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摘 要： [摘 要] 冷噴涂作為一種低溫固態(tài)成型技術(shù)，具有基材熱影響
[摘 要] 冷噴涂作為一種低溫固態(tài)成型技術(shù)，具有基材熱影響小、粉末材料不易氧化、沉積效率高等特點(diǎn)，可用于金屬防護(hù)涂層制備、零部件修復(fù)和增材制造。首先從冷噴涂系統(tǒng)、噴涂材料、噴涂工藝 3 個(gè)方面介紹了冷噴涂技術(shù)的特點(diǎn); 其次總結(jié)了近年來(lái)冷噴涂技術(shù)在粉末材料設(shè)計(jì)、涂層結(jié)合機(jī)理、組織結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控方面的研究進(jìn)展; 然后，詳述了冷噴涂技術(shù)在國(guó)外海軍艦船領(lǐng)域的應(yīng)用情況; 最后，簡(jiǎn)述了冷噴涂技術(shù)在我國(guó)海軍艦船領(lǐng)域的研究及應(yīng)用情況，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望，以期提高我國(guó)海軍艦船裝備腐蝕防護(hù)及維修保障能力。
[關(guān)鍵詞] 冷噴涂; 金屬涂層; 零件修復(fù); 腐蝕; 艦船
0 前 言
冷噴涂( Cold spray，CS) 又稱冷氣動(dòng)力噴涂( Cold Gas Dynamic Spray，CGDS) ，是一門新興的表面工程技術(shù)。作為一種固態(tài)成形技術(shù)，冷噴涂通過(guò)一定溫度與壓力的氣體( 氮?dú)狻嚎s空氣、氦氣等) 將固態(tài)顆粒加熱加速后，高速碰撞固態(tài)基體產(chǎn)生適當(dāng)?shù)淖冃味喂探Y(jié)合在基體表面沉積形成涂層[1-4]。與熱噴涂相比，冷噴涂不需要高溫的等離子射流、火焰流或電弧等熱源來(lái)加熱熔化噴涂材料，其采用加熱的高壓氣流將噴涂材料顆粒加速至臨界沉積速度以上，噴涂顆粒以固態(tài)形式碰撞沉積到基體表面，通過(guò)顆粒之間和顆粒 -基體界面局部塑性變形引起的局部冶金結(jié)合和機(jī)械聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)沉積，影響其沉積性能的主要因素是固態(tài)顆粒與基體的碰撞作用行為[1]。因此，冷噴涂具有加工溫度低、對(duì)基體熱影響小、噴涂材料不易氧化的特點(diǎn)。20 世紀(jì) 80 年代中期，前蘇聯(lián)科學(xué)院西伯利亞分院理論與應(yīng)用力學(xué)研究所的 Alkimov 等人在進(jìn)行超音速風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)示蹤顆粒速度在超過(guò)一定的臨界值后發(fā)生了沉積現(xiàn)象，基于此提出了冷噴涂的概念，并在 1994 年申請(qǐng)了冷噴涂專利[2，3]。2000 年在加拿大蒙特利爾召開的國(guó)際熱噴涂會(huì)議組織了首場(chǎng)冷噴涂報(bào)告會(huì)，在國(guó)際上引起了廣泛關(guān)注[5]。經(jīng)過(guò) 20 余年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在冷噴涂裝備研發(fā)、噴涂過(guò)程數(shù)值模擬、噴涂材料設(shè)計(jì)、制備工藝優(yōu)化等方面開展了大量的研究，這些研究推動(dòng)了冷噴涂技術(shù)在航空航天、能源電力、武器裝備、醫(yī)療器械、增材制造等領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用[6]，但是關(guān)于冷噴涂技術(shù)在船舶海洋裝備領(lǐng)域的應(yīng)用報(bào)道較少。本文在廣泛查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從冷噴涂技術(shù)特點(diǎn)、研究進(jìn)展、艦船領(lǐng)域應(yīng)用 3 個(gè)方面對(duì)冷噴涂在艦船裝備領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行了展望。
