科学技术的发展日新月异，而颠覆性技术的出现将带来产业革命。增材制造技术（Additive manufacturing，AM）是一种典型的颠覆性技术，该技术的出现使得过去传统制造方法无法实现的复杂结构制造变为可能。其战略价值已获全球广泛认可，例如美国“先进制造业合作委员会”（Advanced Manufacturing Partnership，AMP）在2011年成立后，于2019年的战略规划中明确将增材制造作为首要发展领域，并特别强调了崭露头角的冷喷涂（Cold spraying，CS）技术。

基于粉末（颗粒）状原料的零件加工方法历史悠久，比如陶瓷器件的制作（主要涉及制粉、制坯、烧结等工艺步骤），本文所讨论的是金属粉末或金属/非金属混合粉末的成形制造。首先介绍3种基于粉末的材料加工技术，以便与冷喷涂技术/冷喷涂增材制造（Cold spray additive manufacturing，CSAM）技术进行对比。

粉末冶金（Powder metallurgy，PM）技术是以金属粉末或金属混合粉末（金属与金属，或金属与非金属的混合物）为原料，经过成形和烧结，制造各种类型金属材料与复合材料制品的工艺技术^{[ [1] 申小平. 粉末冶金制造工程[M]. 北京: 国防工业出版社, 2015.SHEN Xiaoping. Powder metallurgy manufacturing engineering[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2015.
1 ]}。PM技术优点在于材料利用率高、成本效益显著、材料性能优越及对复杂形状零件制造能力强，在高熔点、难加工、硬脆材料成形方面具有突出优势。但也存在一些局限，比如粉末制备和处理的技术要求高（氧化、爆炸等）、产品尺寸和形状的限制（大尺寸构件应力大、开裂）、材料性能的局限（孔隙导致的断裂韧性差）等。

热喷涂（Thermal spraying，TS）技术是利用火焰、电弧、等离子等高温热源将喷涂材料（粉末状、丝状或棒状）加热至熔化或半熔化状态，并在高速气流中雾化，以一定速度喷射沉积到经过预处理的基体表面，形成涂层的方法^{[ [2] 王海军. 热喷涂实用技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006.WANG Haijun. Practical technology of thermal spraying[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2006.
2 ]}。TS技术作为表面工程的关键技术之一，具有工艺灵活、空间适应性强、涂层厚度可控及可喷涂陶瓷等优点，在制备防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘或导电、防微波辐射等涂层方面获得广泛应用。但高温熔化–凝固带来的缺陷（如金属氧化、孔隙、裂纹、大的热应力开裂等）及涂层结合强度低等问题，限制了TS技术在一些关重场合的应用。

喷射成形（Spray forming，SF）技术是用高压惰性气体将金属液流雾化成细小熔滴，在高速气流下飞行并冷却，在尚未完全凝固前沉积成坯件的一种工艺^{[ [3] 张济山, 熊柏青, 崔华. 喷射成形快速凝固技术: 原理与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2008.ZHANG Jishan, XIONG Baiqing, CUI Hua. Spray forming rapid solidification technology[M]. Beijing: Science Press, 2008.
3 ]}。SF技术与传统气雾化造粉过程类似，但粉末凝固前就预先成形。经SF所获得的材料具有晶粒细小、组织均匀、能够抑制宏观偏析等快速凝固技术的各种优点，是一种短流程加工方法，可节约能耗、减少环境污染。但喷射成形体一般组织与性能不过关，尺寸受限，需要后续的热加工（锻、轧、挤或热等静压）才能成为致密产品，主要用来制作坯料。

综上所述，传统粉末冶金受限于烧结致密化机理，难以实现大尺寸高性能致密构件的高效制备；热喷涂技术受制于高温熔化过程，涂层/构件内部缺陷控制与结合强度提升面临挑战；喷射成形虽能获得优良凝固组织，但须依赖后续热加工且尺寸受限。与这些传统制造工艺相比，增材制造技术（也称三维打印）^{[ [4] 史玉升. 增材制造技术[M]. 北京: 清华大学出版社, 2022.SHI Yusheng. Additive manufacturing technology[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2022.
[5] 熊华平, 郭绍庆, 刘伟, 等. 航空金属材料增材制造技术[M]. 北京: 航空工业出版社, 2019.XIONG Huaping, GUO Shaoqing, LIU Wei, et al. Aeronautical metal material additive manufacturing technology[M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2019.
4-5 ]}具有节约原材料、高灵活性和定制化、能够制造复杂度高及镂空结构等优点，在航空航天、医疗器械等领域应用广泛；但也面临诸如打印速度慢、异种（复合）材料界面控制难、应力大与变形开裂、微观冶金缺陷等挑战。

而冷喷涂固态增材制造（Solid-state cold spray additive manufacturing，SSCSAM）以其独特的固态沉积特性（粉末颗粒在远低于材料熔点的温度下，依靠高速动能撞击实现塑性变形与冶金结合）脱颖而出。该技术有望规避高温熔凝相关缺陷，实现低热应力、低氧化、宽材料兼容性的快速近净成形，为高性能金属构件制造提供了新思路。

冷喷涂技术是一种基于气–固两相流体动力学与高速碰撞动力学的金属粉末颗粒累加成形方法，其原理如图1所示^{[ [6] 李长久, 李文亚, 雒晓涛, 等. 先进冷喷涂金属固态沉积技术: 理论与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2023.LI Changjiu, LI Wenya, LUO Xiaotao, et al. Advanced cold spraying metal solid deposition technology: Theory and application[M]. Beijing: Science Press, 2023.
6 ]}。整个冷喷涂过程分为两个阶段：粉末粒子在喷嘴内的加速加热过程（图1（a））及粒子碰撞变形沉积过程（图1（b））。其工作流程，首先将一路高压气体（一般称为工作气体，也称加速气体或主气）通过一个加热器进行预热；然后，将气体送入一个专门设计的喷枪，该喷枪的核心部件为一个特殊设计的收缩–扩张型拉瓦尔（Laval）喷嘴，气体到达喷嘴喉部时被加速至音速，通过喷嘴喉部后产生超音速气体流动，喷出后产生一定的冲击波而减速，直到接触基体表面而向侧面流动。同时，另一路高压气体（称为送粉气体）经过送粉器，将待喷涂粉末带出，通过送粉嘴被送入到拉瓦尔喷嘴上游一定位置，经过高速气流的加速获得高的飞行速度，经由热交换又获得一定温度；然后，喷出喷嘴出口后继续加速，直至撞击到基体上。粒子碰撞到基体上，将发生大的变形，在超过一定的临界速度条件下，产生结合而沉积（图1（b））。后续粒子不停碰撞基体或已沉积粒子的表面，累加形成具有一定厚度的涂层或沉积体（图1（c））。

