冷喷涂技术之介绍与应用

• 台湾科技大学 多功能材料制造实验室 / 陈品杰 研究生
• (转载自繁体版ACMT电子技术月刊No.091)

前言

过去几年修复的技术一直是以传统的焊接和铸造等方式为主，过程既费时又费力。面对材料的腐蚀及破损，时常会遇到难以透过传统方式修复的状况，而现在冷喷涂技术的出现对国防、太空科技、民间生活皆带来巨大的影响，我们只需要将原材料的粉末透过特殊的喷嘴进行喷涂即可修复材料，或进行不同种类的涂层镀膜，例如防蚀和防锈等。除此之外，冷喷涂不仅携带方便、成本便宜，又可以增加材料的机械强度，可说是近期镀膜技术的亮点之一。

冷喷涂的原理简介

冷喷涂技术，又称冷气动力喷涂或冷气动能喷涂，在冷喷涂过程中，我们会施加低压气体至气体加热器，使空气进行加热，之后通入预室使气流更加平滑顺畅。当气体经过冷喷嘴喉部时，会进行加速，并在粉末供应器部分形成负压，使粉末流入喷嘴中，并以超音速撞击基材。，其核心原理是当金属粒子超过一定速度（临界速度）时，在撞击时附着在基材表面。相对于传统的热喷涂技术，冷喷涂技术的工作温度较低，可以有效避免材料氧化和熔化，从而保证涂层的质量和性能。

图1：(a)为冷喷涂的简易示意图；(b)冷喷涂系统的架设

冷喷涂的优点

冷喷涂技术具有喷涂效率高、涂层附着力强、成本较低等特点，使其在各行业中得到广泛应用。

冷喷涂的主要优势之一是低温处理，有助于避免热应力和相变，保持基材和涂层材料的物理特性。冷喷涂能实现高附着力，颗粒以高冲击速度发生塑性变形，导致涂层和基材之间的机械锁合，确保非常高的附着力，使涂层坚固耐用。冷喷涂还能产生低孔隙率的致密涂层，这对于需要耐腐蚀的应用尤为有利。再来冷喷涂的多样性也是一大优势，可以处理各种材料，包括高熔点材料和难以处理的材料，如钛和镍基合金。减少氧化是另一个好处，冷喷涂允许在单次应用中沉积较厚涂层，节省时间和资源，并确保涂层厚度均匀一致。此外，冷喷涂技术环保，不产生烟雾，对环境污染极小，成为比传统涂层方法更可持续的选择。

冷喷涂的应用

航空航天业

• 冷喷涂被用于制造和修复高性能的涡轮机叶片及其他关键组件。
• 可提高部件的耐腐蚀和耐磨性，延长使用寿命。

汽车制造业

• 用于涂层引擎组件，如活塞和汽缸，增加其耐热和耐磨性。
• 也用于修复受损的汽车零件，如车轴和齿轮。

图2：(a)汽车零件表面已腐蚀；(b)汽车零件冷喷表面修复外加一层保护层

电子产业

• 冷喷涂技术用于制作特殊功能性涂层，如导电和防护涂层，以保护电子组件免受环境损害。
• 在制造散热器和其他散热装置中也有应用。

医疗器械

• 用于制造具有抗菌表面的医疗器械，如手术工具和植入物。
• 这些涂层有助于减少感染风险，并提高患者安全。

能源装置

• 在制造太阳能电池和燃料电池的组件中应用，以增强其性能和耐久性。
• 冷喷涂可用于添加保护层或功能层，提高能效和寿命。

聚合物金属化

• 冷喷涂技术可用于涂层塑料和其他非金属材料，使其具有金属的外观或功能特性。
• 常见于消费电子产品的外壳和装饰性部件的制造。

图3：(a)金属零件破损（黄框）；(b)金属零件冷喷修复（黄框）

结论

冷喷涂技术作为一种创新的表面处理方法，已在多个行业中展现其独特的优势。通过在室温下将粉末或液体材料高速喷涂到基材上，冷喷涂不仅能形成坚固的涂层，而且这些涂层具有出色的附着力、高效率和低成本等特点。这种技术避免了传统高温喷涂所带来的材料氧化和熔化问题，因此能够保持原有材料的性质和强度。在航空航天、汽车制造、电子、医疗设备和能源装置等领域，冷喷涂已被证实能有效提升产品寿命和性能。

此外，随着材料科学的进步和制程技术的持续优化，冷喷涂的应用范围预计将进一步扩大，尤其是在高性能涂层和功能性表面的开发上。未来，冷喷涂技术的发展将依赖于对新材料的探索、过程参数的精细控制以及装置设计的创新。面对如塑性变形和基材侵蚀等挑战，持续的研究和技术创新将关键地支持冷喷涂技术在实现更高质量和效率的目标上。因此，冷喷涂技术为当今的材料科学和表面工程提供了一个重要的技术平台。

参考资料

[1].文章首图、图1 引用自

https://asmedigitalcollection.asme.org/openengineering/article/doi/10.1115/1.4053781/1137769

[2].图2、图3引用自

https://www.rusonic.com/printapp.htm