0 前言

熱噴涂是將一種粉末或絲狀的材料在不同熱源中進(jìn)行加熱至熔化或軟化態(tài),然后在高速氣流的推動下加速噴到基材表面,凝固后形成具有耐腐蝕、耐熱、耐磨、抗氧化等良好性能的防護(hù)涂層加工技術(shù)[1]。依據(jù)不同熱源形式,熱噴涂技術(shù)可分為火焰噴涂、電弧噴涂、爆炸噴涂、等離子噴涂以及其他形式的噴涂技術(shù),另外,當(dāng)推動氣體溫度較低時,載體氣體加速粒子達(dá)到超音速后使其在基材表面發(fā)生塑性變形也可以形成涂層,即所謂的冷噴涂技術(shù)[2]。熱噴涂技術(shù)具有基材和噴涂材料選擇多、噴涂工藝種類多、涂層厚度可從微米級到厘米級、可制備復(fù)合材料的涂層、甚至可用于增材制造等優(yōu)點(diǎn)[3], 從1920年該技術(shù)出現(xiàn)到現(xiàn)在,一直是制造業(yè)備受關(guān)注的方向。在我國熱噴涂的發(fā)展始于國防軍工行業(yè), 特別是在導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星、坦克零部件及航空發(fā)動機(jī)葉片、噴火筒、導(dǎo)彈滑軌等部位有重要的應(yīng)用,后來逐步發(fā)展到民用產(chǎn)品,已在電力、冶金、礦采、紡織、印刷、鐵路、醫(yī)療、海洋裝備等多個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[4-7],已成為典型的軍民兩用技術(shù)。

但是,任何技術(shù)的發(fā)展也需要隨著使用要求的提高和社會的進(jìn)步等因素的影響而不斷前進(jìn),在軍事領(lǐng)域這種趨勢往往表現(xiàn)得更為明顯。鑒于此,本文的目的是在總結(jié)近年來熱噴涂技術(shù)在典型武器裝備的研究應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,從技術(shù)層面分析了影響熱噴涂發(fā)展的關(guān)鍵共性技術(shù)問題,并展望了該技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用前景,尤其是用于增材制造和再制造領(lǐng)域的可行性。

1 航空裝備的防護(hù)涂層應(yīng)用

1.1 航空發(fā)動機(jī)葉片的熱防護(hù)

等離子噴涂技術(shù)是利用等離子弧將噴涂材料進(jìn)行加熱、加速,在基材表面沉積涂層的工藝技術(shù)[8], 是目前熱噴涂技術(shù)中能量密度較大、噴涂溫度較高的工藝技術(shù)之一,也正因其超高溫特性,在熱噴涂應(yīng)用中可噴涂高熔點(diǎn)材料[9-10]。

隨著航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和技術(shù)的進(jìn)步,其內(nèi)部工作溫度也不斷攀升。目前先進(jìn)發(fā)動機(jī)燃燒室高溫區(qū)溫度在2 000℃ 左右,其壓氣機(jī)出氣溫度高達(dá)650℃ 以上,渦輪進(jìn)氣匣氣流溫度達(dá)到1 700℃ 左右[11-12]。因此,現(xiàn)階段普遍采用鈦合金、鎳合金等合金材料制造相關(guān)零部件,但依舊存在高溫失效的“卡脖子”問題[13-14]。另外,研究證實(shí)改變基材材料只能輕微幅度提升耐溫值,仍不能突破溫度的上限問題。

等離子熱噴涂熱障涂層是航空航天領(lǐng)域應(yīng)用相對完善的一種表面修復(fù)與強(qiáng)化工藝技術(shù)[15],其運(yùn)用等離子噴涂工藝噴涂耐高溫陶瓷涂層在基材表面, 利用陶瓷涂層阻遏基材的高溫反應(yīng),涂層隔熱作用提升了熱端部件的耐溫性能[16-17]。例如,Honeywell公司研究的渦輪導(dǎo)向器采用等離子噴涂一種新型熱障涂層,并計(jì)劃應(yīng)用于新型無人機(jī)和直升機(jī)等航空武器裝備。

