高噴涂質(zhì)量。英國(guó)劍橋大學(xué)的Bray等[32]在2009年率先提出將冷噴涂與激光技術(shù)相結(jié)合的激光原位輔助冷噴涂復(fù)合技術(shù)。隨后2015年，西安交通大學(xué)李長(zhǎng)久和雒曉濤等[33]首先提出將原位噴丸技術(shù)應(yīng)用到冷噴涂中以提高涂層質(zhì)量，由此提出了微鍛造輔助冷噴涂技術(shù)，大大降低了冷噴涂技術(shù)對(duì)設(shè)備的依賴程度。

第2個(gè)階段是冷噴涂技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用階段(2015年至今)，由于冷噴涂技術(shù)越來(lái)越完善，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)于冷噴涂設(shè)備的需求量增大，相關(guān)企業(yè)開(kāi)始批量生產(chǎn)成熟的高性能冷噴涂設(shè)備并投入市場(chǎng)。德國(guó)Impact Innovations、日本Plasma Giken公司以及美國(guó)的VRC Metal Systems公司相繼推出成熟的冷噴涂設(shè)備，工作性能不斷得到提升。例如德國(guó)Impact Innovations公司在2021年5月推出了EvoCS II系列的冷噴涂設(shè)備，其設(shè)備性能得到了極大程度的提升，最高工作溫度和工作壓力分別達(dá)到了1200 ℃和7.5 MPa，接近高溫合金的使用極限，可以滿足大部分材料的工作要求。日本Plasma Giken公司研發(fā)的PCS-1000冷噴涂系統(tǒng)，其最高溫度與壓力分別可達(dá)到1100 ℃和7.0 MPa，送粉速度為300～500 g/min[34]。

隨著設(shè)備的完善，冷噴涂技術(shù)在金屬增材制造和航空航天等關(guān)鍵零部件的損傷修復(fù)中實(shí)現(xiàn)了具體的工業(yè)化應(yīng)用，例如美國(guó)VRC Metal Systems公司將研發(fā)的冷噴涂設(shè)備用于美國(guó)軍事領(lǐng)域相關(guān)設(shè)備的零件修復(fù)工作中[35]，如圖2a所示；湖北超卓航科公司利用冷噴涂技術(shù)成功對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，例如飛機(jī)加油蓋的裂紋部位進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)，將其剩余壽命提高至30倍以上，完成了國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域技術(shù)突破，如圖2b所示[36]；廣州尤特新材料等公司通過(guò)冷噴涂技術(shù)制備旋轉(zhuǎn)靶材，如圖2c和2d所示[37，38]。

圖2 冷噴涂技術(shù)用于修復(fù)T7000前車(chē)架 (a)[35]和飛機(jī)加油蓋 (b)[36]；冷噴涂技術(shù)用于制備旋轉(zhuǎn)銀靶材 (c)[37]和旋轉(zhuǎn)硅鋁靶材 (d)[38]Fig.2 Repaired T7000 front 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 cold spray technology

3 冷噴涂技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

2000年至今，國(guó)內(nèi)外多家企業(yè)專(zhuān)注于冷噴涂技術(shù)的發(fā)展，其工藝水平得到了很大程度的提升。據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院整理預(yù)計(jì)[39]，未來(lái)幾年冷噴涂市場(chǎng)規(guī)模及增長(zhǎng)速度會(huì)不斷升高，預(yù)計(jì)2026年，全球冷噴涂行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到12.13億美元，如圖3所示。隨著冷噴涂技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，該技術(shù)呈現(xiàn)高性能化、低成本化和增材制造等發(fā)展趨勢(shì)。

圖3 全球冷噴涂行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模及增速曲線預(yù)測(cè)[39]Fig.3 Predicted market size and growth curve of global cold spray industry[39]

3.1 高性能化趨勢(shì)

隨著冷噴涂技術(shù)在工業(yè)細(xì)分領(lǐng)域的應(yīng)用，工業(yè)界對(duì)冷噴涂涂層性能和質(zhì)量的要求越來(lái)越高，引領(lǐng)冷噴涂技術(shù)向高性能方向發(fā)展。涂層的高性能主要取決和依賴于設(shè)備高性能和粉末高性能。

3.1.1 設(shè)備性能提高

德國(guó)Impact Innovations公司在2021年5月在市場(chǎng)上主推的新一代冷噴涂系統(tǒng)是EvoCS II系列，如圖4所示[40]，該噴涂系統(tǒng)工作時(shí)的最高溫度和壓力可分別達(dá)到1200 ℃和7.5 MPa，送粉速率為1.5 L/h。

