第1章 绪论
　　1.1物体高速碰撞行为
　　在自然界、日常生活、工业生产或机械装备使用过程中，各种类型的相对碰撞现象时有发生，大到天体，如太空中的小行星、彗星等撞击行星，小到分子、原子、电子或质子，如质子对撞机。上述碰撞，有的有害，需要避免；有的有用，可加以利用。因此，这些现象引发了人类对碰撞现象、基于碰撞产生的问题相关技术原理及其应用等一系列问题的研究，以趋利避害。
　　根据碰撞物体的尺寸与碰撞速度可将碰撞分为不同的类型，图1-1为几种典型高速碰撞条件下物体尺寸与碰撞速度的范畴示意图。千万米级别天体碰撞或大型陨石等超大尺寸物体的超高速碰撞通常会造成毁灭性打击，如气候巨变、物种灭绝、沧海桑田。米级与十米量级的飞机、火车、汽车、轮船等交通工具的碰撞，通常会造成机毁人亡的灾难性事故，就连小小的飞鸟撞击都可以导致飞机的失事（又称“鸟撞”）。厘米和十厘米尺度的炮弹或子弹穿甲可以破坏武器装备，毁灭基础设施，造成人员伤亡。毫米尺度的砂粒或喷丸（shot peening，SP）会引起工件表面材料的变形或冲蚀，也可用来清洁材料表面、强化表面、成形大型*面构件等。同样，流沙或风沙会造成工业设备零部件的表面磨蚀，导致零件失效甚至引起重大安全事故，但也可用来加工微孔、抛光内流道等。电子或质子虽然尺度更小，但近光速的对撞能产生巨大的能量，在高能粒子物理、凝聚态粒子天体物理领域有着重要的理论意义。本书所要讨论的冷喷涂（ cold spray或者 cold spraying， CS），是通过微米尺度（通常 5～50μm）粒子的高速（通常 300～1200m/s）碰撞实现材料的沉积[1]。
　　图1-1 典型高速碰撞条件下物体尺寸与碰撞速度的范畴示意图[1]
　　不同高速碰撞连接方法物体尺度如图 1-2所示，除了冷喷涂技术外，通过高速撞击原理进行材料连接的技术还有爆炸焊接（ explosion welding，EXW）、磁脉冲焊接（ magnetic pulse welding，MPW）、激光冲击焊（ laser impact welding，LIW）等[2]，尽管所连接构件的尺度不同，但均实现了材料界面的高强度固相结合。与传统基于熔化-凝固过程的金属焊接方法相比，固相连接具有显著的冶金优势，如无成分偏析、无元素烧损、无气孔、无热裂纹、残余应力低，以及可避免异种金属材料间形成脆性的金属间化合物等一系列优势。在金属涂层制备与热敏感金属材料沉积方面，冷喷涂技术相对于传统热喷涂技术与高能束熔覆技术，具有突出的冶金优势，已获得越来越多的学者与从业者的关注与应用。
　　图1-2 不同高速碰撞连接方法物体尺度示意图[2，3]
　　（a）爆炸焊接；（b）磁脉冲焊接；（c）激光冲击焊；（d）冷喷涂
　　1.2冷喷涂技术的基本原理、概念及内涵
　　冷喷涂技术是一种基于气固两相流体动力学与高速碰撞动力学的粉末粒子累加成形方法，图 1-3为冷喷涂技术原理示意图，整个过程分为两个阶段，一是粉末粒子加速加热过程［图 1-3（a）］，二是粒子碰撞［图 1-3（b）］与依次沉积累加过程［图 1-3（c）］。*先，将一路高压气体（称“加速气体”或“主气”）通过加热器加热到特定的温度；然后通入含有经过特殊设计的收缩-扩张型拉瓦尔（Laval）喷嘴（又称“拉瓦尔喷管”）的喷枪，当气体满足一定的临界条件时，气体流经 Laval喷嘴喉部时被加速到音速，在扩张段达到超音速，离开 Laval喷嘴出口进入大气气氛后，因产生冲击波而减速，到达基体表面后发生侧向流动；同时，另一路高压气体（也称“送粉气”）经送粉器，携带待喷涂的粉末粒子，通过送粉嘴送入 Laval喷嘴收缩段的特定位置，经具有一定温度的高速气流加速，获得较高的飞行速度，并且经气流加热获得一定的温度；当粉末粒子与气体两相流离开喷嘴出口后，仍然持续一段加速过程，气流携带粉末粒子最终到达基体表面，完成粉末粒子的加速、加热过程。碰撞过程中，当粒子以一定速度碰撞到基体表面后［图 1-3（b）］，粒子与基体都将发生剧烈的塑性变形，短时的剧烈塑性变形会使界面处产生快速温升，当粒子的速度超过特定的临界沉积速度时，通过粒子 /基体间的协同塑性变形结合，实现粒子的沉积；后续粒子依次碰撞基体或已沉积粒子表面，从而沉积制备具有一定厚度的涂层或沉积体［图 1-3（c）］。
