作者：Andrew Cockburn，Matthew Bray，William O

       
圖1、LCS系統(tǒng)示意圖

        基于激光技術(shù)，如激光熔覆技術(shù)與激光合金化技術(shù)，采用激光融熔并混合金屬粉末，使其成為涂層，覆蓋到材料表面。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(chǎn)生收縮現(xiàn)象，以及涂料稀釋等等因素都必須予以考慮，以避免材料的變形、殘余應(yīng)力過高和不必要的金屬間相的存在。

        另外，熱噴涂已被用于從輕型合金到金屬碳化物等不同材料的覆層加工中。然而，熱噴涂技術(shù)除了存在上述問題之外，它所得到的涂層可能具有氧化物，其結(jié)構(gòu)需要重熔加工以達到目標密度和涂層特性。

        冷噴涂技術(shù)（Cold Spray，縮寫為CS）的主要目的就是克服這些困難，該技術(shù)無需熔化粉末，直接進行涂覆。在冷噴涂技術(shù)中，粉末在一個超聲波煤氣噴嘴中被加速后，作用在基底材料的表面。在碰撞的過程中，微粒經(jīng)過嚴重的塑性變形，這帶來了材料表面的局部加熱和閃光焊接過程。

        該技術(shù)可以被用在涂覆過程和對三維物體的處理中，它被用來將純金屬，如鋁、銅和鉭，以及混合涂層，如鋁-氧化鋁和鈷-鎢錳鐵礦。因為冷沉積的機制不同，與熱噴涂或者其它基于激光的加工過程相比，冷噴涂過程中，氧化物的含量較小，不會產(chǎn)生熱致應(yīng)力，而且它能夠?qū)υS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”加工過程的機制也有其固有問題。因為大量使用了氦，該系統(tǒng)的運行成本很高。該系統(tǒng)采用了高速的聲速設(shè)備和氣體加熱器，為了使粉末微粒的速度達到1000m/s，這些設(shè)備耗費了近50kW的電力。此外，當所沉積的材料為硬質(zhì)材料（如鈦）時，接合的強度和密度會有所降低。而且，CS涂層通常有較大的壓應(yīng)力。高的運行成本和有限的加工材料限制了CS技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

       
圖2、涂覆設(shè)備的主要元件

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

        激光冷噴涂過程

        研究人員對激光冷噴涂過程（Laser assisted Cold Spray，縮寫為LCS）進行不斷的研發(fā)，拓寬了能以氮氣進行沉積的材料范圍，減小了對氣體加熱的需要，大大降低了加工成本，擴大了冷噴涂加工應(yīng)用領(lǐng)域。

        此前，人們已經(jīng)意識到，粒子溫度的提高會導致粒子的軟化，從而提高沉積效率，降低沉積臨界速度。沉積溫度的提高也有助于克服在冷噴涂中接合力度不夠的問題。接合力度不夠的問題是由于接合過程時間太短而造成的。然而，氣體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(chǎn)生污垢。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，并且在材料上形成涂層。這里，微粒作用到基底上的速度僅為CS情況下的一半（<500 m/s）。降低對高速度的要求使得技術(shù)人員可以采用冷的氮氣作為加工氣體，這樣就降低了成本，從使用氦氣的23美元/分鐘降到使用氮氣的0.23美元/分鐘。同時，能耗也隨之降低，因為不再需要氣體加熱器。資本和運行成本的降低意味著LCS在許多CS略顯昂貴的應(yīng)用領(lǐng)域更為有利，它使得冷噴涂的優(yōu)勢被用于更廣的范圍中。
       
        LCS系統(tǒng)

        LCS系統(tǒng)（如圖1）包括了一個高壓氮氣輸送設(shè)備（10-30bar），該輸送設(shè)備被分為兩路，送至縮放噴嘴（拉伐爾噴嘴）。兩路直接通過高壓粉末輸送設(shè)備產(chǎn)生金屬粉末微粒。隨后兩路重新合并，并且通過噴嘴，在噴嘴中它們被加速到超音速。高速且?guī)в蟹勰┑臍怏w流從噴嘴中射到基底表面。帶粉末的氣體流作用到基底表面，該表面同時由980nm，1kW的二極管激光器進行輻照。激光功率由一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)使用了紅外高溫計來控制沉積區(qū)的溫度。
       
        在目前使用的測試系統(tǒng)中，拉伐爾噴嘴、激光加工頭和高溫計

被一起固定在一個工作箱的頂部，而基底部分則可以在沉積過程中自由地在電腦數(shù)值控制（CNC）的X-Y工作臺上活動。通過把激光功率和高溫計讀數(shù)結(jié)合到一起，運作時的沉積處溫度可以被控制在50℃以內(nèi)。

       
圖4、SEM圖像顯示鈦層加工軌跡與不銹鋼
基底之間的交界面。

        涂層

        涂層已經(jīng)可由不同的材料得到，包括316L不銹鋼、鋁、鈦和鋁-鈦混合粉末。其目的是對LCS系統(tǒng)進行微調(diào)，對LCS加工過程進行定性分析，并確定工作溫度的范圍和微粒的速度，以確保更好地進行涂層操作。

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

        鈦涂層已經(jīng)得到研究人員詳細全面的考察。它們在生物醫(yī)學領(lǐng)域具有特殊的應(yīng)用，且具有抗腐蝕的特性以及生物適應(yīng)性，因此它們成為移植材料的上佳選擇。如圖3所示，加工典型的2.5mm厚鈦涂層的橫向速率為1.25m/min。雖然涂層被沉積在冷而?。?mm）的基底上，但是并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余應(yīng)力低，使得薄板材料無需進行基底預熱也能進行涂層加工。涂層的附著力隨著基底材料和涂層材料的不同而不同。不過，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，LCS的涂層接合程度要優(yōu)于CS的接合程度，在用于附著力測定的拉拔試驗中，316L涂層膠著面破裂的應(yīng)力為 50MPa。

        在對拋光的橫截面的檢查中（如圖4），技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)沉積所得的涂層痕跡密度很高（多孔性<0.5%），沒有可見的氧化物存在。化學分析結(jié)果證實了這個發(fā)現(xiàn)。雖然，沉積處經(jīng)過加熱，但是氧化物和氮化物的含量與用來比較的CP2級別鈦板是類似的。這里，基底變形的程度比CS涂層過程更為明顯，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面形成涂層的過程（如圖5）表明LCS過程能夠得到混合的涂層，且涂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重，所形成的涂層厚度越高。這個效應(yīng)可以被用來拓寬可用LCS加工的材料范圍，使得應(yīng)用于耐用性領(lǐng)域的涂層可以得到更好的沉積。
        
        未來發(fā)展方向

        目前的工作集中于檢驗LCS加工在硬質(zhì)材料與混合涂層沉積中的適用性，這兩種應(yīng)用目前是由激光熔覆技術(shù)來實現(xiàn)的。以目前的技術(shù)水平，對薄板材料的加工是比較困難的，因為固化過程的收縮帶來材料的變形。但是，使用LCS來進行涂覆，就可以使涂層被應(yīng)用在薄板材料上。
        
        目前，本文三位作者在英國劍橋大學工程系工業(yè)光學中心工作。聯(lián)系人Andrew Cockburn