冷噴涂技術及其在航空結構修復中的應用與研究現狀

彭智偉

（中國飛機強度研究所，陜西 西安 716605）

1 前言

再制造產業在國外被稱為“朝陽產業”或“潛在的巨人”。在我國，再制造技術作為國家新型戰略性產業，高度契合了國家發展循環經濟戰略，得到了高度重視。中國工程院徐濱士院士針對我國特有的狀況，提出了將先進的表面工程技術融入再制造工程，從而實現廢舊零件的尺寸恢復和性能提升的再造產業路線。

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

本文將從冷噴技術的基本原理、常見噴涂缺陷、質量性能評價、在航空結構修復中的應用進行了介紹及展望，并對該技術未來關注的研究方向給出了建議。

2 冷噴涂修復技術現狀

2.1 冷噴涂技術原理

冷噴涂技術是以空氣動力學原理的噴涂工藝，其工作原理可簡單地歸納為：噴涂顆粒以高壓氣體（壓縮空氣、氮氣、氦氣等）為載具，在噴槍內混合形成一股高速氣壓粒子流，并以一定的速度與基板進行碰撞，形成粒子在基板上的沉積。將顆粒可以有效沉積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，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，還存在著一個沖蝕速度，一般認為，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，反而對基板產生沖蝕作用。因此，在塑性材料上，在給定的噴涂顆粒及溫度條件內，只在一定的噴涂顆粒碰撞速度范圍內觀察到了沉積現象，即出現所謂的“沉積窗口”。

絕熱剪切失穩被認為是主流的冷噴涂結合機制，其通常被描述為由顆粒撞擊帶來的溫度提升效應和加工硬化之間的競爭關系。絕熱剪切失穩側出現使噴涂粉末與基板良好結合提供了充分條件，目前已被認可的結合方式為機械結合、物理結合、冶金結合、化學結合這四種。

2.2 噴涂缺陷

通常來說，涂層孔隙率越低，結合強度就越大，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，在整個噴涂過程中噴涂顆粒沒有被融化，始終保持固體形態，因此冷噴試件中存在孔隙是不可避免的。國內部分文獻指出，當噴涂顆粒或基體材料二者中有一方的材料硬度比較軟時，噴涂層孔隙率較小，反之，兩種材料硬度較大時其孔隙率較大，李文亞對純Ti之間進行噴涂，得到的孔隙率在10%以上，如圖1所示。出現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，絕熱剪切失穩困難，不利于顆粒與基體、顆粒與顆粒之間的結合，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，還會出現裂紋缺陷。王洪濤在采用Ai_Fe混合顆粒進行噴涂中發現有部分Fe顆粒沿晶界開裂（圖2中涂層黑色箭頭所示），其認為顆粒之間碰撞細化導致了Fe顆粒的開裂現象。楊康在進行Cu_Ni_Ai復合涂層內部粒子間的結合特性研究中也發現了冷噴涂顆粒裂紋（如圖3所示），并將其原因歸結為Cu顆粒在沉積過程中發生再結晶細化，同時由于不同顆粒之間的熱膨脹系數不同及顆粒之間存在的孔隙，最終導致Cu顆粒開裂。

圖2 冷噴涂Al/Fe復合涂層表面形貌

圖3 采用FIB切割后粒子間結合界面SEM照片

冷噴涂缺陷很大程度上可以通過對冷噴涂工藝的調整，去除或減少冷噴涂缺陷。對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顆粒加強噴丸效果、噴涂后熱處理等工藝減少孔隙率。但是，在通過工藝調整冷噴涂缺陷的同時，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致的收縮裂紋但會出現部分晶粒粗大，硬質噴丸顆粒的加入減少了孔隙率卻又會在噴涂層中出現硬質顆粒的夾雜。

2.3 質量性能評價

涂層的顯微硬度和結合強度是衡量涂層質量性能的重要依據。在制備的噴涂層的硬度測量中，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部硬度從低至高的特征，其原因為在沉積過程中底層沉積顆粒受到后續顆粒的碰撞擠壓及夯實，這種加工硬化使底部顆粒越來越致密，硬度大；當噴涂顆粒中混合有硬質顆粒時，所得的涂層硬度高于無硬質顆粒的噴涂的涂層，隨著硬質顆粒含量的增加，涂層的硬度先升高后降低，這說明硬質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顆粒到達飽和后，其對基體的沖擊及反彈將阻礙顆粒的沉積。冷噴涂層進行結合強度拉伸試驗過程中，斷面呈現出兩種不同的狀態，一種是涂層殘留在兩側斷面上，一種是涂層只殘留在一側斷面上，如圖4所示。出現這兩種不同斷面是結合強度與涂層內聚力在拉伸過程中抗衡的結果，當內聚力小于結合強度時，斷面呈現第一種雙面分布的狀態，當內聚力大于結合強度時，涂層與噴涂基體完全分離。同一基體涂層其結合強度，涂層厚度越大時，涂層的結合強度越大。

