摘要：冷气动力学喷涂法，简称冷喷涂，是近几年发展起来的新型、先进的表面涂层技术。热喷涂一般以等离子体、电弧、火焰等为热源，将粉末加热到熔化或半熔化状态，然后喷涂到基体上，这种高温有可能造成喷涂颗粒的氧化、毁伤、相变、蒸发、熔解或晶粒长大。作为一种先进表面工程及加工工艺，冷喷涂技术在航空工业领域内有着广阔的应用空间。它可以用来制备航空发动机涂层及航空武器的功能涂层，对受损的航空器部件进行修复，或者直接通过喷涂成形技术制造航空器部件。基于此，本文主要对冷喷涂技术的研究现状及在航空工业领域内的应用进行分析探讨。
关键词：冷喷涂技术；研究现状；航空工业领域；应用
1、冷喷涂技术的喷涂原理
冷喷涂是基于空气动力学原理的一种喷涂技术，冷喷涂原理图如图1所示。冷喷涂主要由高压气体缩放管、送粉器、气体加热器、喷枪(是利用拉瓦尔喷嘴原理设计的)等组成。高压气体经过一定温度的预热，携带粉末颗粒轴向送入气流中，与加热器加热的气体在缩放喷管(Lavalnozzle)相遇产生超音速两相流，粉末颗粒以固体状态高速撞击基体，通过剧烈的强塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。
图1 冷喷涂原理示意图
2、冷喷涂涂层应用现状
冷喷涂技术的应用研究在国外已经取得了很大的进展，我国冷喷涂技术研究还处在初级起步阶段。由于冷喷涂过程中粒子温度较低，粉末不易发生氧化相变现象，形成涂层的组织结构与喷涂前粉末相比基本上无变化，因此冷喷涂中可使用各种粉末，如纯金属粉末、合金粉末、复合涂层，可以产生不同性能的涂层。目前可以沉积的金属有Al、Zn、Cu、Ti、Ag等，高熔点金属Mo、Ta等，合金有NiCr、MCrAlY等，复合涂层有Zn-Al、Al-Al2O3等[24]。冷喷涂技术避免了高温对基体和涂层的不利影响，使该技术已经广泛应用于各个领域。冷喷涂技术的设计与研究正向工业化应用的方向转化，利用冷喷涂技术可制备保护性涂层(耐腐蚀涂层、耐高温涂层、耐磨涂层等)。研究者采用冷喷涂工艺在Q235钢基体上制备铝涂层，形成的铝涂层表面非常致密，孔隙率较低，交流阻抗谱和动电位极化曲线分析表明，铝涂层的腐蚀产物较致密的积聚在涂层表面，阻碍了腐蚀介质的扩散，对降低涂层的腐蚀速度发挥很有效的作用;中性盐雾试验表明，冷喷涂涂层的腐蚀速度能够快速降低，可为钢基体提供有效的阴极保护。
研究还表明，疏松多孔的粉末适合于冷喷涂制备WC-Co涂层，因为疏松多孔的结构促进了粉末拟变形的发生。观察热处理后的WC-Co涂层断面形貌，压痕周围未出现塌陷现象，也未出现裂纹，说明热处理过程可以显著改善涂层粒子间的结合和涂层韧性。在航空航天领域该技术也得到广泛的应用，利用冷喷涂技术来制备航空航天器发动机特殊保护涂层，制备航空航天武器的特殊功能涂层，通过喷涂成形可以直接制造复杂结构及形状的航空航天部件。
3、冷喷涂技术在航空工业领域的应用
冷喷涂技术是近年来发展起来的新型喷涂技术，与传统的热喷涂技术不同，该技术是在远低于喷涂材料熔点的低温下，通过高速固体粒子与基体碰撞后产生强烈的塑性变形而实现沉积。它具有避免喷涂材料在喷涂过程中氧化、不发生相变、对喷涂粒子和基体热影响小、可以保持喷涂粒子的各种微观组织和特征等优点。冷喷涂技术的不断成熟使其得到了广泛应用，在航空工业领域内目前主要体现在以下两个方面。
3.1表面处理及防护
镁比铝轻３５％，并具有良好的刚性与阻尼性，大力发展镁合金在航空器上的应用是近年来航空工业领域内最热门的话题。美国陆军研究室（ＡＲＬ）与海军航空站（ＮＡＤ）合作，分别在ＺＥ４１Ａ－Ｔ５镁合金和碳钢基体上冷喷涂商业纯铝（ＣＰ－ＡＩ），按照ＡＳＴＭ－Ｂ１１７进行盐雾试验，测得ＺＥ４１Ａ－Ｔ５镁合金上的铝涂层耐蚀性超过１０００ｈ，结合强度达到７１．３ＭＰａ，在碳钢基体上冷喷涂铝涂层的耐蚀性可达到７０００ｈ以上。北京航空材料研究院在３００Ｍ钢基体上分别冷喷涂锌镍复合涂层和铝锌复合涂层，盐雾试验同样证明冷喷涂涂层有效地提高了基体的耐蚀性。
