鋼結(jié)構(gòu)疲勞修復(fù)及延壽研究進(jìn)展*

楊俊芬 李立和 曲 凱 王維新

(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 西安 710055； 2.西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710055)

鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、塑性和韌性好、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于橋梁、機(jī)械、工業(yè)與民用建筑等工程領(lǐng)域。其中，吊車(chē)梁、橋梁、輸變電構(gòu)架、海洋平臺(tái)、超高層建筑等，均長(zhǎng)期承受著循環(huán)往復(fù)荷載作用而產(chǎn)生疲勞裂紋。如果不采取加固措施，構(gòu)件會(huì)隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展而發(fā)生脆性斷裂，甚至引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的失效。由于疲勞破壞發(fā)生時(shí)沒(méi)有明顯的宏觀塑性變形，且多為突發(fā)性破壞，其造成的生命和財(cái)產(chǎn)損失往往十分慘重。1967年12月美國(guó)西弗吉尼亞的Point Pleasant大橋在沒(méi)有任何預(yù)兆的情況下突然倒塌，造成46人死亡的重大事故，促使研究人員開(kāi)始對(duì)鋼結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)研究[1]。因此，深入研究鋼結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)件的疲勞破壞機(jī)理，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鋼結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)件的疲勞壽命，有效進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)件的疲勞修復(fù)與延壽，具有重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，是當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。

目前，鋼結(jié)構(gòu)疲勞方面的研究工作主要集中在兩個(gè)方面：一是疲勞壽命預(yù)測(cè)；二是疲勞修復(fù)與延壽。疲勞壽命預(yù)測(cè)主要是基于理論和試驗(yàn)來(lái)研究疲勞裂紋的擴(kuò)展速度并得到疲勞壽命曲線(S-N曲線或P-S-N曲線)；疲勞修復(fù)主要是對(duì)已服役且產(chǎn)生疲勞裂紋的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固修復(fù)以延長(zhǎng)其工作壽命；疲勞延壽主要是對(duì)未服役的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件預(yù)先進(jìn)行處理以延緩裂紋的形成和擴(kuò)展進(jìn)而延長(zhǎng)其工作壽命。普遍認(rèn)為疲勞破壞的過(guò)程為：零部件在循環(huán)載荷作用下，在局部的最高應(yīng)力處及應(yīng)力最大的晶粒上形成微觀裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，最后導(dǎo)致疲勞破壞[2]。疲勞破壞經(jīng)歷了裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段。其中第一和第三階段裂紋發(fā)展速率較快，而第二階段裂紋擴(kuò)展速率相對(duì)穩(wěn)定，因此在裂紋擴(kuò)展階段采取相應(yīng)的措施進(jìn)行裂紋修復(fù)以延長(zhǎng)擴(kuò)展期的壽命，將有利于延緩或消除疲勞破壞現(xiàn)象的發(fā)生。

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)疲勞修復(fù)和延壽技術(shù)基本原理和方法的回顧和總結(jié)，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并在此基礎(chǔ)上介紹冷噴涂這種新興的表面處理技術(shù)，對(duì)冷噴涂技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)疲勞修復(fù)和延壽領(lǐng)域的應(yīng)用提出了展望。

1 鋼結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)疲勞修復(fù)技術(shù)回顧

1.1 疲勞修復(fù)的主要途徑與方法

1.1.1鉆孔止裂技術(shù)

