引言

鈦合金因其優異的力學性能?耐蝕性?生物相容性以及在高溫下的良好比強度而在航空航天?醫療和化工等領域得到了廣泛應用[1-3]。但是鈦合金在大氣中活性高，很容易形成一層致密氧化層，所以不能用常規的表面處理方法進行表面改性。常規表面改性手段目前主要有PVD?激光?熱噴涂?電鍍等，但都不可避免對鈦合金基材的性能造成影響，例如PVD?激光以及熱噴涂的高溫會使鈦合金晶粒增大，降低其力學性能，電鍍會加大氫脆風險等。與前述相比，冷噴涂技術就有了優勢[4-7]。

1、冷噴涂技術概述

1.1分類

噴涂作為一種新型的實用工程技術，目前尚無標準的分類方法。按照加熱噴涂材料的熱源種類，分為火焰噴涂?等離子噴涂?電弧噴涂?冷噴涂等。冷噴涂依靠高速氣體將粉末粒子加速到超聲速，使粒子在完全固態下撞擊基體表面，通過塑性變形形成涂層。冷噴涂的工作溫度通常在室溫至600℃之間。冷噴涂相對其他噴涂類型，噴涂工作溫度較低。與傳統的其他熱噴涂相比，冷噴涂技術的優勢在于其低溫過程，這有助于保持材料的原始微觀結構和性能，同時減少了熱影響區和熱應力。冷噴涂技術的應用范圍廣泛，從航空航天領域的輕質高強度涂層到生物醫學領域的植入物涂層。研究者們還在探索冷噴涂技術在增材制造領域的應用，例如通過逐層構建來生產復雜形狀的零件[8]。為了提高冷噴涂涂層的質量，可以對噴涂參數進行優化?改變噴嘴設計?選擇不同的粉末材料以及后處理工藝。此外，冷噴涂技術與其他先進制造技術的結合，如激光輔助冷噴涂和等離子體輔助冷噴涂[9-11]，也在提高沉積效率和涂層性能方面顯示出巨大潛力。

1.2基本原理

冷噴涂過程中，粉末顆粒在撞擊基體時不熔化，保持固態，避免了高溫引起的材料退化?氧化和相變。粉末顆粒的高速撞擊產生塑性變形，顆粒與顆粒之間?顆粒與基體之間通過物理結合?化學結合以及部分冶金結合形成牢固的界面。由于噴涂過程中溫度較低，涂層內部殘余應力小，且主要為壓應力，有利于涂層的附著和性能。

1.3工藝流程

工藝流程為準備階段—設備設置—噴涂過程—氣體加熱—粉末輸送—顆粒加速—撞擊沉積—后處理。

1.4圖示說明

冷噴涂設備通常包括氣體壓縮機?加熱器?噴嘴?送粉器和控制系統，如圖1所示。

圖1展示了冷噴涂設備的主要組成部分及其相互連接方式。在實際應用中，這些組件會根據具體的噴涂需求和技術規格有所不同。噴涂過程中，粉末顆粒在噴嘴處被加速，形成高速氣固雙相流。顆粒撞擊基體時，發生塑性變形，顆粒間和顆粒與基體間形成結合界面。沉積層逐漸增厚，形成所需的涂層或修復層。

2、影響冷噴涂效果的關鍵因素

2.1載氣壓力

冷噴涂技術中，載氣壓力是一個關鍵的工藝參數。載氣壓力影響粉末顆粒的加速效果和飛行速度，進而影響涂層的致密度及相關性能[12]。冷噴涂技術使用的載氣通常是壓縮空氣或氮氣，噴涂氣體的壓力通常在3MPa~8MPa，提高噴涂氣體的壓力可以增加粉末粒子的速度和變形能力，從而提高沉積效率和涂層質量。靳磊等[13]發現相同氣體溫度條件下，采用氦氣制備的涂層較氮氣更加致密，涂層硬度更高，粉末利用率也更高。在實際應用中，載氣壓力的具體數值可能會根據所使用的設備?粉末材料?噴嘴設計以及其他工藝參數進

行調整。通常，這些參數需要通過實驗優化來確定，以達到最佳的噴涂效果。

2.2噴涂速度

根據載氣壓力的不同，噴涂速度也不同。較高的氣體壓力可以產生更快的顆粒速度，從而提高沉積效率和涂層的致密性。噴涂速度和送粉速率需要相匹配，以確保涂層的連續性和均勻性[14]。石仲川等[15]總結了冷噴涂中常見金屬粉末顆粒的臨界速度，如表1所示。

