基于冷噴涂法修復(fù)開裂彈筒的應(yīng)用研究

劉永勝 趙陽(yáng) 姜廣順 張偉

摘要：某型導(dǎo)彈儲(chǔ)運(yùn)彈筒加強(qiáng)筋和本體焊接點(diǎn)開裂，無(wú)法滿足導(dǎo)彈儲(chǔ)存和發(fā)射要求，利用傳統(tǒng)方法修理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成功率低。本文采用冷噴涂技術(shù)開展彈筒開裂部位修復(fù)研究，修復(fù)后的彈筒性能良好，可滿足正常使用要求。

關(guān)鍵詞：冷噴涂；修復(fù)；彈筒；應(yīng)用

Keywords：cold spraying；repair；cartridge case；application

0 引言

某型導(dǎo)彈維修過程中，發(fā)現(xiàn)其儲(chǔ)運(yùn)彈筒加強(qiáng)筋和本體焊接點(diǎn)有7處開裂，最大開裂尺寸為160mm×2mm。該彈筒為本體氣密結(jié)構(gòu)，內(nèi)充干燥氮?dú)?，便于彈藥長(zhǎng)期存儲(chǔ)，開裂的焊點(diǎn)將導(dǎo)致彈筒漏氣，無(wú)法正常使用。彈筒長(zhǎng)8000mm，直徑900mm，材料為5系鋁合金。若采用傳統(tǒng)方法對(duì)開裂部位進(jìn)行焊接修復(fù)，將影響焊接區(qū)域材料組織結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致附近材料變形、強(qiáng)度降低，修復(fù)成功率低。本文采用新工藝、新方法開展此故障彈筒的修復(fù)研究。

1 冷噴涂技術(shù)原理

每種金屬都有其特定的與溫度相關(guān)的臨界顆粒速度，冷噴涂技術(shù)是一種基于高速粒子固態(tài)沉積的涂層制備方法。冷噴涂過程原理如圖1所示，其利用空氣動(dòng)力學(xué)原理，以高壓氣體作為加速介質(zhì)，送入噴槍，同時(shí)噴涂粉末經(jīng)送粉氣體送入噴槍，經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的Laval型收縮—擴(kuò)張噴嘴加速，形成超音速氣—固兩相流；噴涂粒子在固態(tài)下碰撞基體，經(jīng)過劇烈的塑性變形而沉積形成涂層，防止材料組織發(fā)生破壞和減少?gòu)垜?yīng)力。在這一過程中，因無(wú)需將噴涂的金屬粒子熔化，避免了粒子在加熱過程中發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，加速氣體預(yù)熱到低于噴涂材料熔點(diǎn)的溫度以提高粒子速度與變形能力，進(jìn)而提高了沉積效率。該技術(shù)具有溫度低、對(duì)基體熱影響小、沉積率高、經(jīng)濟(jì)性好、涂層深層孔隙率低、結(jié)合力較好以及涂層能承受壓應(yīng)力等特點(diǎn)[1-4]。

Ajdelsztajn等利用冷噴涂技術(shù)成功制備了溫度敏感的納米鋁合金涂層，結(jié)果表明，涂層內(nèi)晶粒與原始粉末內(nèi)晶粒尺寸、硬度相當(dāng)[5]；Kreye等在鋁材基體上冷噴涂5mm厚的銅涂層，化學(xué)分析表明，基體沒有發(fā)生氧化反應(yīng)[6]。國(guó)內(nèi)研究鋁涂層硬度超過45HV[7]，Van等用拉銷試驗(yàn)測(cè)試了鋁材涂層的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)68～82MPa[8]。噴涂過程中，選擇適當(dāng)?shù)念w粒尺寸、噴涂距離[8]以及粒子的速度，沉積效率可超過80%[9]。國(guó)內(nèi)外研究表明，冷噴涂技術(shù)應(yīng)用于失效零部件的修復(fù)，采用與金屬零件成分相同的粉末為噴涂材料，可以使修復(fù)后的零件與新零件的性能相近[10-13]，從而恢復(fù)零件的使用性能，延長(zhǎng)服役時(shí)間。美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家均開展了冷噴涂修復(fù)的相關(guān)技術(shù)研究，已有報(bào)道冷噴涂用于鋁合金、鎂合金制備的渦輪盤、活塞、汽缸、閥門、環(huán)件等零件[14]。美國(guó)的Champagne等人[15]采用冷噴涂鋁涂層，對(duì)飛機(jī)傳動(dòng)器和齒輪箱的鎂合金外殼進(jìn)行了修復(fù)，涂層的結(jié)合強(qiáng)度超過70MPa，硬度達(dá)到HB57，比硬化變形鋁的硬度高20%～30%。

鑒于以上分析，擬采用冷噴涂技術(shù)對(duì)開裂部位進(jìn)行修復(fù)研究，該技術(shù)為綠色環(huán)保工藝，不會(huì)造成排污、噪聲等環(huán)境違規(guī)問題。