對(duì)于已經(jīng)產(chǎn)生疲勞裂紋的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，一般首先采取鉆孔止裂措施，以延緩裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)而采取下一步完善的修復(fù)措施。鉆孔止裂技術(shù)是指在裂紋尖端前方鉆孔以消除應(yīng)力集中，達(dá)到阻止或延緩疲勞裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展、延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的目的。該技術(shù)在橋梁、吊車(chē)梁等結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多，如張威等采用裂縫端部打孔后用螺栓連接角鋼的方式對(duì)腹板上部開(kāi)裂的重級(jí)工作制吊車(chē)梁進(jìn)行了加固及疲勞試驗(yàn)研究，結(jié)果表明該加固方案既可使梁的承載應(yīng)力下降，又可減小裂縫尖端應(yīng)力集中效應(yīng)[3]。姚悅等采用擴(kuò)展有限元模擬頂板彎曲荷載與U肋變形次應(yīng)力作用下的水平裂紋,結(jié)果表明鉆孔止裂可以緩解水平裂紋的二次開(kāi)裂[4]。劉天笳等采用雙孔和附加孔2種多止裂孔布置方式,對(duì)開(kāi)裂模型進(jìn)行線彈性有限元分析,結(jié)果表明雙孔布置對(duì)疲勞裂紋的開(kāi)展起到了持續(xù)的抑制作用,在不能精確定位裂紋尖端時(shí)可以作為一種有效的備用方法[5]。鉆孔止裂技術(shù)通常作為疲勞裂紋的臨時(shí)止裂方法，通過(guò)控制止裂孔孔徑、數(shù)目、位置及角度等參數(shù)，可有效延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。但是，開(kāi)孔會(huì)削弱截面，并形成新的應(yīng)力集中區(qū)，且止裂孔過(guò)大時(shí)會(huì)造成構(gòu)件因強(qiáng)度不足而破壞。因此，采用鉆孔止裂方法后，仍需采用其他技術(shù)對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行修復(fù)和延壽處理。

1.1.2纖維板補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)

近年來(lái)，隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP) 的迅速發(fā)展，研究人員也逐步開(kāi)展用FRP加固修復(fù)金屬材料的試驗(yàn)研究和理論分析，所采用的纖維材料主要有碳纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維、硼纖維等，被加固的金屬材料主要有鋁合金、鎂合金等航空工業(yè)材料及鋼材等[6]。其中，碳纖維(CF)及其復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞等一系列優(yōu)異性能，作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料在國(guó)防軍工和民用方面得到廣泛應(yīng)用。早在20世紀(jì)70年代，航空工業(yè)中就開(kāi)始使用碳纖維板補(bǔ)強(qiáng)法對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋進(jìn)行止裂和修復(fù)[6]。20世紀(jì)90年代以來(lái)，碳纖維板補(bǔ)強(qiáng)法開(kāi)始被應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，用碳纖維板代替補(bǔ)強(qiáng)鋼板，粘貼于開(kāi)裂板件之上[7]。除了用碳纖維板進(jìn)行加固修復(fù)以外，還可采用碳纖維布加固曲面結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)加固鋼結(jié)構(gòu)的原理、粘接膠層的疲勞性能及破壞模式、CFRP加固鋼構(gòu)件的數(shù)值模擬、加固后鋼構(gòu)件的疲勞性能及疲勞壽命分析等方面都進(jìn)行了大量的研究工作[8-13]。雖然碳纖維板補(bǔ)強(qiáng)法在較薄板件疲勞裂紋的止裂和修復(fù)中取得了較好的效果[14]，但目前對(duì)其加固鋼結(jié)構(gòu)后的長(zhǎng)期受力性能、耐久性以及對(duì)鋼結(jié)構(gòu)中較厚板件的適用性仍待進(jìn)一步研究。

1.1.3激光熔覆技術(shù)