表1 不同金屬粉末顆粒的臨界速度

冷噴涂過程中使用的載氣壓力達到一定的高壓水平，就會產生超音速氣流。馬春春等[16]提出載氣加速微小顆粒形成超音速(300m/s~1200m/s)氣固雙相流，使得噴涂溫度更低?涂層對基體熱影響小?送粉速度更快?涂層孔隙率顯著減小。

2.3載氣溫度

在冷噴涂增材制造中，載氣溫度是影響顆粒速度?顆粒溫度和涂層質量的關鍵參數之一，精確控制氣體溫度對氣體加熱效率?沉積效率的穩定性以及涂層的微觀結構具有重要意義。氣體溫度通常在室溫至300℃之間，但某些情況下，為了提高噴涂效率和沉積質量，噴涂氣體的溫度可以提高到600℃。靜態壓痕實驗表明，與塊材比較，涂層平均顯微硬度增加。膠粘拉伸試驗表明，鋅?鋁結合強度較高，涂層本身的結合強度大于涂層與基體界面的結合強度[17]。鄭悠等[18]采用ANSYSFLUENT建立數值模型，發現采用PID策略時，氣體溫度的穩定時間和過沖都有大幅優化，隨著穩定時間和過沖率減小，對氣體溫度控制的精確度增加。氣體溫度的提高，其直接效果是氣流速度的提高，對粉末粒子的加速效果也更好，同時減緩粉末粒子通過噴嘴喉部后的降溫過程，保證較高的沉積溫度[19]。

2.4噴嘴設計

冷噴涂噴嘴設計是冷噴涂技術中的關鍵組成部分，它直接影響到噴涂過程中金屬顆粒的加速效果?涂層的均勻性和最終的沉積質量。冷噴涂噴嘴通常采用拉瓦爾(Laval)噴嘴設計[20]。噴嘴設計包括喉部直徑?擴張角度?噴嘴長度以及出口形狀等[21]。除了拉瓦爾噴嘴，還有圓形截面噴嘴?矩形截面噴嘴和橢圓形截面噴嘴等。王曉放等[22]通過對冷噴涂設流場的數值模擬，對比了不同噴嘴截面形狀的流場特點，試驗表明：制備面積較大的均勻涂層時應選用截面形狀為矩形的噴嘴，性能更優。邢龍森等[23]利用CFD軟件優化計算，針對不同尺寸的噴嘴進行模擬計算并優化。當喉部直徑一定，噴嘴的縮放比約為4時，噴嘴內外部氣流速度平穩，無明顯的激波產生，而較大的出口直徑會產生明顯的激波。

2.5噴涂距離

冷噴涂噴涂距離是指噴嘴出口到被噴涂基體表面之間的距離。噴涂距離越短，顆粒撞擊基體的速度越高，形成的涂層越致密。但如果距離過短，可能會導致基體過度加熱或損傷。相反，噴涂距離過長可能會導致顆粒速度下降，影響涂層的形成和結合強度。這個距離需要根據噴涂材料和所需的涂層特性進行調整[24]。噴涂距離根據噴涂粉末的不同，通常在10mm~50mm之間是較為合適的范圍。

2.6粉末特性

冷噴涂工藝中粉末材料的物理性能對成形質量具有一定的影響[25]，如粉末材料的粒度?形貌?氧含量等因素，冷噴涂工藝常用的粉末粒度范圍為5μm~45μm。粉末顆粒大小取決于噴涂條件?噴嘴規格和噴涂距離等多種因素。其次，粉末顆粒形貌是另一個關鍵因素。在低能量噴涂條件下，樹枝狀等不規則形態會導致孔隙率降低，而在高能量噴涂條件下，球形粉末會帶來更強的效果。金屬粉末的氧含量也對沉積效率產生一定的影響，低氧含量的粉末更容易沉積，粒子表面的薄氧化膜更容易形成強結合。

2.7預處理

冷噴涂預處理是冷噴涂技術中的一個重要環節，它對提高涂層的性能和質量起著至關重要的作用，其包括基體預處理和粉末預處理。基體的清潔度?表面粗糙度及預熱等都會影響涂層的結合強度和質量[26]，所以一般用新鮮表面，噴砂處理后待用。粉末預處理主要包括粉末預熱?熱處理以及烘干等[27]。有時還可以通過機械混合?球磨法?造粒法和包覆法等方法制備復合粉末，在涂層中引入第二相，如陶瓷顆粒，以改善涂層耐磨性?耐腐蝕性等性能。

