冷气动力喷涂制造技术——谭锟
报告人简介：
谭锟，上海电机学院 航空学院 讲师，博士；近年来共发表论文24篇；专利3项。主要研究方向：冷气动力喷涂技术（冷喷涂设备开发；耐磨、耐腐蚀和耐热涂层等功能涂层）及低温增材制造；中小型无人机设计制造研发。
报告内容：
冷喷涂（Cold Spray），又称冷气动力喷涂（Cold Gas Dynamic Spraying），是一种新兴的固态材料沉积技术，主要用于在基体表面制备涂层或进行增材制造（3D打印）。其核心特征在于整个过程材料保持固态，不发生熔化，这使其区别于传统的热喷涂技术（如火焰喷涂、等离子喷涂）。
基本原理：
气体加速：将高压（通常为数兆帕至数十兆帕）的惰性气体（如氮气、氦气）或压缩空气通过拉瓦尔喷嘴（Laval nozzle）加速至超音速（可达300-1200 m/s甚至更高）。
粉末注入：将微细的金属或合金粉末（粒径通常在5-50微米）注入高速气流中。
高速撞击：高速粒子流喷射向基体表面。当粒子的速度超过与材料和温度相关的临界速度时，粒子在撞击瞬间发生剧烈的塑性变形，产生类似于“绝热剪切失稳”的效应。
固态沉积：这种高速塑性变形破坏了粒子表面的氧化膜，使暴露出的新鲜、洁净的金属材料在巨大的压力和局部温升（远低于材料熔点）下，与基体或先前沉积的粒子发生强烈的机械咬合和冶金结合（主要是原子扩散），从而实现固态沉积。
核心特点与优势：
低温特性：工作气体温度通常低于800℃C（远低于材料熔点），基体受热影响极小。这使得该技术特别适用于处理热敏感材料（如铝合金、镁合金、聚合物基复合材料）、纳米结构材料（避免晶粒长大）和易氧化材料（如铜、钛）。
低氧化：固态沉积过程极大减少了粉末颗粒的氧化，涂层纯度高，氧含量低。
低残余应力：由于无熔化和凝固收缩过程，涂层内残余应力低，结合强度高，可制备厚涂层（毫米级）。
高效沉积：粒子反弹损失小，材料利用率高（可达90%以上）。
涂层致密：高速撞击使粒子变形充分，能形成低孔隙率、高致密度的涂层。
环保性：无高温熔融，产生的有害气体、烟尘和辐射少。
主要应用领域：
修复与再制造：修复磨损、腐蚀或加工超差的精密部件（如航空航天部件、液压杆、模具），尤其适用于无法高温焊接的材料。
功能涂层：制备导电涂层（如铜、铝）、耐磨涂层（如碳化钨/钴）、防腐涂层（如铝、锌、钛合金）、电磁屏蔽涂层等。
增材制造（3D打印）：直接“打印”金属零件或结构，尤其适合制造大尺寸、高致密度、低应力的金属构件。
特殊材料加工：沉积非晶合金、纳米晶体材料复合材料（金属+陶瓷）等。
冷喷涂利用超音速气流加速固态粉末粒子，通过高速撞击产生的塑性变形实现材料在基体上的固态沉积。其低温、高效、低污染的特性，使其在表面工程、再制造和增材制造领域展现出巨大的潜力，尤其适用于传统热加工方法难以处理的材料和精密部件。
粉末颗粒加速特性研究
在报告中从冷喷涂技术参数系统地讨论了加速气体的压力、温度；粉末颗粒的粒径、温度、速度；基材的温度；对粉末颗粒加速特性影响展开了研究。
在对喷管内通道的结构研究过程中，基于传统的线性冷喷涂喷管开展了非线性冷喷涂喷管的研究，非线性冷喷涂喷管可以实现紧凑部位的表面修复工作；同时确定了多种金属粉末材料的沉积速度窗口。
在对冷喷涂粉末颗粒沉积的研究中，基于Abaqus显示动力学通过模拟AI全面地讨论了ALE，SPH和CEL方法模拟冷喷涂颗粒沉积的过程并分析了三种方法的应用特点。
在实际冷喷涂颗粒沉积过程中，颗粒的分布是在既定空间内杂乱无序排布的，为了更加逼近真实的颗粒碰撞和沉积过程，使用Python脚本对多颗粒建模，在欧拉域内按照粒度分布生成并随机分配位置，从而实现模拟冷喷涂沉积的过程。
CS过程可以看作为多种颗粒连续撞击基材的过程。通过建立多颗粒碰撞模型模拟Al6061颗粒/基材的沉积，改变颗粒温度研究涂层的孔隙率。CEL方法具有高的精度和鲁棒性的特点，被选为多颗粒碰撞模型模拟的方法。结果表明，三种温度工况下的涂层平均孔隙率分别为600K：5.08%；650K：4.02%；700K：3.58%。升高颗粒的温度能有效降低涂层的孔隙率；多颗粒在沉积过程中，已完成沉积的涂层内部出现被夯实的现象。
模拟实际冷喷涂多颗粒碰撞过程。建立关于颗粒温度，基材温度和颗粒速度作为自变量和Al6061涂层孔隙率为因变量的多参数函数，采用响应面分析法预测Al6061涂层孔隙率的最佳喷涂参数和涂层孔隙率。数值结果表明：预测模型得到的Al6061涂层孔隙率数值为1.969%；多因素耦合影响下，颗粒速度对Al6061涂层孔隙率影响最大，影响最小的是基材温度。实际值与数值模拟得到的实际值误差仅为2.55%。
同时展示了一些冷气动力喷涂的修复案例：