虽然出现较晚，但冷喷涂技术具备低温固态沉积特性，与基于熔化的粉末成形技术（如传统热喷涂技术）相比，具有以下突出的优点^{[ [6] 李长久, 李文亚, 雒晓涛, 等. 先进冷喷涂金属固态沉积技术: 理论与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2023.LI Changjiu, LI Wenya, LUO Xiaotao, et al. Advanced cold spraying metal solid deposition technology: Theory and application[M]. Beijing: Science Press, 2023.
[7] PAPYRIN A. Cold spray technology[J]. Advanced Materials & Processes, 2001, 159(9): 49-51.
6-7 ]}：涂层组织致密；对基体或粉末基本无热影响；金属粉末无氧化；残余应力小且为压应力，有利于制备厚涂层；结合强度高；沉积效率高；粉末可回收利用；对基体的喷丸效应可以改善基体应力分布，提高基体疲劳性能。与激光增材制造技术相比，在组织致密性、材料适用性、沉积效率及应力控制等方面也具有明显优势，如表1所示^{[ [6] 李长久, 李文亚, 雒晓涛, 等. 先进冷喷涂金属固态沉积技术: 理论与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2023.LI Changjiu, LI Wenya, LUO Xiaotao, et al. Advanced cold spraying metal solid deposition technology: Theory and application[M]. Beijing: Science Press, 2023.
6 ]}。

冷喷涂技术最初用于制备Cu、Al、Fe等纯金属涂层^{[ [8] 李文亚, 李长久. 冷喷涂特性[J]. 中国表面工程, 2002, 15(1): 12–16, 2.LI Wenya, LI Changjiu. Characteristics of cold spray process[J]. China Surface Engineerign, 2002, 15(1): 12–16, 2.
[9] 李长久. 中国冷喷涂研究进展[J]. 中国表面工程, 2009, 22(4): 5–14.LI Changjiu. The state-of-art of research and development on cold spraying in China[J]. China Surface Engineering, 2009, 22(4): 5–14.
8-9 ]}，之后迅速扩展至沉积大部分金属及其合金^{[ [10] 黄春杰, 李文亚, 余敏, 等. 冷喷涂制备颗粒增强钛基复合材料涂层研究[J]. 材料工程, 2013, 41(4): 1–5, 11.HUANG Chunjie, LI Wenya, YU Min, et al. Investigation on particles reinforced titanium matrix composite coating fabricated by cold spraying[J]. Journal of Materials Engineering, 2013, 41(4): 1–5, 11.
[11] ASSADI H, KREYE H, GÄRTNER F, et al. Cold spraying—A materials perspective[J]. Acta Materialia, 2016, 116: 382–407.
10-11 ]}（包括Al、Cu、Mg、Sn、Zn、Ag、Ti、Ni、Fe、Ta、Nb、铝合金、镁合金、铜合金、不锈钢、TC4、IN718及IN625等），以及金属–金属（Al–Zn、W–Cu、Al–Cu、Al–Fe、Al–Ti、Al–Ni等）^{[ [12] LI W Y, CAO C C, YIN S. Solid-state cold spraying of Ti and its alloys: A literature review[J]. Progress in Materials Science, 2020, 110: 100633.
[13] XIE X L, YIN S, RAOELISON R N, et al. Al matrix composites fabricated by solid-state cold spray deposition: A critical review[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2021, 86: 20–55.
12-13 ]}、金属–陶瓷（Al/Ni/Cu–Al₂O₃、Al–SiC、Al–TiN等）、金属–金属间化合物（Al–Mg₁₇Al₁₂、Al–FeSiBNbCu等）、硬质合金（WC–Co、Cr₃C₂–NiCr等）的复合涂层。此外，还用于一些新型材料，如非晶（铁基、锆基等）、高熵合金（FeCoNiCrMn等）^{[ [14] GUO D, KAZASIDIS M, HAWKINS A, et al. Cold spray: Over 30 years of development toward a hot future[J]. Journal of Thermal Spray Technology, 2022, 31(4): 866–907.
[15] LI W Y, ASSADI H, GAERTNER F, et al. A review of advanced composite and nanostructured coatings by solid-state cold spraying process[J]. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 2019, 44(2): 109–156.
14-15 ]}。

从功能应用角度上讲，冷喷涂技术已从各种保护性与功能性涂层制备^{[ [16] 黄春杰, 张正茂, 雒晓涛, 等. 基于替代电镀硬铬的WC增强金属复合涂层疲劳性能的研究现状[J]. 精密成形工程, 2024, 16(7): 205–214.HUANG Chunjie, ZHANG Zhengmao, LUO Xiaotao, et al. Research status of fatigue properties of WC reinforced metal composite coatings based on alternative electroplated hard chrome[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(7): 205–214.
16 ]}，扩展到破损零部件修复^{[ [17] LI W Y, YANG K, YIN S, et al. Solid-state additive manufacturing and repairing by cold spraying: A review[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2018, 34(3): 440–457.
[18] YIN S, CAVALIERE P, ALDWELL B, et al. Cold spray additive manufacturing and repair: Fundamentals and applications[J]. Additive Manufacturing, 2018, 21: 628–650.
17-18 ]}、简单形状零件增材制造^{[ [19] LI W Y, CAO C C, WANG G Q, et al. ‘Cold spray +’ as a new hybrid additive manufacturing technology: A literature review[J]. Science and Technology of Welding and Joining, 2019, 24(5): 420–445.
[20] 崔烺, 刘光, 冯胜强, 等. 冷喷涂增材制造技术研究现状及应用与挑战[J]. 稀有金属材料与工程, 2023, 52(1): 351–373.CUI Lang, LIU Guang, FENG Shengqiang, et al. Research status, application and challenges of cold spray additive manufacturing technology[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2023, 52(1): 351–373.
19-20 ]}、特异材料连接、焊缝应力改善、复合制造等领域^{[ [21] 吴洪键, 李文波, 邓春明, 等. 冷喷涂增材制造关键技术[J]. 中国表面工程, 2020, 33(4): 1–15.WU Hongjian, LI Wenbo, DENG Chunming, et al. Key techniques of cold spray additive manufacturing[J]. China Surface Engineering, 2020, 33(4): 1–15.
[22] 李文亚, 邢词皓. 冷喷涂固态增材制造沉积体形貌控制数值模拟的研究进展与展望[J]. 焊接学报, 2023, 44(10): 1–11, 133.LI Wenya, XING Cihao. Research progress and prospect of numerical simulation of deposit morphology control in solid-state cold spray additive manufacturing[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2023, 44(10): 1–11, 133.
21-22 ]}。随着技术应用的拓展及深入，近年来冷喷涂固态增材制造技术（或者称为冷喷涂增材制造技术）已成为热点名词。

