冷喷涂技术是近些年来发展起来的一种新型材料表面改性工艺,喷涂粒子被超音速载气加速到300-1200m/s的超高速度,在低于材料熔点的情况下撞击基体表面,与被喷涂基体结合,进而形成冷喷涂层。在冷喷涂过程中,由于喷涂粒子始终处在较低的工作温度下,因此可以最大程度的避免金属等对氧敏感的材料在飞行过程中因高温而被氧化,进而制备出较热喷涂更纯净的无氧化或轻微氧化的金属合金涂层。与传统的热喷涂技术相比,现阶段的冷喷涂技术仍处于发展阶段,包括喷嘴内外超音速流场结构以及涂层沉积机理等在内的许多问题还没有被很好的理解。本文分别采用数值模拟、试验分析以及二者相结合的方法,系统的研究了冷喷涂过程中粉末粒子的加速行为,并对粒子沉积机理进行了深入的探讨,此外还对高温载气与基体之间的传热行为进行了详细分析,得到了许多有益的结论：1.采用数值模拟的方法分别研究了基体直径、喷涂角度以及喷嘴截面形状三个因素对喷嘴内外超音速流场流动特性及粒子的加速行为的影响。分析结果表明,在喷涂小尺寸基体时,尺寸越小的基体表面产生的弓形激波的厚度越小,粒子的撞击速度则越大。成角度喷涂中,随着喷涂角度的减小,决定涂层沉积率的法相速度分量会逐渐降低,最终的涂层质量会受到影响。此外,研究还发现,矩形喷嘴所产生流场的速度核心区明显大于喷椭圆形喷嘴,且粒子多集中于速度核心区,最终会产生较好的喷涂效果。2.基于不同的计算方法,建立了多套求解冷喷涂粒子与基体高速碰撞过程的有限元分析模型,系统的比较了不同计算方法的优缺点。结果表明,Lagrange法的计算结果严重依赖网格精度,网格尺寸过大时,计算结果失真严重,而当网格尺寸过小时,过度的畸变会导致计算终止。Euler法的计算结果对网格依赖性较弱,网格尺寸可以足够细密,计算结果精度较高,但不同部分之间的接触界面不够清晰,给后续的分析带来一定困难。SPH法作为一种无网格法,计算精度对质点排列的依赖性较小,计算结果较为准确。3.基于2中己获得的结论,选取适当的有限元分析模型,模拟不同情况下冷喷涂粒子与基体的碰撞过程,通过对计算结果进行详细的分析,系统的研究粒子间相互作用、喷涂角度、基体硬度、粒子表面氧化膜等因素对粒子沉积及涂层形成过程的影响。研究结果表明,过小的粒子间距以及喷涂角度都会对涂层的形成产生消极的影响。此外,当所喷涂基体具有较大硬度时,除首层粒子外,后续入射的粒子也会受基体的影响而表现出较大的塑性变形,随着涂层厚度的增长,基体硬度对后续入射粒子的影响逐渐减弱。另外,数值分析结果还表明,金属溅射可以将粒子表面破碎的氧化膜清除出接触面,但在接触面的中心区域会有部分氧化膜残留,进而影响粒子与基体间的结合强度。4.选取Lagrange有限元分析模型并与试验相结合,研究了粒子及基体预热情况下,粒子的变形行为及其沉积机理。研究结果表明,预热处理可以促进粒子或基体发生热软化效应,进而促进强塑性变形的发生,同时提高接触面附近的局部温度,促进粒子与基体的结合。随着预热温度的升高,粒子与基体的结合效果逐渐增强,沉积在基体表面的粒子数量逐渐增多。5.选取Lagrange有限元分析模型并与试验相结合,研究了基体硬度及喷涂角度对多孔钛涂层的形成机理及涂层性能的影响。研究结果表明,钛粒子与铜基体之间的结合以冶金结合为主,首层粒子容易沉积,所形成的涂层厚度较大；钛粒子与铝基体的接触面处可以观察到明显机械锁合现象；而钛粒子与不锈钢基体之间缺少足够的结合条件,最终涂层厚度较小且结合强度非常低。此外,随着喷涂角度的减小,钛涂层的厚度逐渐减小,孔隙率逐渐增大。6.采用数值模拟与试验测量相结合的方法研究了高温载气与基体间的传热行为。结果表明,导热系数小的基体材料可以获得较高的预热温度,但基体内部的温度变化率较大,冷却后其内部会产生较大的残余应力。减少喷涂距离、增加载气入口温度、减小基体厚度、增大基体的直径均可以提高基体的预热温度。