文丨奇怪的玛丽莲
编辑丨奇怪的玛丽莲
前言
冷喷涂(CS)处理是一种逐层固态沉积工艺，其中温度低于熔点的颗粒以足够高的速度发射以粘附到基材（和先前沉积的颗粒）上，形成涂层零件。
尽管存在了四十多年，但由于复杂的颗粒载气相互作用模糊了评估，CS过程中的颗粒键合机制尚不清楚。
此研究进一步提供了关于粘合机制的新见解，对有助于键合的氧化层破裂和分层、绝热剪切不稳定性、喷射、熔化和界面固态非晶化的演化理论进行了评估和仔细审查。
尽管键合的发生有一个统一的条件，但这项研究表明，没有单一的理论可以解释键合机制，相反，主导机制是每种影响场景特有的普遍障碍的函数。
简介
冷喷涂（CS）工艺是一种固态沉积工艺，其中微粒通过加压气体加速到超音速；这些颗粒粘附到相对定位的基材和/或先前沉积的颗粒上以形成涂层。
CS是高速氧燃料、火焰喷涂和等离子喷涂等热喷涂技术的成员，然而CS加工过程中的微粒在远低于其熔点的温度下发射，所有粘合依赖于颗粒的是动能而不是热能。
CS冲击前颗粒不熔化的要求可抑制热引起的缺陷，例如应力、基材和颗粒的开裂、氧化等。
根据推进气体压力要求，CS主要分为两种类型：高压冷喷涂（HPCS）和低压冷喷涂（LPCS）系统。
在HPCS系统中，压力大于1MPa的压缩气体执行两个不同的作用：(i)一部分气体将进料器处的粉末颗粒输送至拉瓦尔喷嘴，(ii)另一部分被加热在室内以提高粒子速度。
气体颗粒混合物和加热的气体在被注入喷嘴喉部之前混合，超过该喷嘴喉部，混合物膨胀通过喷嘴的长发散部分以产生超音速气体-颗粒流。
同时，LPCS系统中的压缩气体在进入拉瓦尔喷嘴之前被加热，其典型压力小于1MPa。
而送粉器位于喷嘴的扩散部分，加热的气体在喷嘴的发散部分与粉末混合，在低压下形成颗粒气流。
HPCS发射的颗粒速度高达800–1400m/s，而LPCS的颗粒速度仅限于300–600m/s，并且只能用于沉积较轻的材料。
随着CS技术的进步，还存在其他变体并已在文献中报道过；它们包括动力金属化、脉冲气体动态喷涂和真空冷喷涂。
与任何制造工艺一样，优化CS工艺对于提高工艺质量是必要的，尽管材料类型及其构成的微观结构特征有助于沉积物的质量和沉积速率，但加工参数也会强烈影响涂层质量。
冷喷涂工艺参数
首先我们来说一下推进气体参数，包括气体类型、气体温度和气体压力，CS工艺中的压缩气体发挥两个关键作用：输送粉末颗粒，并充当气粉的推进气体混合物。
CS中最广泛使用的气体包括空气、氦气(He)和氮气(N2)，原则上，CS工艺中优选比N2更轻的He；这是因为他实现了键合所需的更高粒子速度。
然而，He价格昂贵且在经济上不可行；这导致在一些工业应用中使用He和N2混合物，我们再来看一下送粉器参数（送粉速率），送粉速率是每单位时间计量进入喷嘴的粉末量。
进料速率决定了离开喷嘴的气体颗粒流的性质，并且它对颗粒冲击速度有直接影响，粉末进料速率越高，由于严重的气体颗粒相互作用，颗粒速度越低，类似于下图所述。
较高的进给速度还会导致单道沉积物的轮廓更厚、更锋利，我们应仔细选择10至30g/s之间的送粉速率，以提高CS沉积质量。
而喷嘴参数中，最重要的喷嘴参数包括喷嘴横向速度、喷嘴与基材之间的间距（SoD）和喷雾角度（喷嘴中心轴与基材之间的角度）。
喷嘴横向速度影响单位时间内粉末撞击基材的持续时间和数量，一般来说，较低的喷嘴横向速度会导致单道沉积的涂层更厚且轮廓更清晰。
此外低喷嘴横向速度会增加沉积物的密度、粘附强度和硬度，在CS工艺中建议使用高喷嘴横向速度，因为低喷嘴横向速度会因喷丸效应而导致沉积物，基材界面处的残余应力较高。
如果同步设置喷嘴横向速度和进给速率，则可以仔细控制单程沉积的厚度。
同时，和沉积效率(DE)随着SoD的增加而增加，并在达到临界最佳值后减少；这也取决于粉末的类型，例如Al和Ti为60mm，Cu为110mm。
70至90°之间的喷射角度通常可提供最高的DE，当喷雾角度偏离最佳值时，法向速度分量有助于颗粒的粘附，而其他速度分量则有助于去除碎片。
最后再留看看原料参数（颗粒尺寸、分布、组成、几何形状和温度），减小颗粒尺寸会增加临界粘附速度。
推测这是由于较小颗粒的高表面积与体积比导致（i）较低的动能（ii）更快的热传导远离粘合界面，以及（iii））阻碍键合的吸附剂含量较高。
此外，粉末氧含量的增加会阻碍结合并降低沉积物的延展性，铝、铜、锌、银、铋等金属及其合金因其熔点相对较低，且容易变形而常用于CS工艺。