　　图 1-3 冷喷涂技术原理示意图
　　（a）粉末粒子加速加热系统；（b）单粒子碰撞基体沉积过程；（c）多粒子碰撞累加形成涂层或沉积体
　　冷喷涂采用的粉末粒径一般为 5～50μm[4]，但对于某些塑性变形能力较强、临界沉积速度较低的金属粉末，当粒径为 100～150μm时也可以实现沉积（与冷喷涂设备能力有关）。粒子速度根据粉末特性的差异（体现在材料密度与粉末尺寸），一般在 300～1200m/s[4]，不过根据现在设备能力以及喷涂气体条件调整，速度可达 1500m/s，甚至高达 1800m/s。一般要求喷涂粉末为具有一定塑性变形能力的金属材料，也可在喷涂粉末中混入一定比例的陶瓷等硬质材料粉末粒子，用于制备金属基复合材料。
　　冷喷涂采用的工作气体一般包括压缩空气、氮气、氦气或者它们的混合气体；送粉气体一般可选用氮气、氦气或者它们的混合气体。当然，氩气、二氧化碳，甚至氧气等其他气体也可用作工作气体，但考虑***、沉积体质量等问题，这些气体的使用通常受到限制。工作气体的压力一般介于 0.5～7MPa，小于 1MPa时一般称作低压冷喷涂，大于 1MPa时一般称作高压冷喷涂；工作气体的压力越高加速效果越好，但气体的消耗速率也会越高，*高压力需依据喷枪材料与预热温度，以及沉积体质量要求等设定，同时需保证生产安全。高压冷喷涂中，粉末粒子通常送入 Laval喷嘴的收缩段，因此送粉气体压力一般略高于工作气体压力0.1～0.3MPa，以便可以将粉末粒子稳定地送入加速气流中。此外，喷涂过程中，预热工作气体的目的主要是提高粉末粒子的温度与速度，进而提高粒子的塑性变形程度，有利于粒子沉积并提高其结合质量；通常条件下不对送粉气体进行预热，但室温的送粉气流汇入预热后的送粉气流后，会造成气体温度下降，进而影响粉末粒子的加热与加速，因而也有学者对送粉气进行预热，以进一步提升粒子速度与温度，提高能够有效沉积的粉末粒子比例与粒子的结合质量。气体预热温度越高，气体的速度越高，使得粒子的温度和速度升高，因而沉积体内粒子间的结合质量越好。但预热温度过高时容易引起 Laval喷嘴堵塞、粉末粒子氧化或基材表面温度过高等一系列温度效应。气体的预热温度一般低于喷涂材料的熔点，而粉末实际温度远低于其熔点。同时，气体预热温度也受限于喷枪与管路系统的材料，目前选用镍基高温合金加热系统可实现的*高气体预热温度约为 1100℃，但需要通过水冷等方式对 Laval喷嘴等高温部件进行强制冷却，以保证装备的长时工作稳定性与安全性。
　　除了工作气体的压力与温度条件外，冷喷涂装备中使用的喷嘴是影响粉末粒子加速、加热的又一关键因素，也是冷喷涂装备中的核心零件。特殊设计的喷嘴一般为具有收缩-扩张型流道的 Laval喷嘴，用于产生超音速气流，也有学者 /生产商设计开发了具有收缩-平直型流道的冷喷涂喷嘴，相关内容将在第 3章详细介绍。对于特定流道设计的喷嘴，送粉方式与送粉位置也会对粉末粒子的加速与加热产生一定程度的影响，其实现的难易程度也有差异。一般来说，粉末从喷嘴的收缩段送入称为上游送粉。其优点为可以实现轴向中心送粉，对气流的扰动较小，但送粉气体的压力必须高于工作气体的入口压力，因此对送粉器的要求较高；也有学者/厂商将送粉位置设置在喷嘴喉部以后（下游）的一定位置，称作下游送粉，由于喷嘴下游气体扩张膨胀，压力减低，因此其优点为对送粉气体的压力要求较低，即送粉器硬件要求较低，但这种设计会扰动内部超音速流动，一般的低压冷喷涂装备及收缩-平直型喷嘴或收缩-短扩张-平直型喷嘴采用下游送粉。
