冷噴涂技術(shù)及其在航空結(jié)構(gòu)修復(fù)中的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

彭智偉

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 716605）

1 前言

再制造產(chǎn)業(yè)在國外被稱為“朝陽產(chǎn)業(yè)”或“潛在的巨人”。在我國，再制造技術(shù)作為國家新型戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，高度契合了國家發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略，得到了高度重視。中國工程院徐濱士院士針對(duì)我國特有的狀況，提出了將先進(jìn)的表面工程技術(shù)融入再制造工程，從而實(shí)現(xiàn)廢舊零件的尺寸恢復(fù)和性能提升的再造產(chǎn)業(yè)路線。

冷噴涂是20世紀(jì)80年代中期新發(fā)展起來的一種新型涂層加工技術(shù)，在對(duì)其的研究過程中，由表面防護(hù)涂層制備深入到增材制造與修復(fù)再制造技術(shù)。相較焊接、熱噴涂等傳統(tǒng)修復(fù)及激光再制造技術(shù)、材料膠結(jié)等一些新型修復(fù)技術(shù)，冷噴涂修復(fù)技術(shù)具有一些其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）不同于熱修復(fù)技術(shù)固有的顆粒熔化-凝固過程，冷噴涂過程中材料的溫度遠(yuǎn)低于其熔點(diǎn)，噴涂顆粒在碰撞基體前處于固態(tài)，對(duì)基體熱影響較小，在整個(gè)噴涂過程中，材料發(fā)生氧化、相變、晶粒長大的程度低，噴涂材料的成分與組織結(jié)構(gòu)能夠保留到涂層中，保證了修復(fù)層組織性能的均勻性和穩(wěn)定性，這為一些熱敏感材料的修復(fù)帶來了曙光；（2）在冷噴修復(fù)過程中，涂層由持續(xù)不斷的固態(tài)粒子撞擊碰撞而成，其形成的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力而非拉應(yīng)力；（3）可用于噴涂及可用作噴涂基體材料范圍廣，目前，冷噴涂可實(shí)現(xiàn)在大部分的金屬基材料及一些有機(jī)材料基體上的噴涂沉積，并實(shí)現(xiàn)了在一些高硬度、高熔點(diǎn)材料上輔以激光輔助噴涂實(shí)現(xiàn)冷噴沉積，這使得冷噴修復(fù)層還可以被用作耐磨、導(dǎo)電等功能材料進(jìn)行利用。作為一種低溫成型技術(shù)，冷噴涂技術(shù)存在一些尚無法克服的缺陷如孔隙等，這類缺陷的當(dāng)前的檢測(cè)與觀察是通過顯微鏡觀察來完成的，鮮有對(duì)冷噴涂技術(shù)缺陷的無損檢測(cè)研究的報(bào)道。

本文將從冷噴技術(shù)的基本原理、常見噴涂缺陷、質(zhì)量性能評(píng)價(jià)、在航空結(jié)構(gòu)修復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹及展望，并對(duì)該技術(shù)未來關(guān)注的研究方向給出了建議。

2 冷噴涂修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 冷噴涂技術(shù)原理

冷噴涂技術(shù)是以空氣動(dòng)力學(xué)原理的噴涂工藝，其工作原理可簡(jiǎn)單地歸納為：噴涂顆粒以高壓氣體（壓縮空氣、氮?dú)?、氦氣等）為載具，在噴槍內(nèi)混合形成一股高速氣壓粒子流，并以一定的速度與基板進(jìn)行碰撞，形成粒子在基板上的沉積。將顆?？梢杂行С练e在基板上的撞擊速度，稱為臨界速度；撞擊速度低于臨界速度時(shí)，噴涂顆粒將在基體上留下撞擊痕跡而反彈；在噴涂的沉積臨界速度以上，還存在著一個(gè)沖蝕速度，一般認(rèn)為，沖蝕速度比臨界速度大2～3倍，在此速度上噴涂顆粒不能有效沉積在基板上，反而對(duì)基板產(chǎn)生沖蝕作用。因此，在塑性材料上，在給定的噴涂顆粒及溫度條件內(nèi)，只在一定的噴涂顆粒碰撞速度范圍內(nèi)觀察到了沉積現(xiàn)象，即出現(xiàn)所謂的“沉積窗口”。

