英国涂层专家David Harvey：冷喷载荷修复在航空领域中的应用案例

中国国际石墨烯资源产业联盟于2017年11月15日在北京市召开“2017·石墨烯产业国际峰会暨北京市石墨烯产业创新中心专家委员会成立大会”。

英国焊接研究所涂层首席技术专家David Harvey做报告。

以下为演讲正文：

David Harvey：各位上午好我非常荣幸来做这个发言，参加这次峰会我不会给大家讲石墨烯，其他人也做了很多这样的发言了，我今天给大家讲的是另外一个在材料方面的技术叫做冷喷涂技术。在我开始之前要解释一下我们这个研究所TWI作为一个机构，我们这个机构是一个研发机构，是在剑桥，是一个非政府独立的机构，与政府没有关系的，我们主要的功能是做支持，我们已经拥有了400个员工，有4个研发机构和中心，还有14个国际的办事处，包括中国，有800个行业的成员会员，他们遍布全世界三千多个地点，我们是一九四几年成立的，我们非常活跃于各种制造业技术领域，包括航天、油气、能源、军方的一些国防技术等等。

简单介绍一下我们涵盖了首先是焊接，还有其他相关的技术，和工程技术都有关系，材料结合技术，其实材料的性能、完整性等等我们都有参与，我们非常活跃，在中国也这样，我们的服务提供给很多中国公司，从研发到咨询、技术转让、培训，我们目前有30个来自于中国的企业成员，在中国有两位员工，在北京办公室。包括吴女士和孙女士。

接下来跟大家介绍一下我发言的技术的这部分内容，也就是说冷喷载荷修复，用于航空领域中的一些应用案例，会首先介绍一下冷喷是什么，冷喷它是一种固体颗粒的沉积技术，是一种金属的喷射，在这个例子中，这些颗粒物包括粉末他们会使用高速度的气体进行喷射，仍然是保持固体的状态，当我们说冷喷的时候，就是说材料的沉积是仍然处在一种固态的状态，比如大家注意到在这个例子中没有任何热的证据，没有任何弧或者火焰，也就是说常规技术在这里是看不到的。而且我们看到对这个表面来说并没有得到任何制备，对于很多冷喷和涂层来说，可能我们需要对表面现进行处理，比如喷沙处理，但是如果是冷喷是不需要这些处理的。

如果我们看一下原理，大家可以看到冷喷系统基本上来说是由一个喷嘴所构成的，也就是说在这个系统之中，气体是可以从次声速到超音速进行喷射，而且能够通过喷嘴喷出来，对于那些观察比较细致的人大家会注意到，这个设备并没有加热的组件所以我们叫做冷喷，其实冷指的是固像，我后面会介绍一下为什么我们需要固体的状态。第二点我介绍的是在这个过程当中我们会使用一种气体作为推进的气体，一种是氦气一种是氮气，从技术角度来说我们倾向于使用氦气，可是从成本角度来说倾向于使用氮气，后面会做更多的介绍。

我会跟大家用示意图解释一下这些颗粒在冷喷的流程中是怎么附着于表面机制的，非常简单的是，在这个领域中有些作者，他们解释了冷喷见合方面的特征，我简单介绍一下我们有软颗粒、硬颗粒，有软基底、硬基底，取决于基底不同有不同的影响，所有的机制中在产生影响的时候，这种连接性，飞行颗粒的连接性会转换成为一种热能，从而产生影响，这就会导致一些证据，也就是说金属渐合的证据，这些颗粒和基底之间渐合，在基底上对这些颗粒进行分析之后，大家看到这些证据，这些颗粒脱离了表面，可以看到撕裂，撕裂是与金属渐合所相关的，也就是说我们所看到的焊接过程中所发生的现象。所以对于冷喷来说，我们对它感兴趣是因为我们已经看到了一些证据，这些金属的渐合形成了在这些颗粒及基底之间，这是一个非常关键的特性。对于采用这种技术而言非常的关键，在涂层、在修复、甚至是在其他的工业应用之中能够使用这个技术。

