毕业论文——冷气动力喷涂作为添加剂的潜力制造技术.doc

1、 冷气动力喷涂作为添加剂的潜力制造技术 摘要 :在本文中，冷喷涂的应用（ CS）的涂层沉积技术作为添加剂制造技术进行了讨论。物料熔化的过程中不存在 CS沉积许可证来获得存款的低价值残余应力和保存的相组成源物质，它是一个非常重要的优点。在这纸，在冷喷涂等领域的最新发展作为微喷管设备和新的多材料沉积的方法，允许以显著扩大冷的潜力喷雾作为添加剂的制造技术进行了讨论。 关键词 ：冷喷涂，添加剂制造，自由成型，喷嘴 1 绪论 添加剂制造（ AM），也称为快速制造是基于一层的方法元器件的自由曲面加工的技术。在这种方法中，一部分是由对 应于部分的横截面层的连续沉积构成。调幅技术使生产功能性成分在单一步骤中，

2、其中时间和制造成本不依赖的组件的复杂性并 1,2。现今，几个不同类型的调幅技术，如选择性激光熔化（ SLM），选择性激光烧结，金属直接沉积（ DMD），和另一些适用于金属的制造自由曲面为航天，航空，汽车等行业直接从金属粉末，而无需使用任何中间粘合剂或任何额外的处理步骤 3,4。在这些技术，激光辐射的能量被用于熔化和粉末的再凝固 5。 以往的研究表明，冷气动力喷涂沉积技术或者干脆冷喷 CS 可以适于执行三维物体制造的 6,7。在这个过程中 ，沉积材料的颗粒通过由超音速喷嘴输送超音速气流加速到高的速度。如果颗粒速度超过一定的临界值时，颗粒 - 基板碰撞的能量导致粒子的密集的塑性变形，并且在某些情况

3、下，基片的表面上。这个过程将薄膜在基板和颗粒表面的氧化物形成的和之间建立“干净”的化学活性基片和颗粒，导致建立强粘接材料的紧密接触。这种技术的优点在于，热量传递到粉末或往基板相对较小。因此，保留的微结构，以及作为原料粉末的机械和化学性能的便于 8-11。的 CS 进程允许此优点将它用于沉积温度敏感材料，如纳米晶和非晶材料 12-14以及氧敏感的材料，如 铝，铜和钛 7， 15-21当前纸张的 .目标是分析的优点和缺点 CS作为自由曲面加工的方法考虑到冷喷涂领域取得的最新进展。 2 冷喷原则 冷喷涂工艺的原理如图 1所示 .高压力（ 1-5MP）工作气体在流量 0.5-2千克 /分钟从罐托阿气体

4、加热器供给。在气体加热器，气流被加热到 1000（取决于喷涂材料的类型，但总是低于其熔点）并馈送到超音速喷嘴的预燃室。载气，从高压罐也被馈送，传送从一个或几个粉末供料器到喷嘴部喷射的粉末和注入的粒子其亚音速或超音速喷嘴的区域。通常，在注入粉末的同轴执行 ;然而，径向注入还可以应 用于 22-24。几种粉末供料器的应用允许对在壳体的多组分涂层的沉积进行独立喷射不同的材料。高速气体 /粉末喷射离开喷嘴并撞击与基板。通过超声喷射与基板的相互作用产生的噪声的水平可达到 90 分贝所以喷药应进行无害保护展位。 图 1 示意冷喷安装有两个送粉器和两个气源 在冷喷涂中，气体预热在两个主要应用原因。首先，气体

5、温度的升高会导致气体流速的增加和因此增加的在粒子流速度。其次，由于在传热热气体和微粒之间，颗粒温度增加，通过依次增加其可塑性和将改善撞击过程中颗粒变形。该公式阿萨迪临界速度的影响，显示 之间的关系速度和冲击温度应的粒子实现为了粘附到基板 10。在一些情况下，给增加颗粒温度的影响，特粉预热器被应用 25， 26。 典型的颗粒冲击速度和温度冷喷涂打下之间的 1500 和 400 米 /秒，并 273-1,100 K，分别，这取决于喷嘴的设计，气体滞温度，气体滞止压力，颗粒的密度，并且工作气体 8,11的类型。喷嘴 /基底位移通常是通过机械手和旋转台，允许控制使沉积在复杂形状的基材。 选择工作气体的