2 修復(fù)方案和流程

2.1 技術(shù)要求

為保障戰(zhàn)備值班需要，彈筒經(jīng)冷噴涂法修復(fù)后應(yīng)達(dá)到以下要求：

1）筒體耐壓值不小于0.4MPa；

2）涂層孔隙率低于1%；

3）涂層結(jié)合力不小于30MPa；

4）涂層硬度不小于HV60。

2.2 修復(fù)方案

因無(wú)法對(duì)修復(fù)后筒體的涂層進(jìn)行硬度、金相和結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)，先用筒體材料制作基材試樣，在修復(fù)筒體的同時(shí)，采用同樣的設(shè)備、材料、工藝和方法對(duì)基材試樣進(jìn)行噴涂，完畢后對(duì)試樣進(jìn)行檢驗(yàn)，以驗(yàn)證筒體的修復(fù)質(zhì)量?；脑嚇尤鐖D2所示，噴涂過程中，應(yīng)控制顆粒速度、顆粒溫度及氧化程度[16]、噴涂角度[17]、噴槍[18]、基體[19] 等多種因素對(duì)涂層效果的影響。

結(jié)合強(qiáng)度試樣、金相試樣和硬度試樣（見圖3），測(cè)試涂層與基材之間的結(jié)合力、金相組織和硬度。

耐壓試樣如圖4所示，制備一個(gè)可通氣保壓的筒體，在筒體外側(cè)鉆一個(gè) 5mm的通孔，用于模擬結(jié)構(gòu)貫穿裂紋損傷。采用冷噴工藝修復(fù)5mm的通孔，對(duì)冷噴修復(fù)后的筒體進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。

2.3 修復(fù)流程

1）工藝路線

方案及準(zhǔn)備→噴涂前檢查→清洗→防護(hù)→噴砂→噴涂→機(jī)加工→表面清理及多余物檢查→檢驗(yàn)。

2）修前準(zhǔn)備

對(duì)CZSB-PT-41冷噴涂系統(tǒng)設(shè)備、工具、鋁合金粉末、氮?dú)?、沙礫等進(jìn)行確認(rèn)。

3）重要工序

用丙酮清洗噴涂區(qū)域，清除油污、雜質(zhì)，用硅堵頭對(duì)孔、坑等進(jìn)行防護(hù)；清洗噴砂區(qū)域，噴砂后的表面無(wú)光澤和暗斑，吹凈噴砂區(qū)域表面；去除材料部位噴涂厚度大于3mm，邊緣部分搭接厚度至少0.5mm；將涂層加工至目標(biāo)尺寸，保證表面粗糙度，對(duì)修復(fù)部位進(jìn)行探傷，涂層本體不能有裂紋，對(duì)內(nèi)腔和表面清理、檢查。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)制備的金相試樣、結(jié)合力試樣、耐壓試樣進(jìn)行檢測(cè)。

1）試樣涂層外觀

所有試樣涂層表面均勻、連續(xù)，無(wú)片狀剝落、散裂、碎屑、氣泡及可見裂紋。

2）試樣涂層顯微硬度

對(duì)涂層的橫截面進(jìn)行微觀硬度檢測(cè)，每個(gè)試樣打10點(diǎn)（維氏），測(cè)試結(jié)果如表1所示。

3）試樣涂層金相

將試樣沿研究的觀察方向切開，對(duì)切開后的斷面鑲嵌、拋磨，涂層無(wú)裂紋，200倍顯微鏡下檢查涂層金相組織，涂層組織均勻、連續(xù)，與基體金屬界面無(wú)分離現(xiàn)象，界面污染不大于15%。涂層結(jié)合處金相形貌如圖5所示。對(duì)涂層孔隙率進(jìn)行測(cè)算，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

4）試樣結(jié)合強(qiáng)度

測(cè)試試樣的結(jié)合強(qiáng)度，測(cè)試值如圖6至圖8所示，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

5）性能試驗(yàn)?zāi)蛪杭懊芊庑?img src="https://cimg.fx361.com/images/2021/04/13/qkimageshkwghkwg202012hkwg20201226-4-l.jpg"/>

對(duì)修復(fù)后的耐壓試樣筒體供壓0.4MPa，保持10min無(wú)壓降；供壓3MPa，保持3～5s，泄壓后無(wú)永久變形和損壞，滿足技術(shù)要求。

6）筒體驗(yàn)證

對(duì)修復(fù)完成的彈筒進(jìn)行總體耐壓及密封性試驗(yàn)，打壓0.4MPa，保持24h無(wú)壓降，泄壓后無(wú)永久變形和損壞，滿足使用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

冷噴涂修復(fù)過程快速、簡(jiǎn)單，對(duì)基體材料無(wú)影響、孔隙率低，可形成更加致密、成分更穩(wěn)定的增材補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。修復(fù)后的彈筒性能良好，滿足正常使用要求。通過修理，掌握了噴槍與工件的距離、噴槍移動(dòng)速度、噴涂時(shí)間、工件溫度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了冷噴涂法對(duì)零件溫度的控制方法、不同合金混合粉形及合金化處理方法以及涂層韌性和耐壓密封性的檢測(cè)方法。編制的工藝文件涵蓋了過程控制、質(zhì)量檢驗(yàn)，內(nèi)容完整，工藝參數(shù)經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，能有效規(guī)范生產(chǎn)過程，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介

劉永勝，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)械修理技術(shù)研究工作。

趙陽(yáng)，工程師，主要從事冷噴涂修理技術(shù)研究工作。

姜廣順，工程師，主要從事裝備維修與保障技術(shù)研究。

張偉，工程師，主要從事導(dǎo)彈修理技術(shù)研究工作。