激光熔覆亦稱激光包覆或激光熔覆蓋，是利用具有高能密度的激光束使某種特殊性能的材料熔覆在基體材料表面與基材相互熔合，形成與基體成分和性能完全不同的合金熔覆層[15]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在激光熔覆技術(shù)改善金屬材料疲勞性能方面也開(kāi)展了相關(guān)研究工作。胡芳友等研究了激光熔覆對(duì)鋁合金疲勞性能的影響，結(jié)果表明表面激光熔覆會(huì)顯著降低材料的疲勞性能，經(jīng)過(guò)表面機(jī)械沖擊后，疲勞性能得到顯著提高，提高幅度為244%[16]。孫福娟等在航空鋁材2A12CZ表面激光熔覆Al-Y(6%Y)合金粉末后進(jìn)行疲勞性能測(cè)試，結(jié)果表明熔覆試樣的安全壽命達(dá)到了基材的65.1%，熔覆層與基材緊密結(jié)合，熔覆層中無(wú)明顯氣孔和缺陷[17]。Da等研究了激光熔覆修復(fù)對(duì)超高強(qiáng)度AISI 4340鋼疲勞性能的影響，結(jié)果表明熔覆層硬度、熔覆粉末的性能、后熱處理等對(duì)鋼材的抗拉性能和疲勞壽命均有一定影響[18]。葛茂忠等采用激光熔覆技術(shù)，通過(guò)逐層堆積TC4鈦粉，對(duì)TC4鈦合金板表面凹槽進(jìn)行修復(fù)，通過(guò)試驗(yàn)和觀察得出結(jié)論，同母材相比，激光熔覆修復(fù)件疲勞裂紋擴(kuò)展速率顯著降低[19]。激光熔覆技術(shù)經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，一定程度上解決了傳統(tǒng)電焊、氬弧焊等熱過(guò)程中不可避免的熱變形、熱疲勞損傷等技術(shù)難題，同時(shí)也解決了傳統(tǒng)電鍍、噴涂等冷加工過(guò)程中覆層與基體結(jié)合強(qiáng)度差的難題，已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)、航空航天工業(yè)、熱能動(dòng)力工業(yè)、模具制造等行業(yè)中，極大地改善了材料的表面硬度、耐磨性、抗熱疲勞等性能[20]。但是以往的研究表明，激光熔覆層中會(huì)不可避免地產(chǎn)生少量裂紋以及微氣孔，這些缺陷在外力的作用下會(huì)導(dǎo)致宏觀尺度的裂紋出現(xiàn)，從而降低了熔覆層的強(qiáng)化作用，使得母材性能甚至比熔覆前的效果更差，導(dǎo)致時(shí)間和資源的浪費(fèi)[21]。

1.1.4仿生修復(fù)技術(shù)

在自然界中，貝殼、植物葉片、蜻蜓翅膀等生物組織具有良好的止裂抗疲勞性能。研究發(fā)現(xiàn)這些抗疲勞性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)具有相似的特性，即軟質(zhì)相(基體)與硬質(zhì)單元交替結(jié)合，形成“軟-硬”相間的耦合結(jié)構(gòu)。通過(guò)簡(jiǎn)化耦合結(jié)構(gòu)，并用激光技術(shù)仿制，可以達(dá)到修復(fù)疲勞裂紋，提高材料抗疲勞性能的目的。馬思遠(yuǎn)在此啟發(fā)下利用激光技術(shù)制備出硬質(zhì)相的仿生止裂單元體對(duì)裂紋進(jìn)行間斷修復(fù)，結(jié)果表明該方法能夠有效地將熱疲勞裂紋進(jìn)行愈合并阻止其發(fā)生進(jìn)一步擴(kuò)展，大大延長(zhǎng)了仿生修復(fù)試樣的疲勞壽命[22]。佟鑫采用激光表面處理技術(shù)在鑄鐵母體表層制備仿生耦合單元體，結(jié)果表明仿生耦合單元體不但具有優(yōu)良的抗熱疲勞裂紋萌生能力,而且能夠有效地抑制裂紋擴(kuò)展[23]。雖然仿生修復(fù)技術(shù)相比于傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)具有修復(fù)速度快，效率高、既適用于精密微細(xì)修復(fù)，又適用于大型材料修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，但是該技術(shù)的修復(fù)成本較高，且仍處于試驗(yàn)階段，尚沒(méi)有形成系統(tǒng)完善的理論，投入實(shí)際應(yīng)用前仍需要進(jìn)一步的研究。