6、强烈影响所获得沉积物的性质。通常情况下，三种类型的气体是空气，氮气和氦气：如在 CS 工作气体施加。空气作 为工作气体允许以降低应用运营成本，但显著提高了存款氧化物含量与原料的比较。声音在空气中的速度是比较低的 331 米 /秒在 T = 273 K。因此，为了提高颗粒冲击速度，加热到相对高的温度是必要的。氮气具有声音的几乎相同的速度的空气（ 334 米 /s 的在 T = 273 K），并且也要求预热。然而，粉末的氧化在此情况下最小，主要是因为从大气到自由射流空气混合。在这种情况下，操作成本比空气高，但仍是合理的。氦气作为应用工作气体允许获得具有优良质量的存款在低温气体预热由于氦的化学中性和

7、高声速（在 T = 273K 下 965 米 /秒）。运营成本在几次相比增加用空气或氮气。但是，安装氦气回收系统可以有助于使氦更具竞争力 7。 3 喷涂路径的特性 3.1 分辨率 在 AM 技术中一个非常重要的特征是其空间分辨率精确定义的组件制造业。例如，在 SLM技术，空间分辨率是由激光束的尺寸限定和粉末的粒度 5。冷喷涂的空间分辨率主要由喷嘴出口的尺寸和形状限定。通常，在冷喷涂中，不同的轴对称喷管的应用 27， 28。超音速轴对称喷嘴的方案如图 2 所示。 要注意的是所有的喷嘴尺寸是很重要彼此相关的，不能在被简单地改变随机的方式。首先，喷嘴之间的比率喉部和喷 嘴出口限定在喷嘴马赫数 M 和

8、因此在喷嘴出口的气体速度是在按照下列等熵关系 29： 这里， M 是在喷嘴出口马赫数， k 是气体特定热， dexit和 dcr是喷嘴出口和喷嘴临界区直径相应。同样的关系定义气流在的任何横截面马赫数喷嘴通过喷嘴直径的值替换 dexit 的点喷嘴。其次，的长度喷嘴的超音速元件 L SUP应足以期间提供必要的“加速通道”，为颗粒其在气流运动。第三，超音速部分和喷嘴出口直径的长度之间的关系 LSUP / dexit不宜过高。在高喷嘴相对长度，边界层的影响生长在在喷嘴壁的平均气体速度增大起来与 LSUP值，可能最后导致气体增加流动减速，甚至从超音速过渡流型的亚音速酮 30， 31。最后，该亚音速区域的

9、长度强烈影响的出口标准杆视察温度。已知的是，之间的热交换颗粒和气体最密集的区域亚音速喷嘴 11。因此，在亚音速段的长度应，以提供最佳的适当选择如果在被执行注射喷涂粉末加热喷嘴的亚音速区域。 便捷的冷喷涂喷嘴的轴对称典型的出口打下的直径范围在 4-10 毫米的喉径 1.5-3 毫米，长度为 100-200 毫米 8， 11， 23， 27。离开喷嘴出口后分散超音速喷气机的低（ 0.1dexit ）如喷涂距离 位于范围 1-8 dexit，因此喷射点的直径，宽度的单个喷洒轨道实际上是相同的喷嘴出口直径 8。喷涂点的边框窄也因超音速双相的低色散气体粒子流，并且因此可能的最小单磁道宽度是等于喷嘴出口直

10、径和等于 4-10 mm 便利冷喷涂系统。 图 .2 示意图轴对称冷喷超音速喷嘴 由作者在该领域进行的研究，最后冷喷涂的发展的喷嘴表明空间冷喷涂喷嘴的分辨率冷通过应用所谓的微喷嘴为 1 毫米或更小的出口直径来显著改善。研究打样和可行性这种做法给了可喜的成果 32， 33。这是表明，同时减小所述喷嘴的长度和喷嘴直径允许创建一个小 的嘴能够产生窄的喷雾斑点，直径较小小于 1 毫米。图 .3 照片微喷管和喷嘴单元的微冷喷涂系统安装微喷管是呈现。图 4的 a， b展示了单个的照片现货（铝）沉积微喷管其横截面。人们可以从图中看出的直径现货不超过 1 毫米。该涂层的横截面表明，该矿床包括强烈变形铝粒子 ;