根据Papyrin等^{[ [7] PAPYRIN A. Cold spray technology[J]. Advanced Materials & Processes, 2001, 159(9): 49-51.
7 ， [23] PAPYRIN A, KOSAREV V, KLINKOV S, et al. Cold Spray Technology[M]. Amsterdam: Elsevier, 2007.
23 ]}的早期文献，公认冷喷涂技术是20世纪80年代中期由苏联科学院西伯利亚理论与应用力学研究所（Institute of Theoretical and Applied Mechanics of the Russian Academy of Science in Novosibirsk）发明的。在研究空间微尘对飞行器的碰撞作用过程中，以用示踪粒子进行超音速风洞试验时发现粒子沉积现象，研究者发现当示踪粒子的速度超过临界速度（Critical velocity）时，示踪粒子对靶材表面的作用从冲蚀（Erosion）转变为加速沉积（Deposition）。基于这一现象，冷喷涂概念产生，最初被称为冷气动力喷涂（Cold gas dynamic spray，CGDS）。苏联学者于1986年申请了专利，于1991年公开，Alkhimov^{[ [24] ALKHIMOV A P, KOSAREV V F, NESTEROVICH N I, et al. Method of producing coatings: SU1618778A1[P]. 1991–07–01.
24 ]}为第一发明人。但也有文献指出，冷喷涂概念的提出与1990年Alkhimov等^{[ [25] ALKHIMOV A P, KOSAREV V F, PAPYRIN A N. A method of “cold” gas-dynamic deposition[J]. Soviet Physics Doklady, 1990, 35: 1047.
25 ]}发表的冷喷涂论文（俄语）首次被译成英文出版有关。

但是，Karthikeyan^{[ [26] KARTHIKEYAN J. Evolution of cold spray technology[J]. Advanced Materials & Process, 2006, 164(5): 66–67.
26 ]}在2006年的一篇冷喷涂技术评述中提到，1902年美国Thurston^{[ [27] THURSTON S H. Method of impacting one metal upon another: US0706701[P]. 1902–08–12.
27 ]}提出了一个发明专利——用一种金属碰撞另一种金属的方法，原理如图2所示，其中D为混合室，气管B与粉料斗C在此混合，从A喷出，形成气固两相流G，最后制备涂层H；该专利中，并没有用到目前常用的收缩–扩张型Laval喷嘴，所以室温下气流最高速度约为音速（340 m/s），因此其沉积效率较低。同年，Thurston^{[ [28] THURSTON S H. Process of coating one metal with another metal: US0706702[P]. 1902–08–12.
28 ]}提出另外一个专利，使用预热金属制备涂层，但该方法对沉积效率的提升效果有限。而热喷涂专利最早是1915年瑞士的Schoop^{[ [29] SCHOOP M U. Apparatus for spraying molten metals and other fusible substances: US1133507[P]. 1915–03–30.
29 ]}提出的，原理的提出晚于冷喷涂。因此，Karthikeyan^{[ [26] KARTHIKEYAN J. Evolution of cold spray technology[J]. Advanced Materials & Process, 2006, 164(5): 66–67.
26 ]}在文献中将1900~1990年划为冷喷涂技术的孕育期，1990~2000年划为冷喷涂技术的初期发展阶段，2000年以后为快速发展阶段。

冷喷涂技术的国际推广得益于多方合作与多位学者的贡献。该技术早期发展依托于CRADA（Collaborative Research and Development Agreement）框架，由美国国家制造科学中心（National Center for Manufacturing Sciences，NCMS）牵头，并获得了福特汽车、通用汽车、通用电气航空发动机部门、普惠联合技术部门、ASB公司及美国陆军研究室等机构的支持^{[ [30] Editorial department of JOM. News & update: Consortium experiments with cold-spray manufacturing[J]. JOM, 2001, 53(10): 4–5.
[31] KARTHIKEYAN J. Cold spray technology: International status and USA efforts[EB/OL]. [2025–02–03]. https://www.asbindustries.com/documents/int_status_report.pdf.
30-31 ]}。美苏学者在设备与工艺开发上进行了开创性合作，并于1994年获得美国专利^{[ [32] ALKHIMOV A P, PAPYRIN A N, KOSAREV V F, et al. Gas-dynamic spray method for applying a coating: US5302414A[P]. 1994–04–12.
32 ]}。德国赫尔穆特–施密特大学/汉堡联邦国防军大学（Helmut Schmidt University，HSU）的Kreye教授^{[ [33] KREYE H, STOLTENHOFF T. Cold spraying—A study of process and coating characteristics[C]//Proceedings of International Thermal Spray Conference 2000. Materials Park: ASM International, 2000.
[34] STOLTENHOFF T, KREYE H, RICHTER H J. An analysis of the cold spray process and its coatings[J]. Journal of Thermal Spray Technology, 2002, 11(4): 542–550.
[35] SCHMIDT T, GAERTNER F, KREYE H. New developments in cold spray based on higher gas and particle temperatures[J]. Journal of Thermal Spray Technology, 2006, 15(4): 488–494.
33-35 ]}与林德气体公司（Linde Gas）合作，成功研发并销售了Kinetics系列冷喷涂设备，极大地推动了该技术在欧洲的应用（图3^{[ [11] ASSADI H, KREYE H, GÄRTNER F, et al. Cold spraying—A materials perspective[J]. Acta Materialia, 2016, 116: 382–407.
11 ]}）。在美洲，加拿大CenterLine（Windsor）Limited公司冷喷涂事业部（Supersonic Spray Technologies，SST）的战略科学家Villafuerte^{[ [36] VILLAFUERTE J. Recent trends in cold spray technology: Looking at the future[J]. Surface Engineering, 2010, 26(6): 393–394.
36 ]}发挥了关键作用，其工作显著促进了便携式低压冷喷涂设备及工艺的推广，甚至推动了冷喷涂技术在修复领域的国际化应用。