最可控的原料参数是粒度；通过筛子过筛即可轻松获得，然而粒子的几何形状和拓扑是最难控制粒子属性的。
颗粒可以是球形、近球形、海绵状、树枝状等，如果颗粒温度升高，喷涂材料将会降低，从而使得在相对较低的冲击速度下进行粘合成为可能。
而在冷喷涂中，碰撞前的颗粒动能是决定颗粒粘合和固结质量的关键参数之一，并对其做出了研究和观察。
结合机制和研究目的
人们已经认识到，对于给定的材料类型和属性，存在一个临界速度，在该速度或高于该速度时实现粘合。
当撞击速度低于时粒子会反弹，在以往的研究中提出了相当多的粘合机制，其中一些尚有争议。
其中一些争论包括粘合是否需要绝热剪切不稳定性，喷射的作用是材料从颗粒基底界面向外喷射、原生表面氧化层、界面熔化和界面固态非晶化；这些机制将在后一节中详细探讨。
如果CS技术确实要扩展到上面列出的未知应用，则必须明确阐明粘合机制，在CS过程中，会发射多个微粒。
它们与载气和其他颗粒的复杂相互作用使得测量单个颗粒的精确尺寸和速度变得困难（如果不是不可能的话）；这反过来又使得粘合机制的评估变得困难。
为了深入了解这一复杂的过程，过去几年已经开发并进行了数值模拟和隔离单个宏观以及微观粒子影响特定地点的原位实验。
如今有些科研人员已经取得了一些进展，例如使用新的计算工具、最近开发的激光诱导颗粒冲击测试仪(LIPIT)。
它允许发射单个微粒并实时观察已知颗粒尺寸，以及提供界面原子分布细节的最先进的表征技术。
在过去的5到10年里，这些进展为粘合机制提供了新的证据，而这些证据以前并未得到重视。
因此，本文概述了最近在单个宏观、微观粒子冲击实验或模拟中从材料角度理解粘合机制的努力。
为了充分发挥CS技术在更多工业应用中的潜力，希望该综述能够为CS界和其他高速冲击过程（例如爆炸焊接、聚能射孔弹）、学者、工程师和管理人员提供经验和缺乏经验，对粘合机制的新见解。
而随着时间的推移，CS已经从实验室发现发展成为工业制造过程，事实上，CS过程涉及多粒子以超音速和非常短的接触时间沉积，这使得单微粒撞击的原位观察具有挑战性。
单粒子撞击方法
如今的科研人员开发了几种实验方法来理解控制CS处理过程中发生的物理现象的基本原理。
此外，高性能计算设备的发展导致人们在理解粒子-粒子、粒子-基底、粒子-气体相互作用以及粒子变形、喷射等方面的数值研究方面取得了进展，这些都促进了CS中的结合。
这对微粒冲击以及相关的极大应变和应变率，以及粘合的数值研究为这种仅持续几纳秒的复杂冲击过程提供了更好的视角。
接下来我们将简要介绍迄今为止用于理解CS单元过程的各种数值和实验方法。
CS中最早使用的数值方法之一是拉格朗日概念，拉格朗日模型的一个主要优点是能够在假设影响对称的情况下减少计算时间，因此允许使用轴对称（四分之一）模型。
在拉格朗日模型模拟中，弹丸或粒子网格以及撞击区域的网格变得紧凑，以获得准确的结果，此外，网格节点与材料一起运动可以在撞击过程中精确跟踪颗粒-颗粒和颗粒-基材界面。
然而，该模型面临着高网格畸变导致程序截断的挑战，进而导致计算精度低。
网格畸变问题通过使用任意拉格朗日（ALE）方法来解决，该方法融合了拉格朗日分析和欧拉分析，以在模拟继续时重新定义连续任意的网格。
这允许网格从材质中自由移动，然而计算时间的增加也伴随着颗粒基底界面温度的不准确预测和高冲击速度下不合理的颗粒变形，以及等效塑性应变的减少。
结论
在对冷喷涂（CS）技术的讨论中，我们深入探讨了推进气体参数、送粉器参数、喷嘴参数以及原料参数对CS处理过程和涂层质量的影响。
了解和优化这些参数对于实现高质量的涂层具有重要意义，我们也提到了数值模拟方法和实验方法在理解和控制CS处理过程中的作用。
不同的数值模拟方法，如拉格朗日概念、欧拉方法和离散元方法，以及实验方法，如高速摄像技术和表征技术，可以相互补充地帮助我们深入了解CS技术中发生的物理现象。
CS技术在材料涂层领域有着广泛的应用，它可以提供卓越的涂层质量和性能。
通过深入研究和优化CS处理过程中的各种参数和基本原理，我们能够不断推动这项技术的发展，为工业领域提供更多高效、可靠的涂层解决方案。
总之，CS技术的研究和应用为材料表面改性和加工技术带来了新的可能性，它将继续在诸多领域发挥着重要作用，为我们创造更加先进和可持续的材料应用。
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