1.1.5其他方法

滲透填充法，即通過(guò)向裂紋尖端填充環(huán)氧樹(shù)脂、鋁粉末等物質(zhì)，使裂紋產(chǎn)生閉合效應(yīng)，從而延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展，延長(zhǎng)開(kāi)裂板件的疲勞壽命。研究表明，滲透填充法能有效地延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展，但由于實(shí)際填充過(guò)程的不穩(wěn)定性，其止裂效果具有不確定性[24]。裂紋焊合法一般采用碳弧氣刨、風(fēng)鏟等將裂紋邊緣加工出坡口直至裂紋尖端，然后用焊縫焊合，裂紋焊合法雖然可以修復(fù)疲勞裂紋，消除裂紋尖端的應(yīng)力集中，但焊接會(huì)使焊接部位性能劣化并引入新的斷裂源。裂紋閉合沖擊改進(jìn)技術(shù)(ICR)通過(guò)高速?zèng)_擊母材,使其表面產(chǎn)生較大的塑性變形,使裂紋的開(kāi)口閉合,同時(shí)引入較大的殘余壓應(yīng)力。雖然該技術(shù)能夠延緩裂紋擴(kuò)展,延長(zhǎng)疲勞剩余壽命,改善開(kāi)裂后的疲勞性能,但是針對(duì)修復(fù)后的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律,具體的疲勞性能改善效果尚不明確。粘鋼加固法一般是將鋼板采用環(huán)氧類黏結(jié)劑粘在被加固構(gòu)件上并使之與結(jié)構(gòu)形成整體,達(dá)到與構(gòu)件整體協(xié)同工作,共同受力的目的，修補(bǔ)既有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的缺陷且改善構(gòu)件的薄弱部位,從而提高構(gòu)件的抗彎、抗剪能力,同時(shí)抑制構(gòu)件裂縫擴(kuò)展[25]。該方法在操作過(guò)程中幾乎不會(huì)殘留氣孔，黏結(jié)效果好，省時(shí)且易掌握，但不易將鋼板制作成復(fù)雜形狀，且鋼板銹蝕會(huì)影響?zhàn)そY(jié)強(qiáng)度，高分子材料抗老化性能有待驗(yàn)證，維護(hù)費(fèi)用高[26]。

1.2 疲勞修復(fù)技術(shù)可行性分析

以上疲勞裂紋修復(fù)方法雖然可以在一定程度上延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展，延長(zhǎng)構(gòu)件疲勞壽命，但其在實(shí)際應(yīng)用中均面臨一些困難。疲勞裂紋修復(fù)技術(shù)只能一定程度上修復(fù)疲勞裂紋，阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展延長(zhǎng)構(gòu)件的疲勞壽命，而無(wú)法完全消除裂紋源，在循環(huán)荷載作用下，疲勞裂紋會(huì)從修復(fù)前的裂紋尖端或修復(fù)后新的薄弱點(diǎn)處萌生、開(kāi)裂。因此，對(duì)疲勞裂紋修復(fù)方法要謹(jǐn)慎地選擇和使用，必要時(shí)應(yīng)降低構(gòu)件的使用荷載。當(dāng)前，尚需對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究：1)修復(fù)后構(gòu)件疲勞壽命預(yù)測(cè)的理論和方法；2)修復(fù)后構(gòu)件使用荷載的限制要求；3)修復(fù)工藝的優(yōu)化。對(duì)各疲勞裂紋修復(fù)技術(shù)的特點(diǎn)和修復(fù)效果進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，如表1所示。

2 鋼結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)疲勞延壽技術(shù)回顧

2.1 疲勞延壽的主要途徑與方法

對(duì)于未服役或已服役而未產(chǎn)生疲勞裂紋的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，主要是焊接接頭與焊接結(jié)構(gòu)，可以事先采取措施來(lái)改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)焊接接頭的疲勞壽命。措施主要包括：改善焊縫形狀、改善焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)、改善局部受力等，以及多種措施的綜合采用。對(duì)各種用于改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度方法的原理和存在的不足總結(jié)如表2所示[27]。

目前，鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)熔修法、焊趾磨削法、局部機(jī)械加工法、錘擊法、局部加熱法等已成為提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的常用方法[28]。其中，粘貼碳纖維布的方法既可用于已產(chǎn)生疲勞裂紋鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞修復(fù)，也可用于未產(chǎn)生疲勞裂紋鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞延壽。TIG熔修、焊縫磨削及錘擊法的實(shí)際應(yīng)用最為成熟，近年來(lái)已被陸續(xù)列入美國(guó)焊接學(xué)會(huì)(AWS)、國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW)、挪威船級(jí)社(DNV)等國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)的相關(guān)疲勞設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中[18]。