在国内，西安交通大学李长久教授^{[ [6] 李长久, 李文亚, 雒晓涛, 等. 先进冷喷涂金属固态沉积技术: 理论与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2023.LI Changjiu, LI Wenya, LUO Xiaotao, et al. Advanced cold spraying metal solid deposition technology: Theory and application[M]. Beijing: Science Press, 2023.
6 ， [9] 李长久. 中国冷喷涂研究进展[J]. 中国表面工程, 2009, 22(4): 5–14.LI Changjiu. The state-of-art of research and development on cold spraying in China[J]. China Surface Engineering, 2009, 22(4): 5–14.
9 ]}是冷喷涂技术发展的重要推动者。2000年底，在其领导下，团队自主研发成功国内首套冷喷涂设备。该设备的研发由当时硕士生李文亚（后为西北工业大学教授）具体负责，不仅填补了国内技术空白，也标志着我国在该领域自主创新的重要突破。李长久教授课题组持续深化国际合作：2002年与日本等离子技研（Plasma Giken Co.，Ltd.）合作开发高压冷喷涂技术，2005年起与法国贝尔福蒙贝利亚技术大学开展联合研发，有力推动了高性能设备及工艺的进步。此外，于2017年发起并组织了全国冷喷涂技术研讨会（每两年一届），截至2023年已成功举办四届，持续引领着该技术在国内的进步与应用。2024年12月，李文亚教授团队落地科技成果转化公司——陕西斯赛姆科技有限公司，专注冷喷涂固态增材制造装备及工艺研发。

冷喷涂固态增材制造技术是在现有高能束增材制造技术的基础上，提出的一种新型固态增材制造方法，突破了冷喷涂技术的传统认知，目前在国内外已被作为一种颠覆性新技术进行研发。图4展示了国内外冷喷涂固态增材制造技术的发展阶段，2001~2003年，国际上的研究者意识到冷喷涂可用于制造与修复^{[ [31] KARTHIKEYAN J. Cold spray technology: International status and USA efforts[EB/OL]. [2025–02–03]. https://www.asbindustries.com/documents/int_status_report.pdf.
31 ， [36] VILLAFUERTE J. Recent trends in cold spray technology: Looking at the future[J]. Surface Engineering, 2010, 26(6): 393–394.
[37] MORGAN R H, SUTCLIFFE C J, PATTISON J, et al. Cold gas dynamic manufacturing—A new approach to near-net shape metal component fabrication[J]. MRS Online Proceedings Library, 2003, 758(1): 26.
[38] JACKSON M J, ROBINSON G M, WHITFIELD M D, et al. Micro and nanomanufacturing technologies—The case for using thermal and cold spray techniques[C]//Proceedings of International Thermal Spray Conference & Expo 2006, Materials Park: ASM International, 2006.
36-38 ]}，发展出Cold spraying manufacturing/Cold spraying for manufacturing or repair。2013年起，随着金属增材制造技术的大力发展，学界认为冷喷涂可用于增材制造^{[ [39] SOVA A, GRIGORIEV S, OKUNKOVA A, et al. Potential of cold gas dynamic spray as additive manufacturing technology[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, 69(9): 2269–2278.
[40] VILLAFUERTE J. Considering cold spray for additive manufacturing[J]. AM & P Technical Articles, 2014, 172(5): 50–52.
39-40 ]}，“Cold spray additive manufacturing”一词被提出，美国通用电气公司（General Electric Company）在2013年底发布一则新闻提到正在研发新的3D打印方法“Cold spray”^{[ [41] KRAWCZYK K. In the future, you might fix metal objects by spraying metal on them at speeds of Mach 4[EB/OL]. (2013–11–08) [2025–02–03]. https://www.digitaltrends.com/cool-tech/ge-cold-spray-metal/.
41 ]}，自此国际上开始关注冷喷涂固态增材制造技术。在国内，西安交通大学李长久、西北工业大学李文亚自2003年开始认识到冷喷涂可用于成形，即冷喷涂成形（Cold spray forming）^{[ [6] 李长久, 李文亚, 雒晓涛, 等. 先进冷喷涂金属固态沉积技术: 理论与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2023.LI Changjiu, LI Wenya, LUO Xiaotao, et al. Advanced cold spraying metal solid deposition technology: Theory and application[M]. Beijing: Science Press, 2023.
6 ]}；2013年后，国内学者开始思考冷喷涂用于增材制造，比如中国工程院关桥院士^{[ [42] 关桥. 焊接/连接与增材制造(3D打印)[J]. 焊接, 2014(5): 1–8, 73.GUAN Qiao. Welding/joining technologies and additive manufacturing (3D pinting)[J]. Welding & Joining, 2014(5): 1–8, 73.
42 ]}在一篇关于广义增材制造的论文中提及冷喷涂可用于增材制造；西北工业大学李文亚则首次发文提出冷喷涂固态增材制造^{[ [43] 李文亚, 张冬冬, 黄春杰, 等. 冷喷涂技术在增材制造和修复再制造领域的应用研究现状[J]. 焊接, 2016(4): 2–8, 73.LI Wenya, ZHANG Dongdong, HUANG Chunjie, et al. State of the art of cold spraying additive manufacturing and remanufacturing[J]. Welding & Joining, 2016(4): 2–8, 73.
43 ]}与冷喷涂复合制造^{[ [19] LI W Y, CAO C C, WANG G Q, et al. ‘Cold spray +’ as a new hybrid additive manufacturing technology: A literature review[J]. Science and Technology of Welding and Joining, 2019, 24(5): 420–445.
19 ]}的概念。

