基于冷噴涂法修復開裂彈筒的應用研究

劉永勝 趙陽 姜廣順 張偉

摘要：某型導彈儲運彈筒加強筋和本體焊接點開裂，無法滿足導彈儲存和發射要求，利用傳統方法修理費時費力，成功率低。本文采用冷噴涂技術開展彈筒開裂部位修復研究，修復后的彈筒性能良好，可滿足正常使用要求。

關鍵詞：冷噴涂；修復；彈筒；應用

Keywords：cold spraying；repair；cartridge case；application

0 引言

某型導彈維修過程中，發現其儲運彈筒加強筋和本體焊接點有7處開裂，最大開裂尺寸為160mm×2mm。該彈筒為本體氣密結構，內充干燥氮氣，便于彈藥長期存儲，開裂的焊點將導致彈筒漏氣，無法正常使用。彈筒長8000mm，直徑900mm，材料為5系鋁合金。若采用傳統方法對開裂部位進行焊接修復，將影響焊接區域材料組織結構，導致附近材料變形、強度降低，修復成功率低。本文采用新工藝、新方法開展此故障彈筒的修復研究。

1 冷噴涂技術原理

每種金屬都有其特定的與溫度相關的臨界顆粒速度，冷噴涂技術是一種基于高速粒子固態沉積的涂層制備方法。冷噴涂過程原理如圖1所示，其利用空氣動力學原理，以高壓氣體作為加速介質，送入噴槍，同時噴涂粉末經送粉氣體送入噴槍，經特殊設計的Laval型收縮—擴張噴嘴加速，形成超音速氣—固兩相流；噴涂粒子在固態下碰撞基體，經過劇烈的塑性變形而沉積形成涂層，防止材料組織發生破壞和減少張應力。在這一過程中，因無需將噴涂的金屬粒子熔化，避免了粒子在加熱過程中發生物理化學反應，加速氣體預熱到低于噴涂材料熔點的溫度以提高粒子速度與變形能力，進而提高了沉積效率。該技術具有溫度低、對基體熱影響小、沉積率高、經濟性好、涂層深層孔隙率低、結合力較好以及涂層能承受壓應力等特點[1-4]。

Ajdelsztajn等利用冷噴涂技術成功制備了溫度敏感的納米鋁合金涂層，結果表明，涂層內晶粒與原始粉末內晶粒尺寸、硬度相當[5]；Kreye等在鋁材基體上冷噴涂5mm厚的銅涂層，化學分析表明，基體沒有發生氧化反應[6]。國內研究鋁涂層硬度超過45HV[7]，Van等用拉銷試驗測試了鋁材涂層的結合強度可達68～82MPa[8]。噴涂過程中，選擇適當的顆粒尺寸、噴涂距離[8]以及粒子的速度，沉積效率可超過80%[9]。國內外研究表明，冷噴涂技術應用于失效零部件的修復，采用與金屬零件成分相同的粉末為噴涂材料，可以使修復后的零件與新零件的性能相近[10-13]，從而恢復零件的使用性能，延長服役時間。美國、德國等國家均開展了冷噴涂修復的相關技術研究，已有報道冷噴涂用于鋁合金、鎂合金制備的渦輪盤、活塞、汽缸、閥門、環件等零件[14]。美國的Champagne等人[15]采用冷噴涂鋁涂層，對飛機傳動器和齒輪箱的鎂合金外殼進行了修復，涂層的結合強度超過70MPa，硬度達到HB57，比硬化變形鋁的硬度高20%～30%。

