冷噴涂用于結(jié)構(gòu)修理

■ 谷平/中國航發(fā)成發(fā)

相對于傳統(tǒng)的焊接和熱噴涂金屬修復(fù)工藝，冷噴涂技術(shù)因為工作溫度低、可以消除應(yīng)力和變形而顯得更有優(yōu)勢，被維修企業(yè)（MRO）視為一種突破性的技術(shù)。

冷噴涂是用膨脹氣體將固體顆粒加速到超聲速，使其有足夠的能量與固體表面結(jié)合的一種技術(shù)。顧名思義，冷噴涂的應(yīng)用溫度要比其他的熱噴涂和焊接工藝低得多，這意味著可以避免相關(guān)的變形和應(yīng)力。

冷噴涂概念的提出

冷噴涂技術(shù)到現(xiàn)在已經(jīng)有30多年的研究歷史。20世紀(jì)80年代，蘇聯(lián)科學(xué)院西伯利亞分院的科學(xué)家在開展風(fēng)洞試驗時，根據(jù)示蹤測速發(fā)現(xiàn)顆粒在速度超過一定臨界值后發(fā)生沉積的現(xiàn)象，并在1990年正式提出冷噴涂技術(shù)的概念。大約在2000年，冷噴涂被當(dāng)作修理技術(shù)進(jìn)行研究，但它的研究和開發(fā)僅限于軍用飛機(jī)的部件修理。

美國空軍研究實驗室(ARL)于2000年開始了冷噴涂技術(shù)的應(yīng)用研究，并于2001年在馬里蘭州建立了冷噴涂研究與發(fā)展中心。該中心將冷噴涂技術(shù)用于B-1轟炸機(jī)、F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)、“黑鷹”和“海鷹”直升機(jī)的修理。據(jù)稱，該中心在冷噴涂技術(shù)的實施和發(fā)展上一直處于領(lǐng)先地位，并與所有使用冷噴涂修理技術(shù)的公司之間開展合作，將其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用轉(zhuǎn)到民用領(lǐng)域。

比傳統(tǒng)的焊接和熱噴涂更有優(yōu)勢的冷噴涂修理技術(shù)

恢復(fù)尺寸

穆格（Moog）公司與ARL自2007年起便共同致力于冷噴涂修理技術(shù)在軍民用維修（MRO）領(lǐng)域的應(yīng)用研究——用鈦、不銹鋼、銅和其他金屬粉末進(jìn)行各種部件的修復(fù)，如機(jī)輪或面板等。穆格公司稱，最常見的冷噴涂應(yīng)用是在鎂和鋁基板上修復(fù)磨損或腐蝕的材料，包括各種傳動裝置的外殼和齒輪箱等。該公司指出，盡管這項技術(shù)很強(qiáng)大但仍處于早期開發(fā)階段。隨著越來越多的修理技術(shù)的出現(xiàn)，會有越來越多的冷噴涂技術(shù)用于滿足維修需求。

GE航空旗下的Avio公司自2010年起便與歐洲多所大學(xué)和研究中心合作共同研發(fā)了一種冷噴涂技術(shù)。目前，Avio的研究主要集中在鋁零件上，該公司現(xiàn)正在考慮擴(kuò)展冷噴涂修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用范圍，未來也有望應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的葉片修理中。

標(biāo)準(zhǔn)航空（StandardAero）公司自2016年起，開始探索冷噴涂修理技術(shù)的各種應(yīng)用，研究如何將冷噴涂技術(shù)用于發(fā)動機(jī)部件的修理。這一工藝是新的還沒有得到充分驗證，因此標(biāo)準(zhǔn)航空公司需要與原始設(shè)備制造商（OEM）開展合作，以審核其修理效果。標(biāo)準(zhǔn)航空公司希望將越來越多的修理技術(shù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的修理方法列入發(fā)動機(jī)修理手冊中，供全行業(yè)使用。修理手冊會隨著技術(shù)的發(fā)展而更新，可以促使鋁和銅等軟金屬以及鎳基合金等更復(fù)雜材料的推廣應(yīng)用。

