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超音速冷噴涂理論基礎(chǔ)
冷噴涂的理論基礎(chǔ)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(fā)生物理形變。金屬粒子撞扁在基體表面并牢固附著，整個(gè)過程金屬粒子沒有被融化，但假如金屬粒子沒有達(dá)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(huì)聚-擴(kuò)散噴嘴膨脹的加熱的氮?dú)饣蚝饬髦卸x予金屬顆粒超音速。粉末進(jìn)料在噴嘴進(jìn)口處以高壓插入。高壓和高溫產(chǎn)生超音速氣體速度和氣流內(nèi)的高粒子加速度。夾帶在氣體中的顆粒被導(dǎo)向表面，在那里它們?cè)谧矒魰r(shí)嵌入，與表面形成牢固的結(jié)合。因?yàn)殡x開噴嘴的膨脹氣流的溫度相對(duì)較低（100-500℃），術(shù)語“冷噴涂”已被用于描述該過程。
隨后的噴涂通道增加了結(jié)構(gòu)厚度。金屬粉末與基材的粘附性以及沉積材料的內(nèi)聚力在固態(tài)下完成。
噴射的顆粒必需達(dá)到“臨界速度”才能在撞擊之前與表面固結(jié)。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?dú)猓饣騼烧叩幕旌衔铩９倘幌喾Q昂貴，但氦氣產(chǎn)生更高的粒子速度。噴嘴內(nèi)氮?dú)饬髦?0微米直徑銅顆粒加速的一個(gè)例子如下圖所示，它是由一維等熵和二維CFD模型產(chǎn)生的.在這種情況下，初始溫度氣體壓力分別為500℃和30巴。跟著溫度降低，氣體通過174毫米噴嘴膨脹并加速。噴嘴喉部發(fā)生非常快速的變化，達(dá)到氣體聲速。當(dāng)發(fā)生拖曳和熱傳遞時(shí)，粒子速度和溫度接近氣體值。
在與鋁表面碰撞時(shí)，以650m/s行進(jìn)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(jì)算機(jī)代碼進(jìn)行。該圖顯示跟著顆粒/基底接觸時(shí)間的增加，顆粒變平，而基底凹坑的深度和寬度增加。同時(shí)，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(shí)，溫度升高，集中在顆粒/表面界面。這種溫度上升是剪切不不亂性的指示，其導(dǎo)致材料在相應(yīng)表面處的大量活動(dòng)，并且估計(jì)的引起剪切不不亂性的沖擊速度與實(shí)驗(yàn)確定的銅的臨界速度相稱。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不亂性的結(jié)果。
冷噴涂的屬性包括低溫沉積，致密結(jié)構(gòu)和最小或壓縮殘余應(yīng)力。除了這些特性之外，沉積的材料具有接近或高于鑄造材料的強(qiáng)度。 下圖顯示了6061鋁合金冷噴涂沉積產(chǎn)生的固結(jié)沉積物的一個(gè)例子。氦氣用于加速6061鋁顆粒。可以識(shí)別單個(gè)顆粒的薄片，并且固結(jié)顆粒的致密，無孔性質(zhì)是清楚的，測(cè)得的孔隙率小于1％。
在沉積狀態(tài)下，冷噴涂沉積物可以表現(xiàn)出比鑄造合金更高的強(qiáng)度。 下圖比較了冷噴涂6061鋁合金與各種熱處理的鑄造6061合金的強(qiáng)度特性.退火時(shí)，冷噴涂沉積強(qiáng)度降低，但伸長率和延展性增加。
這些實(shí)施例表明，冷噴涂材料可具有與鑄造材料類似的物理特性。這些特性答應(yīng)冷噴涂修復(fù)以緊密地模仿或超過修復(fù)的材料的強(qiáng)度。除了良好的強(qiáng)度特性之外，還可以輕易地完成修復(fù)并且在外觀上可接受。
傳統(tǒng)熱噴涂的缺點(diǎn):火焰噴涂，等離子噴涂，高速火炎噴涂和爆炸噴涂等傳統(tǒng)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(dǎo)致噴涂溫度高，使機(jī)體內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，機(jī)體表面產(chǎn)生熱變形。其次，由于除火焰噴涂外都無法人工操縱，操縱危險(xiǎn)。此外，傳統(tǒng)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(shè)備不便攜帶。
冷噴涂的長處:高壓寒氣動(dòng)力噴涂使用的壓縮空氣為15個(gè)大氣壓（psi）以上，DYMET低壓寒氣動(dòng)力噴涂使用的壓縮空氣為10個(gè)大氣壓（psi）以下。對(duì)比傳統(tǒng)熱噴涂技術(shù)，高壓以及低壓寒氣動(dòng)力噴涂的技術(shù)有以下共同上風(fēng)。
首先噴涂機(jī)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(yōu)劣比較 : 高壓冷噴涂（寒氣動(dòng)力噴涂）因噪音大，壓力要求最小達(dá)到15個(gè)大氣壓，導(dǎo)致設(shè)備龐大無法移動(dòng)。此外，部門設(shè)備需要在氦氣，氮?dú)饣蚨栊詺怏w下操縱，因噪音超過100分貝，壓力要求高與危險(xiǎn)氣體的實(shí)用，導(dǎo)致安全性低本錢高。而且耗氣量與粉末消耗量大，噴涂定向性差。高壓冷噴涂設(shè)備的拱粉裝置十分的復(fù)雜，它采用真空填充式拱粉桶，光送粉桶就造價(jià)15萬元。而且因高壓設(shè)備無工藝基礎(chǔ)，噴涂出的涂層不平整且輕易產(chǎn)生沙眼。
相對(duì)高壓的15個(gè)大氣壓的最低要求，低壓冷(寒氣動(dòng)力)噴涂設(shè)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(xiǎn)氣體，無輻射和化學(xué)廢物，可徒手操縱，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，即其可操縱性更好。