综述：冷喷涂金属陶瓷涂层在高温腐蚀、氧化和耐磨性中的应用比较研究

这篇综述系统探讨了冷喷涂（CS）技术制备金属陶瓷（cermet）涂层的特性与结合机制，对比传统热喷涂（TS）工艺，突出其低成本、低氧化和致密涂层的优势。文章重点分析了WC-Co、Cr3C2-NiCr等涂层在高温腐蚀、氧化和磨损环境中的性能优化策略，提出材料-设备-工艺协同调控是工业应用的关键。

　　

冷喷涂金属陶瓷涂层的革命性进展

引言

随着工业设备对极端环境防护需求的增长，冷喷涂（Cold Spray, CS）技术因其独特的固态沉积特性成为研究热点。不同于传统热喷涂（Thermal Spray, TS）工艺需要熔化材料，CS通过超音速加速粉末颗粒（1-100 μm）在低温下（25-1000°C）实现致密涂层沉积，避免了相变、氧化和晶粒粗化等问题。

金属陶瓷涂层的特性优势

金属陶瓷（cermet）结合了陶瓷的高硬度与金属的韧性，展现出卓越的平衡性能。例如，WC-15Co涂层的密度达13.9 g/cm³，孔隙率低于1%，而Cr₃C₂-NiCr在900°C高温下仍能保持抗腐蚀性。通过对比纯陶瓷（如Al₂O₃硬度18.4 GPa）和纯金属（如Ti-6Al-4V硬度6.9 GPa），金属陶瓷的断裂韧性（如WC-15Co达18 MPa√m）和耐磨性（磨损率低至1.7×10^?6 mm³/Nm）显著提升。

冷喷涂技术的核心机制

CS依赖绝热剪切不稳定性（Adiabatic Shear Instability, ASI）实现颗粒结合：当颗粒速度超过临界值（700 m/s），高速撞击引发局部塑性变形和喷射流，清除表面氧化物并促进冶金结合。例如，Al-Al₂O₃涂层中，陶瓷颗粒的喷丸效应使硬度提升至240 HV，而He作为载气比N₂提高42%的氧化抗性。

工艺优化与工业应用

高压冷喷涂（HPCS）因更高的颗粒速度（1200 m/s）和致密性成为主流，但成本较高。通过调整陶瓷含量（如Al₂O₃从30%增至70%）、颗粒形貌（球形优于角形）及后处理（如激光重熔），可显著改善性能。例如，NiCrTiCRe涂层在燃煤锅炉中因TiC和Re的加入，硬度提升56%（279 Hv），寿命延长。

挑战与未来方向

当前CS技术面临喷嘴堵塞、陶瓷保留率低等挑战。新兴研究方向包括自修复涂层（如NiCrAlY/Cr₃C₂-Ti₃AlC₂通过高温分解产物修复微损伤）和机器学习辅助工艺优化。未来需标准化材料设计（如核壳结构WC-Co粉末）和工艺参数，以推动其在航空航天、能源等领域的规模化应用。

结论

冷喷涂金属陶瓷涂层以其独特的性能和经济性，正逐步替代传统热喷涂技术。通过精准调控材料组成、工艺参数及后处理策略，可满足高温、腐蚀和磨损等极端工况需求，为工业设备的长寿命防护提供创新解决方案。