冷(leng)喷涂(tu)技(ji)术在钛合金表(biao)面改(gai)性中(zhong)的应用

引言(yan)

钛合(he)金因其优异的力学性能(neng)、耐蚀(shi)性、生物(wu)相(xiang)容(rong)性(xing)以(yi)及在(zai)高温下(xia)的(de)良好(hao)比强度(du)而(er)在航(hang)空(kong)航天(tian)、医疗(liao)和化(hua)工等领域得到(dao)了(le)广泛(fan)应用(yong)[1-3]。但是(shi)钛(tai)合(he)金在(zai)大气中(zhong)活性(xing)高，很(hen)容易(yi)形(xing)成(cheng)一层致(zhi)密氧化(hua)层，所(suo)以(yi)不能用常规的(de)表面处(chu)理(li)方法(fa)进行表面(mian)改性(xing)。常规(gui)表面改(gai)性手段(duan)目(mu)前(qian)主要有(you)PVD、激(ji)光、热(re)喷(pen)涂(tu)、电镀(du)等，但都不(bu)可避(bi)免(mian)对(dui)钛(tai)合金(jin)基(ji)材的性能(neng)造(zao)成(cheng)影响(xiang)，例(li)如PVD、激(ji)光以(yi)及热(re)喷(pen)涂(tu)的(de)高(gao)温会(hui)使(shi)钛(tai)合金(jin)晶(jing)粒(li)增(zeng)大(da)，降(jiang)低其力学性(xing)能(neng)，电(dian)镀(du)会加(jia)大(da)氢脆(cui)风险(xian)等。与前(qian)述(shu)相(xiang)比，冷(leng)喷涂技(ji)术(shu)就有(you)了(le)优势(shi)[4-7]。

1、冷喷涂(tu)技术概述

1.1　分类(lei)

喷涂作(zuo)为一种(zhong)新型的实用(yong)工程技(ji)术(shu)，目前尚无(wu)标准的分类(lei)方(fang)法(fa)。按照加(jia)热喷涂材料(liao)的(de)热源(yuan)种类(lei)，分为火(huo)焰(yan)喷(pen)涂(tu)、等离(li)子(zi)喷(pen)涂(tu)、电弧喷(pen)涂、冷喷涂等。冷喷涂(tu)依(yi)靠高(gao)速气体将粉(fen)末(mo)粒(li)子加速到(dao)超声(sheng)速，使粒子在完全(quan)固(gu)态下(xia)撞击基(ji)体(ti)表(biao)面，通过塑性变形(xing)形(xing)成(cheng)涂(tu)层。冷喷涂(tu)的工(gong)作(zuo)温度通(tong)常(chang)在(zai)室(shi)温(wen)至(zhi)600℃之(zhi)间(jian)。冷喷涂相(xiang)对(dui)其他(ta)喷涂(tu)类(lei)型，喷(pen)涂(tu)工(gong)作温度(du)较(jiao)低(di)。与(yu)传统的其(qi)他热(re)喷(pen)涂相比，冷(leng)喷涂技(ji)术(shu)的(de)优势在(zai)于其低温(wen)过程(cheng)，这有助于保(bao)持(chi)材料(liao)的(de)原(yuan)始(shi)微(wei)观结构和性能(neng)，同(tong)时(shi)减少了热影(ying)响区和热应(ying)力。冷(leng)喷(pen)涂技术(shu)的(de)应用范围(wei)广泛，从航空(kong)航天(tian)领(ling)域的(de)轻(qing)质(zhi)高强(qiang)度涂(tu)层到生物医学领(ling)域的(de)植(zhi)入(ru)物涂(tu)层(ceng)。研究者们(men)还(hai)在(zai)探索冷喷(pen)涂(tu)技术在(zai)增材制造领域的(de)应用，例如通(tong)过逐(zhu)层构(gou)建来(lai)生产复(fu)杂(za)形状(zhuang)的(de)零件[8]。为(wei)了提高冷(leng)喷涂(tu)涂层(ceng)的质(zhi)量，可以(yi)对喷涂参数进(jin)行优(you)化(hua)、改变(bian)喷嘴(zui)设(she)计、选(xuan)择(ze)不(bu)同(tong)的粉(fen)末(mo)材料(liao)以(yi)及后处理(li)工(gong)艺(yi)。此外(wai)，冷(leng)喷(pen)涂技(ji)术(shu)与(yu)其(qi)他先进制造(zao)技术(shu)的(de)结(jie)合，如激(ji)光辅助(zhu)冷喷(pen)涂(tu)和(he)等离(li)子体(ti)辅(fu)助(zhu)冷(leng)喷(pen)涂(tu)[9-11]，也在提高沉(chen)积(ji)效(xiao)率(lv)和(he)涂(tu)层(ceng)性(xing)能方(fang)面(mian)显示出(chu)巨大(da)潜(qian)力(li)。