1 冷噴涂技術(shù)特點(diǎn)
與熱噴涂相比，冷噴涂技術(shù)在噴涂系統(tǒng)、噴涂材料、噴涂工藝方面具有顯著的特點(diǎn)[6，7]:
( 1) 熱輸入低。冷噴涂設(shè)備雖然采用具有一定溫度的( 400～1 000 ℃ ) 高壓( 0.35 ～ 7.00 MPa) 氣體作為動(dòng)力[8]，但是從噴嘴流出的膨脹氣流溫度較低( 100 ～ 500 ℃ ) ，因此涂層沉積過(guò)程對(duì)基體組織結(jié)構(gòu)的影響很小，特別適宜于在輕合金和金屬薄壁件等對(duì)溫度比較敏感的表面制備涂層。
( 2) 噴涂材料不易氧化。噴涂粉末在 N2、He 氣等非氧化性氣流中加熱加速，且加熱溫度較低，沉積的涂層基本不會(huì)發(fā)生氧化，有利于高性能金屬涂層的制備。
( 3) 涂層致密。冷噴涂是通過(guò)高速粒子固態(tài)碰撞沉積形成涂層，優(yōu)化參數(shù)下沉積的涂層孔隙率極低，接近塊體材料; 涂層中殘余應(yīng)力較小且主要是殘余壓應(yīng)力，因此沉積層厚度不受限制。
( 4) 噴涂效率極高。一般金屬粉末沉積效率可達(dá) 90%以上，沉積速率可達(dá) 25 kg /h，適宜于大型金屬構(gòu)件的局部修復(fù)和增材制造。澳大利亞 Titomic 公司通過(guò)商用冷噴涂系統(tǒng)成功打印出了 4.5 m 的鈦合金構(gòu)件。
( 5) 涂層加工性能優(yōu)越。細(xì)小的噴涂粉末經(jīng)充分塑性變形沉積形成致密的涂層，因此涂層表面粗糙度較低，且具有極佳的加工性能。
1.1 冷噴涂系統(tǒng)
根據(jù)工藝不同，目前冷噴涂系統(tǒng)可分為高壓冷噴涂( High Pressure Cold Spray，HPCS; ﹥ 1 MPa) 、低壓冷噴涂( Low Pressure Cold Spray，LPCS; ≤1 MPa) 、真空冷噴涂( Vacuum Cold Spray，VCS) 3 類。高壓冷噴涂系統(tǒng)原理如圖 1a 所示[6]，高壓氣體經(jīng)加熱器加熱后通過(guò)拉瓦爾噴嘴( Laval nozzle) 加速產(chǎn)生超音速氣流，將微米級(jí)的噴涂粉末通過(guò)高壓送粉裝置送入超音速氣流中加速加熱后，以固態(tài)形式碰撞沉積到基體表面形成涂層。圖 1b 所示是德國(guó) Impact Innovations 公司的高壓冷噴涂系統(tǒng)，主要由控制系統(tǒng)、噴槍、加熱器、送粉器、氣源及噴涂機(jī)械手等組成，其核心構(gòu)件是噴槍。低壓冷噴涂系統(tǒng)是為了滿足現(xiàn)場(chǎng)的涂層制備或構(gòu)件修復(fù)而開發(fā)，結(jié)構(gòu)與高壓冷噴涂基本相同，為了降低送粉難度，通常在 Laval 噴管的擴(kuò)展段壓力較低的部位送入粉末。真空冷噴涂是指在低于大氣壓的環(huán)境中進(jìn)行噴涂，主要采用亞微米尺度的陶瓷微粒在低壓外部環(huán)境下實(shí)現(xiàn)陶瓷涂層的沉積，低壓環(huán)境可降低外部氣體分子對(duì)亞微米尺度粉末的減速效應(yīng)。與傳統(tǒng)的熱噴涂相比，冷噴涂過(guò)程熱輸入明顯降低，即便是在大氣氣氛下粉末顆粒也不會(huì)發(fā)生氧化，因此特別適合易氧化金屬材料的涂層制備; 材料沉積過(guò)程中熱應(yīng)力較小，對(duì)工件熱影響較小，避免了工件的變形及基體金屬的相變。
西安交通大學(xué)于 2001 年初自主研發(fā)了國(guó)內(nèi)首套 CS -2000 型冷噴涂試驗(yàn)系統(tǒng)，德國(guó)冷氣技術(shù)( Cold Gas Technology，CGT) 氣體公司 2001 年在國(guó)際熱噴涂大會(huì)期間首次展出了 Kinetiks Ⓒ 3000 型商用冷噴涂系統(tǒng)，隨后，美國(guó)、日本、韓國(guó)、德國(guó)等國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)和公司也推出了不同型號(hào)的冷噴涂系統(tǒng)[1]。