冷喷涂修复与增材制造技术进展综述

《Coatings》：Advances in Cold Spray for Repair and Additive Manufacturing: A Review

　　

冷喷涂（Cold Spray, CS）技术已成为一种多功能固态沉积工艺，在修复应用和块体部件制造方面具有显著潜力。本综述审视了CS的最新进展，强调其在不熔化情况下沉积金属和复合材料的独特能力，从而最大限度地减少氧化、热变形和残余应力。这些优势使CS具备了在工业中用于恢复受损部件的所有条件，特别是在微观结构质量和机械完整性至关重要的情况下。本综述论文综合了关于通过CS制备的不同涂层/沉积物的现有知识、通过冷喷涂加工当前和未来金属/合金的工艺，以及采用该技术的工业应用的具体要求。此外，本综述还强调了CS作为增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术的日益增长的应用，其中逐层沉积能够实现复杂几何形状、梯度材料和混合结构的制造。同时讨论了冷喷涂增材制造（Cold Spray Additive Manufacturing, CSAM）技术和沉积策略的进展。本综述指出了剩余的挑战，包括原位监测、预测建模以及对标准化鉴定协议的需求。总体而言，本综述强调了CS在实现高性能修复和新颖增材制造策略方面的变革性作用，同时概述了扩大其工业应用范围的未来研究方向。

2. 冷喷涂基础

2.1. 工艺气体

工艺气体在冷喷涂（CS）中起关键作用，因为它控制颗粒加速、加热以及撞击时的动能。最常用的工艺气体是氮气（N₂）、氦气（He）和压缩空气，有时也使用气体混合物，特别是He/N₂，以平衡沉积性能和工艺成本。气体选择必须结合滞止压力、气体温度、喷嘴设计、喷涂距离、颗粒尺寸、颗粒密度以及被喷涂材料的临界速度来考虑。氮气因其可用性、适中的成本和惰性特性而成为工业CS系统中最广泛使用的气体，适用于铝、铜等延展性金属。对于强度更高或可变形性更低的材料，如Ti6Al4V和不锈钢，氦气因其低分子量能产生更高的气体和颗粒速度，有助于实现更致密的沉积物和更强的附着力，但其主要限制是高成本。压缩空气主要用于低压CS系统，但可能增加氧化物形成风险。过热蒸汽也被提出作为一种工作气体，但应用较少。

2.2. 沉积机制

CS中的沉积机制始于固体颗粒对基底的高速撞击。一旦冲击速度超过相应的临界速度，通常会发生粘附。涂层形成可分为两个阶段：初始颗粒对基底的粘附和通过颗粒间键合实现的沉积物生长。绝热剪切失稳（Adiabatic Shear Instability, ASI）长期以来被认为是CS中键合的机制之一，但后续研究表明，射流和粘附也可能在没有ASI的情况下发生。产生的键合可能涉及冶金和机械贡献，冶金键合需要清洁表面在极小尺度上的紧密接触，而机械互锁在硬颗粒穿透较软基底时更为相关。粉末特性，如颗粒尺寸和形态，对沉积有强烈影响。随着涂层的累积，连续颗粒堆积会产生异质微观结构，包括颗粒-颗粒界面处的高度变形区域和颗粒内部变形较小的区域。

2.3. 材料：金属、复合材料和新兴材料

延展性金属和合金仍是CS加工的最成熟材料类别。铝、铜、镍、钛、不锈钢和镍基高温合金已被广泛研究。CS的主要优势在于能够保持原料的化学和微观结构，这对于热敏合金和易氧化材料尤其有价值。金属基复合材料（Metal-Matrix Composites, MMCs）是另一个重要领域，将延展性金属基体与陶瓷增强相结合以获得单一相难以实现的性能。常见的基体包括Al、Cu、Ni、Ti，而增强相包括Al₂O₃、SiC、WC等。最近，CS已扩展到新兴和多功能材料，包括高熵合金、金属玻璃、纳米晶材料、生物活性涂层和功能梯度结构。CS也在聚合物和聚合物基复合材料的功能化方面引起关注，尽管由于聚合物基底可能因冲击能量而损坏，这更具挑战性。