1.2　基本(ben)原(yuan)理

冷(leng)喷(pen)涂过(guo)程(cheng)中，粉末(mo)颗(ke)粒在(zai)撞击(ji)基体时(shi)不熔(rong)化，保持(chi)固(gu)态(tai)，避免(mian)了(le)高(gao)温(wen)引(yin)起的(de)材料退化、氧化(hua)和(he)相(xiang)变。粉(fen)末颗粒(li)的高(gao)速(su)撞(zhuang)击产(chan)生(sheng)塑(su)性变(bian)形(xing)，颗粒(li)与(yu)颗粒(li)之(zhi)间、颗(ke)粒与(yu)基体之(zhi)间(jian)通过(guo)物(wu)理(li)结(jie)合(he)、化(hua)学(xue)结合(he)以及部分(fen)冶金(jin)结合(he)形成牢固(gu)的界面(mian)。由(you)于(yu)喷(pen)涂过(guo)程(cheng)中温(wen)度(du)较(jiao)低(di)，涂(tu)层内部(bu)残余(yu)应力小(xiao)，且主(zhu)要为压(ya)应(ying)力(li)，有利于(yu)涂(tu)层的(de)附(fu)着和(he)性能。

1.3　工(gong)艺流(liu)程(cheng)

工艺流(liu)程为准(zhun)备(bei)阶段—设(she)备设(she)置—喷(pen)涂过(guo)程(cheng)—气(qi)体(ti)加(jia)热—粉末输送—颗粒加速—撞(zhuang)击沉积(ji)—后处理。

1.4　图(tu)示说(shuo)明(ming)

冷(leng)喷(pen)涂设备通常(chang)包(bao)括(kuo)气体压缩机(ji)、加(jia)热(re)器(qi)、喷嘴、送粉器(qi)和(he)控制(zhi)系(xi)统(tong)，如(ru)图(tu)1所示(shi)。图(tu)1展示了冷喷涂(tu)设(she)备(bei)的(de)主(zhu)要组成(cheng)部(bu)分及(ji)其(qi)相(xiang)互连接方式。在实际(ji)应用(yong)中，这些(xie)组(zu)件(jian)会(hui)根据具体的(de)喷涂(tu)需求(qiu)和技(ji)术规格有所(suo)不同。喷涂过程中(zhong)，粉(fen)末颗粒在喷嘴(zui)处被(bei)加(jia)速(su)，形(xing)成高速气固(gu)双(shuang)相(xiang)流(liu)。颗粒撞击基体(ti)时(shi)，发生(sheng)塑性(xing)变形，颗(ke)粒(li)间(jian)和颗粒(li)与基体间形(xing)成(cheng)结合(he)界面(mian)。沉积层(ceng)逐渐(jian)增(zeng)厚(hou)，形(xing)成所需的(de)涂(tu)层或修复层(ceng)。

2、影响冷喷(pen)涂(tu)效果的关(guan)键(jian)因(yin)素

2.1　载气压力

冷喷(pen)涂技(ji)术中，载(zai)气压(ya)力(li)是(shi)一(yi)个(ge)关(guan)键的(de)工艺(yi)参(can)数(shu)。载(zai)气(qi)压力影(ying)响粉末(mo)颗粒(li)的(de)加速效(xiao)果和飞行速(su)度(du)，进而影(ying)响(xiang)涂层的(de)致密(mi)度(du)及(ji)相(xiang)关(guan)性能[12]。冷喷涂技(ji)术使用(yong)的(de)载气通(tong)常(chang)是压缩(suo)空气(qi)或(huo)氮气(qi)，喷涂(tu)气(qi)体的(de)压力(li)通(tong)常(chang)在3MPa~8MPa，提(ti)高喷涂气(qi)体的(de)压(ya)力(li)可(ke)以(yi)增(zeng)加粉(fen)末粒(li)子(zi)的速度和(he)变形能力(li)，从而提高(gao)沉积效(xiao)率和涂(tu)层(ceng)质(zhi)量(liang)。靳(jin)磊等[13]发现相同气体(ti)温(wen)度条(tiao)件下(xia)，采用氦气(qi)制备(bei)的(de)涂层(ceng)较氮(dan)气(qi)更加致密(mi)，涂(tu)层(ceng)硬度更高(gao)，粉末(mo)利(li)用(yong)率(lv)也更(geng)高(gao)。

在实(shi)际(ji)应(ying)用中(zhong)，载气(qi)压(ya)力(li)的(de)具体数(shu)值(zhi)可(ke)能会根(gen)据所(suo)使(shi)用(yong)的(de)设备(bei)、粉(fen)末材(cai)料(liao)、喷嘴(zui)设计以(yi)及其他工艺参数(shu)进(jin)行调整(zheng)。通常(chang)，这些(xie)参数(shu)需(xu)要(yao)通(tong)过(guo)实(shi)验(yan)优化(hua)来确定，以达到(dao)最佳的喷涂效果。

2.2　喷(pen)涂(tu)速(su)度(du)

根(gen)据(ju)载(zai)气(qi)压(ya)力(li)的不(bu)同，喷(pen)涂速度也不同。较高(gao)的气体压力可(ke)以产生(sheng)更快的颗粒(li)速度，从而提高(gao)沉积(ji)效率和涂层(ceng)的致密性。喷涂(tu)速度(du)和送(song)粉(fen)速率需要(yao)相(xiang)匹(pi)配(pei)，以(yi)确保涂(tu)层(ceng)的(de)连续性和(he)均(jun)匀(yun)性[14]。石(shi)仲(zhong)川等[15]总结了(le)冷喷涂(tu)中(zhong)常(chang)见(jian)金属粉(fen)末(mo)颗粒的临(lin)界速度，如(ru)表(biao)1所(suo)示(shi)。