目前應(yīng)用較廣的高壓冷噴涂設(shè)備主要來(lái)自德國(guó) Impact Innovations、日本Plasma Giken 以及美國(guó) VRC Metal Systems 等公司; 低壓冷噴涂設(shè)備主要來(lái)自加拿大的 Center Line、美國(guó)的 Inovati、俄羅斯 OCPS 等公司。值得一提的是，美國(guó) Inovati 公司的 KM 系列低壓冷噴涂系統(tǒng)具有機(jī)架式噴槍和手持式噴槍，采用 He 氣加速，氣體壓力 0.35 ～ 0.90 MPa，溫度 0～1 000 ℃。該系統(tǒng)是美國(guó)海軍用于裝備維修的主要設(shè)備[8]( 該系統(tǒng)受美國(guó)商務(wù)部監(jiān)管，禁止出口到中國(guó)軍工科研單位) 。
1.2 噴涂材料
從原理上來(lái)說(shuō)，冷噴涂可沉積的涂層材料幾乎包括所有的金屬、金屬 -陶瓷復(fù)合材料，如 Al、Zn、Cu、Ni、 Ti、Ag、Fe、NiCr 等金屬和合金，Cr3 C2-NiCr、WC -Co 等金屬-陶瓷復(fù)合材料，涂層厚度從幾十微米到幾厘米。隨著冷噴涂裝備的發(fā)展，氣體溫度和壓力范圍越來(lái)越廣，可噴涂沉積的材料種類不斷增加。根據(jù)近年來(lái)文獻(xiàn)報(bào)道，可噴涂主要材料見(jiàn)表 1 所示[5-11]。不同噴涂材料賦予了涂層不同的性能，因此冷噴涂在制備耐腐蝕、耐高溫、耐磨等保護(hù)涂層、光催化 TiO2、羥基磷灰石等功能涂層以及金屬構(gòu)件修復(fù)、噴涂成型等方面具有良好的應(yīng)用前景。
1.3 噴涂工藝
圖 2 介紹了常用的金屬噴涂技術(shù)操作窗口，冷噴涂具有溫度最低、速度最高的特點(diǎn)。
影響冷噴涂沉積涂層性能的因素有粉末粒度( 一般 10～50 μm) 、臨界速度、載氣參數(shù)( 氣體壓力、溫度、類型) 和噴涂距離等，臨界速度和載氣參數(shù)是其中的關(guān)鍵。
( 1) 臨界速度。臨界速度是指噴涂粒子碰撞基體材料時(shí)能實(shí)現(xiàn)沉積的速度，冷噴涂沉積涂層所需的粒子臨界速度窗口一般在 300 ～ 1 200 m /s 范圍，低于下臨界速度時(shí)粒子將發(fā)生反彈，高于上臨界速度時(shí)會(huì)撞擊造成基材熔化，產(chǎn)生侵切效應(yīng)，主要用于武器裝備領(lǐng)域[1]。表 2 列出了部分金屬材料的臨界速度[12，13]。對(duì)于同種粉末材料，粉末粒度、氧含量、噴涂距離等都會(huì)影響其臨界速度。目前的研究結(jié)果表明，粉末的氧含量越高，粉末臨界速度越高。以 Cu 為例，當(dāng)粉末的含氧量在 0.04%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同) 時(shí)，沉積臨界速度約 300 m /s; 當(dāng)粉末氧含量提高到 0.38%時(shí)，沉積臨界速度將提高到 610 m /s，同時(shí)沉積涂層的結(jié)合強(qiáng)度由 35 MPa 降低到 18 MPa [14-16]。由于金屬粉末的氧元素主要以氧化膜的形式存在于粉末表面，顆粒高速撞擊基體時(shí)，表面的氧化膜阻礙了新鮮金屬表面的接觸，不利于顆粒間的微冶金結(jié)合。粉末的氧含量越高、表面氧化膜越厚，涂層沉積難度越大，獲得的涂層質(zhì)量越差[17]。
( 2) 載氣參數(shù)。載氣參數(shù)包括氣體壓力、氣體溫度和氣體類型。一般來(lái)說(shuō)，隨著氣體壓力增加，顆粒速度逐漸增加; 氣體溫度的上升有利于獲得更高的顆粒溫度和速度，同時(shí)可軟化金屬材料，進(jìn)而提高粒子塑性變形能力，有效提高涂層結(jié)合質(zhì)量; 氣體的選擇要綜合考慮其加速效果、安全性、活性及成本等因素。表 3 綜合分析了常用氣體的冷噴涂適用性[8，12，17]: H2聲速最高，加熱效果最好，但是由于安全性較差，冷噴涂無(wú)法使用; He 氣聲速可達(dá) 965 m /s，幾乎超過(guò)了絕大部分金屬材料的臨界速度，作為冷噴涂載氣制備的涂層性能極佳，但是高昂的價(jià)格( 價(jià)格數(shù)十倍于 N2 ) 限制了其大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用; 高壓壓縮空氣成本極低，但加速效果一般，且較高的氧含量導(dǎo)致噴管、涂層氧化嚴(yán)重; N2加速效果較好，且價(jià)格較低，是一種良好的冷噴涂工作氣體。