如前文所述，冷喷涂固态增材制造技术得益于固态金属粒子的高速碰撞与大变形沉积，与传统热喷涂技术及高能束增材制造技术相比具有一定优势，以下给出3个重要指标的说明。

冷喷涂粒子的沉积行为强烈依赖于粒子的碰撞条件（速度与温度）。当粒子速度大于临界速度后，粒子速度越大越容易沉积，结合质量越好，但不能过高；同样，粒子碰撞前温度越高（前提是低于材料熔点），越有利于粒子变形沉积，也会产生较好的结合质量^{[ [6] 李长久, 李文亚, 雒晓涛, 等. 先进冷喷涂金属固态沉积技术: 理论与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2023.LI Changjiu, LI Wenya, LUO Xiaotao, et al. Advanced cold spraying metal solid deposition technology: Theory and application[M]. Beijing: Science Press, 2023.
6 ， [10] 黄春杰, 李文亚, 余敏, 等. 冷喷涂制备颗粒增强钛基复合材料涂层研究[J]. 材料工程, 2013, 41(4): 1–5, 11.HUANG Chunjie, LI Wenya, YU Min, et al. Investigation on particles reinforced titanium matrix composite coating fabricated by cold spraying[J]. Journal of Materials Engineering, 2013, 41(4): 1–5, 11.
10 ]}。因此，当喷涂材料确定以后，影响粒子沉积效率的关键因素包含送粉参数、喷涂气体参数、喷嘴参数及基体相对位置与移动速度^{[ [13] XIE X L, YIN S, RAOELISON R N, et al. Al matrix composites fabricated by solid-state cold spray deposition: A critical review[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2021, 86: 20–55.
13 ， [18] YIN S, CAVALIERE P, ALDWELL B, et al. Cold spray additive manufacturing and repair: Fundamentals and applications[J]. Additive Manufacturing, 2018, 21: 628–650.
18 ]}，如图5所示。

图6^{[ [19] LI W Y, CAO C C, WANG G Q, et al. ‘Cold spray +’ as a new hybrid additive manufacturing technology: A literature review[J]. Science and Technology of Welding and Joining, 2019, 24(5): 420–445.
19 ]}为试验获得的不同材料在不同氮气预热温度下的沉积效率，可见通过调整喷涂工艺参数（如增加气体温度），大部分材料的沉积效率可达80%以上，甚至90%以上（或接近100%）；强度较低的金属材料的沉积条件更容易达到，强度较高的材料相对较难。此外，增大气体压力也会增加粒子速度，从而提升沉积效率。相较于氮气或压缩空气，以氦气作为工作气体会产生较高的粒子速度，获得较好的沉积质量，但氦气成本极高，需要综合考虑。

冷喷涂沉积体（涂层）的强度是重要性能指标，包括涂层与基体的结合强度（Bonding strength）与沉积体自身强度（Cohesion strength）。与涂层沉积效率相同，沉积体强度也高度依赖于喷涂粒子的碰撞速度与温度条件^{[ [6] 李长久, 李文亚, 雒晓涛, 等. 先进冷喷涂金属固态沉积技术: 理论与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2023.LI Changjiu, LI Wenya, LUO Xiaotao, et al. Advanced cold spraying metal solid deposition technology: Theory and application[M]. Beijing: Science Press, 2023.
6 ]}。一般来说，喷涂粒子的速度越高，结合性越好，强度也越高。同时，随着冷喷涂设备性能的提升，使用更高的气体压力与温度参数，能够获得更高强度的沉积体^{[ [6] 李长久, 李文亚, 雒晓涛, 等. 先进冷喷涂金属固态沉积技术: 理论与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2023.LI Changjiu, LI Wenya, LUO Xiaotao, et al. Advanced cold spraying metal solid deposition technology: Theory and application[M]. Beijing: Science Press, 2023.
6 ]}。图7为在不同基体上冷喷涂Cu涂层时结合强度随粒子碰撞速度的变化^{[ [44] HUANG R Z, MA W H, FUKANUMA H. Development of ultra-strong adhesive strength coatings using cold spray[J]. Surface and Coatings Technology, 2014, 258: 832–841.
44 ]}，可见，冷喷涂Cu涂层的强度可以达到Cu块材的强度。这与普遍认知的冷喷涂涂层与基体的结合强度相对较低相悖，即强度达到100 MPa需要相当高的气体参数，甚至需要使用氦气。

对于不同的材料体系（如Cu及铜合金，Al及铝合金，不锈钢，Ti及钛合金，甚至高温合金），通过工艺改进，均可获得较高强度^{[ [6] 李长久, 李文亚, 雒晓涛, 等. 先进冷喷涂金属固态沉积技术: 理论与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2023.LI Changjiu, LI Wenya, LUO Xiaotao, et al. Advanced cold spraying metal solid deposition technology: Theory and application[M]. Beijing: Science Press, 2023.
6 ]}。对于高强度材料，由于其本身强度较高，获得高强度沉积体的难度相对较大，通常需要更高的粒子碰撞速度和温度条件。表2所示为德国Impact Innovations公司网站报道的几种材料冷喷涂后沉积体的性能指标^{[ [45] Impact-Innovations. Materials for cold spraying[EB/OL]. [2025–02–07]. https://impact-innovations.com/en/materials.
45 ]}，可见，在优化的工艺参数下多种金属材料都可获得优异的沉积体强度；同时，个别材料（如Cu、Al及2024铝合金）表现出一定的塑性。然而，目前大量研究结果表明，大部分材料在喷涂态仍无法获得较好的塑性，基本呈现出脆性断裂^{[ [46] YIN S, FAN N S, HUANG C J, et al. Towards high-strength cold spray additive manufactured metals: Methods, mechanisms, and properties[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2024, 170: 47–64.
46 ]}。