冷喷(pen)涂过(guo)程(cheng)中使(shi)用的(de)载(zai)气(qi)压(ya)力达(da)到(dao)一定的(de)高压(ya)水(shui)平(ping)，就(jiu)会(hui)产(chan)生(sheng)超音(yin)速气(qi)流(liu)。马(ma)春(chun)春(chun)等(deng)[16]提(ti)出载气加(jia)速微(wei)小颗(ke)粒(li)形(xing)成超音(yin)速(su)(300m/s~1200m/s)气固双(shuang)相流(liu)，使(shi)得(de)喷涂(tu)温(wen)度(du)更(geng)低(di)、涂层对基(ji)体热影(ying)响(xiang)小(xiao)、送(song)粉速度(du)更快(kuai)、涂(tu)层(ceng)孔隙(xi)率(lv)显(xian)著减小。

2.3　载(zai)气(qi)温(wen)度(du)

在冷喷涂(tu)增材制(zhi)造(zao)中(zhong)，载(zai)气温度(du)是影(ying)响颗粒(li)速(su)度(du)、颗(ke)粒温(wen)度和(he)涂(tu)层质(zhi)量的关键参(can)数之一，精确(que)控制(zhi)气体温度(du)对(dui)气(qi)体(ti)加(jia)热(re)效(xiao)率、沉(chen)积效率的稳定性(xing)以(yi)及涂层的微(wei)观(guan)结(jie)构具有重要(yao)意义。气(qi)体温(wen)度通常(chang)在室温至300℃之间(jian)，但(dan)某(mou)些情况(kuang)下，为了(le)提高(gao)喷涂效率和沉积(ji)质(zhi)量，喷(pen)涂气(qi)体(ti)的(de)温度(du)可(ke)以(yi)提高到600℃。静态压(ya)痕实(shi)验表明(ming)，与块材比(bi)较(jiao)，涂(tu)层平(ping)均(jun)显微(wei)硬度(du)增(zeng)加。胶粘(zhan)拉(la)伸(shen)试(shi)验表明，锌、铝(lv)结(jie)合(he)强(qiang)度较(jiao)高，涂(tu)层(ceng)本身的(de)结合(he)强(qiang)度大于涂层(ceng)与基(ji)体(ti)界面(mian)的结合强(qiang)度[17]。郑悠(you)等(deng)[18]采用ＡＮＳＹＳＦＬＵＥＮＴ建(jian)立(li)数(shu)值模型(xing)，发现采(cai)用ＰＩＤ策(ce)略时(shi)，气体温(wen)度的稳定时(shi)间和过冲(chong)都有(you)大幅(fu)优化(hua)，随(sui)着稳(wen)定时间和过冲率减小，对气(qi)体(ti)温度(du)控制(zhi)的精确(que)度增加。气(qi)体温(wen)度的(de)提(ti)高(gao)，其(qi)直接效果(guo)是气流(liu)速度(du)的提(ti)高(gao)，对粉(fen)末粒(li)子(zi)的(de)加速(su)效(xiao)果(guo)也(ye)更好，同(tong)时减(jian)缓(huan)粉末(mo)粒子(zi)通(tong)过(guo)喷嘴喉部后的降温过(guo)程(cheng)，保(bao)证较(jiao)高的(de)沉(chen)积(ji)温(wen)度[19]。

2.4　喷(pen)嘴(zui)设计(ji)

冷喷(pen)涂喷(pen)嘴设计是冷(leng)喷(pen)涂(tu)技(ji)术中(zhong)的关键(jian)组(zu)成(cheng)部分(fen)，它直接影(ying)响到喷(pen)涂(tu)过(guo)程中金属颗粒(li)的加(jia)速(su)效果(guo)、涂(tu)层(ceng)的均(jun)匀(yun)性(xing)和(he)最终的(de)沉(chen)积质量。冷(leng)喷(pen)涂喷(pen)嘴(zui)通常采(cai)用拉(la)瓦尔(er)(ＬａｖAl)喷嘴(zui)设(she)计(ji)[20]。喷(pen)嘴设计包括喉部(bu)直(zhi)径(jing)、扩张(zhang)角度(du)、喷(pen)嘴长度以及(ji)出(chu)口形状等(deng)[21]。除了拉瓦尔(er)喷(pen)嘴，还有圆(yuan)形截(jie)面喷嘴(zui)、矩(ju)形截(jie)面(mian)喷嘴(zui)和(he)椭(tuo)圆(yuan)形(xing)截面喷(pen)嘴(zui)等(deng)。王晓(xiao)放(fang)等(deng)[22]通过(guo)对冷(leng)喷(pen)涂(tu)设(she)流(liu)场(chang)的(de)数值(zhi)模(mo)拟(ni)，对比(bi)了不(bu)同喷(pen)嘴截面形状的流场(chang)特(te)点(dian)，试(shi)验(yan)表(biao)明(ming):制(zhi)备(bei)面积较大的均匀涂层时应选用(yong)截(jie)面(mian)形(xing)状(zhuang)为(wei)矩形(xing)的(de)喷嘴，性能(neng)更(geng)优。邢(xing)龙森等[23]利用ＣＦＤ软(ruan)件(jian)优(you)化(hua)计算，针对不同(tong)尺(chi)寸(cun)的(de)喷(pen)嘴进(jin)行(xing)模(mo)拟(ni)计算(suan)并(bing)优(you)化(hua)。