為提高發(fā)動機(jī)效率,在高壓渦輪葉片的葉尖上采用控制葉尖與機(jī)匣間隙的立方氮化硼(CBN) 涂層,當(dāng)間隙縮小125 μm時,耗油率可降低0.5%。美國關(guān)于CBN涂層新舊技術(shù)的對比表明,抗氧化層目前采用等離子噴涂CoNiCrAlY涂層[18-20],改進(jìn)型CBN涂層則在此基礎(chǔ)上加入鉿、硅或錸。目前的涂層基材為電鍍NiCoCrAl, 而改進(jìn)型CBN則為在NiCoCrAlY中加入鉿、硅或錸。目前采用的磨粒為多晶CBN,而改進(jìn)型則為帶尖角的單晶。以往的擴(kuò)散層采用鋁化物涂層,而新涂層則采用雙鋁化物或鉑鋁涂層[21]。采用這種新型氮化硼葉尖涂層,可顯著改進(jìn)涂層抗氧化性,延長涂層壽命。

1.2 飛機(jī)起落架的替代鍍鉻技術(shù)

為了解決飛機(jī)起落過程中受到較大的沖擊載荷與磨損,實(shí)際應(yīng)用中往往在起落架液壓桿表面鍍硬鉻層。但鍍鉻層的硬度會隨時間不斷下降,因此起落架的壽命維持不盡人意,報廢周期短,且鍍鉻工藝因污染環(huán)境被列入嚴(yán)格限制的技術(shù)。針對其工況與技術(shù)要求,現(xiàn)階段國內(nèi)外通常通過超音速火焰噴涂技術(shù)實(shí)現(xiàn)起落架的表面修復(fù)與強(qiáng)化。有研究表明, WC-Co金屬陶瓷作為噴涂材料修復(fù)工件,修復(fù)后涂層相較于原鍍鉻層硬度提升50%,修復(fù)再制造后的零件使用壽命比傳統(tǒng)的鍍鉻零件顯著增長,經(jīng)濟(jì)效益顯著[22]。

1.3 直升機(jī)的冷噴涂防護(hù)應(yīng)用

美軍在2012年曾公布,將美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過多年研究開發(fā)的冷噴涂等技術(shù)應(yīng)用于直升機(jī)防沙塵沖蝕和腐蝕結(jié)構(gòu)修復(fù),可大幅度降低直升機(jī)維護(hù)成本。具體是在直升機(jī)旋翼漿葉的前緣利用高速火焰噴涂技術(shù)涂覆碳化鎢-鈷涂層,在直升機(jī)旋翼漿葉前緣以外的區(qū)域冷噴涂鈮涂層,這種涂層可以承受沙漠地區(qū)惡劣環(huán)境。

美軍還正在軍用直升機(jī)其他主要部件上進(jìn)行冷噴涂技術(shù)腐蝕防護(hù)應(yīng)用研究,特別是對鎂合金主傳動裝置和尾槳變速箱體等的腐蝕結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷噴涂修復(fù)。研究表明, 采用這種冷噴涂防護(hù)技術(shù), 在ZE41A、AZ31B和AZ91D鎂合金表面沉積0.30~0.375mm純鋁涂層,耐鹽霧腐蝕時間達(dá)1 000h左右,應(yīng)用于直升機(jī)鎂合金傳動箱,可使傳動箱的腐蝕防護(hù)性能提高約22%,運(yùn)營與維護(hù)成本減少15%。

2 武器裝備的隱身涂層應(yīng)用

隱身技術(shù)是降低目標(biāo)可探測性、完善防空武器體系、提高縱深打擊能力的重要手段,在武器裝備表面涂覆隱身材料是目前使用最多、最有效的技術(shù)之一[23]常隱身涂層包括雷達(dá)波隱身、紅外隱身、激光隱身、聲納隱身和兼容性隱身(可稱多功能隱身)等涂層,目前,隱身涂層技術(shù)正朝著多頻譜、寬頻帶的方向發(fā)展[24]。