此外，部分研究结果^{[ [47] CHEN C Y, XIE Y C, YIN S, et al. Ductile and high strength Cu fabricated by solid-state cold spray additive manufacturing[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2023, 134: 234–243.
[48] LI W Y, YANG J W, ZHANG Z M, et al. High ductility induced by twin-assisted grain rotation and merging in solid-state cold spray additive manufactured Cu[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2025, 214: 11–15.
47-48 ]}也表明，冷喷涂纯Cu涂层能够达到与块材相当的拉伸强度，并且延伸率超过30%，如图8所示。这一结果主要依赖于粒子碰撞条件的优化，以此确保粒子界面之间的良好结合，同时严格控制原始粉末的含氧量也是成功的关键因素。同期德国Impact Innovations公司与HSU也公开了高强高塑的Cu沉积体相关研究^{[ [49] SINGH R, KONDÁS J, BAUER C, et al. Bulk-like ductility of cold spray additively manufactured copper in the as-sprayed state[J]. Additive Manufacturing Letters, 2022, 3: 100052.
[50] LIST A, HUANG C, WIEHLER L, et al. Influence of ductility on fracture in tensile testing of cold gas sprayed deposits[J]. Journal of Thermal Spray Technology, 2023, 32(6): 1780–1795.
49-50 ]}。为了进一步探究高塑性涂层的本质原因，研究团队对典型材料（如纯Cu、纯Al、纯Ti、纯Ni、纯Zn等）进行了深入的基础理论分析，并计划发布一系列相关研究成果。例如，通过调整氮气喷涂工艺参数与粉末配比，可成功获得强度达135 MPa、延伸率达18.4%的纯Zn沉积体^{[ [51] HUANG C J, CHEN T, FU B L, et al. Ductility and fracture behavior of cold spray additive manufactured zinc[J]. Additive Manufacturing, 2024, 89: 104310.
51 ]}。

冷喷涂过程中的粒子高速碰撞沉积有助于获得致密组织，表2中极低的孔隙率证实了这一点，对于高强沉积体的微观组织分析也表明，良好的颗粒界面结合是获得高强度涂层的前提。根据现有研究，颗粒界面结合的重要因素包括界面再结晶、氧化膜破碎及挤出、界面局部熔化^{[ [6] 李长久, 李文亚, 雒晓涛, 等. 先进冷喷涂金属固态沉积技术: 理论与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2023.LI Changjiu, LI Wenya, LUO Xiaotao, et al. Advanced cold spraying metal solid deposition technology: Theory and application[M]. Beijing: Science Press, 2023.
6 ]}。当粒子的氧化程度较低且沉积过程中变形量足够大时，氧化膜的影响将被显著抑制。而局部熔化现象通常仅在一些特殊材料体系中出现，例如低熔点材料或者Ti及钛合金等导热性差的材料。对于大部分金属材料沉积，界面再结晶是最重要的因素之一。图9^{[ [47] CHEN C Y, XIE Y C, YIN S, et al. Ductile and high strength Cu fabricated by solid-state cold spray additive manufacturing[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2023, 134: 234–243.
47 ]}为冷喷涂Cu沉积体的组织，可见采用冷喷涂工艺制备的Cu沉积体截面组织为原始粉末颗粒的细晶组织及碰撞界面由动态再结晶形成的超细等轴晶组织。因此，相比基于熔化工艺的增材制造方法，冷喷涂增材制造的细晶组织是一个重要特征。

此外，对于异种材料（比如复合材料）冷喷涂，在涂层与基体材料不同，或者粉末本身是多种金属混合粉末的情况下，现有研究表明，所形成的异种材料界面上基本无金属间化合物等脆性相的产生^{[ [12] LI W Y, CAO C C, YIN S. Solid-state cold spraying of Ti and its alloys: A literature review[J]. Progress in Materials Science, 2020, 110: 100633.
12 ]}，这也是冷喷涂固态增材制造技术的优势所在。

冷喷涂固态增材制造沉积体的性能强烈取决于所喷涂材料及所用的喷涂工艺参数，受限于现有冷喷涂设备的工作能力。冷喷涂固态增材制造技术也存在一些重要的缺点需要克服，具体体现在以下3个方面。

如前文所述，冷喷涂沉积体最大的劣势是塑/韧性差（个别材料除外）。这主要与粒子高速碰撞的大变形有关，沉积后颗粒加工硬化严重，再加上如果颗粒界面相对较弱或氧化膜存在，就会导致沉积体的断裂路径基本沿着颗粒界面发生，表现出脆性断裂的特性^{[ [6] 李长久, 李文亚, 雒晓涛, 等. 先进冷喷涂金属固态沉积技术: 理论与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2023.LI Changjiu, LI Wenya, LUO Xiaotao, et al. Advanced cold spraying metal solid deposition technology: Theory and application[M]. Beijing: Science Press, 2023.
6 ]}。即使对于高强度的沉积体（图8（d）），如果界面相对较弱，拉伸样品也呈现脆性断裂特性。因此，很多学者研究通过后处理来改善冷喷涂沉积体的力学性能^{[ [24] ALKHIMOV A P, KOSAREV V F, NESTEROVICH N I, et al. Method of producing coatings: SU1618778A1[P]. 1991–07–01.
24 ]}，比如采用热处理来调整沉积体的组织与强韧性。

冷喷涂过程的另外一个宏观特征是高速气流的冲击特性，尤其在喷涂距离较小的状态下，会对基体产生很大的冲击力。对于一些薄壁构件来说，可能会产生明显变形。此外，冷喷涂沉积斑点的直径一般为4~7 mm，如果想增材制造薄壁结构尤其有一定复杂度的薄壁结构，形状控制相当困难，需要结合喷涂工艺参数与构件特征开展喷涂轨迹设计与路径规划^{[ [23] PAPYRIN A, KOSAREV V, KLINKOV S, et al. Cold Spray Technology[M]. Amsterdam: Elsevier, 2007.
23 ]}，这一方向尚处于研发的初级阶段。