当(dang)喉部(bu)直(zhi)径一(yi)定(ding)，喷(pen)嘴(zui)的(de)缩(suo)放(fang)比(bi)约(yue)为4时(shi)，喷嘴(zui)内外(wai)部(bu)气(qi)流速度(du)平稳，无(wu)明显(xian)的(de)激波(bo)产(chan)生，而(er)较(jiao)大的出(chu)口直径会(hui)产(chan)生明显(xian)的(de)激波。

2.5　喷涂距离

冷喷(pen)涂喷(pen)涂距离是(shi)指(zhi)喷嘴(zui)出(chu)口到(dao)被喷涂基体表面之(zhi)间(jian)的距离。喷(pen)涂(tu)距离(li)越短(duan)，颗(ke)粒(li)撞(zhuang)击(ji)基体(ti)的速(su)度(du)越(yue)高(gao)，形(xing)成的涂(tu)层越致(zhi)密(mi)。但如果距(ju)离(li)过(guo)短，可(ke)能(neng)会导(dao)致基体(ti)过度加热(re)或损(sun)伤。相(xiang)反，喷涂(tu)距离过(guo)长(zhang)可(ke)能会导致颗(ke)粒速(su)度(du)下降，影响涂(tu)层(ceng)的形成(cheng)和结合(he)强度(du)。这(zhe)个(ge)距离(li)需(xu)要根据喷涂(tu)材(cai)料和(he)所需(xu)的涂层(ceng)特性(xing)进(jin)行调整(zheng)[24] 。喷(pen)涂距(ju)离根据喷涂(tu)粉(fen)末(mo)的(de)不同(tong)，通常(chang)在(zai)10mm~50mm之(zhi)间(jian)是(shi)较为(wei)合适的(de)范围(wei)。

2.6　粉(fen)末(mo)特(te)性(xing)

冷喷涂工艺中(zhong)粉(fen)末材(cai)料的(de)物理(li)性能对成形(xing)质量具有(you)一(yi)定的(de)影(ying)响(xiang)[25]，如(ru)粉(fen)末(mo)材料(liao)的(de)粒(li)度、形(xing)貌(mao)、氧(yang)含量等(deng)因素(su)，冷(leng)喷(pen)涂工艺(yi)常用的(de)粉末粒(li)度(du)范围为5μm~45μm。粉(fen)末颗粒(li)大小取决(jue)于喷(pen)涂(tu)条(tiao)件、喷嘴(zui)规(gui)格(ge)和(he)喷涂距离等(deng)多(duo)种因素(su)。其次，粉末颗粒(li)形(xing)貌(mao)是(shi)另一个(ge)关(guan)键(jian)因素。在(zai)低(di)能(neng)量(liang)喷涂(tu)条件下，树枝状(zhuang)等(deng)不(bu)规(gui)则(ze)形(xing)态会(hui)导致(zhi)孔隙率降(jiang)低(di)，而在高能(neng)量喷(pen)涂条(tiao)件下，球形(xing)粉末会(hui)带(dai)来(lai)更强(qiang)的(de)效果。

金属粉末的(de)氧(yang)含量(liang)也(ye)对(dui)沉(chen)积效率(lv)产(chan)生(sheng)一定的(de)影响，低氧含(han)量的(de)粉末更容(rong)易沉(chen)积(ji)，粒子表(biao)面的(de)薄氧(yang)化(hua)膜更容(rong)易形(xing)成强(qiang)结(jie)合。

2.7　预处理(li)

冷喷涂预处(chu)理(li)是冷(leng)喷(pen)涂技术(shu)中的一(yi)个重(zhong)要(yao)环(huan)节，它(ta)对提(ti)高涂层(ceng)的(de)性(xing)能和(he)质量(liang)起着至(zhi)关(guan)重(zhong)要的作(zuo)用(yong)，其(qi)包(bao)括(kuo)基(ji)体预(yu)处(chu)理和粉(fen)末预(yu)处(chu)理(li)。基(ji)体的(de)清洁(jie)度、表(biao)面粗糙(cao)度及(ji)预热等(deng)都会(hui)影响涂(tu)层(ceng)的(de)结(jie)合(he)强(qiang)度(du)和(he)质(zhi)量(liang)[26]，所(suo)以(yi)一般用(yong)新鲜(xian)表(biao)面(mian)，喷(pen)砂处理(li)后待用(yong)。粉末预处理主(zhu)要包(bao)括(kuo)粉(fen)末预(yu)热(re)、热处理以(yi)及烘干(gan)等(deng)[27]。有(you)时还(hai)可(ke)以通(tong)过(guo)机械混(hun)合、球(qiu)磨(mo)法、造(zao)粒(li)法和包覆(fu)法(fa)等方(fang)法制备复(fu)合(he)粉末，在涂层(ceng)中引入第(di)二相，如陶(tao)瓷(ci)颗粒，以(yi)改(gai)善涂层耐(nai)磨(mo)性、耐腐(fu)蚀性等(deng)性(xing)能。