3、冷噴涂技術在鈦合金性能提升中的應用

冷噴涂技術通過在鈦合金表面沉積高性能涂層，可以有效改善其耐磨性?抗疲勞性和生物相容性。

3.1耐磨性

冷噴涂可以在鈦合金表面沉積硬度較高的材料，如陶瓷顆粒或硬質合金，形成一層耐磨涂層。這種涂層能夠抵抗磨損，延長鈦合金部件的使用壽命等[28]發現Al/Al2O3復合涂層涂層的表面粗糙度可以達到9.02μm，孔隙率達到2.07%。邵若男等[發現相較于30%Al2O3-70%Ni涂層，70%Al2O3-30%Ni涂層的摩擦因數降低了13%，磨損率降低了66.7%。葛潔潔等[30]發現與Ti6A14V基體的磨損率(4.06×10-7mm3/Nm)相比，Ti/WC復合涂層的磨損率降低了一個數量級，表現出優異的耐磨性。冷噴涂技術在提升鈦合金的耐磨性方面具有廣泛的應用前景，尤其是在航空航天?醫療和高性能機械等領域。

3.2抗疲勞性

冷噴涂涂層可以減少鈦合金表面的應力集中，降低疲勞裂紋的萌生和擴展。此外，涂層的殘余壓應力狀態有助于提高鈦合金的疲勞強度[31]。GHELICHI等[32]研究冷噴涂Al5052涂層發現，涂層的疲勞壽命與涂層的微觀結構密切相關，優化的涂層結構可以提高材料的疲勞壽命。卜嘉利等[33]發現在740MPa和840MPa應力水平下，試樣疲勞壽命分別提升4.5倍與7.5倍。疲勞壽命提升歸因于試樣表層晶粒細化?高密度位錯組織及殘余壓應力對疲勞裂紋萌生與擴展的抑制作用。

3.3生物相容性

冷噴涂技術可以在鈦合金表面沉積生物活性材料，如羥基磷灰石(HA)?鉭(Ta)等，這些材料能夠促進細胞附著和生長，提高植入體與宿主骨的結合[34]。LIU等[35]討論了冷噴涂技術在生物醫學領域的應用，并指出了未來研究的方向。賈利等[36]研究了TC4鈦合金表面冷噴涂制備多孔Ta涂層的生物相容性，發現在TC4鈦合金表面制備鉭涂層后，鉭涂層具有更好的防止血小板粘附與變形的性能。在細胞增殖實驗中，細胞在鉭涂層表面的增殖能力高于TC4鈦合金。多孔鉭涂層的彈性模量相對鉭塊降低了22%。其生物活性高于TC4鈦合金基體。李矛等[37]對Ta涂層?Ti涂層和Ha涂層的研究表明：Ta涂層表面細胞黏附數量明顯高于涂層(P<0.05),與HA涂層無統計學差異(P>0.05)說明涂層與涂層表面相比，更適合細胞的粘附和生長。冷噴涂技術有改善鈦合金生物相容性方面的潛力。在醫療植入物等領域具有更廣泛的應用前景。

4、冷噴涂復合技術對涂層性能的影響

冷噴涂復合技術將冷噴涂技術與其他加工技術相結合，旨在提高冷噴涂沉積體的塑性?強度?耐磨性等性能以及擴展冷噴涂的應用范圍。以下是冷噴涂復合技術與其他加工技術結合的幾個方面。