隱身涂層的制備較多地采用粘結(jié)劑復(fù)合隱身材料以涂刷的形式實(shí)現(xiàn)涂覆,也有采用溶膠-凝膠或化學(xué)鍍的方式制備涂層。近幾年,人們發(fā)現(xiàn)采用熱噴涂的方法在制備隱身涂層方面具有很大的潛力[25]。因?yàn)閲娡苛Ｗ釉诠に囘^程中能獲得高動能、高熱能,并在基材表面沉積高質(zhì)量涂層,使粒子與基材緊密結(jié)合,同時涂層厚度可調(diào)控。除此之外,無機(jī)陶瓷粉末涂層具有優(yōu)越的隔熱效果和硬度[26-29],綜上,熱噴涂工藝在耐高溫吸波材料制備涂層領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿Α＠?YUAN等[30] 通過低溫高速火焰噴涂技術(shù)在Al基材沉積 α-Fe/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料粒子,成功制備了含量為70%的 α-Fe、厚度為1.5mm的涂層,并檢測發(fā)現(xiàn)在12.8~14.5GHz頻段內(nèi)其反射率為-10dB, 頻寬為2.65GHz。 B?GARD等[31] 分析了由大氣等離子噴涂制備的BaCoTiFe10O9 涂層,結(jié)果表明大氣等離子噴涂制成的涂層在電磁波吸收方面有廣闊的前景。另外, NANOBASHVILI等[32] 通過水穩(wěn)等離子噴涂技術(shù)沉積B4C涂層,其優(yōu)越的微波吸收能力主要體現(xiàn)在35GHz頻率下,且吸收比例高達(dá)82%。

3 艦船裝備的防腐與防滑非晶涂層應(yīng)用

防滑涂層對大型艦船的人員安全以及艦載機(jī)作業(yè),尤其是艦船飛行甲板作業(yè)有著非常重要的作用, 飛行甲板防護(hù)涂層的好壞直接影響載機(jī)艦(如航母、兩棲攻擊艦等大型艦船) 的在航率和飛機(jī)起降架次率,是使用要求最高、磨損率最高的一類防滑涂層。以美國為例,美國海軍目前有10艘航空母艦在役,每年有近34.4萬m 2 的艦艇表面需要使用防滑涂料,費(fèi)用在5 600萬美元以上;當(dāng)前的使用壽命僅18個月,維護(hù)和更換不僅影響防滑表面的使用,而且耗費(fèi)巨大。因此,載機(jī)艦飛行甲板防滑涂層的研究一直是航母使用國關(guān)注的重點(diǎn)。

現(xiàn)役海軍大型艦船上應(yīng)用的甲板和艙室涂層材料絕大多數(shù)采用樹脂基涂料[33],也有少部分采用金屬基材料[34],而金屬基涂層普遍有耐磨、不發(fā)生老化、摩擦因數(shù)穩(wěn)定、與基底結(jié)合力強(qiáng)、施工和高溫下不會揮發(fā)有毒氣體等優(yōu)點(diǎn)。在金屬基涂層中,近年來新發(fā)展的熱噴涂非晶態(tài)金屬基涂層非常值得關(guān)注[35-36]。非晶態(tài)金屬的原子整體上排列無規(guī)律,具有短程有序、長程無序的特點(diǎn),沒有位錯、晶界、相界等傳統(tǒng)晶態(tài)金屬的固有缺陷。因此,非晶態(tài)金屬基涂層與傳統(tǒng)的金屬基涂層相比,具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐磨損等特點(diǎn)。