3、冷(leng)喷(pen)涂技术(shu)在钛合金(jin)性能(neng)提(ti)升中(zhong)的应用

冷喷涂(tu)技术通过在(zai)钛合金(jin)表面(mian)沉(chen)积(ji)高(gao)性(xing)能(neng)涂(tu)层，可(ke)以(yi)有效(xiao)改(gai)善(shan)其(qi)耐磨性(xing)、抗(kang)疲(pi)劳(lao)性(xing)和(he)生(sheng)物相(xiang)容性(xing)。

3.1　耐磨(mo)性

冷(leng)喷(pen)涂(tu)可以在(zai)钛(tai)合(he)金(jin)表(biao)面沉(chen)积硬(ying)度较(jiao)高(gao)的材料，如(ru)陶(tao)瓷颗粒(li)或硬质(zhi)合金，形(xing)成(cheng)一(yi)层耐(nai)磨(mo)涂(tu)层。

这种(zhong)涂(tu)层能够(gou)抵(di)抗(kang)磨(mo)损，延(yan)长(zhang)钛合金部件(jian)的(de)使(shi)用寿(shou)命。JIANG等[28]发现Al/Al2O3复合涂(tu)层(ceng)涂层的表面粗(cu)糙(cao)度可以(yi)达(da)到(dao)9.02μm，孔隙率达(da)到(dao)2.07％。邵若男等(deng)[29]发(fa)现相(xiang)较于(yu)30％Al2O3-70％

Ni涂(tu)层(ceng)，70％Al2O3-30％Ni涂层的摩(mo)擦(ca)因数(shu)降(jiang)低了(le)13％，磨损率(lv)降(jiang)低(di)了66.7％。葛(ge)洁洁等[30]发现(xian)与Ti6Al4Ｖ基(ji)体的磨损率(lv)(4.06×10-7mm3/Ｎｍ)相比，Ti/WC复合(he)涂层的磨损(sun)率降(jiang)低了(le)一(yi)个(ge)数量级(ji)，表现出(chu)优(you)异(yi)的(de)耐磨(mo)性(xing)。冷(leng)喷(pen)涂技术在(zai)提(ti)升(sheng)钛(tai)合金的(de)耐磨(mo)性(xing)方(fang)面具有(you)广(guang)泛(fan)的(de)应用(yong)前景，尤(you)其是(shi)在航空(kong)航天、医(yi)疗(liao)和高(gao)性(xing)能机械等领域。

3.2　抗疲(pi)劳(lao)性(xing)

冷(leng)喷(pen)涂涂(tu)层可(ke)以减少钛合金表(biao)面(mian)的应(ying)力集中，降(jiang)低(di)疲(pi)劳裂纹(wen)的萌(meng)生(sheng)和扩展(zhan)。此外(wai)，涂层的(de)残(can)余压应力(li)状(zhuang)态有(you)助于提高钛(tai)合(he)金的(de)疲(pi)劳强度(du)[31]。

ＧＨＥＬＩＣＨＩ等(deng)[32]研(yan)究冷喷涂Al5052涂层(ceng)发现(xian)，涂(tu)层(ceng)的(de)疲(pi)劳寿命(ming)与(yu)涂层的微观(guan)结(jie)构密切相(xiang)关(guan)，优化的涂(tu)层(ceng)结(jie)构可(ke)以(yi)提高材(cai)料的疲劳(lao)寿命。卜嘉(jia)利等[33]发(fa)现(xian)在(zai)740MPa和840MPa应力水平(ping)下(xia)，试(shi)样(yang)疲(pi)劳寿(shou)命分别提升(sheng)4.5倍与(yu)7.5倍(bei)。疲(pi)劳寿(shou)命(ming)提升(sheng)归因(yin)于(yu)试样(yang)表(biao)层晶(jing)粒细(xi)化、高(gao)密度位(wei)错(cuo)组(zu)织(zhi)及残余压(ya)应力对(dui)疲(pi)劳裂(lie)纹萌(meng)生与(yu)扩(kuo)展的(de)抑(yi)制作(zuo)用(yong)。

3.3　生(sheng)物相(xiang)容(rong)性(xing)