4.1熱處理

熱處理可以提高涂層的硬度?強度和塑性，減少孔隙率，從而提高涂層的耐磨性和耐腐蝕性[38]。對冷噴涂沉積體進行后續的熱處理，可以改善涂層的微觀結構，降低殘余應力，提高涂層的力學性能。寧先進等[39]發現經過600℃以上熱處理后，涂層與鈦合金基體的相容性及其對涂層結合性能的提高，涂層內的cBN顆粒主要分布于鎳粒子邊界處，較大尺寸的cBN(W14)在涂層中分布更為均勻，涂層結合強度大于82MPa，涂層/基體界面處出現Ti-Ni金屬間化合物。李文亞等[40]對所制備多孔鈦與鈦合金塊材進行熱處理后發現，熱處理態的氣孔率代表了冷噴涂制備塊材的實際氣孔率，熱處理后粒子間接觸界面通過擴散達到冶金結合，多孔塊材的結合強度均明顯增加(超過55MPa)。馮立等[41]以Cu-Zn混合粉末作為噴涂粉體，在不同退火溫度下對復合涂層進行退火熱處理，發現銅鋅復合涂層結構致密，涂層與基體結合緊密?銅鋅復合涂層在200℃~300℃間退火時，涂層中金屬顆粒間界面明顯，涂層內部形成β(CuZn)?γ(Cu_5Zn_8)等金屬間化合物。退火溫度為200℃時，銅鋅復合涂層的硬度(HV(0.2))達到最高(1578MPa)，結合強度達到最低(7.5MPa)?銅鋅復合涂層在350℃~450℃間退火時，涂層中金屬顆粒間部分界面不明顯?當退火溫度為450℃時，銅鋅復合涂層硬度達到最低(1024MPa)，結合強度達到最高(13.9MPa)。

4.2激光輔助處理

激光可以提高噴涂顆粒的溫度和變形能力，從而提高涂層的沉積效率和致密度[42]。激光輔助處理還可以改善涂層的界面結合，減少孔隙率，提高涂層的力學性能。劉博等[43]等采用激光輔助低壓冷噴涂技術在Cu基體上制備石墨/Cu復合涂層，石墨/Cu復合涂層中顆粒之間結合良好，具有較好的致密性。CS-Cu涂層的熱導率和電導率分別從66.2W/(m.K)和7.12MS/m提升至136.6W/(m.K)和14.65MS/m。涂層中添加質量分數5%的石墨時，復合涂層的熱導率可進一步提升至209.8W/(m.K)。陳正涵等[44]使用激光重熔加冷噴涂復合工藝在鎳鋁青銅9442合金上制備了Cu4O2涂層冷噴涂涂層厚度約為300μm，經過激光重熔后涂層使質量減少了43.86%。36d后表面可以形成十分穩定并且具有一定厚度的鈍化膜，耐海水腐蝕性能大幅提高。

4.3攪拌摩擦處理

攪拌摩擦處理是一種固相焊接技術，冷噴涂可以作為攪拌摩擦處理的預處理步驟，通過在基板上沉積一層材料，可以改善攪拌摩擦處理過程中的材料流動和接頭質量。冷噴涂層也可以作為焊接過程中的中間層，提高焊接接頭的強度和耐腐蝕性[45]。劉志浩等[46]采用攪拌摩擦加工對冷噴涂6061鋁合金涂層進行表面改性，改性后的6061鋁合金涂層顆粒邊界消失，缺陷基本消除，晶粒顯著細化，平均晶粒尺寸為3.1μm，極限抗拉強度和伸長率分別上升19%和1730%。RALLS等[47]采用攪拌摩擦處理提高冷噴涂增材制造的316L不銹鋼的耐微動腐蝕性能，降低孔隙率，提高了表面剛度，從而產生幾乎全黏的微動狀態。微動磨損軌跡內存在大量的鎳，降低了表面加速腐蝕的傾向。攪拌摩擦處理實現的原子相變化也有助于提高耐微動腐蝕性能。

5、結語

冷噴涂技術的研究有助于推動鈦合金材料的加工和應用技術的發展，特別是在提高涂層性能和降低加工成本方面。通過研究冷噴涂與鈦合金的結合，可以更好地理解涂層與基底之間的結合機制，為設計更高性能的涂層提供理論基礎。冷噴涂技術的研究還可以促進跨學科領域的合作，如材料科學?機械工程和表面工程，推動新技術和新材料的開發。鈦合金與冷噴涂結合的研究不僅具有重要的工業應用價值。而且對于推動相關領域的科技進步和創新具有深遠的意義。隨著技術的不斷發展和優化，這種結合將在更多領域展現出其巨大的潛力。冷噴涂技術在鈦合金表面改性中的應用展現出巨大潛力。未來的研究將繼續探索冷噴涂技術的新應用以及如何克服當前的挑戰。

冷噴涂過程中的工藝參數，如氣體壓力?溫度?噴涂速度等，對涂層質量有顯著影響，通過優化工藝參數，可以提升鈦合金的性能，擴大鈦合金的應用領域和場景。冷噴涂技術還需要針對不同的沉積材料特性進行優化，以確保涂層與鈦合金基材之間的良好結合。對于某些特殊材料，如高溫合金?復合材料等，實現高質量的冷噴涂沉積仍然是一個挑戰。

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