2 冷噴涂技術(shù)研究進(jìn)展
近年來(lái)，冷噴涂技術(shù)受到了美、日、韓、法、德、加、澳及我國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)海軍裝備實(shí)驗(yàn)室、日本國(guó)立物質(zhì)研究所、法國(guó)貝爾福蒙貝利亞理工大學(xué)、德國(guó)聯(lián)邦武裝大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中科院沈陽(yáng)金屬所、廣東省科學(xué)院、洛陽(yáng)船舶材料研究所等知名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)在冷噴涂粉末材料設(shè)計(jì)、涂層結(jié)合機(jī)理、涂層組織結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控等方面開展了大量研究。
2.1 冷噴涂粉末材料設(shè)計(jì)
( 1) 粉末形貌粒度。粉末形貌、粒度等參數(shù)對(duì)涂層的沉積過(guò)程、組織結(jié)構(gòu)和性能有顯著影響。Venkatesh 等[18]、Ma 等[19]通過(guò)氣體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算和粉末顆粒速度測(cè)試研究了冷噴涂粉末對(duì)沉積性能影響，研究表明在特定的氣流場(chǎng)條件下，給定成分的金屬粉末粒徑越小、形貌越不規(guī)則，顆粒速度越高，粉末的沉積效率越高，涂層越致密。但粉末粒徑越小、形貌越不規(guī)則，粉末流動(dòng)性越差，送粉越困難。因此，適宜的冷噴涂粉末需保證足夠的流動(dòng)性，同時(shí)粒徑盡可能小。
( 2) 粉末成分。通過(guò)在噴涂粉末中添加適量的硬質(zhì)相顆粒，利用混合粉末中不同顆粒的沉積特性差異，能顯著提高涂層沉積效率和致密度[20]。Leger 等[21]研究了添加 Al2O3顆粒對(duì)鋁涂層性能的影響。通過(guò)在鋁粉中添加 15%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 的 Al2O3顆粒，涂層的孔隙率從 6.0%降低到 2.5%，同時(shí)硬質(zhì)陶瓷顆粒通過(guò)撞擊活化金屬表面，提高了粉末沉積效率，沉積效率的提高機(jī)理尚待進(jìn)一步闡明。Koivuluoto 等[22]研究了添加Al2O3顆粒對(duì)銅涂層組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在涂層沉積過(guò)程中，硬質(zhì)陶瓷顆粒產(chǎn)生的錘擊效應(yīng)提高了涂層致密度與強(qiáng)度。
2.2 涂層結(jié)合機(jī)理
冷噴涂通過(guò)高速固態(tài)顆粒與基體發(fā)生碰撞產(chǎn)生極高的應(yīng)力和應(yīng)變后，通過(guò)“絕熱剪切失穩(wěn)”引起塑性流變或塑性變形實(shí)現(xiàn)涂層的沉積[23]。目前，研究者主要通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的方式研究涂層結(jié)合機(jī)理。對(duì)于冷噴涂中的涂層/基體結(jié)合機(jī)理尚無(wú)定論，絕熱剪切失穩(wěn)是目前最主流的冷噴涂結(jié)合機(jī)理，通常將這一過(guò)程分為 4 個(gè)階段，首先噴涂顆粒與基體接觸發(fā)生碰撞，隨后產(chǎn)生的撞擊破壞了顆粒表面氧化膜，露出新鮮金屬，然后顆粒在剪切力作用下邊緣局部發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)，當(dāng)溫度升高產(chǎn)生的軟化作用大于應(yīng)變產(chǎn)生的加工硬化作用時(shí)，緊密接觸的局部位置產(chǎn)生熔化，形成冶金結(jié)合[24]。