冷(leng)喷(pen)涂技(ji)术可以(yi)在钛合(he)金(jin)表(biao)面沉(chen)积生物活性(xing)材料，如(ru)羟基磷灰石(shi)(HA)、钽(tan)(Ta)等(deng)，这(zhe)些(xie)材(cai)料能够(gou)促进细(xi)胞(bao)附(fu)着和生长，提高植(zhi)入(ru)体与(yu)宿主骨(gu)的结合[34]。LIU等(deng)[35]讨论(lun)了(le)冷喷涂(tu)技(ji)术(shu)在生物医(yi)学(xue)领(ling)域的应用，并(bing)指出(chu)了(le)未(wei)来研(yan)究的方向(xiang)。贾利(li)等[36]研(yan)究(jiu)了TC4钛(tai)合(he)金(jin)表面(mian)冷喷(pen)涂(tu)制备(bei)多孔Ta涂层(ceng)的(de)生(sheng)物(wu)相(xiang)容(rong)性(xing)，发(fa)现(xian)在TC4钛(tai)合(he)金表(biao)面制备钽(tan)涂层(ceng)后(hou)，钽(tan)涂层(ceng)具有更(geng)好(hao)的防止(zhi)血小(xiao)板粘附(fu)与变形的性(xing)能(neng)。在(zai)细胞增(zeng)殖实(shi)验(yan)中(zhong)，细(xi)胞在(zai)钽(tan)涂(tu)层(ceng)表面的增(zeng)殖能(neng)力高(gao)于(yu)TC4钛合金。多孔钽(tan)涂(tu)层(ceng)的弹(dan)性(xing)模量相对钽块(kuai)降(jiang)低(di)了22％。其(qi)生(sheng)物(wu)活(huo)性(xing)高于(yu)TC4钛合金(jin)基(ji)体。李矛等[37]对Ta涂(tu)层(ceng)、Ti涂(tu)层和HA涂(tu)层(ceng)的研究表(biao)明(ming):Ta涂(tu)层(ceng)表面(mian)细(xi)胞(bao)黏附数(shu)量(liang)明显高于Ti涂(tu)层(ceng)(Ｐ<0.05)，与(yu)HA涂层无(wu)统计学(xue)差异(Ｐ>0.05)，说明(ming)Ta涂(tu)层(ceng)与Ti涂(tu)层(ceng)表面(mian)相比(bi)，更适(shi)合(he)细(xi)胞的(de)粘(zhan)附(fu)和生(sheng)长(zhang)。冷喷(pen)涂(tu)技(ji)术(shu)有(you)改(gai)善(shan)钛(tai)合(he)金(jin)生(sheng)物(wu)相(xiang)容性(xing)方面(mian)的(de)潜力。在(zai)医疗植(zhi)入(ru)物(wu)等领域(yu)具(ju)有更(geng)广(guang)泛的应用(yong)前(qian)景。

4、冷喷涂复(fu)合(he)技(ji)术对涂(tu)层(ceng)性能的影响

冷(leng)喷涂(tu)复合(he)技(ji)术(shu)将冷(leng)喷(pen)涂技术(shu)与其(qi)他加工技(ji)术(shu)相结(jie)合，旨在提高(gao)冷喷(pen)涂(tu)沉积(ji)体(ti)的(de)塑(su)性(xing)、强(qiang)度(du)、耐磨性(xing)等(deng)性(xing)能(neng)以(yi)及(ji)扩(kuo)展(zhan)冷(leng)喷(pen)涂(tu)的应(ying)用(yong)范围(wei)。以(yi)下(xia)是(shi)冷喷(pen)涂(tu)复合(he)技术(shu)与(yu)其(qi)他加(jia)工(gong)技(ji)术结合的(de)几(ji)个(ge)方(fang)面。

4.1　热处理

热处理(li)可(ke)以(yi)提(ti)高涂(tu)层的(de)硬(ying)度(du)、强度和塑性，减(jian)少孔(kong)隙率，从而(er)提(ti)高涂层的(de)耐磨(mo)性和(he)耐腐(fu)蚀(shi)

性[38]。对(dui)冷(leng)喷(pen)涂沉(chen)积(ji)体进行后(hou)续的热(re)处(chu)理(li)，可(ke)以改(gai)善(shan)涂层的(de)微观结构(gou)，降低(di)残余应(ying)力，提(ti)高(gao)涂(tu)层(ceng)的力学性(xing)能。宁(ning)先进(jin)等(deng)[39]发(fa)现(xian)经过600℃以上热处(chu)理后，涂(tu)层与钛合金(jin)基体的相容(rong)性及(ji)其对(dui)涂(tu)层(ceng)结(jie)合性能(neng)的提高(gao)，涂(tu)层内的ｃＢＮ颗粒(li)主(zhu)要(yao)分布(bu)于镍粒(li)子(zi)边(bian)界(jie)处(chu)，较大(da)尺(chi)寸的(de)ｃＢＮ(Ｗ14)在(zai)涂(tu)层中分(fen)布更(geng)为均(jun)匀(yun)，涂(tu)层结(jie)合(he)强度大于(yu)82MPa，涂(tu)层/基体(ti)界(jie)面处出现(xian)Ti-Ni金属(shu)间化(hua)合(he)物(wu)。李文亚(ya)等[40]对所制备多(duo)孔(kong)钛(tai)与钛(tai)合金(jin)块材进(jin)行(xing)热(re)处理(li)后发现(xian)，热处理态的(de)气(qi)孔(kong)率代(dai)表了(le)冷喷(pen)涂制备块材的实际(ji)气孔率(lv)，热(re)处(chu)理后粒子(zi)间(jian)接触界(jie)面通过扩散达(da)到(dao)冶金结(jie)合，多(duo)孔块(kuai)材(cai)的结(jie)合强(qiang)度(du)均明显(xian)增(zeng)加(超过55MPa)。冯立等(deng)[41]以Cu-Ｚｎ混合(he)粉末作为喷(pen)涂粉(fen)体，在不(bu)同退(tui)火温(wen)度(du)下对复(fu)合涂(tu)层进行(xing)退火(huo)热(re)处(chu)理(li)，发现铜(tong)锌(xin)复(fu)合涂层结(jie)构(gou)致密，涂层(ceng)与基(ji)体结(jie)合(he)紧(jin)密ꎻ铜(tong)锌(xin)复合涂(tu)层在200℃~300℃间退(tui)火时，涂层中(zhong)金属颗(ke)粒间界面明(ming)显，涂(tu)层(ceng)内部形(xing)成(cheng)β(CuＺｎ)、γ(Cu_5Zn_8)等金(jin)属间化(hua)合物。退火(huo)温度为(wei)200℃时，铜锌(xin)复合涂层的硬度(du)(ＨＶ(0.2))达(da)到最(zui)高(gao)(1578MPa)，结合强度(du)达到最低(di)(7.5MPa)ꎻ铜(tong)锌(xin)复(fu)合(he)涂层(ceng)在350℃~