MTU航空發(fā)動機(jī)公司在2012年開展了用冷噴涂工藝對發(fā)動機(jī)機(jī)匣的法蘭進(jìn)行修復(fù)的研究，并為冷噴涂用于“狂風(fēng)”戰(zhàn)機(jī)的RB199 發(fā)動機(jī)葉片的修理編制了技術(shù)文件和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。MTU航空發(fā)動機(jī)公司計劃將冷噴涂工藝引入商用發(fā)動機(jī)零部件的維修，并開始進(jìn)行相應(yīng)的取證工作。

霍尼韋爾(Honeywell)公司早在2004年就開始了冷噴涂修理技術(shù)的研究和開發(fā)，其大部分的開發(fā)工作都是與擁有最現(xiàn)代化的冷噴涂設(shè)備的供應(yīng)商合作完成的。

2009年，霍尼韋爾公司進(jìn)行了首次冷噴涂修復(fù)，現(xiàn)在有近70個零部件通過這種方式進(jìn)行修復(fù)，其中包括鋁和鎂的結(jié)構(gòu)件，如齒輪箱、泵殼和渦輪發(fā)動機(jī)的閥門。

Praxair表面技術(shù)公司采用冷噴涂技術(shù)對C-160飛機(jī)的鋁合金螺旋槳葉進(jìn)行了修復(fù)，Windsor公司還采用冷噴涂技術(shù)對飛機(jī)發(fā)動機(jī)輔助動力系統(tǒng)內(nèi)的鋁合金部件進(jìn)行了尺寸修復(fù)。

結(jié)構(gòu)修理

阿克倫大學(xué)國家腐蝕和材料性能教育研究中心正在開展將冷噴涂技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)修理的研究。通過俄亥俄州的資助，該大學(xué)與機(jī)載維修和工程服務(wù)(AMES)公司、安全公司(SAFE Inc.)開展合作，以獲得美國聯(lián)邦航空局(FAA)對商用飛機(jī)上腐蝕和磨損部件進(jìn)行冷噴涂修復(fù)的批準(zhǔn)。

目前，已獲得批準(zhǔn)的冷噴涂修復(fù)飛機(jī)部件僅限于變速箱或外殼等部附件，接下來是要證明冷噴涂同樣適用于機(jī)體結(jié)構(gòu)件的修理，使之恢復(fù)到適航狀態(tài)，滿足或超過其原始設(shè)計強(qiáng)度。”

第一階段，選擇了對適航性影響較低的二級結(jié)構(gòu)件，其中包括面板、空氣載荷翼肋和波音767的機(jī)輪等。在項目進(jìn)行中，AMES和SAFE公司還申請用氮氣替代氦氣進(jìn)行冷噴涂修復(fù)，這樣可以使成本更低且更環(huán)保。在完成所有的研究和測試后，研究團(tuán)隊已向FAA提交了修理規(guī)范并等待FAA的最終審核，通過后便可以將冷噴涂添加到AMES的能力清單中。下一階段，會研究如何將冷噴涂技術(shù)應(yīng)用到主結(jié)構(gòu)件的修理中。一旦冷噴涂技術(shù)用于主結(jié)構(gòu)件修理，它可能會在業(yè)內(nèi)變得更為普及，尤其適用于那些服役時間較長的老齡飛機(jī)。

冷噴涂修理

結(jié)束語

雖然起步早，冷噴涂技術(shù)在航空維修領(lǐng)域，特別是民用航空維修領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于初步發(fā)展階段，在飛機(jī)發(fā)動機(jī)主結(jié)構(gòu)件的修理的應(yīng)用仍有待開發(fā)。

我國一些高校和研究機(jī)構(gòu)正在對冷噴涂開展基礎(chǔ)研究，如中科院金屬研究所、北京航空材料研究院、西安交通大學(xué)、大連理工大學(xué)、北京理工大學(xué)等多家研究機(jī)構(gòu)和高校在涂層修復(fù)、尺寸修復(fù)等方面進(jìn)行了探索，已取得了一定成果。例如，北京航空材料研究院將冷噴涂用于修復(fù)發(fā)動機(jī)中央傳動機(jī)匣涂層，涂層性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通火焰噴涂、電弧噴涂和等離子噴涂。但與國外相比，我國對冷噴涂技術(shù)的理論研究和技術(shù)手段仍有差距，需建立起系統(tǒng)的指導(dǎo)體系，以便更深入地開展產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究和推廣。