本文來(lái)源于：《材料保護(hù)》是由武漢材料保護(hù)研究所主辦的一本國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行的雜志。雜志內(nèi)容包括電鍍，化學(xué)鍍，浸鍍，其他鍍覆，化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，熱噴涂，涂料涂裝，腐蝕防護(hù)，清潔生產(chǎn)等多方面內(nèi)容。
研究表明，在不同材料和沉積工藝條件下，涂層中顆粒之間存在物理結(jié)合、機(jī)械結(jié)合、冶金結(jié)合和化學(xué)結(jié)合等多種結(jié)合方式。Champagne 等[25]、Moridi 等[26]、 Sun 等[27]提出了機(jī)械結(jié)合機(jī)制來(lái)解釋顆粒沉積過(guò)程中界面結(jié)合機(jī)理: 噴涂顆粒發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)并在高速?zèng)_擊下發(fā)生塑性流變和金屬射流，顆粒之間產(chǎn)生機(jī)械結(jié)合，形成機(jī)械聯(lián)鎖。Hussain 等[28]認(rèn)為顆粒發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)后，在較高的壓力作用下沉積在基體表面，通過(guò)劇烈的塑性變形使得新鮮金屬表面互相接觸，在范德華力作用下形成物理結(jié)合。Grujicic 等[29]認(rèn)為顆粒碰撞產(chǎn)生絕熱剪切失穩(wěn)，該過(guò)程產(chǎn)生的局部高溫能達(dá)到材料的熔點(diǎn)，從而在涂層 -基體界面、涂層之間形成冶金結(jié)合。一般認(rèn)為，粉末氧化物含量、顆粒沉積時(shí)的塑性變形程度直接影響冶金結(jié)合程度。Xie 等[30]在鋁基體上冷噴涂沉積了 Ni 涂層，在界面處發(fā)現(xiàn)了 Ni3Al 金屬間化合物，證明了在顆粒塑性變形過(guò)程中產(chǎn)生的高溫會(huì)引發(fā)化學(xué)結(jié)合。
2.3 涂層組織結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控
冷噴涂組織結(jié)構(gòu)與性能可通過(guò)多種方式進(jìn)行調(diào)控，如噴涂粉末設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程控制、熱處理等。雒曉濤等[17]系統(tǒng)總結(jié)歸納了冷噴涂金屬的組織結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控方法。
( 1) 噴涂粉末設(shè)計(jì)。通過(guò)粉末成分、粒度、形貌、結(jié)構(gòu)、氧含量等特征參數(shù)能有效調(diào)控顆粒沉積過(guò)程、沉積機(jī)制和涂層組織結(jié)構(gòu)與性能。西安交通大學(xué)熱噴涂研究團(tuán)隊(duì)[31，32]通過(guò)調(diào)控金屬粉末結(jié)構(gòu)，將多孔結(jié)構(gòu)和實(shí)心結(jié)構(gòu)的金屬粉末混合，利用高硬粉末的夯實(shí)效應(yīng)提升了涂層致密度。李文亞等[33]利用冷噴涂制備了多孔 Ti 和 Ti 合金塊材，研究表明粉末成分、粒度及噴涂工藝對(duì)制備塊材的孔隙率有直接影響。雒曉濤等[34]在 Al 粉末中加入大粒徑的馬氏體不銹鋼噴丸顆粒作為原料，通過(guò)硬質(zhì)噴丸顆粒在冷噴涂過(guò)程中的原位微鍛造效應(yīng)，獲得了孔隙率低于 0. 3%的類塊材高致密 Al 涂層。