此外，虽然大部分情况下冷喷涂沉积体及界面附近的残余应力为压应力，有利于提高被涂敷基体的疲劳强度，但是在高温气体条件下制备涂层，比如氮气900 ℃以上冷喷涂TC4涂层，沉积体呈现明显的拉应力，达到一定厚度后也会产生开裂^{[ [13] XIE X L, YIN S, RAOELISON R N, et al. Al matrix composites fabricated by solid-state cold spray deposition: A critical review[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2021, 86: 20–55.
13 ]}。冷喷涂过程中的沉积体内及基体界面附近残余应力的演变，与材料组合及气体温度息息相关，工艺不当也会产生较大的残余拉应力^{[ [52] BORUAH D, AHMAD B, LEE T L, et al. Evaluation of residual stresses induced by cold spraying of Ti–6Al–4V on Ti–6Al–4V substrates[J]. Surface and Coatings Technology, 2019, 374: 591–602.
52 ]}。

采用冷喷涂固态增材制造技术制备较大构件时，需要较长时间连续工作，除了对送粉器的容量及能力提出要求外，还对喷嘴的寿命提出挑战。一般的钢喷嘴难以满足长时间工作要求，需要应用比较耐磨的喷嘴材料，比如硬质合金，但是这类喷嘴不能长时工作在较高温度。高温下还可以考虑采用陶瓷喷嘴，但其加工制造难度大，成本高。

此外，不同的喷涂材料与喷嘴材料之间可能会产生相互作用，导致喷嘴局部堵塞，严重时导致无法沉积。大量研究表明，常见低熔点材料（如Sn、Zn、Pb、Al、Mg等及其合金）在较高温度下短时间就可能堵塞喷嘴（比如在350 ℃以上喷涂Al及铝合金）；另一方面，对于一些高温材料（如Cu、Ni、钛合金等）在高温喷涂时也可能出现堵嘴问题，不利于工业批量生产。有研究者通过更换喷嘴材料来解决，比如喷涂低熔点材料时用高温塑料喷嘴，但塑料喷嘴容易磨损；也有研究通过强制水冷喷嘴来缓解堵嘴。本团队近期采用聚合物喷嘴搭配轴向中心送粉的喷涂工艺^{[ [53] 何三润, 黄春杰, 万文鹏, 等. 冷喷涂纯铝抗堵嘴实验研究: 从涂层到增材制造[J/OL]. 材料工程, 2025–06–06. https://link.cnki.net/urlid/11.1800.TB.20250605.1708.004.HE Sanrun, HUANG Chunjie, WAN Wenpeng, et al. Experimental study of anti-clogging nozzle in cold spray pure aluminum: From coating deposition to additive manufacturing[J/OL]. Journal of Materials Engineering, 2025–06–06. https://link.cnki.net/urlid/11.1800.TB.20250605.1708.004.
53 ]}，有效避免了喷嘴堵塞，可实现金属Al的高质量增材制造，如图10所示。

2000年以后，冷喷涂技术在国际上引起了广泛关注。起初作为涂层制备技术被推广应用，随后很快在零件修复方向展现出巨大的应用潜力，随着技术的发展，近年来在增材制造方向也开始发力。参考文献[ [6] 李长久, 李文亚, 雒晓涛, 等. 先进冷喷涂金属固态沉积技术: 理论与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2023.LI Changjiu, LI Wenya, LUO Xiaotao, et al. Advanced cold spraying metal solid deposition technology: Theory and application[M]. Beijing: Science Press, 2023.
6 ]及主要的冷喷涂企业网站的技术信息^{[ [46] YIN S, FAN N S, HUANG C J, et al. Towards high-strength cold spray additive manufactured metals: Methods, mechanisms, and properties[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2024, 170: 47–64.
46 ， [54] Supersonic Spray Technologies Division (SST). Welcome to Centerline Supersonic Spray Technologies[EB/OL]. [2025–02–07]. https://www.supersonicspray.com/.
[55] Plasma Giken Co. Ltd. World’s leading cold spray and thermal spraying systems[EB/OL]. [2025–02–07]. https://www.plasma.co.jp/en/.
54-55 ]}，本文给出以下实例。

机械零件经长时间使用，由于腐蚀、磨损、疲劳或其他原因，会发生局部损坏甚至失效。损坏的零件通常无法回收或修理，而且由于缺乏有效的修复方法，必须更换。冷喷涂技术因其便携性、高质量、高效率等特点，在铝合金、镁合金航空构件修复方面获得了广泛应用。受损零件复杂的表面形貌以及损坏区域表面的污损，会对修复物与基体的结合强度造成影响。因此，在进行修复之前，必须首先对受损区域进行预加工，如铣削、磨削或喷砂处理，以确保其表面干净光滑，适合冷喷涂沉积；喷涂后，通常还需要进行后加工，以恢复零件的原始尺寸和性能。

例如，图11^{[ [53] 何三润, 黄春杰, 万文鹏, 等. 冷喷涂纯铝抗堵嘴实验研究: 从涂层到增材制造[J/OL]. 材料工程, 2025–06–06. https://link.cnki.net/urlid/11.1800.TB.20250605.1708.004.HE Sanrun, HUANG Chunjie, WAN Wenpeng, et al. Experimental study of anti-clogging nozzle in cold spray pure aluminum: From coating deposition to additive manufacturing[J/OL]. Journal of Materials Engineering, 2025–06–06. https://link.cnki.net/urlid/11.1800.TB.20250605.1708.004.
54 ]}和12^{[ [56] VILLAFUERTE J, WRIGHT D. Practical cold spray success: Repair of Al and Mg alloy aircraft components[J]. Advanced Materials and Processes, 2010, 168(5): 53–55.
56 ]}所示为冷喷涂工艺修复受损铝合金零部件的过程。通过喷涂后再进行适当的后加工，能够使涂层表面达到所需的质量和性能标准，恢复零件的功能。图13^{[ [57] CHAMPAGNE V, HELFRITCH D. The unique abilities of cold spray deposition[J]. International Materials Reviews, 2016, 61(7): 437–455.
57 ]}所示为使用6061铝合金粉末修复军用飞机2024–T6面板的情况，结果表明，冷喷涂工艺能够为这种面板提供永久修复，并恢复其所有功能。图14^{[ [57] CHAMPAGNE V, HELFRITCH D. The unique abilities of cold spray deposition[J]. International Materials Reviews, 2016, 61(7): 437–455.
57 ]}所示则为使用便携式LPCS（低压冷喷涂）系统修复损坏的铝合金7149桅杆支架的过程，研究发现在铝粉基体相中添加Al₂O₃能增强沉积效果。图15^{[ [57] CHAMPAGNE V, HELFRITCH D. The unique abilities of cold spray deposition[J]. International Materials Reviews, 2016, 61(7): 437–455.
57 ]}所示为冷喷涂修复KC–135飞机传动壳体的过程，由于零件损坏，传统飞机组件往往因几何形状变化而无法使用，而持续收缩的供应链使得零件更换变得困难且成本高昂。因此，冷喷涂技术提供了一种有效的修复方案，特别是在传统部件无法更换的情况下具有重要意义。