圖4 Impact Innovations公司2021年推出的EvoCS II冷噴涂設(shè)備[40]Fig.4 EvoCS II cold spray equipment from Impact Innovations company at 2021[40]

日本Plasma Giken公司的PCS-1000V2冷噴涂系統(tǒng)(圖5)最高工作溫度和壓力可以達(dá)到1200 ℃和7.5 MPa，送粉速率接近300～500 g/min[41]。

圖5 Plasma Giken公司的PCS-1000V2冷噴涂設(shè)備[41]Fig.5 Cold spray equipment PCS-1000V2 of Plasma Giken company[41]

與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)企業(yè)例如陜西德維科技股份有限公司、寧波普羅特新材料有限公司、廈門(mén)佰事興新材料科技有限公司等也已經(jīng)有了相對(duì)完善的高性能冷噴涂系統(tǒng)。

3.1.2 粉末性能提高

粉末作為冷噴涂的關(guān)鍵原材料之一，其純度、粒度以及成分等都會(huì)對(duì)涂層的機(jī)械性能造成影響。Deforce等[42]在AZ41A-T5合金基材上采用冷噴涂技術(shù)制備純鋁涂層，比較了商用鋁粉末(99.5%)和高純鋁粉末(99.95%)對(duì)AZ41A-T5合金耐腐蝕性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)商用純鋁涂層的腐蝕電流密度大約為2.35 mA/cm2，而高純鋁涂層的腐蝕電流密度僅為0.05 mA/cm2。同時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)，利用混合粉末制備涂層同樣可以獲得極為優(yōu)良的機(jī)械性能。Sova等[43]發(fā)現(xiàn)在軟金屬(Al和Cu)粉末中添加細(xì)硬質(zhì)粉末可以顯著降低噴涂“臨界”溫度，增大沉積效率。Liberati等[44]將金屬粉末(Al、Cu和Zn)添加到錫粉末中混合后進(jìn)行冷噴涂，結(jié)果表明，由于夯實(shí)機(jī)制，在錫粉末中添加任何的二次組分均可提高其沉積效率。除了粉末成分，粉末的粒徑分布也會(huì)影響其涂層性能。2013年，Wong等[45]研究了純鈦粉末形態(tài)和粒徑分布對(duì)冷噴涂涂層性能的影響，發(fā)現(xiàn)平均粒徑為29 μm的球形鈦粉末制備的涂層具有最低的孔隙率和最佳的冷噴涂性。

3.2 低成本化趨勢(shì)

低成本是企業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)中獲得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素，隨著近年來(lái)冷噴涂技術(shù)的不斷成熟，冷噴涂技術(shù)的成本出現(xiàn)了大幅度的下降，冷噴涂銅涂層的價(jià)格從原來(lái)的100～200 CNY/mm2降到現(xiàn)在的10～20 CNY/mm2。冷噴涂技術(shù)實(shí)現(xiàn)低成本得益于以下幾個(gè)方面。

3.2.1 國(guó)產(chǎn)設(shè)備日益成熟

冷噴涂是熱噴涂領(lǐng)域的熱門(mén)研究方向之一，在全球工業(yè)化的大背景下，關(guān)于冷噴涂的設(shè)備研發(fā)也越發(fā)地成熟。目前，已經(jīng)廣泛投入使用的冷噴涂設(shè)備來(lái)自德國(guó)Impact Innovations、日本Plasma Giken以及美國(guó)VRC Metal Systems等公司，但是由于運(yùn)費(fèi)及維修費(fèi)等因素，進(jìn)口設(shè)備往往價(jià)格昂貴，價(jià)格約為400萬(wàn)～500萬(wàn)人民幣。因此國(guó)內(nèi)市場(chǎng)涌現(xiàn)出了一批高質(zhì)量的冷噴涂設(shè)備，2000年末，西安交通大學(xué)李長(zhǎng)久教授課題組[34]最先自主研發(fā)了國(guó)內(nèi)首套CS-2000型冷噴涂系統(tǒng)，帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)自主研發(fā)冷噴涂設(shè)備的風(fēng)潮。2001年9月，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所[46]研發(fā)了一臺(tái)冷氣動(dòng)力噴涂裝置，其工作氣體最高溫度和壓力可達(dá)到580 ℃和3 MPa。除了各高校團(tuán)隊(duì)以外，企業(yè)也開(kāi)展了相應(yīng)的研究設(shè)計(jì)。2005年6月，寶山鋼鐵股份有限公司[47]自主研發(fā)了冷氣動(dòng)力噴涂裝置，很大程度上避免了噴涂粉末對(duì)噴嘴的堵塞情況，降低了零件修復(fù)成本。目前，寧波普羅特、北京聯(lián)合等公司均有相對(duì)完整的冷噴涂設(shè)備生產(chǎn)體系，設(shè)備和耗材成本較進(jìn)口設(shè)備有較大幅度下降。