絕熱剪切失穩(wěn)被認(rèn)為是主流的冷噴涂結(jié)合機(jī)制，其通常被描述為由顆粒撞擊帶來的溫度提升效應(yīng)和加工硬化之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。絕熱剪切失穩(wěn)側(cè)出現(xiàn)使噴涂粉末與基板良好結(jié)合提供了充分條件，目前已被認(rèn)可的結(jié)合方式為機(jī)械結(jié)合、物理結(jié)合、冶金結(jié)合、化學(xué)結(jié)合這四種。

2.2 噴涂缺陷

通常來說，涂層孔隙率越低，結(jié)合強(qiáng)度就越大，除此之外，孔隙率還決定著涂層抗摩擦磨損、腐蝕、疲勞等性能，因此，冷噴涂的孔隙率被作為涂層性能的重要指標(biāo)之一。作為一種利用高速氣流將顆粒沉積于基體試件的噴涂制造工藝，在整個(gè)噴涂過程中噴涂顆粒沒有被融化，始終保持固體形態(tài)，因此冷噴試件中存在孔隙是不可避免的。國內(nèi)部分文獻(xiàn)指出，當(dāng)噴涂顆?；蚧w材料二者中有一方的材料硬度比較軟時(shí)，噴涂層孔隙率較小，反之，兩種材料硬度較大時(shí)其孔隙率較大，李文亞對(duì)純Ti之間進(jìn)行噴涂，得到的孔隙率在10%以上，如圖1所示。出現(xiàn)這種情況的原因可能為硬度較高的材料，碰撞過程中變形較小，絕熱剪切失穩(wěn)困難，不利于顆粒與基體、顆粒與顆粒之間的結(jié)合，增加了噴涂顆粒之間的不完全重疊，提高了孔隙的存在。

圖1 冷噴涂Ti斷面組織（黑色表示孔隙）

冷噴涂在沉積過程中除孔隙外，還會(huì)出現(xiàn)裂紋缺陷。王洪濤在采用Ai_Fe混合顆粒進(jìn)行噴涂中發(fā)現(xiàn)有部分Fe顆粒沿晶界開裂（圖2中涂層黑色箭頭所示），其認(rèn)為顆粒之間碰撞細(xì)化導(dǎo)致了Fe顆粒的開裂現(xiàn)象。楊康在進(jìn)行Cu_Ni_Ai復(fù)合涂層內(nèi)部粒子間的結(jié)合特性研究中也發(fā)現(xiàn)了冷噴涂顆粒裂紋（如圖3所示），并將其原因歸結(jié)為Cu顆粒在沉積過程中發(fā)生再結(jié)晶細(xì)化，同時(shí)由于不同顆粒之間的熱膨脹系數(shù)不同及顆粒之間存在的孔隙，最終導(dǎo)致Cu顆粒開裂。

圖2 冷噴涂Al/Fe復(fù)合涂層表面形貌

圖3 采用FIB切割后粒子間結(jié)合界面SEM照片

冷噴涂缺陷很大程度上可以通過對(duì)冷噴涂工藝的調(diào)整，去除或減少冷噴涂缺陷。對(duì)于孔隙這種無法去除的缺陷，可以通過改變噴涂氣體種類、壓力、溫度以及加入噴涂硬質(zhì)顆粒加強(qiáng)噴丸效果、噴涂后熱處理等工藝減少孔隙率。但是，在通過工藝調(diào)整冷噴涂缺陷的同時(shí)，也可能帶來別的問題，噴涂后的熱處理可減少孔隙率及防止熱膨脹導(dǎo)致的收縮裂紋但會(huì)出現(xiàn)部分晶粒粗大，硬質(zhì)噴丸顆粒的加入減少了孔隙率卻又會(huì)在噴涂層中出現(xiàn)硬質(zhì)顆粒的夾雜。

2.3 質(zhì)量性能評(píng)價(jià)