450℃间(jian)退火(huo)时(shi)，涂层(ceng)中(zhong)金(jin)属(shu)颗(ke)粒(li)间(jian)部分界(jie)面不(bu)明(ming)显(xian)ꎻ当(dang)退火(huo)温(wen)度(du)为(wei)450℃时(shi)，铜(tong)锌复(fu)合涂层(ceng)硬(ying)度达到最低(di)(1024MPa)，结(jie)合(he)强度(du)达(da)到最高(gao)(13.9MPa)。

4.2　激(ji)光(guang)辅(fu)助(zhu)处(chu)理

激(ji)光可(ke)以提高(gao)喷涂颗(ke)粒(li)的(de)温度(du)和变(bian)形能力，从(cong)而(er)提高涂层的沉积(ji)效率和(he)致(zhi)密(mi)度[42]。激(ji)光辅助处(chu)理还可(ke)以改(gai)善涂(tu)层(ceng)的界面(mian)结(jie)合(he)，减(jian)少(shao)孔(kong)隙率，提(ti)高涂(tu)层(ceng)的(de)力学性(xing)能(neng)。刘博等(deng)[43]等采用(yong)激(ji)光辅(fu)助低压(ya)冷(leng)喷(pen)涂(tu)技术在(zai)Cu基体(ti)上(shang)制(zhi)备(bei)石墨(mo)/Cu复(fu)合(he)涂(tu)层(ceng)，石(shi)墨(mo)/Cu复(fu)合(he)涂层中颗粒(li)之(zhi)间结(jie)合良(liang)好，具有(you)较(jiao)好(hao)的致密性(xing)。ＣＳ-Cu涂(tu)层的热(re)导率(lv)和电(dian)导率分(fen)别从66.2Ｗ/(m.K)和(he)7.12ＭＳ/ｍ提(ti)升至(zhi)136.6Ｗ/(ｍ.Ｋ)和14.65ＭＳ/ｍ。涂层(ceng)中添加质(zhi)量分数5％的(de)石墨时(shi)，复(fu)合(he)涂层的热导(dao)率(lv)可(ke)进一步提升至(zhi)209.8Ｗ/(m.K)。陈(chen)正涵(han)等(deng)[44]使(shi)用(yong)激(ji)光重熔(rong)加(jia)冷(leng)喷涂(tu)复(fu)合(he)工艺(yi)在镍(nie)铝(lv)青铜9442合(he)金(jin)上制备了Cu402Ｆ涂层，冷喷(pen)涂(tu)涂(tu)层(ceng)厚(hou)度约(yue)为300μm，经(jing)过激(ji)光(guang)重熔(rong)后(hou)涂层(ceng)使质(zhi)量减少(shao)了

43.86％。36ｄ后(hou)表面(mian)可以(yi)形(xing)成十(shi)分稳定(ding)并且具有一(yi)定(ding)厚度的(de)钝(dun)化膜，耐(nai)海水(shui)腐蚀性能大幅(fu)提高。

4.3　搅(jiao)拌(ban)摩(mo)擦(ca)处(chu)理(li)