圖4 涂層拉伸斷裂照片

靳磊等對冷噴涂工藝的硬度進行了研究，發現同種氣體條件下，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，更高的氣體溫度、氣壓及比熱系數更高的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合強度。

現階段，在冷噴涂中加入了一些輔助加工技術，如噴丸、激光、熱處理、熱軋等技術手段，以提高涂層的質量性能，在這些技術手段中，熱處理運用較為廣泛。李文亞在Fe涂層、Ti涂層熱處理中發現，熱處理提高了涂層的拉伸強度，但降低了涂層的顯微硬度。熱處理的加入促進了界面的擴散連接形成了金屬間化合物，加強了局部冶金結合，因此，對結合方式形成機理的認識及其工藝控制就顯得很有研究價值。同時，熱處理的引入會導致涂層晶粒的粗大，甚至部分涂層出現顯微硬度下降的情況，因此，在追求冷噴涂工藝性能時，應在所需性能中進行平衡及取舍。

2.4 在航空修復上的應用

冷噴涂層因其巨大的優點現以開始應用于防腐、耐高溫、耐磨、導熱導電、修復及增材制造等廣泛的領域。在冷噴涂的修復應用中，現階段，冷噴涂修復主要用于零部件尺寸外形的修復，航空工業被認為可能是冷噴修復的最大受益者。某些航空材料（尤其是鋁鎂合金）會出現嚴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進行修復使用，因為缺乏相對應的結構尺寸修復技術。

在國外，美國陸軍研究實驗室（ARL）早在2000年就開始開展冷噴涂修復技術在航空領域中的應用研究，2001年創建了冷噴涂研發中心。在前期工藝研制的基礎上，ARL成功地將冷噴涂技術用于阿帕奇直升機鋁合金桅桿支座的修復上，冷噴涂后的基體材料的抗拉強度、疲勞性能均無降低，在經中性鹽霧7000h后修復區基體未見明顯的腐蝕；在后續的修復過程中，研究人員在噴涂的鋁顆粒中加入了一定量的Al2O3硬質顆粒，隨著硬質顆粒的加入，研究人員發現，含有硬質顆粒的冷噴涂層在表面耐磨性、噴涂層硬度和結合強度方面都有很大的提高。在修復的過程中，各修復公司及機構也在積極推進修復標準的進程。王娟報道了阿克倫大學與AMES公司及SAFE公司積極合作，推動FAA對民航磨損件和腐蝕件上應用冷噴涂修復技術的批準，標準航空公司與各類OEM廠商持續性對冷噴涂零件修復情況進行跟蹤調查，希望能將更多的修復調查結果轉變為航空發動機修復手冊中的修復標準。

在國內，石闞艷等采用冷噴涂鋁對飛機鋁合金瓦片及鋁合金框磨損及腐蝕的冷噴修復；陳利修等人用Cu-Zn-Al2O3復合冷噴涂層對斯太爾發動機水道腐蝕區域進行了修復，其涂層表面硬度平均HV0．05為143.6，耐磨性是斯太爾發動機的5倍，有效地延長了該部件的使用壽命。

目前，在國內外航空冷噴技術涂理修工作中，主要應用于非關鍵結構件上的腐蝕及磨損損傷，同時，暫未見有關于裂紋、孔洞等缺陷修復的報道。國外在修復的同時已開展了冷噴涂技術修復的標準及規范建設，我國由于機理研究的欠缺及修復設備上的差距僅有幾例修復的報道。

3 結語

冷噴涂在噴涂中所展現出來的特性，使得其從一項表面噴涂技術，延伸至零部件的修復領域。其在國內外航空領域的維修應用，更加速了各國學者對其應用的廣泛思考。

將冷噴涂作為一種通用的修復技術，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）深層次的機理研究，調節工藝參數，改善涂層性能。當前采用冷噴涂技術的修復，還僅停留在對非關鍵結構零部件外形外觀的修補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合強度，使其應用于主要結構件的修復中，成為航空維修領域的一種通用技術。（3）冷噴涂試件的無損檢測問題。①孔隙的檢測：冷噴涂技術作為一種以高速氣體為載具帶動噴涂顆粒，主要以機械咬合、物理結合作為顆粒沉積方式的結合方式，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方法檢測，特別是針對在役飛機的原位檢測更是一大難題；②混合顆粒的檢測：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顆粒加強噴丸效果，而采用混合顆粒進行噴涂，這些顆粒在噴涂層中的交錯分布甚至偏聚性分布，會對無損檢測帶很大的困難，如顆粒聲速及尺寸不一造成超聲檢測聲速衰減的不均勻性，顆粒密度的不同造成射線檢測穿透性的不一致性；③裂紋修復后的擴展跟蹤檢測：含裂紋修復件在使用中，基體裂紋在使用過程中的擴展情況，特別是冷噴涂層在使用過程中出現與基體層在同一平面出現裂紋時，對二者裂紋的區分及擴展跟蹤。

作為一項可產生巨大經濟及軍事效應的修復技術，冷噴涂修復技術必將開創在航空結構修復中的新時代。