鑒于以上分析，擬采用冷噴涂技術對開裂部位進行修復研究，該技術為綠色環保工藝，不會造成排污、噪聲等環境違規問題。

2 修復方案和流程

2.1 技術要求

為保障戰備值班需要，彈筒經冷噴涂法修復后應達到以下要求：

1）筒體耐壓值不小于0.4MPa；

2）涂層孔隙率低于1%；

3）涂層結合力不小于30MPa；

4）涂層硬度不小于HV60。

2.2 修復方案

因無法對修復后筒體的涂層進行硬度、金相和結合強度試驗，先用筒體材料制作基材試樣，在修復筒體的同時，采用同樣的設備、材料、工藝和方法對基材試樣進行噴涂，完畢后對試樣進行檢驗，以驗證筒體的修復質量。基材試樣如圖2所示，噴涂過程中，應控制顆粒速度、顆粒溫度及氧化程度[16]、噴涂角度[17]、噴槍[18]、基體[19] 等多種因素對涂層效果的影響。

結合強度試樣、金相試樣和硬度試樣（見圖3），測試涂層與基材之間的結合力、金相組織和硬度。

耐壓試樣如圖4所示，制備一個可通氣保壓的筒體，在筒體外側鉆一個 5mm的通孔，用于模擬結構貫穿裂紋損傷。采用冷噴工藝修復5mm的通孔，對冷噴修復后的筒體進行耐壓試驗。

2.3 修復流程

1）工藝路線

方案及準備→噴涂前檢查→清洗→防護→噴砂→噴涂→機加工→表面清理及多余物檢查→檢驗。

2）修前準備

對CZSB-PT-41冷噴涂系統設備、工具、鋁合金粉末、氮氣、沙礫等進行確認。

3）重要工序

用丙酮清洗噴涂區域，清除油污、雜質，用硅堵頭對孔、坑等進行防護；清洗噴砂區域，噴砂后的表面無光澤和暗斑，吹凈噴砂區域表面；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；將涂層加工至目標尺寸，保證表面粗糙度，對修復部位進行探傷，涂層本體不能有裂紋，對內腔和表面清理、檢查。

3 試驗結果與分析

對制備的金相試樣、結合力試樣、耐壓試樣進行檢測。

1）試樣涂層外觀

所有試樣涂層表面均勻、連續，無片狀剝落、散裂、碎屑、氣泡及可見裂紋。

2）試樣涂層顯微硬度

對涂層的橫截面進行微觀硬度檢測，每個試樣打10點（維氏），測試結果如表1所示。

3）試樣涂層金相

將試樣沿研究的觀察方向切開，對切開后的斷面鑲嵌、拋磨，涂層無裂紋，200倍顯微鏡下檢查涂層金相組織，涂層組織均勻、連續，與基體金屬界面無分離現象，界面污染不大于15%。涂層結合處金相形貌如圖5所示。對涂層孔隙率進行測算，測試結果如表2所示。

4）試樣結合強度

測試試樣的結合強度，測試值如圖6至圖8所示，測試結果如表3所示。

5）性能試驗耐壓及密封性

對修復后的耐壓試樣筒體供壓0.4MPa，保持10min無壓降；供壓3MPa，保持3～5s，泄壓后無永久變形和損壞，滿足技術要求。

6）筒體驗證

對修復完成的彈筒進行總體耐壓及密封性試驗，打壓0.4MPa，保持24h無壓降，泄壓后無永久變形和損壞，滿足使用要求。

4 結束語

冷噴涂修復過程快速、簡單，對基體材料無影響、孔隙率低，可形成更加致密、成分更穩定的增材補強結構。修復后的彈筒性能良好，滿足正常使用要求。通過修理，掌握了噴槍與工件的距離、噴槍移動速度、噴涂時間、工件溫度等關鍵數據，驗證了冷噴涂法對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方法。編制的工藝文件涵蓋了過程控制、質量檢驗，內容完整，工藝參數經過試驗驗證，能有效規范生產過程，保證產品質量。

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作者簡介

劉永勝，高級工程師，主要從事機械修理技術研究工作。

趙陽，工程師，主要從事冷噴涂修理技術研究工作。

姜廣順，工程師，主要從事裝備維修與保障技術研究。

張偉，工程師，主要從事導彈修理技術研究工作。