冷喷涂是使用高速气体喷嘴将粉末微粒加速喷向基板的一种固态喷涂工艺名称，在这种工艺中，金属微粒产生塑性变形并在冲击之下固化。术语“冷喷涂”是指所需加工温度相对较低的工艺，一般比喷涂材料的熔点低很多。
尽管将金属材料冷喷涂到基板上的理念可以追溯到20世纪早期，但是，这种技术的适用性直到20世纪80年代才在位于Novosibirisk的俄罗斯科学院理论与应用机械研究所展示出来。由于到达基板及沉淀材料上的金属粉末粘接力使其形成固态，因此，冷喷涂沉淀的特征十分独特，所以它非常适合在多种类型的基板材料上沉淀广泛的传统和高级材料，特别是对于工艺温度敏感的非传统应用。
图1：采用低压冷喷涂现场修理腐蚀后的表面
冷喷涂的一些特征包括其形成的密集沉淀物氧含量极低，没有残余拉伸应力，微粒增大，有再结晶区域以及相变化。一些材料甚至会出现纳米级的晶粒细化。由于具有这些属性，因此冷喷涂特别适合于沉淀各种高级和对温度敏感材料。今天，冷喷涂越来越多地应用于各种工业领域，包括航天、能源和军事工业（图1和图2）。
图2：在氧化锡涂层玻璃上冷喷涂制造传导
性母线槽以应用于加热玻璃
冷喷涂如何工作？
20世纪80年代，在冷喷涂技术的应用发展中，将喷涂材料喷射到喷嘴之内的两种方法获得了专利，今天我们称之为高压（利用高压供给气体将粉末喷射到喷嘴喉部之前）¹ 以及低压(利用低压供给气体将粉末喷入喷嘴分流区)。²
在高压冷喷涂中（图3），将高压氦或氮（高达1,000 psi）预热（高达1,000℃），然后强制通过DeLaval缩扩喷嘴。在喷嘴上面，气体膨胀将热焓转换为动能，将气流加速到超声波范围（1,000米/秒），同时降低其温度。在喷嘴喉部之前，粉末给料被轴向导入气流。加速后的固态微粒以足够的动能冲击基板，以产生机械或冶金粘接效果。
图3：高压冷喷涂工作原理
在低压冷喷涂中（图4），压力相对较低的空气或氮气 (80-140 psi) 也被预热（高达550℃），然后强制通过DeLaval喷嘴。喷嘴扩大侧的加热气体被加速至大约600米/秒。粉末给料被向下流导入扩大部分并被加速喷向基板。 
图4：低压冷喷涂工作原理
由于冷喷涂技术的应用已扩展到新型独特的应用领域，因此越来越多的商用冷喷涂系统推入市场（图5）。 
图5：包含用于现场操作便携式系统的商用低压冷喷涂系统
（图片由CeterLie Widsor, Ltd.提供）
未来趋势
冷喷涂技术现在有了新的发展，包括因冲击波诱发的喷涂3-6，其中高压气源下游的控制阀快速打开/关闭产生脉冲 (10-30Hz) 加热超声波流（图6）。脉冲流量被用于同时加速和加热导入圆柱形喷嘴的粉末。与冷喷涂相比，它不要求使用DeLaval喷嘴，加速期间粉末可以获得额外的能量。这样可以有效粘接各种工程材料，包括钢、钛和水泥。另外，间歇性气流还可降低气体消耗并提高能效。 
图6：冲击波诱发的喷涂 (SISP)。
高级应用
冷喷涂技术属于“家族”更大的热喷涂工艺之列，在此它不用于替代任何成熟的热喷涂方法。相反，冷喷涂技术有望补充和扩展热喷涂的应用范围。
在目前状态下，冷喷涂被越来越多地应用于各种工业以减缓敏感材料的腐蚀，例如：镁铝合金、表面修复、喷射靶制造、加热玻璃上的母线槽制造、硬铬替换涂层的WC-Co（碳化钨-钴）沉积、过渡曲面的电导和热导涂层、铜焊接准备以及热阻挡层和NiCrAlY粘接涂层沉积。在许多这类应用中，冷喷涂显得更为经济，因为它可以真正消除或减少制造步骤。
对于其它应用，冷喷涂仅是唯一的可行性解决方案，特别是在非传统中的应用越来越多。在环境以及健康和安全法规越来越严格时，人们对冷喷涂的兴趣已经以一种潜在的更绿色的替代方案在增长。
随着技术的进步，预计冷喷涂应用将继续扩展到更多的非传统应用中，例如光电、风能、医疗和建筑领域。在光电应用中，冷喷涂可以用于复杂的传导型太阳能电池制造（图7）。风能发电可以利用冷喷涂加强高级聚合物矩阵合成物制造的元件的表面性能。
图7：薄膜光电面板系列为美国俄亥俄州托莱多市托莱多大学校园
的整个建筑物提供电能。