3.2.2 定制化專(zhuān)用設(shè)備發(fā)展

隨著冷噴涂技術(shù)原理的不斷完善和相關(guān)設(shè)備的研發(fā)，冷噴涂技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合得到了擴(kuò)展，生產(chǎn)的產(chǎn)品逐漸多樣化。在實(shí)際生產(chǎn)中，通常只需要對(duì)某一種特定材料進(jìn)行批量化冷噴涂處理，因此，設(shè)備定制化成為了冷噴涂產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)之一。多家國(guó)產(chǎn)冷噴涂裝備公司已經(jīng)推出了定制化專(zhuān)用設(shè)備，以滿足特定材料的噴涂，同時(shí)進(jìn)一步降低設(shè)備投入與運(yùn)營(yíng)成本。

3.2.3 氣體成本降低

氮?dú)?、氦氣是冷噴涂的主要工作氣體，采用氦氣作為噴涂氣體可以顯著提高沉積效率及沉積體性能。2015年，Yin等[48]分別用氦氣、氬氣及空氣3種氣體作為噴涂氣體進(jìn)行了銅顆粒的沉積，結(jié)果表明，氦氣作為工作氣體時(shí)顆粒速度最高，對(duì)顆粒表現(xiàn)出良好的加速性能。但由于我國(guó)氦氣資源稀少，氦氣供應(yīng)主要依賴于國(guó)外進(jìn)口，成本較高，約為50 CNY/L。為保證涂層質(zhì)量，冷噴涂過(guò)程中需要消耗大量的氦氣，造成極大的成本消耗。為解決氦氣費(fèi)用昂貴的問(wèn)題，法國(guó)ICB-PMDM-LERMPS實(shí)驗(yàn)室提出氣體循環(huán)使用的方法，建立了氦氣回收系統(tǒng)，用于氦氣循環(huán)回收、凈化和再利用[34]，極大程度上降低了生產(chǎn)成本，國(guó)內(nèi)科研單位如西安交通大學(xué)、寧波大學(xué)、中國(guó)兵器集團(tuán)五二研究所等在這方面開(kāi)展了相關(guān)的研究。

3.2.4 多技術(shù)復(fù)合

采用冷噴涂制備涂層時(shí)，為提高沉積效率，降低涂層內(nèi)部缺陷，通常選擇更高的噴涂氣體溫度、壓力以及加速效果更好的氦氣。然而，上述方法會(huì)極大提高設(shè)備和氣體成本。為保證涂層質(zhì)量同時(shí)降低制備成本，研究人員考慮通過(guò)將冷噴涂與其他技術(shù)結(jié)合起來(lái)共同制備涂層，通過(guò)技術(shù)的改進(jìn)來(lái)降低冷噴涂工藝對(duì)設(shè)備的嚴(yán)格要求。

2015年，雒曉濤等[33]首次將原位噴丸強(qiáng)化引入冷噴涂，以期降低涂層的孔隙率。2019年，雒曉濤和李長(zhǎng)久等[49]首次提出基于原位微鍛造冷噴涂制備高致密度金屬沉積體的技術(shù)，其工作原理如圖6所示。他們利用原位微鍛造冷噴涂制備鋁涂層時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合粉末中的噴丸顆粒的體積分?jǐn)?shù)高于40%時(shí)，鋁涂層的孔隙率低于0.35%，并且在AZ31B鎂合金基材表面的鋁涂層可使鎂合金的腐蝕速率降低接近3個(gè)數(shù)量級(jí)，表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能。與傳統(tǒng)的冷噴涂技術(shù)相比，通過(guò)該技術(shù)可以在較低的溫度和壓力條件下，在鎂合金表面獲得完全致密的鋁腐蝕防護(hù)涂層，可以在很大程度上降低冷噴涂技術(shù)的成本。

圖6 原位微鍛造輔助冷噴涂技術(shù)的原理示意圖[49]Fig.6 Principle schematic diagram of in-situ micro-forging auxiliary cold spray technology[49]

