外文文獻及翻譯冷氣動力噴涂作為添加劑的潛力制造技術(shù)

1、<p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p><b>　　外文文獻及外文翻譯</b></p><p>　　學(xué) 院 輕工學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè) 印刷工程 </p><p>　　導(dǎo) 師 劉 壯 </p><

2、p>　　學(xué) 生 王文治 </p><p>　　學(xué) 號 201110830021 </p><p>　　2015年4月28日</p><p>　　冷氣動力噴涂作為添加劑的潛力制造技術(shù)</p><p>　　摘要:在本文中，冷噴涂的應(yīng)用（CS）的涂層沉積技術(shù)作為添加劑制造技術(shù)進行了討論。物料熔化的過程中

3、不存在CS沉積許可證來獲得存款的低價值殘余應(yīng)力和保存的相組成源物質(zhì)，它是一個非常重要的優(yōu)點。在這紙，在冷噴涂等領(lǐng)域的最新發(fā)展作為微噴管設(shè)備和新的多材料沉積的方法，允許以顯著擴大冷的潛力噴霧作為添加劑的制造技術(shù)進行了討論。</p><p>　　關(guān)鍵詞：冷噴涂，添加劑制造，自由成型，噴嘴</p><p><b>　　1緒論</b></p><p>

4、　　添加劑制造（AM），也稱為快速制造是基于一層的方法元器件的自由曲面加工的技術(shù)。在這種方法中，一部分是由對應(yīng)于部分的橫截面層的連續(xù)沉積構(gòu)成。調(diào)幅技術(shù)使生產(chǎn)功能性成分在單一步驟中，其中時間和制造成本不依賴的組件的復(fù)雜性并[1,2]?，F(xiàn)今，幾個不同類型的調(diào)幅技術(shù)，如選擇性激光熔化（SLM），選擇性激光燒結(jié)，金屬直接沉積（DMD），和另一些適用于金屬的制造自由曲面為航天，航空，汽車等行業(yè)直接從金屬粉末，而無需使用任何中間粘合劑或任何額外的處

5、理步驟[3,4]。在這些技術(shù)，激光輻射的能量被用于熔化和粉末的再凝固[5]。</p><p>　　以往的研究表明，冷氣動力噴涂沉積技術(shù)或者干脆冷噴CS可以適于執(zhí)行三維物體制造的[6,7]。在這個過程中，沉積材料的顆粒通過由超音速噴嘴輸送超音速氣流加速到高的速度。如果顆粒速度超過一定的臨界值時，顆粒 - 基板碰撞的能量導(dǎo)致粒子的密集的塑性變形，并且在某些情況下，基片的表面上。這個過程將薄膜在基板和顆粒表面的氧化物形

6、成的和之間建立“干凈”的化學(xué)活性基片和顆粒，導(dǎo)致建立強粘接材料的緊密接觸。這種技術(shù)的優(yōu)點在于，熱量傳遞到粉末或往基板相對較小。因此，保留的微結(jié)構(gòu)，以及作為原料粉末的機械和化學(xué)性能的便于[8-11]。的CS進程允許此優(yōu)點將它用于沉積溫度敏感材料，如納米晶和非晶材料[12-14]以及氧敏感的材料，如鋁，銅和鈦[7，15-21]當(dāng)前紙張的.目標(biāo)是分析的優(yōu)點和缺點CS作為自由曲面加工的方法考慮到冷噴涂領(lǐng)域取得的最新進展。</p>

7、<p><b>　　2冷噴原則</b></p><p>　　冷噴涂工藝的原理如圖1所示.高壓力（1-5MP）工作氣體在流量0.5-2千克/分鐘從罐托阿氣體加熱器供給。在氣體加熱器，氣流被加熱到1000℃（取決于噴涂材料的類型，但總是低于其熔點）并饋送到超音速噴嘴的預(yù)燃室。載氣，從高壓罐也被饋送，傳送從一個或幾個粉末供料器到噴嘴部噴射的粉末和注入的粒子其亞音速或超音速噴嘴的區(qū)域。通常