11、然而，它的孔隙率，由于较小的升高与方便冷喷涂沉积的比较加速路径。这种方法的原理的限制是有必要应用的小粒度粉末，因为喷嘴的长度是不够的大颗粒的加速度。 图 .3 照片冷喷涂微喷嘴（ a）和冷喷涂喷嘴团结安装微喷管（ b） 同样重要的是要注意，其它的喷嘴形状也可以适用于 冷喷涂沉积。在特别是，矩形喷嘴施加相对较大的 31的沉积。有特殊的喷嘴轮廓和气体流回旋也可以用于特殊形状像的实例，涂层磁道沉积扇形状或星形形状 34。这样的喷嘴设计方法也能找到在寒冷的具体应用喷洒添加剂制造的存款制造有特殊的形状。 人们可以得出结论冷喷涂作为该空间分辨率以及因此的单个喷射点的形状和轨道可以通过特殊的喷嘴与几何适于给

12、定的要求。但是，冷喷涂喷嘴的适应是一个非常复杂的任务，涉及超音速气体 /粉末流动的具体应用来控制。 3.2 喷道简介 冷喷涂沉积的厚度可以从 10 微米变化至几百毫米。之间的速率喷 涂材料 V 和轨道长度的 F量可以通过控制喷嘴横动速度和粉末进料速率被改变。 K=F/V 冷喷涂的特定特征是存款的形状 ;如果 K 值低则薄，扁平磁迹获得。如果 K值高时，变得圆润并最终发展急剧三角形轮廓 7。重要的是，无法避免由喷嘴移动速度或粉末饲料变异厚轨道的这种形状率。换句话说，几个“快速”敷连续轨道将导致该三角形的形成，以及，为一个“慢”的轨道。派特森等 7.说明这种特点通过以下因素的影响：首先，在喷射的颗

13、粒分布是准高斯 35。其次，沉积效率与来自距离减小射流的中心由于通过喷嘴出口处的粒子速度分布和冲击的增 大角度 7， 35， 36。当这些因素结合在一起，更大程度沉积在射流的中心，最终导致观察跟踪轮廓成为三角形。在这种情况下，垂直壁由磁道连续沉积建筑物似乎是不可能的。然而，在相同的工作，作者提出原来的解决方案允许建造垂直的墙壁。在特别是，他们建议将 4/5 轴系统。该利用这一类型的系统的是，通过倾斜喷嘴，使得其喷射正常的先前的倾斜表面轨道，该材料可在正确的方向被沉积以生成一个垂直表面 7。这种方法具有上面讨论微喷嘴的组合似乎是一个前途的解决方案，用于创建复杂的形状的物体，包括具有高空间分辨率的

14、垂直壁。 窄竖直轨道 的沉积的另一种方法墙壁是冷喷涂沉积与传统铣削技术的结合。在这种情况下，所沉积的是由铣刀，允许以大型机加工覃期望精度和存款的形状。一个例子冷喷涂设备铣一个成功的“耦合”的机可以找到 7。 图 .4 冷喷涂使用微喷管喷涂铝粉（粒度 =35+5 微米）： a-概述， b-截面。喷涂参数： p0=20bar， T300k 4 喷涂材料 4.1 多层涂层 冷喷涂能够沉积多种金属和像铝 17，锌 37，铜 19，钛合金 21，镍及其合金 38-40，钢 41， 42，钽 43，镁 44，银 45，以及在 某些情况下的金属陶瓷粉末 25， 26。然而，这一原则的限制技术是难以或不可能喷