考慮到激光的加熱軟化處理能夠提高基體和顆粒變形程度，英國(guó)劍橋大學(xué)的Bray等[32]首先提出將冷噴涂與激光相結(jié)合的激光原位輔助冷噴涂復(fù)合技術(shù)，隨后國(guó)內(nèi)浙江工業(yè)大學(xué)姚建華等[50]也開(kāi)始了該項(xiàng)技術(shù)的研究工作，其原理如圖7[32]所示，是將激光束同步引入冷噴涂加工過(guò)程，利用激光對(duì)噴涂顆粒、基材或兩者同時(shí)加熱并使之軟化，在保持冷噴涂固態(tài)沉積特性的同時(shí)提高涂層性能。

圖7 激光原位輔助冷噴涂復(fù)合技術(shù)的原理示意圖[32]Fig.7 Principle schematic diagram of laser in-situ assisted cold spray composite technology[32]

3.3 增材制造應(yīng)用趨勢(shì)

近年來(lái)，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，冷噴涂技術(shù)逐漸演變成為一種新的增材制造技術(shù)[51]。相較于傳統(tǒng)的基于熔融過(guò)程的增材制造工藝，冷噴涂增材制造工藝具有熱效應(yīng)較低、制造效率高、產(chǎn)品尺寸限制小等優(yōu)點(diǎn)，然而，冷噴涂增材制造技術(shù)制造精度較低，從而限制了冷噴涂增材制造的廣泛應(yīng)用。迄今為止，一些公司和研究機(jī)構(gòu)已在冷噴涂增材制造技術(shù)上進(jìn)行了大量投資，并取得了各種突破性的成果。

法國(guó)ICB-PMDM-LERMPS實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用冷噴涂增材制造技術(shù)3D打印了手掌模型，如圖8所示[52]。近年來(lái)針對(duì)冷噴增材制造技術(shù)，主要圍繞噴涂路徑離線優(yōu)化和噴嘴設(shè)計(jì)優(yōu)化兩方面進(jìn)行了深入的探討研究。

圖8 冷噴涂增材制造技術(shù)打印的手掌模型[52]Fig.8 Palm model printed by cold spray additive manufacturing[52]

3.3.1 噴涂路徑離線優(yōu)化

在冷噴涂過(guò)程中，為獲得更精確的涂層厚度和涂層形狀，需要精準(zhǔn)控制噴槍路徑，規(guī)劃和創(chuàng)建合理的噴涂路徑成為了保證涂層質(zhì)量關(guān)鍵的一步。2012年，Deng等[53]在機(jī)器人編程軟件Robot Studio上采用切片方式處理噴涂表面，并且開(kāi)發(fā)了基于該軟件的熱噴涂專(zhuān)用程序包，為后續(xù)研究人員進(jìn)行相關(guān)的研究提供了技術(shù)支持。采用Robot Studio軟件來(lái)創(chuàng)建針對(duì)制造對(duì)象的噴涂路徑，可以真實(shí)反映實(shí)際噴涂過(guò)程，隨時(shí)修改噴涂程序，還能觀察各元素之間是否發(fā)生了干涉，進(jìn)而有效防止實(shí)際噴涂中發(fā)生設(shè)備相互間的碰撞。進(jìn)一步地，Deng等[54]提出了一種基于冷噴涂增材制造中網(wǎng)格幾何重構(gòu)策略的通用MATLAB數(shù)值沉積建模方法，以更準(zhǔn)確地模擬沉積過(guò)程，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠準(zhǔn)確模擬冷噴涂增材制造過(guò)程中的沉積物增長(zhǎng)。

3.3.2 噴嘴設(shè)計(jì)優(yōu)化

噴嘴是冷噴涂增材制造精度提高的關(guān)鍵之一，Sova等[55-57]采用出口直徑為1 mm的微型噴嘴來(lái)對(duì)銅、鋁顆粒進(jìn)行冷噴涂增材制造，以此來(lái)減少粉末的發(fā)散，得到了小于1 mm的噴涂斑點(diǎn)，提高了冷噴涂增材制造在小尺寸成形方面的能力。2012年，Suo等[58]通過(guò)研究噴嘴尺寸對(duì)冷噴涂過(guò)程中顆粒分布情況的影響得出，顆粒分布隨著噴嘴的出口直徑的增加而變得更加扁平化、均勻化。2022年，Alonso等[59]研究了不同尺寸參數(shù)的噴嘴對(duì)于不同種類(lèi)的冷噴涂粉末顆粒速度以及沉積表面形貌的影響，并整理了不同粒徑的鋁和不銹鋼粉末顆粒所對(duì)應(yīng)的最佳噴嘴尺寸參數(shù)。通過(guò)對(duì)噴嘴設(shè)計(jì)的優(yōu)化，能夠一定程度上提高涂層表面質(zhì)量。

