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      超音速冷噴涂理論基礎

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      冷噴涂的理論基礎是:??

      壓縮空氣加速金屬粒子到臨界速度(超音速),金屬粒子直擊到基體表面后發生物理形變。金屬粒子撞扁在基體表面并牢固附著,整個過程金屬粒子沒有被融化,但如果金屬粒子沒有達到超音速則無法附著。??

      冷噴涂工藝通過將金屬顆粒放置在通過會聚-擴散噴嘴膨脹的加熱的氮氣或氦氣流中而賦予金屬顆粒超音速。粉末進料在噴嘴入口處以高壓插入。高壓和高溫產生超音速氣體速度和氣流內的高粒子加速度。夾帶在氣體中的顆粒被導向表面,在那里它們在撞擊時嵌入,與表面形成牢固的結合。由于離開噴嘴的膨脹氣流的溫度相對較低(100-500℃),術語“冷噴涂”已被用于描述該過程。??

      隨后的噴涂通道增加了結構厚度。金屬粉末與基材的粘附性以及沉積材料的內聚力在固態下完成。??

      噴射的顆粒必須達到“臨界速度”才能在撞擊之前與表面固結。這種所需的最小速度在金屬類型之間變化,通常在500和800m/s之間。用于顆粒加速的氣體通常是氮氣,氦氣或兩者的混合物。雖然相當昂貴,但氦氣產生更高的粒子速度。噴嘴內氮氣流中20微米直徑銅顆粒加速的一個例子如下圖所示,它是由一維等熵和二維CFD模型產生的.在這種情況下,初始溫度氣體壓力分別為500℃和30巴。隨著溫度降低,氣體通過174毫米噴嘴膨脹并加速。噴嘴喉部發生非??焖俚淖兓?,達到氣體聲速。當發生拖曳和熱傳遞時,粒子速度和溫度接近氣體值。??

      在與鋁表面碰撞時,以650m/s行進的20微米銅顆粒的變形順序如圖所示。沖擊過程的模擬使用CTH計算機代碼進行。該圖顯示隨著顆粒/基底接觸時間的增加,顆粒變平,而基底凹坑的深度和寬度增加。同時,在顆粒/基板接觸表面處形成由顆粒材料和基板材料兩者組成的射流。同時,溫度升高,集中在顆粒/表面界面。這種溫度上升是剪切不穩定性的指示,其導致材料在相應表面處的大量流動,并且估計的引起剪切不穩定性的沖擊速度與實驗確定的銅的臨界速度相當。這意味著,如在材料的爆炸焊接的情況下,冷噴涂中的粘合是相互作用表面處的剪切不穩定性的結果。??

      冷噴涂的屬性包括低溫沉積,致密結構和最小或壓縮殘余應力。除了這些特性之外,沉積的材料具有接近或高于鍛造材料的強度。 下圖顯示了6061鋁合金冷噴涂沉積產生的固結沉積物的一個例子。氦氣用于加速6061鋁顆粒??梢宰R別單個顆粒的薄片,并且固結顆粒的致密,無孔性質是清晰的,測得的孔隙率小于1%。??

      在沉積狀態下,冷噴涂沉積物可以表現出比鍛造合金更高的強度。 下圖比較了冷噴涂6061鋁合金與各種熱處理的鍛造6061合金的強度特性.退火時,冷噴涂沉積強度降低,但伸長率和延展性增加。??

      這些實施例表明,冷噴涂材料可具有與鍛造材料類似的物理特性。這些特性允許冷噴涂修復以緊密地模仿或超過修復的材料的強度。除了良好的強度特性之外,還可以容易地完成修復并且在外觀上可接受。??

      傳統熱噴涂的缺點:??

      火焰噴涂,等離子噴涂,高速火炎噴涂和爆炸噴涂等傳統金屬噴涂工藝都存在共同的弊端。首先,噴涂工藝需要融化金屬粒子,導致噴涂溫度高,使機體內部產生熱應力,機體表面產生熱變形。其次,因為除火焰噴涂外都無法人工操作,操作危險。此外,傳統熱噴涂工藝很難控制噴涂面積與厚度,所以與噴涂效果差。并且設備不便攜帶。??

      冷噴涂的優點??

      高壓冷氣動力噴涂使用的壓縮空氣為15個大氣壓(psi)以上,DYMET低壓冷氣動力噴涂使用的壓縮空氣為10個大氣壓(psi)以下。對比傳統熱噴涂技術,高壓以及低壓冷氣動力噴涂的技術有以下共同優勢。??

      首先噴涂機體的表面瞬間溫度不超過150度,??

      體感溫度為70度??

      噴涂致密性好??

      可噴涂任意厚度的涂層??

      可以在任何金屬、玻璃、陶瓷和巖石表面噴涂。??

      優劣比較??

      高壓冷噴涂(冷氣動力噴涂)因噪音大,壓力要求最小達到15個大氣壓,導致設備龐大無法移動。此外,部分設備需要在氦氣,氮氣或惰性氣體下操作,因噪音超過100分貝,壓力要求高與危險氣體的實用,導致安全性低成本高。而且耗氣量與粉末消耗量大,噴涂定向性差。高壓冷噴涂設備的拱粉裝置十分的復雜,它采用真空填充式拱粉桶,光送粉桶就造價15萬元。而且因高壓設備無工藝基礎,噴涂出的涂層不平整且容易產生沙眼。??

      相對高壓的15個大氣壓的最低要求,低壓冷(冷氣動力)噴涂設備的工作氣壓僅為5-8大氣壓以下。它幾本無工況要求,噪音小于60分貝。它無高溫,無火焰,無危險氣體,無輻射和化學廢料,可徒手操作,安全性高,且定向性及好。在不使用模具的情況下噴涂面積可小于高壓冷噴涂,即其可操作性更好。??

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