15、涂材料低可塑性等，例如纯陶瓷 11。 冷喷涂的优点是喷涂一个的可能性广泛的不同类型的衬底材料。为例如，在 SLM 技术，打造多层对象使用的材料具有不同的热导率和热膨胀系数是一个重要的技术问题 5。另一个典型的问题涉及材料熔化 AM技术正在创造脆性金属间化合物不同材料的层之间的边界上的相这削弱捏造的部分机械性能。 在冷喷涂沉积从物质发生在固态，因此材料的不相容的问题并不像重要的，因为对于其他调幅技术。几乎所有可用冷喷涂粉末可 以沉积为连续的层在任何期望的组合和厚度。沉积由冷喷涂多层膜的一个例子可以在找到文献 46， 47。图 .5 a， b，多层的 Ti-Cu 系圆柱形物体和其切割片段的由冷制的

16、一例喷雾呈现。钛层和铜层之间的界面均匀，没有任何地方分队。 图 .5 多层钛 -铜（ a）其切割片段（ b）以方便冷喷涂系统制造。 部分表面是通过加工冷喷涂沉积后翻 4.2 多材料和梯度涂层 冷喷涂可应用于用于创建所谓的“多材料”或“混合饲料粉”存放。这是从文献中，这些沉积物可以具有公知的在比较高的功能特点单组分的。例如，涂层的 Co-Cr+316L 不锈钢 具有较高的机械性能更好的耐腐蚀性能比纯 316L 不锈钢存款 48。 目前，多材料涂层通常使用喷预先制备粉末混合物 45， 49-51。以这种方式得到的涂层的实例示于图 6a， b。虽然这种方法是简单的，它有几个缺点。第一个主要的缺点是不

17、可能改变期间在粉末混合物中的成分比喷涂工艺。这使得不可能进行喷雾涂料带通厚组成梯度。第二个缺点是不可能以提供最佳的喷涂参数对于每个喷雾组件，如果混合物由两个或更苛刻的材料不同显著喷涂工艺参数进行有效的沉积。然而，另一种方法混合粉末涂料原料由冷喷涂存在。在这种情况下，喷雾混合物的各 成分被注入喷嘴 52的正确点。注射点的位置强烈影响上粉口参数，所以对于不同的组件在喷雾混合物中，注射的最佳位置的喷嘴可以发现，许可证，以提供最佳的颗粒冲击参数为每个混合分量，但在相同的气体流量参数。每个混合分量的馈送从单独的送粉器进行。作为组件混合发生在气体动态信道，在该涂层中的组分比可通过改变粉末被设置饲料参数。组

18、分梯度存款的组件之一的变化的厚度方向的浓度可以用良好控制的送粉器来获得。一个例如，这样的涂层的，提出了图 .7 显然，这样有独立的送粉方法可以适用于对于 3D 的制作冷喷添加剂制造与分级结构对象。 图 .6 微结构多材料冷喷涂存款从喷涂所得先前准备的混合物： a-钛镍 ,b-不锈钢 316 L +铝 图 .7 分级钛铝冷喷存放的金属制品业应用多喷射的途径 我们发现，非塑粉之前提到的（陶瓷，氧化物等）在其纯态产生没有涂层但侵蚀的表面上。然而，正与金属相混合，所述陶瓷粉末可成功地沉积。在这种情况下，金属涂层与陶瓷夹杂可以形成（图 8）。这样复合材料具有特定属性从纯那些不同金属 53-56。 图 .

19、8 MMC 冷喷涂沉积镍铁合金 625 和 SiC 5.沉淀物的性质 5.1 多孔性 冷喷涂沉积的孔隙率从不到一至变化几十 取决于喷涂条件百分数和喷涂粉末 8,19,21。例如，钛型和及其合金可沉积具有非常低的孔隙率的涂层，如果氦气作为工作气体应用。氮气作为应用工作气体导致显著孔隙率增加。图 .9 中， 6 毫米厚的钛沉积梯度孔隙率呈现。使用第一低多孔层被喷洒氦作为工作气体（ 4MPa 的， 600）。第二介质多孔层（ 10）被淀积在第一个使用氮气作为工作气体（ 4兆帕， 800）。第三层具有最高的孔隙率（ 20）通过喷射获得钛在较低的氮温度（ 600）。可以得出结论，在一些情况下，冷喷涂许可