除對(duì)材料和接頭等關(guān)鍵部位進(jìn)行疲勞延壽以提高整體結(jié)構(gòu)的疲勞壽命外，研究人員還做了其他方面的相關(guān)研究，如采取結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的方法通過(guò)控制結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，能有效降低疲勞荷載作用下的應(yīng)力幅，從而起到延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的作用[29]。文獻(xiàn)[29]就目前常用的振動(dòng)控制方法——調(diào)諧質(zhì)量阻尼器 (TMD)對(duì)鋼箱梁橋的振動(dòng)控制和延壽效果進(jìn)行了研究，分析了在最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)情況下，TMD系統(tǒng)對(duì)鋼箱梁橋的延壽效果。通過(guò)對(duì)設(shè)置了TMD系統(tǒng)和未設(shè)置TMD系統(tǒng)的鋼箱梁橋疲勞壽命對(duì)比分析指出，在最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)情況下，TMD系統(tǒng)的延壽率達(dá)到了344.3%，延壽效果十分明顯。另外，杜百平等研究了淬火、回火和中間退火等熱處理工藝對(duì)疲勞損傷鋼材的延壽機(jī)理及延壽效果，結(jié)果表明中間退火減慢了微觀裂紋向宏觀短裂紋擴(kuò)展的速率[30-31]。盛杰等對(duì)IN718鎳基合金單聯(lián)中心孔拉伸試樣進(jìn)行了激光噴丸強(qiáng)化高溫疲勞拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明激光噴丸可以抑制或消除IN718鎳基合金表層疲勞裂紋的萌生趨勢(shì)，顯著提高其常溫和高溫疲勞壽命[32]。

2.2 疲勞延壽技術(shù)可行性分析

雖然改善鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能的方法很多，但大多方法仍處于試驗(yàn)階段或僅適用于工廠加工，并不適合現(xiàn)場(chǎng)操作，主要原因有設(shè)備龐大、操作過(guò)程復(fù)雜、相關(guān)技術(shù)不成熟、對(duì)構(gòu)件形狀和操作環(huán)境有特定要求。當(dāng)原有構(gòu)件的疲勞性能較差時(shí)，在綜合考慮成本、結(jié)構(gòu)重要程度等因素后，采取合適的延壽技術(shù)處理在一定程度上可以取得較好的效益。但修復(fù)后的美觀問(wèn)題以及何時(shí)采用延壽技術(shù)還需要進(jìn)行研究。對(duì)體積較大的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)用延壽技術(shù)并不現(xiàn)實(shí)，應(yīng)選擇關(guān)鍵部位進(jìn)行延壽技術(shù)處理，且需要考慮效益和成本之間的問(wèn)題。另外，如何對(duì)延壽處理后的構(gòu)件進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估、對(duì)延壽技術(shù)進(jìn)行工藝優(yōu)化、提高其可操作性和現(xiàn)場(chǎng)適用性、對(duì)構(gòu)件在出廠前進(jìn)行延壽處理等都是值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

3 冷噴涂疲勞修復(fù)及延壽技術(shù)

3.1 冷噴涂技術(shù)原理

冷噴涂(CS)又稱冷空氣動(dòng)力學(xué)噴涂(CGDS)，是20世紀(jì)80年代中期由蘇聯(lián)科學(xué)院西伯利亞分院理論和應(yīng)用研究所的Papyrin 教授及其團(tuán)隊(duì)在做氣體和固體顆粒超聲二相流風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)首次發(fā)現(xiàn)的[33]。冷噴涂是熱噴涂方法的一個(gè)分支，與其他固態(tài)物質(zhì)處理方法不同的是，冷噴涂通過(guò)對(duì)壓縮氣體的預(yù)熱，以及在縮放型Laval噴管中產(chǎn)生超高速氣流，粒子經(jīng)氣體加速后以超音速撞擊基體，然后在基體表面沉積為涂層，冷噴涂技術(shù)示意如圖1所示，由于粉末粒子在整個(gè)沉積過(guò)程中溫度低于其熔點(diǎn)，故稱為冷噴涂[34]。