8、，在注入粉末的同軸執(zhí)行;然而，徑向注入還可以應(yīng)用于[22-24]。幾種粉末供料器的應(yīng)用允許對在殼體的多組分涂層的沉積進行獨立噴射不同的材料。高速氣體/粉末噴射離開噴嘴并撞擊與基板。通過超聲噴射與基板的相互作用產(chǎn)生的噪聲的水平可達到90分貝所以噴藥應(yīng)進行無害保護展位。</p><p>　　圖1示意冷噴安裝有兩個送粉器和兩個氣源</p><p>　　在冷噴涂中，氣體預(yù)熱在兩個主要應(yīng)用原因。首先

9、，氣體溫度的升高會導(dǎo)致氣體流速的增加和因此增加的在粒子流速度。其次，由于在傳熱熱氣體和微粒之間，顆粒溫度增加，通過依次增加其可塑性和將改善撞擊過程中顆粒變形。該公式阿薩迪臨界速度的影響，顯示之間的關(guān)系速度和沖擊溫度應(yīng)的粒子實現(xiàn)為了粘附到基板[10]。在一些情況下，給增加顆粒溫度的影響，特粉預(yù)熱器被應(yīng)用[25，26]。</p><p>　　典型的顆粒沖擊速度和溫度冷噴涂打下之間的1500和400米/秒，并273-1

10、,100 K，分別，這取決于噴嘴的設(shè)計，氣體滯溫度，氣體滯止壓力，顆粒的密度，并且工作氣體[8,11]的類型。噴嘴/基底位移通常是通過機械手和旋轉(zhuǎn)臺，允許控制使沉積在復(fù)雜形狀的基材。</p><p>　　選擇工作氣體的強烈影響所獲得沉積物的性質(zhì)。通常情況下，三種類型的氣體是空氣，氮氣和氦氣：如在CS工作氣體施加?？諝庾鳛楣ぷ鳉怏w允許以降低應(yīng)用運營成本，但顯著提高了存款氧化物含量與原料的比較。聲音在空氣中的速度是比

11、較低的331米/秒在T = 273 K。因此，為了提高顆粒沖擊速度，加熱到相對高的溫度是必要的。氮氣具有聲音的幾乎相同的速度的空氣（334米/s的在T = 273 K），并且也要求預(yù)熱。然而，粉末的氧化在此情況下最小，主要是因為從大氣到自由射流空氣混合。在這種情況下，操作成本比空氣高，但仍是合理的。氦氣作為應(yīng)用工作氣體允許獲得具有優(yōu)良質(zhì)量的存款在低溫氣體預(yù)熱由于氦的化學(xué)中性和高聲速（在T = 273K下~965米/秒）。運營成本在幾次相

12、比增加用空氣或氮氣。但是，安裝氦氣回收系統(tǒng)可以有助于使氦更具競爭力[7]。</p><p><b>　　3噴涂路徑的特性</b></p><p><b>　　3.1分辨率</b></p><p>　　在AM技術(shù)中一個非常重要的特征是其空間分辨率精確定義的組件制造業(yè)。例如，在SLM技術(shù)，空間分辨率是由激光束的尺寸限定和粉末的

13、粒度[5]。冷噴涂的空間分辨率主要由噴嘴出口的尺寸和形狀限定。通常，在冷噴涂中，不同的軸對稱噴管的應(yīng)用[27，28]。超音速軸對稱噴嘴的方案如圖2所示。</p><p>　　要注意的是所有的噴嘴尺寸是很重要彼此相關(guān)的，不能在被簡單地改變隨機的方式。首先，噴嘴之間的比率喉部和噴嘴出口限定在噴嘴馬赫數(shù)M和因此在噴嘴出口的氣體速度是在按照下列等熵關(guān)系[29]：</p><p>　　這里，M是在噴

14、嘴出口馬赫數(shù)，k是氣體特定熱，dexit和dcr是噴嘴出口和噴嘴臨界區(qū)直徑相應(yīng)。同樣的關(guān)系定義氣流在的任何橫截面馬赫數(shù)噴嘴通過噴嘴直徑的值替換dexit的點噴嘴。其次，的長度噴嘴的超音速元件L SUP應(yīng)足以期間提供必要的“加速通道”，為顆粒其在氣流運動。第三，超音速部分和噴嘴出口直徑的長度之間的關(guān)系LSUP / dexit不宜過高。在高噴嘴相對長度，邊界層的影響生長在在噴嘴壁的平均氣體速度增大起來與LSUP值，可能最后導(dǎo)致氣體增加流動減