( 2) 噴涂過(guò)程控制。顆粒變形程度是影響冷噴涂沉積涂層致密度與內(nèi)部結(jié)合質(zhì)量的決定性因素，固態(tài)顆粒碰撞過(guò)程中，伴隨著顆粒動(dòng)能向塑性應(yīng)變與熱能的轉(zhuǎn)換，因此可通過(guò)提高顆粒碰撞速度與溫度促進(jìn)顆粒塑性變形程度，降低涂層孔隙率，提高涂層結(jié)合質(zhì)量[35，36]。在噴涂粉末、噴管結(jié)構(gòu)確定的條件下，可通過(guò)調(diào)節(jié)氣體類型、氣體壓力、氣體溫度來(lái)提高顆粒速度。與 N2和空氣相比，He 氣具有更高的聲速，因此采用 He 氣可顯著提高顆粒速度和沉積涂層質(zhì)量。Wong 等[37]系統(tǒng)研究了冷噴涂推進(jìn)氣體對(duì)鈦涂層性能的影響，發(fā)現(xiàn)在同樣的推進(jìn)氣體壓力下，以 He 氣作為推進(jìn)氣體沉積的涂層更致密。通過(guò)提高氣體加熱溫度和對(duì)粉末進(jìn)行預(yù)熱同樣能提高顆粒溫度[38，39]。
( 3) 涂層后處理。目前冷噴涂后處理方法有熱處理、攪拌摩擦、熱軋、等靜壓等多種。日本等離子技研公司[39]通過(guò)優(yōu)化熱處理?xiàng)l件大幅提高了冷噴涂高致密 Cu、Al 涂層的伸長(zhǎng)率，達(dá)到了與金屬塊材相當(dāng)?shù)乃�，這是由于熱處理能促進(jìn)顆粒之間的原子擴(kuò)散，但是隨著熱處理溫度的進(jìn)一步提高，涂層強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。西安交通大學(xué)熱噴涂研究團(tuán)隊(duì)[40]采用 1 150 ℃ 高溫對(duì)冷噴涂 Inconel 718 高溫合金涂層進(jìn)行了熱處理，拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)涂層經(jīng)熱處理后強(qiáng)度和延伸率明顯提高。Li 等[41]對(duì)冷噴涂 Ti 和 Ti6Al4V 涂層進(jìn)行真空退火處理發(fā)現(xiàn)退火過(guò)程中粒子之間的接觸界面通過(guò)原子擴(kuò)散和晶界遷移發(fā)生了冶金結(jié)合。Blose 等[42]采用熱等靜壓 ( Hot isostatic pressing，HIP) 方式對(duì)冷噴涂 Ti6Al4V 涂層進(jìn)行了處理，大幅提高了涂層性能。
3 冷噴涂技術(shù)在艦船領(lǐng)域的應(yīng)用
進(jìn)入 21 世紀(jì)后，冷噴涂技術(shù)高速發(fā)展，冷噴涂涂層在腐蝕防護(hù)、磨損、零部件修復(fù)、增材制造等方面的優(yōu)勢(shì)逐漸展現(xiàn)。早在 2000 年，美國(guó)制造與后勤技術(shù)研究所( iMAST) 等[43]針對(duì)海軍兩棲攻擊艇用鋁合金輪子、鋼制裝甲面臨的磨損、腐蝕問(wèn)題，開展了冷噴涂沉積防腐、耐磨涂層應(yīng)用研究。2006 年，美國(guó)海軍航空系統(tǒng)司令部( NAVAIR) 通過(guò)海軍制造技術(shù)( Navy ManTech) 計(jì)劃開展了腐蝕鎂合金零部件的冷噴涂修復(fù)技術(shù)研究; 2008 年，美國(guó)國(guó)防部發(fā)布了冷噴涂制造工藝標(biāo)準(zhǔn): MIL -STD-3021; 2009 年，美國(guó)海軍航空系統(tǒng)司令部在切里波因特海軍航空維修站( NADEP -CP) 建立了冷噴涂示范設(shè)施[7]。在海軍艦船領(lǐng)域，冷噴涂技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在腐蝕防護(hù)和修復(fù)再制造再方面。
冷噴涂沉積過(guò)程的低氧化特性使其特別適宜金屬防腐涂層的制備。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室( ARL) 開展了多種冷噴涂防腐蝕涂層應(yīng)用研究，表 4 列出了其部分研究[7]。根據(jù)防腐機(jī)理不同，可將金屬涂層分為陽(yáng)極性涂層( 如 Al、Zn 及其合金等) 和陰極性涂層( Cu、Ni、 Ti 等) 。