圖1 冷噴涂技術(shù)示意Fig.1 The schematic diagram of the cold spraying technique

3.2 冷噴涂技術(shù)沉積結(jié)合機(jī)理

Assadi等結(jié)合冷噴涂顆粒沉積存在臨界速度的試驗(yàn)結(jié)果和冷噴涂顆粒高速碰撞過(guò)程的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提出了著名的界面絕熱剪切失穩(wěn)導(dǎo)致顆粒結(jié)合的理論[35]。研究者們基于該理論提出了4種可能的冷噴涂沉積結(jié)合方式：機(jī)械結(jié)合、冶金結(jié)合、物理結(jié)合、化學(xué)結(jié)合。在不同材料和工藝條件下，涂層中可能存在上述一種或幾種結(jié)合方式[36]。

粒子與基板界面一方面由于凹凸表面形成相互嵌合而形成機(jī)械結(jié)合，另一方面是由粒子與基板界面形成旋渦狀的組織形貌導(dǎo)致較強(qiáng)的咬合。對(duì)于碰撞速度大、初始溫度高、導(dǎo)熱性差、熔點(diǎn)低的材料，其接觸界面的局部最高溫度將超過(guò)材料的熔點(diǎn)，則在界面的局部可能產(chǎn)生原子的擴(kuò)散結(jié)合機(jī)制，從而有利于冶金結(jié)合的產(chǎn)生[37-38]。葛益等系統(tǒng)總結(jié)和回顧了當(dāng)前主流的冷噴涂顆粒結(jié)合形成機(jī)理，并概括總結(jié)了其基本概念、原理和特點(diǎn)[39]。王強(qiáng)等對(duì)AZ91鋁合金表面冷噴涂鋁涂層的工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究，設(shè)計(jì)了有效評(píng)估冷噴涂涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試方法[40-42]。目前，研究者們對(duì)粉末和基體的結(jié)合機(jī)理等一些理論已有廣泛的共識(shí)，為冷噴涂技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段，在不同工藝要求下準(zhǔn)確地設(shè)定冷噴涂工藝參數(shù)仍然是阻礙冷噴涂技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)難題，如何精確、高效地制備高性能的可應(yīng)用涂層是需要解決的一項(xiàng)重要課題。

3.3 冷噴涂疲勞延壽及修復(fù)技術(shù)最新研究進(jìn)展

M22×1為外徑尺寸為22 mm、螺距為1 mm的公制細(xì)牙螺紋。圖2 疲勞試樣尺寸與形狀 mmFig.2 The sizes and shapes of fatigue specimens

a—削弱的試樣；b—冷噴涂修復(fù)。圖3 冷噴涂對(duì)疲勞試樣進(jìn)行修復(fù) mmFig.3 The fatigue specimens repaired by cold spraying

a—a-N曲線； b—da/dN-ΔK曲線。圖4 裂紋擴(kuò)展曲線Fig.4 Crack propagation curves

上述研究中冷噴涂技術(shù)主要用于修復(fù)航空工業(yè)常用的鋁合金材料，近年來(lái)已有學(xué)者開(kāi)始研究冷噴涂技術(shù)用于修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)的可能性。