在我今天的讨论中会跟大家简单介绍一下冷喷技术的演进，刚开始的时候可能是从涂层流程启动的，作为技术发展的过程它开始被使用于修复，而且现在更多使用于喷射成型还有添加剂生产之中。其中一个主要的目标在这个技术的研发方面，需要看一下是不是有可能开发出那些能够负重的一些应用，这些应用能够有非常好的结构的硬度和结构的完整性，也就是说我们需要去衡量一些特性，渐合强度、凝合强度，还要看其他的特性，比如疲劳强度，所以我会简单的跟大家做个介绍，今天的发言之中简单的过一下。

其中一个主要的项目在冷喷方面，在最近几年中，在欧洲所开展的项目是一个叫做CORSAIR的项目，这是一个跨国的欧盟所支持的项目，TWI是其中一个合作伙伴还有其他材料的提供商，还有OEM在航空界中也是参与者，大家看到空客是这个项目参与方之一。

在这些项目之中我们看了一些基础的特性、特征、合金的特性包括铝合金和钛合金，在这张幻灯片上有两部分，第一是参数的流程、参数的自动化优化，另外从材料特征描述方面，在这个项目之中所有这些工作在开展的时候都是用氮气所做的，氮气作为推进气体。

为什么呢？像我之前所过的那样，我们使用氮气的原因主要是出于成本的考虑，如果我们更多看一下我们可能使用的这些气体的特性，氦气实际上是一个更好的选择，因为我们能够获得更高的气体速度，也能够从氦气的使用中，因为它有更低的原子质量能够获得更高的速度，如果我们比较一下的话他们都是气体，我们可以使用更轻的气体，他们都是氢气，我们知道氢气反应非常强，使用起来不是特别的安全，在冷喷的流程之中。还有其他的一些气体，比如说氮气，我们知道它的成本会比较好，如果我们看一下元素周期表的话，也许氮气是我们能够使用的具有经济效益的气体了。所以这也是为什么我们在这个研究中使用了氮气作为主要的气体。

我们看一下冷喷的过程，这里涉及到很多变量，我没有办法在今天介绍到全部，但是在我的发言中我强调了冷喷过程中主要的变量，我们所操作的系统在TWI这边，目前已经具有商业可用性了，TWI并没有开发出冷喷的技术，仅仅是评估、做特征描述、对技术质量进行评估。在这里大家可以看到，基本上我们会对冷喷系统进行特征描述，我们使用气体的加负压力以及最高的温度，也就是说这个系统能够提供的最高的温度进行评估，如果我们回到十年前会去看CGT的系统就是左手边的系统，大家可以看到气体的最高温度是800度，而最大的气体压力是40bar，随着时间的推移这个系统也开始改进，现在我们可以在加热气体方面实现1100度的温度，而且气压能够达到60bar，实际上也有一些局限性，就材料局限性而言，在这个系统当中在使用材料进行冷喷的时候，大家可以想象一下，其实并没有更多的材料做冷喷，能够去生存1100度的高温的温度，并不是很多气体都可以做到这一点，这是为什么呢？我们在流程方面似乎遇到了瓶颈，所以我们也会在后面跟大家更多介绍一下这方面的探索。

最后我们怎么对于流程进行特征描述，从材料工程角度来说这是一个比较直白的过程，我们会看一下做冷喷成型，会对它进行测试，在这里是我们所做的一些合金的例子，我们这里能够看到的是，特性的一些差别，比如从冷喷相对来说其他的方法做比较，我们会看到，虽然抗张的强度是比较好的，可是延长度却是很差的，所以这就告诉了我们一些基本结构的冷喷沉积的特征。我也会在后面给大家做更多的介绍。

