Pulverizarea la rece (CS = Cold spray) este un proces în care particulele de pulbere sunt accelerate de jetul de gaz supersonic la o temperatură care este întotdeauna mai mică decât punctul de topire al materialului, ducând la formarea acoperirii din particule în stare solidă (Singh et al. 2012). Pulverizarea la rece este, de asemenea, cunoscută în mod tradițional sub diferite denumiri, cum ar fi pulverizarea dinamică a gazului rece, pulverizarea cinetică, consolidarea particulelor de mare viteză (HVPC), depunerea de pulbere de mare viteză și depunerea supersonică de particule/pulbere (SPD) (Karthikeyan 2004). În depunerea prin pulverizare la rece, un jet de gaz de mare viteză (300–1.200 m/s) este dezvoltat folosind o duză convergentă/divergentă pentru a accelera particulele de pulbere și a le pulveriza pe un substrat. Gazul purtător utilizat la pulverizare poate fi aer comprimat, heliu sau azot, amestec de He și N2 și aer uscat (79 % N2, 21 % O2). De obicei, gazele purtătoare au proprietăți aerodinamice bune. În timpul procesului, gazul accelerează particulele la o presiune de 1-3 MPa. Dimensiunea particulelor pulberii precursoare variază între 2 și 150 mm. Distanța dintre substrat și duză este de aproximativ 25 mm. Particulele sunt încălzite cu pistolul HVOF și intră în duza de pulverizare pentru a crește viteza și ductilitatea, ceea ce permite o acumulare ușoară a stratului de acoperire. Pe măsură ce particulele impactează suprafața, ele se leagă plastic și se depun pe substraturi. Particulele acoperite sunt deformate plastic la impact datorită energiei cinetice mari a particulelor și formează stropi. Deoarece acoperirea este efectuată la temperatură scăzută, energia cinetică a particulelor este responsabilă pentru legarea acoperirii cu substratul. Avantajele pulverizării la rece față de depunerea prin pulverizare termică convențională includ minimizarea oxidării la temperatură înaltă, reținerea chimiei și a microstructurii acoperirii, pierderea minimă a materialelor de acoperire din cauza topirii și evaporării, reducerea tensiunii reziduale în acoperire, distorsiunea minimă a substratului, dezvoltarea structurii prelucrate la rece de înaltă densitate, duritate ridicată și o siguranță sporită a funcționării datorită absenței jetului de gaz la temperatură înaltă, radiațiilor și gazelor explozive. Procesul poate fi aplicat pentru acoperirea materialelor cu microstructură metastabilă, inclusiv acoperiri amorfe și nanostructurate.

Amprenta fasciculului de pulverizare la rece este foarte îngustă, de obicei, în jur de 5 mm diametru, datorită dimensiunii mici a duzei (10–15 mm2) și distanței de pulverizare (5–25 mm), producând un fascicul de particule de înaltă densitate, ceea ce are ca rezultat o precizie a controlului asupra zonei de depunere pe suprafața substratului. Acest proces este similar cu o micro-ecruisare și, prin urmare, acoperirile sunt produse cu tensiuni de compresiune, mai degrabă decât tensiuni de tracțiune, ceea ce are ca rezultat acoperiri dense și ultra groase (5-50 mm) fără defect de aderență. Formarea la temperatură scăzută a acoperirii duce la oxizi și alte acoperiri fără incluziuni, cu microstructură asemănătoare forjată (Choudhuri et al. 2008).

Figura 20 prezintă schematic un proces de depunere prin pulverizare la rece (Tinashe Sanyangare 2010). Componentele principale ale sistemului CS includ (a) alimentatorul de pulbere (pulberile utilizate sunt în gama 1–50 μm în diametru); (b) sursa unui gaz comprimat; (c) încălzitor de gaz pentru a preîncălzi gazul, pentru a compensa răcirea datorată expansiunii rapide în duză; (d) duză supersonică; (e) cameră de pulverizare cu sistem de mișcare; și (f) sistem de monitorizare și control al parametrilor de pulverizare.

Dr. Antolli Papyrin și colegii de la Academia Rusă de Științe au fost primii care au demonstrat procesul de pulverizare la rece la mijlocul anilor 1980. Procesul de pulverizare la rece folosește energia stocată în gazul comprimat de înaltă presiune pentru a propulsa particulele fine de pulbere la viteze foarte mari (500–1.500 m/s). Gazul comprimat (de obicei heliu) este alimentat printr-o unitate de încălzire către pistol, unde gazul iese printr-o duză special concepută la o viteză foarte mare. Gazul comprimat este, de asemenea, alimentat printr-un alimentator de pulbere de înaltă presiune pentru a introduce materialul sub formă de pulbere în jetul de gaz de mare viteză. Particulele de pulbere sunt accelerate și încălzite moderat la o anumită viteză și temperatură unde, la impactul cu un substrat, se deformează și se leagă pentru a forma o acoperire. Parametrii care influențează calitatea acoperirii includ dimensiunea, densitatea, temperatura și viteza particulelor.