在医疗领域，冷喷涂已经可以将一种有名的生物相容材料羟磷灰石 (HAP) 有效地喷涂到大量的基板上，但同时不会影响HAP的完整性。建筑师可以利用冷喷涂在任何金属或陶瓷基板上创造无限美观的金属图案。
纳米技术和智能结构
其它的一些非传统应用包括使用高级材料，例如纳米结构和无定形材料。在纳米结构材料中，其微粒尺寸极小，具有极端断裂韧度的同时可以维持材料高强度等机械优势。纳米结晶对于工艺温度极其敏感，可以有效使用冷喷涂，不会影响有益的微结构（图8）。 
图8：采用冷喷涂工艺沉积的纳米结构2618铝合金。
由于沉积温度低，冷喷涂可以在表面嵌入微传感器及其功能涂层，以形成智能结构。这些结构可以提供与材料性能或环境条件相关的实时信息。许多新兴企业正聚焦于为桥梁、电网、风力涡轮机、飞机、汽车、轮船、管道和施工设备提供感应、数据库管理和预分析解决方案。冷喷涂的未来有赖于将高级材料沉积到各种基板的同时将热量损失和成本将至最低。这是定义这种技术的未来方向和机遇的基石。
参考书目
1. Alkhimov, A.P., Papyri A.., Kosarev, V.F., esterovich, .I., Shushpaov, M.M. Gas-dyamic sprayig method for applyig a coatig. US Patet 5,302,414, Apr. 12, 1994.
2. Kashiri, A.I., Klyuev, O.F., Buzdygar, T. V. Apparatus for gas-dyamic coatig. US Patet 6,402,050, Jue 11, 2002.
3. Jodoi, B., Richer, P., Bérubé, G., Ajdelsztaj, L., Yadouzi, M. Pulsed-gas dyamic sprayig: process aalysis, developmet ad selected coatig examples. Surface ad Coatigs Techology 2007;201(16-17): 7544-51.
4. Yadouzi, M., Jodoi, B. Microstructure ad properties of WC-based coatigs prepared by pulsed gas dyamic sprayig process: ifluece of process variables. Surface ad Coatigs Techology 2008;203(1-2): 104-14.
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6. Yadouzi, M., Sasoucy, E., Ajdelsztaj, L., Jodoi, B. WCbased cermet coatigs produced by cold gas dyamic ad pulsedgas dyamic sprayig processes. Surface ad Coatigs Techology 2007;202(2): 382-90.
作者简介
Julio Villafuerte博士是北美优质金属成形和焊接设备设计和制造商之一 ——CeterLie Widsor Ltd.的研发总监，公司向许多世界领先的汽车制造商提供产品。Villafuerte博士目前还担任 Waterloo大学的兼职教授，积极参加讲座和研究，荣获Waterloo大学机械与材料工程的博士学位和硕士学位。他拥有15年以上的焊接和材料加工技术丰富经验，最近几年致力于新型冷却气体动力学喷涂技术的研究和传播。
Villafuerte博士在工业领域十分活跃，包括国际热喷涂协会和ASM热喷涂协会。他曾撰写许多技术出版物，经常为专业和学术委员会义务担任技术/战略顾问。Villafuerte博士担任《ASM材料工程与性能杂志》、光化学与光生物及化学学报和《表面与涂层技术》的技术顾问。 (end)
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