美國國防部高級研究計(jì)劃局(DARPA)聯(lián)合能源部開啟“高性能防腐材料”項(xiàng)目,該項(xiàng)目以研發(fā)硬度極高的非晶態(tài)鐵基金屬材料為目標(biāo),將其作為惡劣環(huán)境中的腐蝕防護(hù)的噴涂材料。在項(xiàng)目進(jìn)展中研制出兩種非晶態(tài)鐵基金屬材料,命名為SAM2X5、 SAM1651(或稱SAM7)。其耐腐蝕性相比于最優(yōu)質(zhì)不銹鋼及Ni金屬可提高至4至5倍,且有更好的耐磨損性能[37]。另外,研究人員在超音速火焰噴涂工藝下制備的SAM2X5與SAM7非晶涂層,并采用Triga核反應(yīng)器做中子吸收能力檢測,科研人員發(fā)現(xiàn)SAM2X5和SAM7中子吸收能力極高(最優(yōu)質(zhì)不銹鋼及Ni基合金的7倍、硼鋼的3倍)。另外,鐵基非晶涂層在較強(qiáng)的中子輻射工況中表現(xiàn)出穩(wěn)定的非晶結(jié)構(gòu),預(yù)測以上兩種非晶涂層能有效安全地儲存4 000~10 000年,在運(yùn)輸核廢料和安全儲存方面也存在巨大的應(yīng)用前景。

綜上所述,高性能防腐材料的研究取得階段性成果,隨后以DARPA為首又啟動了“海軍先進(jìn)非晶涂層”(NAAC) 項(xiàng)目[38],采用熱噴涂技術(shù)制備出有紋理的非晶態(tài)金屬涂層,其具有摩擦系數(shù)高,耐磨損等特點(diǎn),綜合性能超過現(xiàn)有的防滑涂層體系,將其應(yīng)用在“近海戰(zhàn)斗艦”的濕態(tài)任務(wù)區(qū)甲板[39-40]。 “近海戰(zhàn)斗艦”的濕態(tài)任務(wù)區(qū)是位于艦艉的寬大艙室,主要用于剛性充氣艇的收放,需要間歇性接觸海水,還會遭受小艇收放時對甲板產(chǎn)生的磨損,因此被認(rèn)為是檢驗(yàn)涂層防滑、耐磨和耐腐蝕性的合適平臺。 A&A熱噴涂公司是NAAC研發(fā)項(xiàng)目的成員單位之一,該公司公布開發(fā)的非晶態(tài)金屬涂層于2009年展開了試驗(yàn)艦的應(yīng)用測試,其中包括大型艦船的飛行甲板,目前該應(yīng)用研究方向還在持續(xù)推進(jìn)當(dāng)中[41]。

非晶態(tài)金屬基涂層具有優(yōu)于樹脂基和晶態(tài)金屬基涂層的綜合性能,尤其是具有超長的使用壽命,可以大大減少艦艇涂層維護(hù)更換時間和費(fèi)用,提高艦艇在航率。一旦在施工效率上和涂層綜合質(zhì)量上進(jìn)一步突破,則可在海軍艦艇上大規(guī)模推廣應(yīng)用。

4 熱噴涂在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 增材制造技術(shù)展現(xiàn)巨大軍事應(yīng)用潛力

3 D打印(或稱增材制造)的概念最早由美國麻省理工學(xué)院在20 世紀(jì)90 年代初提出。 21 世紀(jì)以來,3D打印技術(shù)得到迅速發(fā)展,引起了持續(xù)的關(guān)注[42-43]。英國學(xué)者認(rèn)為,3D打印技術(shù)和數(shù)字化生產(chǎn)模式將納入第三次科技革命范疇,成為新工業(yè)革命的強(qiáng)大推動力;2012 年,以美國DARPA為首構(gòu)建的國家增材制造科研機(jī)構(gòu),將增材制造技術(shù)列入革新美國制造業(yè)首位技術(shù),全力推動這項(xiàng)技術(shù)深入探索和廣泛普及, 推進(jìn)武器裝備的快速設(shè)計(jì)、制造及維修。

