冷喷涂（Cold Spray）是一种无热熔化的增材制造技术，通过将超高速粒子（通常为金属或陶瓷粉末）喷射到工件表面，利用其动能实现材料的塑性变形结合，形成涂层或修复结构。与传统焊接、喷涂相比，冷喷涂无需加热基材，避免了氧化、热应力等问题，特别适合精密修复和复合材料加工。

一、核心原理

1. 动能驱动：

   • 喷枪将粉末颗粒加速至 50–300 m/s（超音速），通过撞击基材表面产生塑性变形，颗粒间相互嵌套形成冶金结合层。
   • 关键条件：颗粒速度需超过材料的临界速度（通常为材料声速的0.5–1倍）。

2. 无热影响区：

   • 基材温度一般低于 150°C，避免材料相变、氧化或热损伤。

二、典型设备组成

1. 冷喷涂系统

   • 喷枪：采用拉瓦尔喷嘴设计，通过压缩气体（氦气、氮气或氩气）加速粉末。
   • 供粉装置：精确控制粉末流量（通常 10–100 g/min）。
   • 控制系统：调节气体压力、喷枪与工件的距离（一般 10–50 mm）。

2. 辅助设备

   • 真空腔体：用于高活性粉末（如钛合金）喷涂，防止氧化。
   • 粉末回收系统：回收未沉积的粉末，降低成本。

三、适用材料

1. 金属粉末：

   • 铝、钛、铜、镍基合金、不锈钢、镁合金等。
   • 特殊应用：钛铝（TiAl）等高温合金的涂层。

2. 陶瓷粉末：

   • 氧化铝（Al₂O₃）、碳化硅（SiC）、氮化硼（BN），用于耐磨、绝缘涂层。

3. 复合材料：

   • 碳纤维（CFRP）、玻璃纤维（GFRP）的修补，避免传统热修复导致的树脂降解。

四、关键技术优势

五、典型应用领域

1. 航空航天

   • 叶片修复：修复涡轮发动机叶片裂纹（如GE航空）。
   • 复合材料维修：碳纤维飞机部件的划痕修复。

2. 能源行业

   • 管道防腐：在钢管内壁喷涂陶瓷涂层，延长使用寿命。
   • 燃气轮机部件：镍基合金涂层的耐高温防护。

3. 汽车制造

   • 轻量化：铝镁合金车身的局部增材修复。
   • 电池包壳体：导电涂层或绝缘涂层的快速喷涂。

4. 电子工业

   • 电路板修复：金、银等导电涂层的微米级修补。
   • 半导体封装：高纯度金属涂层的精确沉积。

5. 文物修复

   • 金属器物：青铜器的无损修复（避免传统焊接的应力开裂）。

六、工艺参数优化

1. 气体压力：

   • 影响粉末速度和沉积效率，通常 1–10 MPa（氦气效果最佳）。

2. 喷枪距离：

   • 过近（<10 mm）易堵塞喷嘴，过远（>50 mm）动能不足。

3. 粉末粒径：

   • 细粉（10–45 μm）：适合精密涂层；
   • 粗粉（45–150 μm）：用于大面积覆盖。

4. 基材表面处理：

   • 需清洁、粗糙化（Ra 0.8–3.2 μm）以增强结合力。

七、局限性

1. 材料限制：

   • 仅适用于塑性较好的材料（如金属、部分陶瓷），脆性材料（如玻璃）难以有效结合。

2. 沉积效率低：

   • 部分粉末因反弹或未完全嵌入基材而浪费（效率约 30–60%）。

3. 设备成本高：

   • 高压气体系统和精密喷枪导致初期投资较大。

八、未来发展方向

1. 纳米复合喷涂：

   • 在金属或陶瓷基体中掺杂纳米颗粒（如碳纳米管），提升涂层强度和导电性。

2. 智能化控制：

   • 结合机器视觉实时监测涂层厚度，实现自动化修复。

3. 低温冷喷涂：

   • 开发更低温度（接近室温）的喷涂工艺，扩大材料适用范围。

九、冷喷涂 vs 热喷涂对比表