iMAST [43]利用冷噴涂技術(shù)在海軍兩棲攻擊艇用裝甲鋼表面沉積了一層 Al 涂層，腐蝕試驗(yàn)表明，與涂覆環(huán)氧涂層相比，Al 涂層具有更好的耐蝕性能。美國(guó)陸軍、海軍在役艦載直升機(jī)、固定翼直升機(jī)用鎂合金變速箱殼體在海洋環(huán)境下極易發(fā)生腐蝕，傳統(tǒng)的電鍍鉻技術(shù)對(duì)鎂合金保護(hù)效果不佳，且環(huán)保性極差。為了解決該問(wèn)題，ARL 研究人員采用冷噴涂沉積 Cu -Al 涂層對(duì)鎂合金殼體進(jìn)行腐蝕防護(hù)及損傷修復(fù)，并對(duì)涂層耐腐蝕、沖擊、疲勞、實(shí)際服役性能進(jìn)行了綜合測(cè)試，發(fā)現(xiàn)與鎂合金基體相比，冷噴涂沉積 Cu -Al 涂層具有良好的防護(hù)效果[44]。2012 年，NAVAIR、RUAG 公司與澳大利亞國(guó)防科學(xué)技術(shù)組織采用冷噴涂鋁合金粉末成功修復(fù)了澳大利亞海軍 SH-60 直升機(jī)齒輪箱鎂合金殼體，圖 3 所示為部分鎂合金變速箱殼體等部件冷噴涂修復(fù)前后對(duì)比。
由于傳統(tǒng)的高壓冷噴涂系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)操作性能較差，不適合艦載維修，美國(guó)海軍通過(guò)小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃 ( SBIR) 和國(guó)防部快速創(chuàng)新基金( RIF) 等項(xiàng)目，與 VRC Metal Systems 公司合作，開展了便攜式冷噴涂系統(tǒng)及冷噴涂修復(fù)技術(shù)研究，以提升美國(guó)海軍在艦修復(fù)能力[45]。圖 4 所示為 VRC 開發(fā)的便攜式冷噴涂系統(tǒng)原型及樣機(jī)。利用該設(shè)備，VRC 公司與美國(guó)海軍聯(lián)合開發(fā)了 3 項(xiàng)冷噴涂修復(fù)應(yīng)用場(chǎng)景。第一，壓載水艙鋼制罐體修復(fù)。針對(duì)壓載水艙鋼制罐體嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，采用 6061 鋁合金粉作為噴涂材料，通過(guò)冷噴涂技術(shù)在腐蝕區(qū)域沉積一層 6061 鋁合金涂層，與采用焊接修復(fù)相比，不僅節(jié)省了大量時(shí)間，且涂層的犧牲陽(yáng)極效應(yīng)為鋼基體提供了更好的防護(hù)效果。第二，上層建筑焊接結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)。在艦船上層結(jié)構(gòu)與船體焊接區(qū)域，由于現(xiàn)有的犧牲陽(yáng)極塊保護(hù)效果有限，異種金屬焊接在焊縫處產(chǎn)生的電偶失配加速了焊縫區(qū)域的腐蝕，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響船體強(qiáng)度。通過(guò)冷噴涂技術(shù)在焊縫區(qū)域沉積一層 6061 鋁合金涂層，能有效提高焊縫區(qū)域耐腐蝕性能。第三，銅鎳合金閥門修復(fù)。船體內(nèi)部的銅鎳合金閥門在海水長(zhǎng)期沖刷、腐蝕綜合作用下，閥體及密封區(qū)域腐蝕嚴(yán)重。傳統(tǒng)電鍍修復(fù)技術(shù)存在結(jié)合力差、易脫落問(wèn)題。采用冷噴涂 NiCr/CrxCy能快速修復(fù)閥門內(nèi)部的腐蝕坑，修復(fù)層具有較好的結(jié)合力和硬度，大大提高了閥門服役壽命，修復(fù)后閥門見(jiàn)圖 5 所示。
美國(guó) Inovati 公司面向?qū)嶒?yàn)室研究、自動(dòng)化生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作等不同場(chǎng)景需求，開發(fā)了不同配置的 KM 系列冷噴涂系統(tǒng)，如圖 6 所示，該系統(tǒng)采用低壓 He 氣加速，操作壓力低于 1 MPa，可噴涂多種金屬及金屬陶瓷。該系統(tǒng)是美國(guó)海軍維修專用設(shè)備[8]。圖 7 所示是現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)直升機(jī)起落架表面腐蝕損傷，目前美國(guó)海軍多艘航母均配備有新型便攜式冷噴涂集成系統(tǒng)，以保障航母上艦載飛機(jī)的艦上維修需求[47]。
