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冷门技术:冷喷涂金属3D打印现在用在了军舰上

作者:淘金网官网入口 来源:淘金网体育娱乐 发布时间:2022-10-04 09:43:41

  冷喷涂是一种利用固态粉末颗粒自固结能力而实现颗粒相互结合的粉末沉积方法,在高速冲击的条件下,这种粉末的自固结才能得以实现。而随着对冷喷涂工艺设备及喷涂工艺的研究,冷喷涂的一些缺点逐渐被克服,其应用领域也逐渐扩大。

  冷喷涂技术是20世纪80年代中后期由前苏联科学院理论与应用力学研究所的Papyrin等发明的一种涂层制备方法。研究发现当粉末喷涂速度超过某一临界值时,粉末与基底碰撞后就会在其表面沉积形成涂层。由此,他们在1990年提出了冷喷涂概念并发表了第一篇关于冷喷涂的论文。随后,冷喷涂技术因其制备优势逐渐引起人们的关注,在材料表面涂层制备技术领域得到了迅速发展。与此同时,研究人员还开展了冷喷涂设备的研制、涂层沉积原理及涂层结构与性能的研究,对冷喷涂技术的发展与应用起到了积极推动的作用。

  冷喷涂技术是基于空气动力学原理,利用压缩气体带动粉末颗粒通过拉瓦尔缩放喷管将其加速,使获得超音速的粉末颗粒碰撞基底发生塑性形变并沉积在基底表面形成涂层的一种新型喷涂技术。根据喷涂气压大小与送粉方式的不同,冷喷涂设备主要可分为高压(1.5~4.0MPa)和低压(0.6~1.5MPa)冷喷涂。高压冷喷涂设备系统主要以N2、He或两者的混合气体作为气源,其高压气路和粉末流动管道各自独立,喷涂粉末由缩放喷管的前端进入,在喷管内部与热气流混合后经缩放喷管加速喷出,设备系统相对庞大,多以固定式安放;此外,该设备喷涂温度相对较高(200~800℃),喷涂粉末速度可达300~1200m/s;涂层沉积速率高、结构均匀致密,可实现大面积涂层的快速制备;但同时也存在气体和粉体耗费量大、喷涂经济成本高及设备难搬运等缺点。

  理论上冷喷涂技术可以制备几乎所有的金属和金属/陶瓷复合涂层且厚度超过50pm,且冷喷涂沉积层可以有效防止高温、腐蚀、侵蚀、氧化以及化学腐蚀,目前在航空航天、汽车、能源、医疗、海洋等领域有着广泛的应用并在增材制造技术领域显示出独特的优势。

  2017年3月,美国俄亥俄州的Akron大学与航空维修工程服务公司(AMES)展开合作,旨在探索如何更好地利用“冷喷涂技术”维修飞机金属零部件,并向美国联邦航空局提交了相关的许可申请。

  2017年9月,澳大利亚Titomic公司联手CSIRO(澳洲联邦科学与工业研究组织)将冷喷涂技术应用到了制造领域,开发出了一种新型3D打印工艺—“动力熔融”:该工艺是在封闭的腔室中进行,通过高热气体将金属粉末加速到音速的1.5-3倍,再通过喷嘴从喷枪射出。这样,粉末颗粒便会在目标表面相互撞击,通过一种塑性变形过程,以机械水平牢固地结合到一起。其中,喷枪是由机械臂精确控制的,所以可以非常精确地按照既定的图案喷射。2018年9月,Titomic公司宣布与TAUV达成协议,使用Titomic的3D打印技术生产钛合金的坚固型士兵无人机(UAVs),将冷喷涂技术应用到钛合金部件的3D打印中。

  而鉴于冷喷涂增材技术的巨大优势,VRC获得美国海军的青睐。大约在2010年代初,五角大楼开始对增材制造的逐渐兴趣增加,海军在采用增材制造技术方面普遍落后于其他领域(航空航天等)的现状似乎已经改变。

  今年夏天,除了REPTEX,海军还在世界最大的海上战争演习——环太平洋演习期间,在一艘首次出海的舰艇“埃塞克斯号”上测试了增材制造技术。在REPTEX上,VRC还将有机会与海军人员一对一地展示其机器的能力。SDTS的设计甚至可以通过远程控制进行操作,这将使像VRC这样的公司有机会在海事领域展示其技术。

  不止海军,2020年6月,澳大利亚陆军对金属3D打印机制造商SPEE3D的WarpSPEE3D增材制造(AM)系统进行了实地测试。同年8月,又进行了第二轮实地演习。陆军部队利用SPEE3D的专利冷喷3D打印技术,能够以一种快速和具有成本效益的方式创建组件。事实证明,WARPSPEE3D系统能够打印重量达40公斤的大型金属部件,并且以每分钟100克的速度进行打印,即使在37℃的温度和80%的湿度下也能打印。