冷喷涂技术还可以应用于对热障涂层的保护。航空器发动机的热障涂层通常用来保护发动机上的热端金属部件，增加金属部件的耐久能力，从而提高发动机性能。Ｐｒａｔｔ＆ＷｈｉｔｎｅｙＳｐａｃｅＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎ与ＡＳＢＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ合作，利用冷喷涂技术在发动机不锈钢燃料出口总管表面制备了一层铜涂层，使总管与高温燃气隔绝，降低了其表面温度。另外大连理工大学与某航空发动机集团公司科技研发中心合作，对发动机压气机片进行了冷喷涂处理，得到了特殊材质显微深度的规则斑纹，通过改善发动机内部流场、减少流动损失，来提高发动机的效率及功率。
图４ 发动机内铝部件的修复
3.2零件维修及成型
美国军用技术研究实验室（ＡｒｍｙＲｅｓｅａｒｃｈＬａｂ，ＡＲＬ）已将冷喷涂技术用于修复飞机上的镁合金部件，如Ｈ－６０直升机的传动和变速箱唇部、直升机的镁合金曲轴箱的外壳等。ＡＲＬ的研究结果表明，在镁合金上喷涂的铝涂层的孔隙率可以小于０．５％，平均结合强度大于６０ＭＰａ，而且对镁合金的疲劳性能没有影响，并具有很好的耐腐蚀性，中性盐雾试验能够超过２４００ｈ。加拿大的国家研究委员会（ＮａｔｉｏｎａｌＲｅｓｅａｒｃｈＣｏｕｎｃｉｌ，ＮＲＣ）已经开展了对腐蚀后的直升机铝合金桅杆支座进行冷喷涂铝修复的研究；ＣｅｎｔｅｒｌｉｎｅＷｉｎｄｓｏｒ公司则成功修复了飞机发动机辅助动力系统内的６０６１铝合金部件，如图2所示，（ａ）为腐蚀的零件，（ｂ）为修复前，（ｃ）为冷喷涂后，（ｄ）为完成后的图片。美国的Ｐｒａｘａｉｒ表面技术公司也完成了对ＣＨ－５３直升机７０７５铝合金起落架支柱的冷喷涂修复。冷喷涂技术具有近净成型制造零部件的巨大潜力，对于一些形状并不复杂的轴对称旋转件，可以直接成型。如中国科学院金属研究所利用冷喷涂技术制备了Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ的成型样件，以５ｋｇ／ｈ的速率送粉，喷涂束斑直径７ｍｍ，数分钟即可完成管件和对称样件的喷涂。冷喷涂制造航空器部件的研究目前主要集中在如何实现高体积分数金属基复合材料的一体化上，其成果可以为实现冷喷涂低成本制造奠定基础。
4、结语
冷喷涂技术制备的涂层致密度好、硬度高、结合强度高，而且具有氧化物含量低、涂层热应力小、对喷涂粒子和基体热影响小等优点，对于航空材料涂层制备技术有着重要意义。目前，开展冷喷涂研究较早的国家如美国、俄罗斯，正着力于推动该技术在航空领域内的产业化，现已实现了制备航空发动机涂层、制备航空武器功能涂层、对受损的航空器部件进行修复等实用化目标。更值得一提的是，美国军方于２００８年批准了第一个冷喷涂技术军工标准，这更为冷喷涂技术在航空工业上的推广应用提供了支持。
参考文献
[1]卜恒勇，卢晨.冷喷涂技术的研究现状及进展[J].材料工程，2010(1):94-97.
[2]李文亚，陈亮，余敏，等.热处理对冷喷涂Fe涂层组织与性能影响研究[J].中国表面工程，2010，23(2):90-97.
论文作者:吴娜,张超,李吉彤,姜山,杨国权,何亚男
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/2
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