2012年,洛克希德·馬丁公司采用電子束增材制造技術(shù),實(shí)現(xiàn)3m長的F-35機(jī)翼鈦合金零部件成型。中國王華明院士團(tuán)隊(duì)也曾利用激光熔覆技術(shù)成功打印出飛機(jī)用大型鈦合金結(jié)構(gòu)件[44]。通用電氣公司將增材制造技術(shù)應(yīng)用于制造發(fā)動機(jī)葉片,其中加工1.22m長的鈦合金零件促使每臺發(fā)動機(jī)成本減削2.5萬美元。密歇根大學(xué)開發(fā)出的增材制造設(shè)備可滿足戰(zhàn)場部署需求,能夠迅速高效地完成受損葉片等發(fā)動機(jī)零部件的修復(fù)工作。美國材料試驗(yàn)協(xié)會(ASTM) 國際委員會針對Ti-6Al-4V的增材制造方法制定了F2924-12標(biāo)準(zhǔn)[45]。這是第一個增材制造的材料標(biāo)準(zhǔn),對推動其廣泛普及具有重要意義。波音、通用電氣等大型企業(yè)都致力于將此技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。波音公司運(yùn)用增材制造技術(shù)生產(chǎn)了F-15、F-18等軍用飛機(jī)以及民用飛機(jī)共計(jì)10類產(chǎn)品的零部件。此外,美國海軍已決定運(yùn)用增材制造技術(shù)制造某型水聲換能器超過50%部件。美國國家航空航天局(NASA)正在將3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于新一代重型運(yùn)載火箭—“航天發(fā)射系統(tǒng)”(SLS)的研制中[46],包括利用3D打印機(jī)制造系統(tǒng)零件等。

3 D打印技術(shù)面臨的多方面問題和挑戰(zhàn)至今仍未得到突破性進(jìn)展。一是成本方面,較為昂貴的3D打印設(shè)備延緩了其普及應(yīng)用的趨勢。二是成型材質(zhì)方面,化學(xué)聚合物為3D打印主流成型材料,在此基礎(chǔ)上的成品模型物理性能不高,在安全方面也存在短板,金屬材料的3D打印目前還存在很多技術(shù)難題,材料適用面不夠廣。三是精度、速度和效率方面,逐層打印不能有效保證3D打印的精度要求;低下的工作效率不能有效普及在大規(guī)模生產(chǎn)中,除此之外,由于工作原理限制,兼顧精度與速度問題在目前仍沒有有效的解決。四是產(chǎn)業(yè)產(chǎn)權(quán)方面,現(xiàn)有的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制不能解決普及3D打印技術(shù)出現(xiàn)的產(chǎn)品復(fù)制和產(chǎn)品擴(kuò)散問題,制造業(yè)面對的盜版風(fēng)險大增,難以適應(yīng)未來市場需求變化和技術(shù)發(fā)展趨勢。