　　简而言之，冷喷涂过程就是利用固态粉末粒子的高速碰撞及其产生的塑性变形来实现材料的沉积。当然，上述喷涂过程中的各种工艺参数均会影响粉末粒子的沉积特性与沉积体的质量，现有的研究也充分证明，冷喷涂不仅可以制备涂层，还可以实现金属增材制造（3D 打印），以及破损或失效零部件的修复再制造，后续章节将会进行详细论述。
　　文献中对“冷喷涂”技术的称谓不完全统一。虽然大部分专家学者认可冷喷涂的英文名称是 cold spray或 cold spraying，但在冷喷涂发展过程中，部分研究机构或企业对基于上述原理的材料沉积技术提出了其他名称，比如，早期的冷气动力喷涂（cold gas dynamic spraying，CGDS）或者气体动力喷涂（gas-dynamic spraying，GDS）[4]；其他较常用的名称包括动能喷涂（ kinetic spray/spraying，KS）[5]；也有学者称冷喷涂为动能金属化（kinetic metallization）[6]，或者动力金属化（dynamic metallization）；个别学者称冷喷涂为超音速粒子沉积（ supersonic particle deposition）[7]。
　　日本学者将另外一种采用亚微米尺度陶瓷粉末粒子在远低于大气压的真空环境下进行固态碰撞沉积的方法称为气悬浮喷涂（ aerosol deposition，AD）[8]，行业内通常也称作真空冷喷涂（ vacuum cold spraying，VCS）或真空动能喷涂（ vacuum kinetic spraying）。
　　综上所述，冷喷涂（ CS）是目前比较统一且认可度*高的名称，在增材制造领域，又出现了冷喷涂增材制造（cold spray additive manufacturing，CSAM）、冷喷涂固态增材制造（solid-state cold spray additive manufacturing）等称谓。
　　1.3冷喷涂技术的特点
　　与其他高能束材料沉积方法相比，冷喷涂技术*重要的特点是在较低温度的固态下实现材料的沉积，其次是粒子碰撞沉积存在临界速度（critical velocity）要求，一般用 vc表示，只有粒子速度大于临界速度才能在碰撞后沉积，否则将发生反弹，甚至对基材表面产生冲蚀。图 1-4为冷喷涂与传统热喷涂气源温度和粒子速度比较示意图，*本征的特点有两点：一是冷喷涂过程温度低（或者粒子温度低），二是粒子碰撞速度高。基于上述重要特点，与基于等离子、激光、火焰、电弧等技术的传统热喷涂技术和增材制造技术相比，冷喷涂技术的主要优点表现在：①对基体或粉末本身不产生热影响，粒子在沉积后伴随晶粒组织细化现象；②在大气环境下喷涂时金属粉末粒子的氧化可以忽略；③沉积体内残余应力小且通常为压应力，因此沉积厚度无限制，且涂层制备可提高基材的疲劳性能等 [3]；④粉末未发生显著氧化，因此可回收利用；⑤材料选择范围只取决于其自身的变形能力，对于高激光反射、高导热等激光与其他高能束技术沉积时存在困难的材料，冷喷涂体系更具有优势。
　　随着研究的深入，针对冷喷涂技术的应用，需要继续攻克的难题越来越多。*先，部分金属难以通过冷喷涂获得完全致密沉积体。对于钛合金，由于其极高的表面活性与低的弹性模量，钛合金粉末粒子高速碰撞后极容易沉积，但又很难发生大应变塑性变形，因此制备的沉积体孔隙率高，即使在极高速的条件下（如工作气体为氦气，1000℃）也很难达到完全致密。其次，对于高强度、高硬度粉
　　图 1-4 冷喷涂与传统热喷涂气源温度和粒子速度比较示意图
　　末，如高温合金、金属陶瓷等，由于高温强度高，沉积较为困难，即使采用极端气体条件（高温、高压工作气体），也难以得到完全致密的沉积体。