作者：Andrew Cockburn，Matthew Bray，William O

       
圖1、LCS係統示意圖

        基於(yu) 激光技術，如激光熔覆技術與(yu) 激光合金化技術，采用激光融熔並混合金屬粉末，使其成為(wei) 塗層，覆蓋到材料表麵。但是，該加工過程也有不足之處。加工過程的溫度很高、凝固時產(chan) 生收縮現象，以及塗料稀釋等等因素都必須予以考慮，以避免材料的變形、殘餘(yu) 應力過高和不必要的金屬間相的存在。

        另外，熱噴塗已被用於(yu) 從(cong) 輕型合金到金屬碳化物等不同材料的覆層加工中。然而，熱噴塗技術除了存在上述問題之外，它所得到的塗層可能具有氧化物，其結構需要重熔加工以達到目標密度和塗層特性。

        冷噴塗技術（Cold Spray，縮寫(xie) 為(wei) CS）的主要目的就是克服這些困難，該技術無需熔化粉末，直接進行塗覆。在冷噴塗技術中，粉末在一個(ge) 超聲波煤氣噴嘴中被加速後，作用在基底材料的表麵。在碰撞的過程中，微粒經過嚴(yan) 重的塑性變形，這帶來了材料表麵的局部加熱和閃光焊接過程。

        該技術可以被用在塗覆過程和對三維物體(ti) 的處理中，它被用來將純金屬，如鋁、銅和鉭，以及混合塗層，如鋁-氧化鋁和鈷-鎢錳鐵礦。因為(wei) 冷沉積的機製不同，與(yu) 熱噴塗或者其它基於(yu) 激光的加工過程相比，冷噴塗過程中，氧化物的含量較小，不會(hui) 產(chan) 生熱致應力，而且它能夠對許多不同的材料（包括多聚混合物）進行加工，加工速度達每小時5公斤。

        “冷”加工過程的機製也有其固有問題。因為(wei) 大量使用了氦，該係統的運行成本很高。該係統采用了高速的聲速設備和氣體(ti) 加熱器，為(wei) 了使粉末微粒的速度達到1000m/s，這些設備耗費了近50kW的電力。此外，當所沉積的材料為(wei) 硬質材料（如鈦）時，接合的強度和密度會(hui) 有所降低。而且，CS塗層通常有較大的壓應力。高的運行成本和有限的加工材料限製了CS技術的應用領域。

       
圖2、塗覆設備的主要

圖3、鈦塗層被應用到鈦基底上，加工速度
為(wei) 1250mm/min，采用了30bar的氮氣和
1kW的激光功率。

        激光冷噴塗過程

        研究人員對激光冷噴塗過程（Laser assisted Cold Spray，縮寫(xie) 為(wei) LCS）進行不斷的研發，拓寬了能以氮氣進行沉積的材料範圍，減小了對氣體(ti) 加熱的需要，大大降低了加工成本，擴大了冷噴塗加工應用領域。

        此前，人們(men) 已經意識到，粒子溫度的提高會(hui) 導致粒子的軟化，從(cong) 而提高沉積效率，降低沉積臨(lin) 界速度。沉積溫度的提高也有助於(yu) 克服在冷噴塗中接合力度不夠的問題。接合力度不夠的問題是由於(yu) 接合過程時間太短而造成的。然而，氣體(ti) 溫度的提高使得噴嘴在噴射低熔點的金屬（如鋁）時，有可能產(chan) 生汙垢。這樣就需要找到除了噴嘴加熱方式外的另一種粉末加熱方法。

        在LCS過程中，激光對沉積處進行加熱，加熱至微粒熔點的30%-80%。這就大大降低了微粒的強度，使微粒得以變形，並且在材料上形成塗層。這裏，微粒作用到基底上的速度僅(jin) 為(wei) CS情況下的一半（<500 m/s）。降低對高速度的要求使得技術人員可以采用冷的氮氣作為(wei) 加工氣體(ti) ，這樣就降低了成本，從(cong) 使用氦氣的23美元/分鍾降到使用氮氣的0.23美元/分鍾。同時，能耗也隨之降低，因為(wei) 不再需要氣體(ti) 加熱器。資本和運行成本的降低意味著LCS在許多CS略顯昂貴的應用領域更為(wei) 有利，它使得冷噴塗的優(you) 勢被用於(yu) 更廣的範圍中。
       