15、速，甚至從超音速過渡流型的亞音速酮[30，31]。最后，該亞音速區(qū)域的長度強烈影響的出口標(biāo)準(zhǔn)桿視察溫度。已知的是，之間的熱交換顆粒和氣體最密集的區(qū)域亞音速噴嘴[11]。因此，在亞音速段的長度應(yīng)，以提供最佳的適當(dāng)選擇如果在被執(zhí)行注射噴涂粉末加熱噴嘴的亞音速區(qū)域。</p><p>　　便捷的冷噴涂噴嘴的軸對稱典型的出口打下的直徑范圍在4-10毫米的喉徑1.5-3毫米，長度為100-200毫米[8，11，23，27]。

16、離開噴嘴出口后分散超音速噴氣機的低（<0.1dexit ）如噴涂距離位于范圍1-8 dexit，因此噴射點的直徑，寬度的單個噴灑軌道實際上是相同的噴嘴出口直徑[8]。噴涂點的邊框窄也因超音速雙相的低色散氣體粒子流，并且因此可能的最小單磁道寬度是等于噴嘴出口直徑和等于4-10 mm便利冷噴涂系統(tǒng)。</p><p>　　圖.2示意圖軸對稱冷噴超音速噴嘴</p><p>　　由作者在該領(lǐng)域

17、進行的研究，最后冷噴涂的發(fā)展的噴嘴表明空間冷噴涂噴嘴的分辨率冷通過應(yīng)用所謂的微噴嘴為1毫米或更小的出口直徑來顯著改善。研究打樣和可行性這種做法給了可喜的成果[32，33]。這是表明，同時減小所述噴嘴的長度和噴嘴直徑允許創(chuàng)建一個小的嘴能夠產(chǎn)生窄的噴霧斑點，直徑較小小于1毫米。圖.3照片微噴管和噴嘴單元的微冷噴涂系統(tǒng)安裝微噴管是呈現(xiàn)。圖4的a，b展示了單個的照片現(xiàn)貨（鋁）沉積微噴管其橫截面。人們可以從圖中看出的直徑現(xiàn)貨不超過1毫米。該涂層的

18、橫截面表明，該礦床包括強烈變形鋁粒子;然而，它的孔隙率，由于較小的升高與方便冷噴涂沉積的比較加速路徑。這種方法的原理的限制是有必要應(yīng)用的小粒度粉末，因為噴嘴的長度是不夠的大顆粒的加速度。</p><p>　　圖.3照片冷噴涂微噴嘴（a）和冷噴涂噴嘴團結(jié)安裝微噴管（b）</p><p>　　同樣重要的是要注意，其它的噴嘴形狀也可以適用于冷噴涂沉積。在特別是，矩形噴嘴施加相對較大的[31]的沉

19、積。有特殊的噴嘴輪廓和氣體流回旋也可以用于特殊形狀像的實例，涂層磁道沉積扇形狀或星形形狀[34]。這樣的噴嘴設(shè)計方法也能找到在寒冷的具體應(yīng)用噴灑添加劑制造的存款制造有特殊的形狀。</p><p>　　人們可以得出結(jié)論冷噴涂作為該空間分辨率以及因此的單個噴射點的形狀和軌道可以通過特殊的噴嘴與幾何適于給定的要求。但是，冷噴涂噴嘴的適應(yīng)是一個非常復(fù)雜的任務(wù)，涉及超音速氣體/粉末流動的具體應(yīng)用來控制。</p>

20、<p><b>　　3.2 噴道簡介</b></p><p>　　冷噴涂沉積的厚度可以從?10微米變化至幾百毫米。之間的速率噴涂材料V和軌道長度的F量可以通過控制噴嘴橫動速度和粉末進料速率被改變。</p><p><b>　　K=F/V</b></p><p>　　冷噴涂的特定特征是存款的形狀;如果K值低則薄