4.2 熱噴涂增材制造的優(yōu)勢應(yīng)用方向

學(xué)界大量的注意力集中在3D打印,打印材料早些年以塑料為主,近些年以金屬和陶瓷材料為主的3D打印技術(shù)也得到了快速發(fā)展。其中除了基于激光束、電子束等高能束流的金屬和陶瓷3D打印技術(shù)之外,熱噴涂(包括冷噴涂)技術(shù)也是3D打印技術(shù)的一個發(fā)展分支,在實(shí)現(xiàn)特定條件的厚成形、特種材料的零件直接制造等特殊領(lǐng)域表現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢,從而受到越來越多的關(guān)注,尤其是在對噴涂厚成形、材料、成形機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)等方面開展了較多的基礎(chǔ)性研究工作。例如冷噴涂區(qū)別于激光3D打印工藝,具有避免高溫化學(xué)反應(yīng)、粒子選擇范圍廣、成本低等優(yōu)勢[47-50]。當(dāng)前,國外有關(guān)于冷噴涂增材制造銅、鈦和不銹鋼零件的相關(guān)研究,研究涂層厚度大于5mm的銅塊材抗拉強(qiáng)度達(dá)200MPa,達(dá)到其鑄態(tài)組織的強(qiáng)度[51]。美軍陸軍研究室協(xié)同南達(dá)科他礦業(yè)及理工學(xué)院研發(fā)新一代混合冷噴涂系統(tǒng),并期望將此技術(shù)延伸至國防領(lǐng)域。除此之外,具有優(yōu)秀厚成形能力的鐵基非晶涂層也成為了目前的一個研究重點(diǎn), BRANAGAN等[52] 利用電弧噴涂技術(shù)以6.35mm的碳鋼平板為基材、SHS7170粉芯絲為噴涂材料制備了20mm厚的鐵基非晶納米晶涂層。

5 結(jié)論與展望

熱噴涂技術(shù)走過了近100年的發(fā)展歷程,雖然在噴涂材料、工藝及設(shè)備等方面均取得了長足的進(jìn)步,面對日益增長的工業(yè)需求,該技術(shù)一定會繼續(xù)發(fā)展下去,在軍事領(lǐng)域也不例外。分析認(rèn)為,今后關(guān)于熱噴涂技術(shù)的研究可主要集中在以下方面:

(1) 以具體軍事應(yīng)用需求為牽引,開展先進(jìn)涂層材料及噴涂設(shè)備工藝的開發(fā)。面對更多更廣泛的軍事應(yīng)用領(lǐng)域,熱噴涂技術(shù)在新材料性能提升、涂層組織性能缺陷調(diào)控和新型設(shè)備開發(fā)等方面進(jìn)行深入的研究工作,尤其是需要在涂層殘余應(yīng)力、界面結(jié)合強(qiáng)度、組織結(jié)構(gòu)缺陷等薄弱環(huán)節(jié)上取得技術(shù)突破。熱噴涂的工藝特點(diǎn)決定了涂層成形過程中產(chǎn)生的本征殘余應(yīng)力(或稱固有應(yīng)力、驟冷應(yīng)力) 為拉應(yīng)力, 這對于高性能涂層的制備及安全服役極為不利;在基體表面進(jìn)行噴涂,通常形成的是一種典型的異質(zhì)雙層或多層結(jié)構(gòu),特別是涂層/基體結(jié)合部位,通常以機(jī)械嵌合為主要的界面結(jié)合機(jī)制,該界面處的拉伸結(jié)合強(qiáng)度通常難以提升到百兆帕量級,進(jìn)而嚴(yán)重限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍;另外涂層微觀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中的微孔隙和氧化夾雜等缺陷也會影響涂層材料性能的發(fā)揮。因此,亟待開發(fā)新工藝、新技術(shù)以實(shí)現(xiàn)涂層殘余應(yīng)力的有效調(diào)控、界面結(jié)合強(qiáng)度的大幅提高、少缺陷甚至無缺陷的涂層組織的可控制備,進(jìn)而拓展熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

(2) 充分挖掘熱噴涂在增材制造與再制造領(lǐng)域的應(yīng)用潛力,開辟新領(lǐng)域。隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟,新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域,3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。除將其引入商業(yè)市場擴(kuò)大其產(chǎn)業(yè)化規(guī)模外,還大力拓展該技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用。熱噴涂也需要充分利用這一發(fā)展契機(jī),充分挖掘熱噴涂技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)軍事領(lǐng)域3D打印和增材再制造的應(yīng)用場合,掌握技術(shù)前沿、放眼未來開展前瞻性的技術(shù)開發(fā)和升級換代,以點(diǎn)帶面,以此引領(lǐng)該技術(shù)在制造領(lǐng)域的長久發(fā)展,以推動武器裝備保障模式和作戰(zhàn)樣式的發(fā)展進(jìn)步。

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