涂層的顯微硬度和結(jié)合強(qiáng)度是衡量涂層質(zhì)量性能的重要依據(jù)。在制備的噴涂層的硬度測(cè)量中，涂層的硬度大于原始噴涂顆粒，且具有硬度分布從表面至涂層內(nèi)部硬度從低至高的特征，其原因?yàn)樵诔练e過程中底層沉積顆粒受到后續(xù)顆粒的碰撞擠壓及夯實(shí)，這種加工硬化使底部顆粒越來越致密，硬度大；當(dāng)噴涂顆粒中混合有硬質(zhì)顆粒時(shí)，所得的涂層硬度高于無硬質(zhì)顆粒的噴涂的涂層，隨著硬質(zhì)顆粒含量的增加，涂層的硬度先升高后降低，這說明硬質(zhì)顆粒在噴涂過程中增加了噴涂過程中加工硬化作用，但作為硬相過量的硬質(zhì)顆粒到達(dá)飽和后，其對(duì)基體的沖擊及反彈將阻礙顆粒的沉積。冷噴涂層進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)過程中，斷面呈現(xiàn)出兩種不同的狀態(tài)，一種是涂層殘留在兩側(cè)斷面上，一種是涂層只殘留在一側(cè)斷面上，如圖4所示。出現(xiàn)這兩種不同斷面是結(jié)合強(qiáng)度與涂層內(nèi)聚力在拉伸過程中抗衡的結(jié)果，當(dāng)內(nèi)聚力小于結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，斷面呈現(xiàn)第一種雙面分布的狀態(tài)，當(dāng)內(nèi)聚力大于結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，涂層與噴涂基體完全分離。同一基體涂層其結(jié)合強(qiáng)度，涂層厚度越大時(shí)，涂層的結(jié)合強(qiáng)度越大。

圖4 涂層拉伸斷裂照片

靳磊等對(duì)冷噴涂工藝的硬度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)同種氣體條件下，溫度越高，硬度也越大；在相同溫度和氣體壓力下，采用He氣制備的涂層較N2更加致密，硬度也大；氣體壓力的增大硬度也隨之升高。同時(shí)，更高的氣體溫度、氣壓及比熱系數(shù)更高的He氣在冷噴涂過程中將提供更高的噴涂顆粒速度，從而帶來更高的涂層結(jié)合強(qiáng)度。

現(xiàn)階段，在冷噴涂中加入了一些輔助加工技術(shù)，如噴丸、激光、熱處理、熱軋等技術(shù)手段，以提高涂層的質(zhì)量性能，在這些技術(shù)手段中，熱處理運(yùn)用較為廣泛。李文亞在Fe涂層、Ti涂層熱處理中發(fā)現(xiàn)，熱處理提高了涂層的拉伸強(qiáng)度，但降低了涂層的顯微硬度。熱處理的加入促進(jìn)了界面的擴(kuò)散連接形成了金屬間化合物，加強(qiáng)了局部冶金結(jié)合，因此，對(duì)結(jié)合方式形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)及其工藝控制就顯得很有研究?jī)r(jià)值。同時(shí)，熱處理的引入會(huì)導(dǎo)致涂層晶粒的粗大，甚至部分涂層出現(xiàn)顯微硬度下降的情況，因此，在追求冷噴涂工藝性能時(shí)，應(yīng)在所需性能中進(jìn)行平衡及取舍。

2.4 在航空修復(fù)上的應(yīng)用

冷噴涂層因其巨大的優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)以開始應(yīng)用于防腐、耐高溫、耐磨、導(dǎo)熱導(dǎo)電、修復(fù)及增材制造等廣泛的領(lǐng)域。在冷噴涂的修復(fù)應(yīng)用中，現(xiàn)階段，冷噴涂修復(fù)主要用于零部件尺寸外形的修復(fù)，航空工業(yè)被認(rèn)為可能是冷噴修復(fù)的最大受益者。某些航空材料（尤其是鋁鎂合金）會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕和磨損情況，在使用冷噴涂前，很多腐蝕及磨損的零件無法重現(xiàn)進(jìn)行修復(fù)使用，因?yàn)槿狈ο鄬?duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸修復(fù)技術(shù)。

在國外，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）早在2000年就開始開展冷噴涂修復(fù)技術(shù)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用研究，2001年創(chuàng)建了冷噴涂研發(fā)中心。在前期工藝研制的基礎(chǔ)上，ARL成功地將冷噴涂技術(shù)用于阿帕奇直升機(jī)鋁合金桅桿支座的修復(fù)上，冷噴涂后的基體材料的抗拉強(qiáng)度、疲勞性能均無降低，在經(jīng)中性鹽霧7000h后修復(fù)區(qū)基體未見明顯的腐蝕；在后續(xù)的修復(fù)過程中，研究人員在噴涂的鋁顆粒中加入了一定量的Al2O3硬質(zhì)顆粒，隨著硬質(zhì)顆粒的加入，研究人員發(fā)現(xiàn)，含有硬質(zhì)顆粒的冷噴涂層在表面耐磨性、噴涂層硬度和結(jié)合強(qiáng)度方面都有很大的提高。在修復(fù)的過程中，各修復(fù)公司及機(jī)構(gòu)也在積極推進(jìn)修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)程。王娟報(bào)道了阿克倫大學(xué)與AMES公司及SAFE公司積極合作，推動(dòng)FAA對(duì)民航磨損件和腐蝕件上應(yīng)用冷噴涂修復(fù)技術(shù)的批準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)航空公司與各類OEM廠商持續(xù)性對(duì)冷噴涂零件修復(fù)情況進(jìn)行跟蹤調(diào)查，希望能將更多的修復(fù)調(diào)查結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)修復(fù)手冊(cè)中的修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)。