        LCS係統

        LCS係統（如圖1）包括了一個(ge) 高壓氮氣輸送設備（10-30bar），該輸送設備被分為(wei) 兩(liang) 路，送至縮放噴嘴（拉伐爾噴嘴）。兩(liang) 路直接通過高壓粉末輸送設備產(chan) 生金屬粉末微粒。隨後兩(liang) 路重新合並，並且通過噴嘴，在噴嘴中它們(men) 被加速到超音速。高速且帶有粉末的氣體(ti) 流從(cong) 噴嘴中射到基底表麵。帶粉末的氣體(ti) 流作用到基底表麵，該表麵同時由980nm，1kW的二極管激光器進行輻照。激光功率由一個(ge) 閉環反饋係統控製，該係統使用了紅外高溫計來控製沉積區的溫度。
       
        在目前使用的測試係統中，拉伐爾噴嘴、激光加工頭和高溫計

被一起固定在一個(ge) 工作箱的頂部，而基底部分則可以在沉積過程中自由地在電腦數值控製（CNC）的X-Y工作台上活動。通過把激光功率和高溫計讀數結合到一起，運作時的沉積處溫度可以被控製在50℃以內(nei) 。

       
圖4、SEM圖像顯示鈦層加工軌跡與(yu) 不鏽鋼
基底之間的交界麵。

        塗層

        塗層已經可由不同的材料得到，包括316L不鏽鋼、鋁、鈦和鋁-鈦混合粉末。其目的是對LCS係統進行微調，對LCS加工過程進行定性分析，並確定工作溫度的範圍和微粒的速度，以確保更好地進行塗層操作。

       
圖5、光學顯微圖像給出了由鋁和鈦粉末得
到的LCS塗層情況。

        鈦塗層已經得到研究人員詳細全麵的考察。它們(men) 在生物醫學領域具有特殊的應用，且具有抗腐蝕的特性以及生物適應性，因此它們(men) 成為(wei) 移植材料的上佳選擇。如圖3所示，加工典型的2.5mm厚鈦塗層的橫向速率為(wei) 1.25m/min。雖然塗層被沉積在冷而薄（1mm）的基底上，但是並沒有任何的材料變形，這說明LCS所帶來的非熔融加工過程得到的殘餘(yu) 應力低，使得薄板材料無需進行基底預熱也能進行塗層加工。塗層的附著力隨著基底材料和塗層材料的不同而不同。不過，技術人員發現，LCS的塗層接合程度要優(you) 於(yu) CS的接合程度，在用於(yu) 附著力測定的拉拔試驗中，316L塗層膠著麵破裂的應力為(wei) 50MPa。

        在對拋光的橫截麵的檢查中（如圖4），技術人員發現沉積所得的塗層痕跡密度很高（多孔性<0.5%），沒有可見的氧化物存在。化學分析結果證實了這個(ge) 發現。雖然，沉積處經過加熱，但是氧化物和氮化物的含量與(yu) 用來比較的CP2級別鈦板是類似的。這裏，基底變形的程度比CS塗層過程更為(wei) 明顯，這說明使用激光導致了明顯的基底軟化。#p#分頁標題#e#

        將混合的粉末噴到材料表麵形成塗層的過程（如圖5）表明LCS過程能夠得到混合的塗層，且塗層中具有硬度不同的各種成分。雖然硬性材料沒有太多的變形，但是它周邊上的鋁材料變形情況越嚴(yan) 重，所形成的塗層厚度越高。這個(ge) 效應可以被用來拓寬可用LCS加工的材料範圍，使得應用於(yu) 耐用性領域的塗層可以得到更好的沉積。
        
        未來發展方向

        目前的工作集中於(yu) 檢驗LCS加工在硬質材料與(yu) 混合塗層沉積中的適用性，這兩(liang) 種應用目前是由激光熔覆技術來實現的。以目前的技術水平，對薄板材料的加工是比較困難的，因為(wei) 固化過程的收縮帶來材料的變形。但是，使用LCS來進行塗覆，就可以使塗層被應用在薄板材料上。
        
        目前，本文三位作者在英國劍橋大學工程係工業(ye) 光學中心工作。聯係人Andrew Cockburn