4 冷噴涂技術(shù)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

冷噴涂作為一種先進(jìn)的表面處理與增材制造技術(shù)，經(jīng)過(guò)30多年的研究，已經(jīng)具備了產(chǎn)品化應(yīng)用條件[60]，但由于工業(yè)化要求的不斷提高，該技術(shù)仍存在一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

4.1 裝備性能接近極限

隨著冷噴涂技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的不斷探索，對(duì)裝備性能的要求也在不斷提升。德國(guó)Impact Innovations推出的EvoCS II系列噴涂設(shè)備以及日本Plasma Giken公司推出的PCS-1000V2冷噴涂系統(tǒng)最高工作溫度和壓力可達(dá)到1200 ℃和7.5 MPa，接近高溫合金的使用極限。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再要大幅度地提升氣體的加熱溫度難度提高，需要在設(shè)計(jì)和材料等方面有所突破。

4.2 打印精度有待提升

由于工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的冷噴涂噴嘴出口直徑范圍為4～10 mm，單道涂層寬度較大，因此一般的拉瓦爾噴嘴難以滿足小尺寸工件的加工要求，受限于毫米級(jí)的分辨率。選區(qū)激光熔化(selective laser melting，SLM)技術(shù)以及超聲波增材制造技術(shù)(ultrasonic additive manufacturing，UAM)可以達(dá)到微米級(jí)的分辨率[61]。同時(shí)在冷噴涂過(guò)程中，很難保證涂層形狀精度，位于中心的顆粒速度高于外側(cè)的顆粒速度，導(dǎo)致粉末顆粒數(shù)量沿噴嘴橫截面呈類(lèi)高斯分布，導(dǎo)致沉積在中心區(qū)域的顆粒數(shù)量大于邊緣的[62，63]。Wu等[64]指出，當(dāng)噴槍移動(dòng)速度較低或噴涂次數(shù)較多時(shí)，沉積體中心區(qū)域與邊緣區(qū)域的厚度增長(zhǎng)速度不一致，造成最終沉積體厚度不均勻，形成中間高兩邊低的“三角形”輪廓，如圖9所示。

圖9 噴嘴處顆粒速度不同導(dǎo)致的沉積層厚度不一致[64]Fig.9 Inhomogeneous sprayed layer thickness caused by particle velocity difference of spray nozzle[64]

4.3 專(zhuān)業(yè)人才缺口較大

冷噴涂技術(shù)涵蓋了多個(gè)學(xué)科的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，若研究人員沒(méi)有經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)，對(duì)相關(guān)的知識(shí)與操作理解起來(lái)比較困難；其次，冷噴涂加工過(guò)程涉及的控制因素較多，比如噴涂距離、粉末粒度、噴嘴尺寸、氣體參數(shù)等，它們對(duì)不同材料的涂層質(zhì)量具有不同的影響，需要大量研究人員開(kāi)展相關(guān)研究，以明確各種因素的影響及確定最佳噴涂參數(shù)，以此來(lái)指導(dǎo)解決工程實(shí)際問(wèn)題。

5 結(jié) 語(yǔ)

自20世紀(jì)80年代中期冷噴涂技術(shù)被提出至今，對(duì)其工藝原理及結(jié)合機(jī)制等方面開(kāi)展了大量的研究與討論，為后續(xù)冷噴涂系統(tǒng)設(shè)備的開(kāi)發(fā)研究提供了重要的理論依據(jù)。目前冷噴涂技術(shù)已開(kāi)始投入工業(yè)化生產(chǎn)，且其應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)備生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴(kuò)大。但該技術(shù)面臨著許多挑戰(zhàn)，例如冷噴涂設(shè)備的工作性能提升面臨極大的限制，最高工作溫度及壓力難以得到大幅提高。目前國(guó)內(nèi)的冷噴涂設(shè)備在噴涂溫度、噴涂壓力和穩(wěn)定性等方面，與國(guó)外相比存在一定的差距。為提高涂層質(zhì)量，需要結(jié)合激光等其他輔助技術(shù)。與此同時(shí)，冷噴涂增材制造技術(shù)與其他的金屬增材制造技術(shù)相比，尺寸精度較低，仍需大量研究提供理論支持。由于專(zhuān)業(yè)人才數(shù)量有限，冷噴涂技術(shù)發(fā)展受到了一定限制，亟需大量職業(yè)教育進(jìn)行人才培養(yǎng)。