3. 冷喷涂修复应用

CS已从表面涂层工艺发展为用于修复受损工业部件几何形状和表面功能的固态增材制造技术。有限的热传递限制了氧化、相变和热变形，使其特别适用于热敏感合金。CS修复机制已显著发展，早期研究侧重于证明固态颗粒喷涂形成的沉积物可以恢复局部材料损失。修复性能取决于表面准备和活化、颗粒冲击和键合机制、临界速度和沉积效率以及后处理和表面完整性。

3.2. 表面准备和缺陷处理

基底表面特征直接影响沉积物性能。喷砂处理用于增加粗糙度和有效表面积，同时去除氧化物和污染物。缺陷准备不仅限于表面处理，还必须考虑待修复空腔的几何形状。例如，梯形形状促进了孔隙率最高的沉积物形成，而圆形缺陷则产生了最致密的修复截面。最近的进展包括混合方法，该方法结合了CS材料沉积和激光材料去除技术，集成了三维扫描系统和自适应路径规划，以实现自动化缺陷准备。

3.3. 飞机结构修复

CS已被用于提高带有预制缺陷的铝合金蒙皮的疲劳寿命。研究表明，CS修复不会对铝基底造成损伤，并且修复后的结构恢复了疲劳寿命，消除了使用机械补片和新孔洞的需要。对铝基紧固件孔的CS修复显示，尽管在基底-涂层界面观察到少量裂纹，但修复效果良好，足以在整个疲劳测试期间保持两种组件的粘附。

3.4. 黑色金属和有色金属表面的恢复

CS已被用于重建汽车和海洋行业中使用的铝基部件的局部磨损或加工损伤。例如，采用低压冷喷涂（Low-Pressure Cold Spray, LPCS）系统，使用不同的金属粉末（如Ni、Zn）并辅以Al₂O₃颗粒来修复Al7075合金的损伤表面。修复区域由致密的层状复合结构组成，其中塑性变形的金属颗粒形成基体，未变形的Al₂O₃颗粒充当增强相。Ni-Al₂O₃修复获得了最高硬度，并将耐磨性提高了约7.1倍。然而，伸长率和静态韧性有所下降，表明LPCS虽然能提供优异的硬度和耐磨性，但不一定能恢复原始锻造合金的延展性或断裂抗力。

3.5. 重建Inconel 718部件

Inconel 718部件常用于喷气发动机，会遭受侵蚀和热腐蚀。CS增材制造（CSAM）提供了一种使用与基底化学成分相同的原料进行重建的途径。研究发现，基底预热可以改善颗粒-基底和颗粒-颗粒键合，降低孔隙率。使用氦气（He）作为载气并结合热处理，可以获得优于块体合金的极限抗拉强度（UTS）。与大气等离子喷涂（Atmospheric Plasma Spray, APS）相比，CS产生了更致密、硬度更高、氧化程度更低且具有压应力的Inconel 718沉积物，但沉积态延展性较差，因此后沉积热处理对于改善性能至关重要。研究还表明，横移速度是控制IN718沉积物最终残余应力状态的关键参数，低速可能导致拉伸应力。

3.6. 后处理

CS修复通常需要后处理操作，如机加工以满足尺寸公差，以及热处理或致密化工艺以减少孔隙率并增强沉积物内聚力。例如，针对Ti64-on-Ti64修复的研究表明，热处理可以显著缓解残余应力，并通过促进扩散将界面粘附强度提高约70%。另一项关于AA7075飞机机翼蒙皮CS修复的研究发现，后沉积热处理虽然有益于沉积物微观结构，但可能会降低修复结构的疲劳性能。对6061铝合金的研究表明，高温退火和热等静压（Hot Isostatic Pressing, HIP）后处理可以将氮气喷涂样品的拉伸和疲劳强度分别提高到锻压材料的85%-90%和75%，而氦气喷涂的沉积物在沉积态就已接近锻压材料的静态和疲劳行为。研究确定颗粒间结合面积（而非总孔隙率）是决定结构性能的关键微观结构参数。