搅拌摩(mo)擦(ca)处理(li)是一(yi)种固相焊(han)接(jie)技术(shu)，冷(leng)喷(pen)涂(tu)可以作为(wei)搅拌摩擦处(chu)理(li)的(de)预处(chu)理(li)步骤(zhou)，通(tong)过在(zai)基(ji)板上沉积一层(ceng)材(cai)料，可(ke)以改(gai)善(shan)搅拌摩(mo)擦(ca)处(chu)理过(guo)程中的(de)材(cai)料(liao)流动(dong)和接头质量。冷喷(pen)涂(tu)层也可以作为(wei)焊(han)接过(guo)程中(zhong)的(de)中间层(ceng)，提高焊接接头(tou)的(de)强(qiang)度和耐腐蚀性(xing)[45]。刘(liu)志(zhi)浩(hao)等(deng)[46]采(cai)用搅拌(ban)摩擦加(jia)工(gong)对(dui)冷(leng)喷(pen)涂6061铝(lv)合金(jin)涂层(ceng)进行(xing)表面(mian)改(gai)性，改(gai)性(xing)后(hou)的(de)6061铝(lv)合金(jin)涂层颗粒边(bian)界(jie)消失(shi)，缺陷(xian)基本消除(chu)，晶(jing)粒(li)显(xian)著(zhu)细(xi)化，平(ping)均(jun)晶粒(li)尺寸(cun)为3.1μm，极限抗(kang)拉强度(du)和伸(shen)长(zhang)率(lv)分别(bie)上升(sheng)19％和(he)1730％。ＲAlＬＳ等(deng)[47]采(cai)用搅拌(ban)摩擦(ca)处理(li)提(ti)高(gao)冷喷(pen)涂增(zeng)材制(zhi)造的(de)316Ｌ不(bu)锈钢的(de)耐微(wei)动腐蚀性(xing)能，降低孔隙率，提高(gao)了(le)表面(mian)刚度，从(cong)而产生(sheng)几(ji)乎(hu)全(quan)黏的(de)微(wei)动(dong)状(zhuang)态(tai)。

微(wei)动磨损轨(gui)迹内存(cun)在(zai)大量的(de)镍，降低(di)了表(biao)面加速腐(fu)蚀(shi)的(de)倾向(xiang)。搅拌(ban)摩(mo)擦(ca)处理(li)实(shi)现(xian)的原(yuan)子(zi)相变化(hua)也(ye)有(you)助(zhu)于提高(gao)耐微(wei)动(dong)腐(fu)蚀性(xing)能。

5、结语

冷(leng)喷(pen)涂技(ji)术的研(yan)究有助于(yu)推动钛(tai)合金(jin)材(cai)料的(de)加工(gong)和应用技(ji)术(shu)的(de)发(fa)展(zhan)，特别是(shi)在(zai)提高涂(tu)层(ceng)性(xing)能和(he)降(jiang)低加(jia)工成(cheng)本方(fang)面。通(tong)过研究冷(leng)喷(pen)涂与钛合(he)金的结合，可(ke)以(yi)更好(hao)地理解(jie)涂层与(yu)基底(di)之间的(de)结合机(ji)制，为设(she)计更高性(xing)能(neng)的涂(tu)层提(ti)供(gong)理(li)论(lun)基础(chu)。冷(leng)喷涂(tu)技术(shu)的研(yan)究(jiu)还(hai)可(ke)以(yi)促进跨学科(ke)领(ling)域(yu)的合作，如(ru)材(cai)料科(ke)学(xue)、机(ji)械工(gong)程和表(biao)面(mian)工程(cheng)，推(tui)动新(xin)技(ji)术(shu)和(he)新材料(liao)的(de)开(kai)发。钛(tai)合(he)金(jin)与(yu)冷(leng)喷(pen)涂结(jie)合的研究(jiu)不仅具(ju)有重要(yao)的(de)工业(ye)应(ying)用价值(zhi)，而且(qie)对(dui)于推动(dong)相(xiang)关领(ling)域的科技进(jin)步和(he)创(chuang)新(xin)具有(you)深(shen)远(yuan)的意义。随着技(ji)术(shu)的不断(duan)发(fa)展和(he)优(you)化，这种(zhong)结(jie)合(he)将在更(geng)多领(ling)域(yu)展(zhan)现出其巨大(da)的(de)潜(qian)力(li)。冷(leng)喷涂(tu)技(ji)术在钛(tai)合金(jin)表(biao)面(mian)改(gai)性中的应(ying)用(yong)展现出(chu)巨(ju)大(da)潜力(li)。未来(lai)的研究(jiu)将(jiang)继续(xu)探(tan)索冷(leng)喷涂(tu)技(ji)

术的(de)新(xin)应用(yong)以(yi)及如(ru)何克服(fu)当(dang)前(qian)的(de)挑(tiao)战(zhan)。冷(leng)喷(pen)涂(tu)过程中的工艺(yi)参(can)数(shu)，如(ru)气(qi)体(ti)压力(li)、温度(du)、喷(pen)涂速(su)度等，对涂(tu)层质量(liang)有显(xian)著(zhu)影(ying)响(xiang)，通过优化(hua)工艺(yi)参数，可(ke)以提升(sheng)钛(tai)合金(jin)的(de)性能，扩(kuo)大钛(tai)合(he)金的应(ying)用领域(yu)和场景(jing)。冷(leng)喷涂(tu)技(ji)术还(hai)需要针(zhen)对(dui)不(bu)同的沉(chen)积(ji)材(cai)料特性进(jin)行(xing)优化，以确保涂(tu)层与钛(tai)合(he)金基材之间的良好结合。对于(yu)某(mou)些特(te)殊材料，如高(gao)温合金、复(fu)合(he)材料等，实现高(gao)质(zhi)量(liang)的(de)冷喷(pen)涂(tu)沉积仍然(ran)是(shi)一个挑(tiao)战(zhan)。

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