20、证来制造存款受控和分级的多孔性，可以找到一个 应用，例如，在种植体制造工业。 图 .9 钛鳕鱼喷雾存款与分级的多孔性 SEM 5.2 可加工性 显然，存款机加工性是一个很重要的财产应用冷喷涂为 AM 的条款。已知的是，冷喷涂沉积的机械性能从毛坯材料的性质不同。特别是，冷喷涂沉积的可塑性比显著低对于散装材料，而拉伸强度可能更高的 57。我们可以认为，增加材料脆性可以为难存款加工。然而，该文献中提出的结果表明，随着喷涂冷喷雾沉积具有令人满意的可加工并且可能是通过转动或研磨处理。例如，在 58中，作者铝冷喷涂成功地进行加工使用相同的操作参数作为散装涂覆材料。图 .10 照片双金属的碎片通过冷喷涂制备

21、的 Ti6Al4V-Al 和 Ti-Cu 系板和喷涂都经过加工。 图 .10 片段的双金属的 Ti6Al4V-Al 和 Ti-Cu 系板的制造采用冷喷和后喷加工通过研磨。 铣参数：切割 0.4 毫米轴向深度，切 2.5 毫米径向深度，主轴转速 800 转，每齿进给 0.0833 毫米 /齿 在的情况下应用的加工中的两个不同的策略冷喷涂 AM 可以考虑。第一个是在近净冷喷涂制成形状对象的最终加工。在这种情况下，处理可以在两个阶段中被划分为如下：该对象的使用冷喷涂和最终的制造为了达到所需的尺寸和公差和加工过程中的应 用处理通过机械加工在冷喷涂沉积。在这种情况下，加工工具集成在喷雾系统中，以提供精加

22、工每一层后直接的沉积。 5.3 应力 不管没有高耐热冲击和材料的熔化，应力在冷喷涂涂层的值不可以忽略不计。它是从文献中已知，冷喷涂萨雷涂层在压缩应力 59-62。在 59中，作者建议的主要贡献（ 85）的应力水平是高的速度上的固体颗粒的冲击的基板。类似的结论是在 60，其中，研究了 A1 涂层应力分布。作者说，该残余应力剖面由主导喷丸处理。热失配的贡献不显著。应力分布在这些特殊性在设计过程中的 CS存款应考虑自由曲面加工 的策略。 5.4 与 AM 技术的兼容性 冷喷涂工艺的重要属性是其与涉及其他添加剂制造技术的兼容性金属作为源材料。我们可以认为，复杂多功能的 3D物体可以通过连续的制造应用程

23、序的几种 AM技术。例如在 图 .11 壁注塑模具原型的横截面塑料件的制造呈现。模具是制作三个步骤。首先 ,在 750 微米厚的镍外壳中所需的形状是由电镀技术构建 63。在此之后，为了改善从镍传热壁的模具，所述 Cu-SiC 和纯铜层沉积的 Cu-SiC 的中介层沉积在顺序改善纯铜和纯镍之间的粘合。 图 11 结合电镀制备实验模具冷喷涂技术 冷喷涂自由曲 面加工用杂交选择性激光熔化技术也看起来很有希望的制造多材料部分。例如，它是公知的铜及其合金以及纯钛可以是在 SLM 仅适用于具有一定的局限性。可以想见混合动力技术的应用，其中的一部分目的是通过 SLM 制成，而另一部分可通过冷喷涂具有或不具有

24、精加工来制造。 6 结论 冷喷涂沉积工艺有显著潜力执行非热自由曲面加工，并且可以假定为视角的添加剂制造技术。在与其他添加剂制造方法相比，冷喷雾既不涉及高温加工为例如 SLM 和 DMD 也不不友好生态化工电镀。 在冷喷涂领域的新发展，如空间分辨率由应用微喷嘴增加以及喷涂战略许可证来阐述合 理精密自由曲面的三维物体的优化。伟大的利用冷喷涂是其制造能力，多材质，间和功能梯度组件是由作者以及由其他研究小组证明。然而，进一步的工作是需要开发的过程和 解决具有挑战性的技术问题，如稳定粉末喂养和喷涂策略优化。 参考文献 1 Cheah CM, Chua CK, Lee CW, Feng C, Totong

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