如果大家看一下我们做一些热处理，对这个材料进行了沉积之后，可能就能够进一步增加抗张强度，可是我们想要指出的是，我们也可以改善沉积物的延伸度。

第二个领域所看的是疲劳特性，也就是沉积材料的疲劳特性，首先我们看到疲劳特性在材料自身的表现，实际上它的组件也会有冷喷的沉积在上面，我们在做检测的时候是把一些零部件拿出来对其进行冷喷处理，这是一种非常直白的材料分析的方法，我们发现在很多例子之中，疲劳的特性对于这些经过处理之后的组件，通过冷喷之后其实并没有减少，也就是说对于冷喷的沉积来说并不会减少它的疲劳属性，这是一个很好的结果。在这些例子之中，我们也看到实际上裂缝是在之前材料中出现的，但是在冷喷的沉积中并没有出现裂缝，所以这让我们深受鼓舞，进一步研究冷喷技术作为一种修复技术加以使用。

我还没有忘记我们还有其他的问题，比如材料延伸度的问题，后面会再回到这个问题上来。我觉得我应该在这里提一下，冷喷技术是在哪些领域能够实现工业化使用及冷喷技术在过去十年之中的驱动因素主要是什么，如果我们再回到10-15年前，尤其是在美国的军方，美国军方经历了设备严重的损失，在海湾战争中，在阿富汗战争中损失了大量的设备，有很多轻量级的设备，要么是由铝合金或者是镁合金所做的这些武器在服务期间很容易受到腐蚀问题的影响，所以他们开始开发冷喷作为一种主要的修复的方法，尤其是对于直升机的变速箱进行修复，而这样就能够节约大量的资金。

除此之外能够增加它的可用性，尤其能够替代这些齿轮箱要花费大量的时间，所以这种冷喷的修复技术也能够节约时间和精力。

美国军方有个研究实验室，它也是将冷喷的修复，刚开始的时候用于直升机，之后用于其他的飞行器，在过去10-15年间，现在这个技术也已经转移到了很多民用的领域之中。我在这里跟大家介绍几张幻灯片，我今年也做了很多冷喷的研讨会，在美国众多的介绍，把其中一些幻灯片摘出来，这里是一个非常典型的例子，大家可以看到这个产品中是受到了一些腐蚀的问题，还有对于这个问题进行修复的话，在左手边的图片上可以看到，这是损坏的图片，在中间图片上所显示的是使用喷枪对于它的内部进行修复然后在右手边所显示的是使用冷喷进行的修复，就设备来说，比如我们有机械化的应用设备，也会涉及到一些协调工作，对于这些设备的维修也是非常重要的。这也对于修复过程能够起到显著作用，在这张幻灯片上，这是我从哈林威尔所拿到的幻灯片，它显示了另外一个例子，为什么冷喷是目前被加以考虑、加以采纳，在修复领域之中，也就是说他们在寻找一种替代方法，来对于现有的动力单元、齿轮箱进行修复，他们发现如果用旧的焊接的修复方法的话要花一百天的时间，按照顺序进行组件进行修复，但是如果使用冷喷的话就能够限制步骤的数量，在整个流程当中能够节约一半的时间，在修复的时候，当然毫无疑问这也能够降低成本。

镁合金我们知道它也可以用冷喷进行修复，除此之外我们也对其他的系统有兴趣，尤其钛合金和镍合金的技术，比如在这个例子中，在CORSAIR的例子里面，对风扇进行组装，风扇轴使用的是钛合金，我在这里专门画出来了需要修复的这一小块，修复的过程是比较直白的，我们比较的破坏周边的区域，不能够直接冷喷一下刮痕就行了，需要对它周边的区域进行处理，从而使得集合结构对于冷喷的沉积物来说是更可接受的，我简单介绍一下这个过程是怎么开展、怎么应用的。大家注意到一点，的确有颗粒的沉积，颗粒在整个过程中产生了碰撞并且产生了火花，像我说的那样，冷喷过程实际上是非常高效的，尤其是针对很多合金，95%的材料中对于这些基底来说是能够接收沉积的，所以可以看到实际上只有很小一部分的颗粒弹回来了，它的比例非常小。而且我们知道钛自身是非常活跃、反应性非常强的，所以这也没有什么可奇怪的，会看到有些颗粒物的回弹。