21、，扁平磁跡獲得。如果K值高時，變得圓潤并最終發(fā)展急劇三角形輪廓[7]。重要的是，無法避免由噴嘴移動速度或粉末飼料變異厚軌道的這種形狀率。換句話說，幾個“快速”敷連續(xù)軌道將導(dǎo)致該三角形的形成，以及，為一個“慢”的軌道。派特森等[7].說明這種特點通過以下因素的影響：首先，在噴射的顆粒分布是準(zhǔn)高斯[35]。其次，沉積效率與來自距離減小射流的中心由于通過噴嘴出口處的粒子速度分布和沖擊的增大角度[7，35，36]。當(dāng)這些因素結(jié)合在一起，更大程度

22、沉積在射流的中心，最終導(dǎo)致觀察跟蹤輪廓成為三角形。在這種情況下，垂直壁由磁道連續(xù)沉積建筑物似乎是不可能的。然而，在相同的工作，作者提出原來的解決方案允許建造垂直的墻壁。在特別是，他們建議將4/5軸系統(tǒng)。該利用這一類型的系統(tǒng)的是，通過傾斜噴嘴，使得其噴射正常的先前的傾斜表面軌道，該材料可在正確的方向被沉積以生成一個垂直表面[7]。這種方法具有上面討論微噴嘴的組合似乎是一個前途的解決方案，用于創(chuàng)建復(fù)雜的形狀的物體，包括具有高空間分辨率的垂直

23、壁。</p><p>　　窄豎直軌道的沉積的另一種方法墻壁是冷噴涂沉積與傳統(tǒng)銑削技術(shù)的結(jié)合。在這種情況下，所沉積的是由銑刀，允許以大型機加工覃期望精度和存款的形狀。一個例子冷噴涂設(shè)備銑一個成功的“耦合”的機可以找到[7]。</p><p>　　圖.4冷噴涂使用微噴管噴涂鋁粉（粒度=35+5微米）：</p><p>　　a-概述，b-截面。噴涂參數(shù)：p0=20bar，

24、T~300k</p><p><b>　　4噴涂材料</b></p><p><b>　　4.1 多層涂層</b></p><p>　　冷噴涂能夠沉積多種金屬和像鋁[17]，鋅[37]，銅[19]，鈦合金[21]，鎳及其合金[38-40]，鋼[41，42]，鉭[43]，鎂[44]，銀[45]，以及在某些情況下的金屬陶瓷粉末

25、[25，26]。然而，這一原則的限制技術(shù)是難以或不可能噴涂材料低可塑性等，例如純陶瓷[11]。</p><p>　　冷噴涂的優(yōu)點是噴涂一個的可能性廣泛的不同類型的襯底材料。為例如，在SLM技術(shù)，打造多層對象使用的材料具有不同的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)是一個重要的技術(shù)問題[5]。另一個典型的問題涉及材料熔化AM技術(shù)正在創(chuàng)造脆性金屬間化合物不同材料的層之間的邊界上的相這削弱捏造的部分機械性能。</p><

26、;p>　　在冷噴涂沉積從物質(zhì)發(fā)生在固態(tài)，因此材料的不相容的問題并不像重要的，因為對于其他調(diào)幅技術(shù)。幾乎所有可用冷噴涂粉末可以沉積為連續(xù)的層在任何期望的組合和厚度。沉積由冷噴涂多層膜的一個例子可以在找到文獻[46，47]。圖.5 a，b，多層的Ti-Cu系圓柱形物體和其切割片段的由冷制的一例噴霧呈現(xiàn)。鈦層和銅層之間的界面均勻，沒有任何地方分隊。</p><p>　　圖.5多層鈦-銅（a）其切割片段（b）以方便

27、冷噴涂系統(tǒng)制造。</p><p>　　部分表面是通過加工冷噴涂沉積后翻</p><p>　　4.2多材料和梯度涂層</p><p>　　冷噴涂可應(yīng)用于用于創(chuàng)建所謂的“多材料”或“混合飼料粉”存放。這是從文獻中，這些沉積物可以具有公知的在比較高的功能特點單組分的。例如，涂層的Co-Cr+316L不銹鋼具有較高的機械性能更好的耐腐蝕性能比純316L不銹鋼存款[48]。&