基于冷喷涂技术的工艺特征与束流的特点，结合机器人等自动化装备的协同应用，冷喷涂固态增材制造技术近年来得到越来越多的关注与开发。国外澳大利亚Titomic公司、Spee3D公司，以及国内的湖北超卓航空科技股份有限公司、陕西斯赛姆科技有限公司等企业，加速推动冷喷涂固态增材制造技术的产业化应用。目前，冷喷涂固态增材制造技术可加工的对象主要局限于轴对称结构的零件，比如大型靶材、法兰、发动机尾喷管及其他筒类零件等，如图16所示^{[ [55] Plasma Giken Co. Ltd. World’s leading cold spray and thermal spraying systems[EB/OL]. [2025–02–07]. https://www.plasma.co.jp/en/.
55 ]}。

随着对于增材制造喷枪路径规划与轨迹设计研究的深入，冷喷涂技术在制备具有复杂结构的构件方面也显示出重要的潜力，如图17所示^{[ [57] CHAMPAGNE V, HELFRITCH D. The unique abilities of cold spray deposition[J]. International Materials Reviews, 2016, 61(7): 437–455.
[58] LYNCH M E, GU W J, EL-WARDANY T, et al. Design and topology/shape structural optimisation for additively manufactured cold sprayed components[J]. Virtual and Physical Prototyping, 2013, 8(3): 213–231.
57-58 ]}。在制造类似复杂零件时，首先要将冷喷涂粉末材料沉积到专门设计的基板上，完成喷涂后，将基体材料去除，仅保留冷喷涂沉积体；随后通过简单的机械加工，制造出具有复杂结构的零件。该工艺的难点主要是基板的设计，一个优秀的基板要确保在喷涂过后容易去除，且剩余沉积体部分要经历最少的机械加工。采用相似的方法，冷喷涂增材制造技术还可用于对现有零件结构的重新改造。图18^{[ [46] YIN S, FAN N S, HUANG C J, et al. Towards high-strength cold spray additive manufactured metals: Methods, mechanisms, and properties[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2024, 170: 47–64.
46 ]}所示为通过冷喷涂固态增材制造技术制备用于容纳飞机发动机/燃气轮机等的轴承、安装法兰及系统组件的旋转对称壳体部件。冷喷涂技术可在壳体的外围快速成形特殊的法兰表面或检查凸台，是一种满足复杂形状制备要求且低成本的制造工艺。如图19^{[ [59] LI W B, YAO Y J, WU H J, et al. Spray trajectory planning for complex structural components in robotized cold spray additive manufacturing[J]. Journal of Thermal Spray Technology, 2024, 33(1): 71–87.
59 ]}所示的复杂结构制造，对于冷喷涂固态增材制造技术的发展和应用非常重要，因其可以大大拓宽冷喷涂固态增材制造技术在未来的应用领域。

冷喷涂固态增材制造技术作为典型的多学科交叉领域，深度融合了力学、机械工程、材料科学及计算机技术等。面向未来，该技术可从以下9个方面进行探索。

（1）粉末标准化体系构建。基于现有研究成果，深入探讨粉末含氧量、粒度分布及粉末形态对冷喷涂沉积行为及沉积体性能的影响机制，推动建立冷喷涂金属粉末在生产、储存、使用及检测环节的行业和国家标准，为该技术的大规模工业化应用奠定基础。

（2）材料多样化拓展。当前，冷喷涂粉末类型已涵盖金属及复合粉末。其中，金属粉末的冷喷涂研究起步较早，主要集中于铜、铝、银、钛、镁、锌、锡、钽，铁基、镍基、钛基、镁基及锌基合金等稳态材料，现已逐步扩展至非晶、准晶和高熵合金等亚稳态材料。未来须进一步推动材料种类的多样化，以满足不同领域的需求。

（3）喷嘴适用化研究。深入研究冷喷涂低熔点金属的堵枪机理，开发适用于此类材料的专用喷嘴，并建立喷涂专用喷嘴数据库。通过优化喷嘴材料、形状和尺寸参数，提高喷嘴的分辨率和使用寿命，进而提升冷喷涂固态增材制造技术的成形能力。

（4）成形理论体系完善。建立冷喷涂固态增材制造过程中，点、线、面、体的外形形成理论模型，并在此基础上提出构件外形的精确调控方法，突破目前反复试验和经验依赖的调控模式。

（5）性能驱动研究深化。围绕国家重大战略需求及国民经济支柱行业对构件性能的要求，通过系统的试验研究，积累冷喷涂固态增材制造件在振动、疲劳、高温、腐蚀等复杂工况下的长期服役行为及失效机理数据。

（6）技术复合化创新。随着材料体系的多样化，传统工艺已难以满足特殊材料的沉积需求，冷喷涂复合加工技术成为研究焦点。未来可探索更多复合制造工艺，通过模块化系统设计将冷喷涂增材与减材制造、激光等技术耦合，实现精确调控和多种制造技术的协同应用。

（7）装备自主化发展。针对国内冷喷涂装备在稳定性方面与国际先进水平的差距，集结国内优势科研力量，攻关长寿命气体加热装置、高精度气体压力与温度控制系统、稳定性较高的大容量高压送粉器及长寿命Laval喷管等核心部件，推动国产装备迈向国际一流水平。

（8）应用多样化拓展。目前，冷喷涂技术主要应用于国防及个别高附加值产品领域。未来须降低生产成本，并推动在不同金属行业扩大应用。

（9）制造绿色化转型。通过着力发展粉末材料回收技术，减少资源消耗，践行可持续制造理念，推动冷喷涂技术向绿色环保方向转型升级。