我们也对于钛的沉积做了研究，因为这是非常重要的合金系统，这里有两个主要的参数，又回到了基底压力、基底温度上来，如果我们看微观结构可以看到，比如前两个图片因为我们增加了压力，所以就能够减少它的孔隙度，增加它的密度。如果看一下左手边，可以看到如果增加了温度就能够减少孔隙度，所以这并不是什么非常复杂的机械问题，而且最终这些颗粒移动的速度越快，可以通过增加压力或者增加温度做到，沉积物在进行冷喷的时候就会密度更大，挑战在于像我之前所说的，我们已经达到了局限了，对于设备而言，设备自身就我们能够做什么、就压力和温度来说基本上已经达到极限了，我们必须建立起100枪在那些温度和压力下能够继续产生作用，所以就需要开始思考一下对于材料的挤料方面，这些粉末会产生什么样的影响？在这里大家可以看到所发生的情况，在冷喷的过程之中，微结构，钛合金沉积上，如果将钛颗粒在低压、低温度下，可以看到很多钛聚集，但是没有变形。如果提高了压力、提高了温度，可以看到中间的图，颗粒扁平变形了，尤其在沉积过程当中，这给我们另外一种材料的问题，回到刚才提到的问题就是延长性。在这里可以看到很多变硬化，是颗粒变硬了，它的延展性就变差了，这就是沉积的一个特点。

当然我们需要注意，在沉积后的情况，还有后处理的情况就是热处理，在右侧可以看到这个小的微型结构，如果对材料进行一些热处理，可以看到它后来发生的一些变化，这里面的确出现一些挑战，在硬化和延展性方面。另外在热处理上我们还可以很好的提高改善基底和涂层之间的界面，加强了它的结合面的粘合度。

最后在钛合金方面要结束我的讲话，给大家一些数字，刚才我们提到了在沉积过程当中硬化问题，大家可以看到，它的硬度，4200，平均值693，沉积过程中变硬的效果比较好，另外它的粘合强度，热处理之后的数值我现在没有，可能达到80多，目前我们正在它的张力方面还在进行测试，特别是在热处理之后的情况，这是另外一个故事了。

最后给大家讲一讲，在粘合强度方面通过热处理达到什么强度，在生成涂层中它的强度可以达到225，但是通过热处理之后的涂层强度达到819。所以有可能越来越多的会采用热处理。

另外我们也在镍合金系统中非常感兴趣，这里有很多的应用，特别是航空航天方面，因为它的高强度、耐高温等等，我们也正在观察，IN718粉末这是最近这些年开发出来的一个新的材料，可以喷在很多引擎上面，比如燃烧时内部将会生成一些非常有趣的结构。

另外在冷喷上还有什么问题，我们在流程方面今年是有些限制的，比如压力和温度。另外还有一个问题是变硬的硬度、延长性。所以我们通过热处理加以弥补。另外我们还没有研究的很多的粉末本身，其中一个问题是这个粉末如果是铝合金粉末，这个材料往往它本身的强吨就是在变硬的情况下，所以我们希望找到合适的粉末专门应用于冷喷。比如铝合金粉末是不是做预处理，因为它的生产过程希望在零度以下，这样防止后续的一些问题。另外我们看到整个冷喷流程是整体的流程，我们希望改进整个技术环节。

最后我要总结一下，给大家演示一个冷喷技术的未来，尤其在3D打印这方面的前景。通用电气现在正在这个领域做大量的投资，给大家简单看一下它的广告，澳大利亚3D打印公司的广告短片，通过冷喷他们很有信心能够将铝合金粉末通过传统的铸造工艺它的成本降下来，这是一个非常令人兴奋得进步，对于未来来说，冷喷技术是一个很好的消息。另外一个大家非常感兴趣的，比如激光技术用于沉积，冷喷的好处就是一系列的材料这里面的生产效率非常高。另外在高尔夫方面，它对生产也带来了很好的消息。最后谢谢大家倾听我的演讲。

（发言为能见APP现场速记整理，未经本人审核）