28、lt;/p><p>　　目前，多材料涂層通常使用噴預(yù)先制備粉末混合物[45，49-51]。以這種方式得到的涂層的實例示于圖6a，b。雖然這種方法是簡單的，它有幾個缺點。第一個主要的缺點是不可能改變期間在粉末混合物中的成分比噴涂工藝。這使得不可能進行噴霧涂料帶通厚組成梯度。第二個缺點是不可能以提供最佳的噴涂參數(shù)對于每個噴霧組件，如果混合物由兩個或更苛刻的材料不同顯著噴涂工藝參數(shù)進行有效的沉積。然而，另一種方法混合粉末涂

29、料原料由冷噴涂存在。在這種情況下，噴霧混合物的各成分被注入噴嘴[52]的正確點。注射點的位置強烈影響上粉口參數(shù)，所以對于不同的組件在噴霧混合物中，注射的最佳位置的噴嘴可以發(fā)現(xiàn)，許可證，以提供最佳的顆粒沖擊參數(shù)為每個混合分量，但在相同的氣體流量參數(shù)。每個混合分量的饋送從單獨的送粉器進行。作為組件混合發(fā)生在氣體動態(tài)信道，在該涂層中的組分比可通過改變粉末被設(shè)置飼料參數(shù)。組分梯度存款的組件之一的變化的厚度方向的濃度可以用良好控制的送粉器來獲得。

30、一個例如，這樣的涂層的，提出了圖.7顯然，這樣有獨立的送粉方法可以適用于對于3D的制作冷噴添加劑制造與分級結(jié)構(gòu)對象。</p><p>　　圖.6微結(jié)構(gòu)多材料冷噴涂存款從噴涂所得先前準(zhǔn)備的混合物：</p><p>　　a-鈦鎳,b-不銹鋼316 L +鋁</p><p>　　圖.7分級鈦鋁冷噴存放的金屬制品業(yè)應(yīng)用多噴射的途徑</p><p>　

31、　我們發(fā)現(xiàn)，非塑粉之前提到的（陶瓷，氧化物等）在其純態(tài)產(chǎn)生沒有涂層但侵蝕的表面上。然而，正與金屬相混合，所述陶瓷粉末可成功地沉積。在這種情況下，金屬涂層與陶瓷夾雜可以形成（圖8）。這樣復(fù)合材料具有特定屬性從純那些不同金屬[53-56]。</p><p>　　圖.8 MMC冷噴涂沉積鎳鐵合金625和SiC</p><p><b>　　5.沉淀物的性質(zhì)</b></p

32、><p><b>　　5.1多孔性</b></p><p>　　冷噴涂沉積的孔隙率從不到一至變化幾十取決于噴涂條件百分?jǐn)?shù)和噴涂粉末[8,19,21]。例如，鈦型和及其合金可沉積具有非常低的孔隙率的涂層，如果氦氣作為工作氣體應(yīng)用。氮氣作為應(yīng)用工作氣體導(dǎo)致顯著孔隙率增加。圖.9中，6毫米厚的鈦沉積梯度孔隙率呈現(xiàn)。使用第一低多孔層被噴灑氦作為工作氣體（4MPa的，600℃）。第

33、二介質(zhì)多孔層（?10％）被淀積在第一個使用氮氣作為工作氣體（4兆帕，800℃）。第三層具有最高的孔隙率（?20％）通過噴射獲得鈦在較低的氮溫度（600℃）。可以得出結(jié)論，在一些情況下，冷噴涂許可證來制造存款受控和分級的多孔性，可以找到一個應(yīng)用，例如，在種植體制造工業(yè)。</p><p>　　圖.9鈦鱈魚噴霧存款與分級的多孔性SEM</p><p><b>　　5.2可加工性<

34、/b></p><p>　　顯然，存款機加工性是一個很重要的財產(chǎn)應(yīng)用冷噴涂為AM的條款。已知的是，冷噴涂沉積的機械性能從毛坯材料的性質(zhì)不同。特別是，冷噴涂沉積的可塑性比顯著低對于散裝材料，而拉伸強度可能更高的[57]。我們可以認為，增加材料脆性可以為難存款加工。然而，該文獻中提出的結(jié)果表明，隨著噴涂冷噴霧沉積具有令人滿意的可加工并且可能是通過轉(zhuǎn)動或研磨處理。例如，在[58]中，作者鋁冷噴涂成功地進行加工使用