Faccoli等對(duì)帶缺口的馬氏體不銹鋼試樣分別采用冷噴涂奧氏體不銹鋼原料粉和TIG熔修法進(jìn)行修復(fù)，結(jié)果表明冷噴涂沉積過(guò)程中產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力能提高材料的疲勞性能[49]。此外，采用不同細(xì)度的粉末填充不同類型的缺口或裂紋，并進(jìn)行緊密堆積，有利于缺口或裂紋的修復(fù)。Cizek等研究了冷噴涂、熱噴涂及等離子噴涂三種層狀沉積方式對(duì)低碳鋼試樣疲勞性能的影響，其中冷噴涂分別采用了低壓冷噴涂和便攜式冷噴涂?jī)煞N方式進(jìn)行試驗(yàn)，四種噴涂方式對(duì)疲勞相對(duì)壽命的提高幅度分別為：低壓冷噴涂234%，便攜冷噴涂210%，熱噴涂355%，等離子噴涂303%[50]。Dayani等為提高鎂合金的抗疲勞性能，將具有高疲勞強(qiáng)度和高黏接強(qiáng)度的AA7075粉末成功地涂覆在鑄態(tài)AZ31B基體上。在1 000萬(wàn)次循環(huán)荷載作用后發(fā)現(xiàn)，有涂層的試樣涂層完整，裂紋擴(kuò)展速度明顯延遲[51]。楊俊芬等在Q335B鋼表面上沉積A5052鋁合金和純Al冷噴涂涂層并對(duì)其進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明A5052鋁合金涂層在改善Q335B鋼的疲勞開(kāi)裂性能方面比純Al涂層更有效[52]。Cavaliere等還用鉻鎳鐵合金625粉末噴涂在熱處理鉻鎳鐵合金718基體上制備了冷噴涂涂層。結(jié)果表明熱處理對(duì)抑制疲勞裂紋有良好的效果[48]。Silvello等研究了IN625冷噴涂層在碳鋼V型缺口基體上的組織和力學(xué)性能[53]。結(jié)果表明，冷噴涂的沉積和修復(fù)可以提高裂紋結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，進(jìn)而可提高裂紋結(jié)構(gòu)的整體疲勞壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，國(guó)內(nèi)外廣大的科研工作者在鋼結(jié)構(gòu)的疲勞修復(fù)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究工作，取得了豐富的研究成果，為該學(xué)科的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但傳統(tǒng)的疲勞修復(fù)和延壽技術(shù)在實(shí)際操作中都有其自身無(wú)法克服的困難。冷噴涂技術(shù)作為一種新興的表面處理技術(shù)，由于其避免了傳統(tǒng)疲勞修復(fù)和延壽技術(shù)的一些缺點(diǎn)，因此在改善和修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)件的疲勞性能方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。首先構(gòu)件在修復(fù)過(guò)程中受熱小，且不會(huì)對(duì)被修復(fù)(噴涂)構(gòu)件的外觀造成破壞。其次修復(fù)效率高、設(shè)備易攜帶，適合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。最后涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，同時(shí)具有較好的沖擊韌性。由于該技術(shù)目前處于發(fā)展的初始階段，并沒(méi)有形成完善的理論，因此也存在成本高、工藝參數(shù)不好控制等問(wèn)題，但冷噴涂技術(shù)在改善鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能方面表現(xiàn)出的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)了該技術(shù)的極大發(fā)展?jié)摿?。結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者在冷噴涂技術(shù)改善鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究現(xiàn)狀，對(duì)后續(xù)該領(lǐng)域的工作提出以下展望：

1)當(dāng)前研究主要集中在對(duì)一些簡(jiǎn)單的小尺寸試件進(jìn)行試驗(yàn)研究和理論分析，缺乏對(duì)大型構(gòu)件或大荷載作用下構(gòu)件的疲勞修復(fù)和延壽試驗(yàn)，由小尺寸試件所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)果是否適用于大型構(gòu)件尚不明確，難以驗(yàn)證冷噴涂技術(shù)應(yīng)用于大型工程疲勞修復(fù)和延壽的可行性和有效性。

2)對(duì)于冷噴涂后構(gòu)件的疲勞壽命缺乏理論評(píng)估方法。由于冷噴涂技術(shù)是新興的疲勞裂紋修復(fù)和延壽方法，當(dāng)前研究仍處于初步探索其相關(guān)基礎(chǔ)理論和工藝參數(shù)的階段，且其修復(fù)和延壽效果和試驗(yàn)狀況、工藝參數(shù)以及基體材料性能有密切的關(guān)系，因此，評(píng)估冷噴涂后構(gòu)件的疲勞壽命需要積累更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3)目前對(duì)冷噴涂技術(shù)的有限元模擬方法僅停留在單個(gè)粉末粒子撞擊基體的層面，缺乏宏觀上對(duì)涂層性能、涂層和基體的結(jié)合性能以及冷噴涂后構(gòu)件的疲勞斷裂過(guò)程的有效的、精確的模擬方法。如果有限元模擬方法能夠取得突破，將極大地降低冷噴涂在疲勞修復(fù)和延壽領(lǐng)域的研究成本，提高研究效率。

4)已有研究表明，在冷噴涂前后對(duì)基體或涂層進(jìn)行前處理和后處理能夠進(jìn)一步提高其修復(fù)和延壽效果，如通過(guò)噴砂(前處理)提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，熱處理(后處理)改善涂層性能等，但目前相關(guān)的研究并不深入，冷噴涂前后處理的具體工藝參數(shù)有待進(jìn)一步試驗(yàn)確定。