在國內(nèi)，石闞艷等采用冷噴涂鋁對(duì)飛機(jī)鋁合金瓦片及鋁合金框磨損及腐蝕的冷噴修復(fù)；陳利修等人用Cu-Zn-Al2O3復(fù)合冷噴涂層對(duì)斯太爾發(fā)動(dòng)機(jī)水道腐蝕區(qū)域進(jìn)行了修復(fù)，其涂層表面硬度平均HV0．05為143.6，耐磨性是斯太爾發(fā)動(dòng)機(jī)的5倍，有效地延長了該部件的使用壽命。

目前，在國內(nèi)外航空冷噴技術(shù)涂理修工作中，主要應(yīng)用于非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件上的腐蝕及磨損損傷，同時(shí)，暫未見有關(guān)于裂紋、孔洞等缺陷修復(fù)的報(bào)道。國外在修復(fù)的同時(shí)已開展了冷噴涂技術(shù)修復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范建設(shè)，我國由于機(jī)理研究的欠缺及修復(fù)設(shè)備上的差距僅有幾例修復(fù)的報(bào)道。

3 結(jié)語

冷噴涂在噴涂中所展現(xiàn)出來的特性，使得其從一項(xiàng)表面噴涂技術(shù)，延伸至零部件的修復(fù)領(lǐng)域。其在國內(nèi)外航空領(lǐng)域的維修應(yīng)用，更加速了各國學(xué)者對(duì)其應(yīng)用的廣泛思考。

將冷噴涂作為一種通用的修復(fù)技術(shù)，尚存在一些地方需要完善：（1）成本控制，降低噴涂顆粒及噴涂氣源成本控制。（2）深層次的機(jī)理研究，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，改善涂層性能。當(dāng)前采用冷噴涂技術(shù)的修復(fù)，還僅停留在對(duì)非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零部件外形外觀的修補(bǔ)及一些零部件的外層耐磨防腐功能性使用上，如何提高冷噴涂材料的塑性及其與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度，使其應(yīng)用于主要結(jié)構(gòu)件的修復(fù)中，成為航空維修領(lǐng)域的一種通用技術(shù)。（3）冷噴涂試件的無損檢測(cè)問題。①孔隙的檢測(cè)：冷噴涂技術(shù)作為一種以高速氣體為載具帶動(dòng)噴涂顆粒，主要以機(jī)械咬合、物理結(jié)合作為顆粒沉積方式的結(jié)合方式，孔隙始終存在于冷噴涂層中，這種缺陷將以何種宏觀性無損檢測(cè)方法檢測(cè)，特別是針對(duì)在役飛機(jī)的原位檢測(cè)更是一大難題；②混合顆粒的檢測(cè)：在冷噴中為保持與基體材料一致或追求某種性能如降低孔隙而加入硬質(zhì)顆粒加強(qiáng)噴丸效果，而采用混合顆粒進(jìn)行噴涂，這些顆粒在噴涂層中的交錯(cuò)分布甚至偏聚性分布，會(huì)對(duì)無損檢測(cè)帶很大的困難，如顆粒聲速及尺寸不一造成超聲檢測(cè)聲速衰減的不均勻性，顆粒密度的不同造成射線檢測(cè)穿透性的不一致性；③裂紋修復(fù)后的擴(kuò)展跟蹤檢測(cè)：含裂紋修復(fù)件在使用中，基體裂紋在使用過程中的擴(kuò)展情況，特別是冷噴涂層在使用過程中出現(xiàn)與基體層在同一平面出現(xiàn)裂紋時(shí)，對(duì)二者裂紋的區(qū)分及擴(kuò)展跟蹤。

作為一項(xiàng)可產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)及軍事效應(yīng)的修復(fù)技術(shù)，冷噴涂修復(fù)技術(shù)必將開創(chuàng)在航空結(jié)構(gòu)修復(fù)中的新時(shí)代。