35、相同的操作參數(shù)作為散裝涂覆材料。圖.10照片雙金屬的碎片通過冷噴涂制備的Ti6Al4V-Al和Ti-Cu系板和噴涂都經(jīng)過加工。</p><p>　　圖.10片段的雙金屬的Ti6Al4V-Al和Ti-Cu系板的制造采用冷噴和后噴加工通過研磨。</p><p>　　銑參數(shù)：切割0.4毫米軸向深度，切2.5毫米徑向深度，主軸轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)，每齒進給0.0833毫米/齒</p><

36、;p>　　在的情況下應(yīng)用的加工中的兩個不同的策略冷噴涂AM可以考慮。第一個是在近凈冷噴涂制成形狀對象的最終加工。在這種情況下，處理可以在兩個階段中被劃分為如下：該對象的使用冷噴涂和最終的制造為了達到所需的尺寸和公差和加工過程中的應(yīng)用處理通過機械加工在冷噴涂沉積。在這種情況下，加工工具集成在噴霧系統(tǒng)中，以提供精加工每一層后直接的沉積。</p><p><b>　　5.3應(yīng)力</b><

37、;/p><p>　　不管沒有高耐熱沖擊和材料的熔化，應(yīng)力在冷噴涂涂層的值不可以忽略不計。它是從文獻中已知，冷噴涂薩雷涂層在壓縮應(yīng)力[59-62]。在[59]中，作者建議的主要貢獻（85％）的應(yīng)力水平是高的速度上的固體顆粒的沖擊的基板。類似的結(jié)論是在[60]，其中，研究了A1涂層應(yīng)力分布。作者說，該殘余應(yīng)力剖面由主導(dǎo)噴丸處理。熱失配的貢獻不顯著。應(yīng)力分布在這些特殊性在設(shè)計過程中的CS存款應(yīng)考慮自由曲面加工的策略。<

38、;/p><p>　　5.4與AM技術(shù)的兼容性</p><p>　　冷噴涂工藝的重要屬性是其與涉及其他添加劑制造技術(shù)的兼容性金屬作為源材料。我們可以認為，復(fù)雜多功能的3D物體可以通過連續(xù)的制造應(yīng)用程序的幾種AM技術(shù)。例如在</p><p>　　圖.11壁注塑模具原型的橫截面塑料件的制造呈現(xiàn)。模具是制作三個步驟。首先,在750微米厚的鎳外殼中所需的形狀是由電鍍技術(shù)構(gòu)建[63

39、]。在此之后，為了改善從鎳傳熱壁的模具，所述Cu-SiC和純銅層沉積的Cu-SiC的中介層沉積在順序改善純銅和純鎳之間的粘合。</p><p>　　圖11結(jié)合電鍍制備實驗?zāi)＞呃鋰娡考夹g(shù)</p><p>　　冷噴涂自由曲面加工用雜交選擇性激光熔化技術(shù)也看起來很有希望的制造多材料部分。例如，它是公知的銅及其合金以及純鈦可以是在SLM僅適用于具有一定的局限性?？梢韵胍娀旌蟿恿夹g(shù)的應(yīng)用，其中的一

40、部分目的是通過SLM制成，而另一部分可通過冷噴涂具有或不具有精加工來制造。</p><p><b>　　6結(jié)論</b></p><p>　　冷噴涂沉積工藝有顯著潛力執(zhí)行非熱自由曲面加工，并且可以假定為視角的添加劑制造技術(shù)。在與其他添加劑制造方法相比，冷噴霧既不涉及高溫加工為例如SLM和DMD也不不友好生態(tài)化工電鍍。</p><p>　　在冷噴涂

41、領(lǐng)域的新發(fā)展，如空間分辨率由應(yīng)用微噴嘴增加以及噴涂戰(zhàn)略許可證來闡述合理精密自由曲面的三維物體的優(yōu)化。偉大的利用冷噴涂是其制造能力，多材質(zhì)，間和功能梯度組件是由作者以及由其他研究小組證明。然而，進一步的工作是需要開發(fā)的過程和</p><p>　　解決具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)問題，如穩(wěn)定粉末喂養(yǎng)和噴涂策略優(yōu)化。</p><p><b>　　參考文獻</b></p>

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