Tehnica de pulverizare la rece are un domeniu larg de aplicare în dezvoltarea de acoperire de înaltă performanță pentru aplicare structurală. Exemplele tipice de acoperire includ următoarele.

Dezvoltarea acoperirii pentru rezistență la uzură, coroziune și oxidare la temperatură înaltă

Pulverizarea la rece a fost aplicată cu succes pentru a îmbunătăți rezistența la eroziune și la coroziune a componentelor din arborele elicei navei maritime, pentru dezvoltarea unui strat antigrippant în șuruburile de la tubulatura sondei de petrol și pentru creșterea rezistenței la eroziune și la coroziune la temperatură înaltă a componentelor din centralele electrice, rezistența la uzură și rezistența la uzură prin cavitație a palelor turbinei și a carcasei pompei de apă, a aripioarelor rotorului, a secțiunii de etanșare a rotorului și a inelelor de uzură (Singh et al. 2012). Materialele utilizate pentru aplicarea rezistenței la uzură includ acoperiri cu carbură de tungsten, oxid de crom și Ni-Cr (Singh et al. 2012). Este, de asemenea, o cale eficientă pentru dezvoltarea acoperirilor antifricțiune, cum ar fi aliajele Sn, Pb-Sn și Al-Sn, pentru a fi utilizate ca materiale pentru rulmenți în industria de automobile și construcții navale. Acoperirile de Al-5Sn și Al-10Sn cu porozitate scăzută și aderență bună au fost dezvoltate cu succes prin pulverizare la rece la presiune înaltă cu azot și, respectiv, prin pulverizare la rece la presiune joasă folosind heliu ca gaz purtător (Singh et al. 2012). Pulverizarea la rece este, de asemenea, o tehnică utilă pentru dezvoltarea acoperirilor cu CuCrAl și NiCrAlY cu rezistență la oxidare la temperatură înaltă și proprietăți de fluaj și oboseală la temperatură ridicate pentru aplicațiile de căptușeală de motor rachetă (Singh et al. 2012).

Reparații si Recondiționare

Reparația și recondiționarea sunt la fel de importante în reducerea costului pierderii de materiale din cauza uzurii în industriile medicală, aerospațială, electronică, auto și petrochimică. Pulverizarea la rece este o tehnică versatilă care este utilizată pentru îndepărtarea defectelor create la suprafața rolelor în timpul producției de hârtie și folie de polietilenă, repararea defectelor de turnare și a defectelor de prelucrare, repararea și recuperarea pieselor și stocurilor de plăci utilizate în structurile aeronavelor, repararea/recondiționarea carcaselor turbinelor cu gaz, restaurarea formei și eliminarea defectelor la atelierele mici de automobile, cum ar fi repararea platformelor vehiculelor (Singh et al. 2012).

Acoperire pentru aplicare funcțională

Pulverizarea la rece poate fi utilizată și pentru fabricarea de modele conductoare complexe în celulele solare, pentru a îmbunătăți performanța suprafeței componentelor realizate din compozite avansate de polimer-matrice în generarea de energie eoliană.

Dezvoltare de acoperire pentru aplicare bio-implant

Tehnica de pulverizare la rece a fost demonstrată cu succes în dezvoltarea acoperirii cu hidroxiapatită (HAP) (Ca10(PO4)6(OH)2) pentru a fi utilizată în implanturile dentare și ortopedice. Deși poate fi aplicată prin tehnica de pulverizare cu plasmă, s-a observat o disociere a structurii care poate fi eliminată atunci când se utilizează acoperirea cu pulverizare la rece (Singh et al. 2012).

Fabricarea în formă liberă a componentelor

Depunerea prin pulverizare la rece poate fi utilizată pentru fabricarea componentelor cu microstructură metastabilă/nouă, cu proprietăți îmbunătățite și componente fără sudură. Este, de asemenea, utilizată pentru pulverizarea aliajelor de cupru pe suprafețe „touch” care sunt frecvent în contact uman, cum ar fi mânerele ușilor, întrerupătoarele de lumină, robinetele, șinele de pat, zonele de preparare a alimentelor și alte hardware (Singh et al. 2012).