  2021年5月,位于美国埃尔斯沃思(Ellsworth)空军基地的第28维修小组增材制造飞行队对一架现役飞机进行了首次修复,并使用金属冷喷涂(动能固结)技术修复了B-1B轰炸机机翼上方滑动接头,实现机翼轮廓内的上下垂直运动。这是这项技术在2019年首次在美国空军基地成功演示之后在现役飞机上的首次应用。在冷喷涂过程中,他们使用氦气将粒子加速到3马赫。通过撞击,使6061铝合金颗粒和基材结合。据悉,使用冷喷涂技术只需数小时或数天即可完成维修,这能够使空军能够通过增材制造技术每年节省大约200万美元(约1296万人民币)。

  2019年5月,西北工业大学材料学院李文亚教授在焊接领域顶刊上发表综述类论文,旨在讨论并解决冷喷涂沉积体界面弱冶金结合以及塑性差的科学问题。由于冷喷涂固有的沉积特性,即每个颗粒经过剧烈的塑性变形沉积形成涂层,颗粒界面的结合,机械结合占主导地位,存在少量冶金结合,导致冷喷涂沉积体塑性差。针对这一科学问题,李文亚教授提出了“冷喷涂+”的概念,即冷喷涂复合后热处理、激光、喷丸、搅拌摩擦加工、热轧和热等静压等加工制造技术来增强沉积体界面冶金结合,改善沉积体的强塑性;同时,冷喷涂涂层作为强化涂层,已用来提高搅拌摩擦焊、钎焊、熔焊接头的强塑性,同时显著提升被涂覆基体的疲劳寿命。

  2022年2月,西北工业大学凝固技术国家重点实验室李文亚教授等人使用冷喷涂技术,将微米尺度的FeCoNiCrMn颗粒以800m/s以上的速度喷射至基板上,利用高速撞击,引起了应变率高达108~109s-1的绝热塑性变形过程,并对HEA的剧烈塑性变形过程进行了研究。该研究丰富了学界对FeCoNiCrMn高熵合金大应变率极端塑性变形下微观组织及成分演变规律了解,为未来使用剧烈塑性变形条件进一步优化FeCoNiCrMn高熵合金微观组织,提高力学性能提供了重要依据。

  冷喷涂低温高速的特性使其成为一种经济、环保的表面处理技术,冷喷涂的优点如涂层无氧化、颗粒可回收等是其他喷涂工艺所不能实现的,目前冷喷涂的材料已经从塑性较好的金属材料扩展到纳米材料,对于较难实现沉积的陶瓷材料等也会慢慢实现应用。而今后国内冷喷涂技术在以下研究方向仍有较大的进步空间:

  使用冷喷涂制备新型涂层。扩大喷涂粉末的范围、提高喷涂粉末的沉积效率、提高涂层颗粒之间的结合力都是制备新型涂层的保证。国内虽然对此有一定的研究但是对各种耐热、隔热、医疗、轻量化等功能涂层开发仍然较少。冷喷涂的前、后处理工艺。喷涂前对基体粉末的前处理和喷涂后对涂层的后处理对最终得到的涂层质量有很大的影响。冷喷涂涂层塑性差,在合适的处理工艺下制备强度高、塑性好的涂层仍比较困难。工业部件的修复与增材制造。目前国内外已实现冷喷涂制造零件的报道,冷喷涂还可以应用于零件的快速修复,有望实现对多种类型损伤的修复,如裂纹、磨损等。

  3D打印,尤其是金属粉末的处理必须格外小心,并且在可能的情况下,应在保护性气氛中进行。目前,全封闭的工艺流程正在被设备制造商所重视,以SLM Solutions为代表的金属打印机品牌商从粉末的灌装、清理甚至中途加装等所有流程均实现了全封闭操作,这种空间分割或封装最大程度的减少了粉尘的暴露和危害。在这种情况下,3D打印手套箱就成为了一种优先的设备选择。

  3D打印技术作为一项前沿性、先导性非常强的新兴技术,对传统制造业的工艺改造和新材料的广泛应用具有颠覆性的意义和作用。我们制造的3D打印手套箱(增材制造保护手套箱)针对航空航天特殊零部件的加工所需要的环境而设计的:3D打印设备一般采用送粉成型或铺粉成型两种,每种成型设备其需要的手套箱设计要求不同,为此需要啊根据不同需求来设计手套箱提供可靠的解决方案。

  金属3D打印惰性气体保护系统是一套高性能、高品质的自动吸收水、氧分子的超级净化防护手套箱,提供一个纯化工作环境需求的密闭循环工作系统,可以满足特定清洁要求应用的1ppm的O2和H2O惰性的氛围环境。实现了将选择性激光溶化装置本体放置在一密封箱体内,该密闭箱体与多级粉尘手机装置和风循环装置形成闭环,氩气在该闭环内循环,系统中的气氛水含量达到小于1PPM指标,氧含量达到小于1PPM指标,实现超高纯工作气氛的环境,加工的产品可直接应用,减少再处理环节,是一套满足科研开发而设计的经济型循环净化系统。

  ●人性化专业化设计,箱体外形美观,箱体上大型门的密封性极好,开启方便简单。

  ●解3D打印手套箱送粉器送粉进气或铺粉设备镜头吹气与手套箱箱体压力控制。

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