隨著便攜式冷噴涂系統(tǒng)的開發(fā)，冷噴涂技術(shù)已廣泛用于海軍艦船閥門、泵體等部件的修復(fù)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，其修復(fù)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的焊接、激光熔覆等工藝。普及特灣海軍造船廠在 2015 年采用 VRC 冷噴涂系統(tǒng)沉積 6061 鋁合金粉末成功修復(fù)了鋁合金閥門制動(dòng)器密封面及表面的腐蝕坑，修復(fù)后的制動(dòng)器通過(guò)了服役測(cè)試考核。2016 年，該船廠采用冷噴涂技術(shù)修復(fù)了“海狼”級(jí)攻擊核潛艇的鋁合金液動(dòng)裝置及“尼米茲” 號(hào)航母的主循環(huán)水泵殼體，圖 8 所示為修復(fù)前后對(duì)比圖。
4 總結(jié)與展望
冷噴涂由于其工藝溫度低、沉積材料廣、快速成形、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，在金屬防護(hù)涂層制備、零部件修復(fù)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。近 20 年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)在冷噴涂材料、涂層結(jié)合機(jī)理、組織結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控、噴涂系統(tǒng)開發(fā)方面取得了諸多進(jìn)步，推動(dòng)了冷噴涂在腐蝕、磨損防護(hù)、快速修復(fù)及增材制造方面的廣泛應(yīng)用。作為世界第一海軍強(qiáng)國(guó)，美國(guó)已成功將冷噴涂應(yīng)用于海軍艦載飛機(jī)及艦船設(shè)備的腐蝕防護(hù)及零部件修復(fù)，并制定了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，大大提高了其海軍裝備保障能力。“十一五”以來(lái)，洛陽(yáng)船舶材料研究所、西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)等單位在軍委裝備發(fā)展部支持下，開展了多個(gè)冷噴涂研究項(xiàng)目，在冷噴涂腐蝕防護(hù)涂層制備、零部件修復(fù)、低壓冷噴涂設(shè)備開發(fā)等方面取得了一定成果。但受限于國(guó)內(nèi)冷噴涂系統(tǒng)發(fā)展較薄弱、應(yīng)用研究積累較少，且海軍在新技術(shù)應(yīng)用推廣方面較為慎重，至今未見(jiàn)有冷噴涂技術(shù)在海軍艦船裝備上的實(shí)際應(yīng)用案例。
冷噴涂技術(shù)在海軍裝備保障方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)已得到驗(yàn)證。未來(lái)，可通過(guò)軍工科研單位、高等院校、設(shè)備企業(yè)、海軍修造船廠聯(lián)合的方式，發(fā)揮各方技術(shù)優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合開展冷噴涂應(yīng)用技術(shù)研究，并制定相關(guān)船舶標(biāo)準(zhǔn)、軍用標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)冷噴涂技術(shù)在海軍艦船領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，提高我國(guó)海軍艦船裝備腐蝕防護(hù)性能及修復(fù)保障能力。——論文作者：許康威1 ，雒曉濤2 ，武笑宇1 ，謝述鋒1 ，黃 磊1 ，蘇 搖1 ，田佳佳3
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