新的航空发动机零部件维修方案——K3冷喷涂工艺

K3 冷喷涂工艺与其他喷涂工艺的最大区别在于,其喷涂温度低于喷涂材料的熔点,喷涂速度为超声速,因此其最大的应用前景是用于航空发动机零部件的维修与修理。
K3 冷喷涂工艺与其他喷涂工艺的最大区别在于,其喷涂温度低于喷涂材料的熔点,喷涂速度为超声速,因此其最大的应用前景是用于航空发动机零部件的维修与修理。

K3 冷喷涂工艺与其他喷涂工艺的最大区别在于,其喷涂温度低于喷涂材料的熔点,喷涂速度为超声速,因此其最大的应用前景是用于航空发动机零部件的维修与修理。

常规的热喷涂工艺包括等离子喷涂、火焰喷涂、高速火焰喷涂和金属丝电弧喷涂等。 K3 冷喷涂工艺是一种正在研发的新的热喷涂工艺,其全称为 K3 气动冷气喷涂工艺( K3 — kinetic cold gas sprayingprocess )。与其他热喷涂工艺的最大区别在于, K3 冷喷涂工艺的喷涂温度低于喷涂材料的熔点,喷涂速度为超声速。因此也为 K3 冷喷涂工艺带来了巨大的应用优势,尤其是在航空发动机零部件的维修与修理上有着广泛的应用前景。

K3 冷喷涂工艺的基本工作原理是,将气体(如氩气、氦气和氮气)压缩并加热到 800 ℃,然后通过拉伐尔形喷嘴以超声速喷出,借助载气(工作气流)将粉状的喷涂材料导入高速的工作气流中。当混在热工作气流中的喷粉颗粒与零部件表面发生冲撞,其温度低于常规的熔点,但速度非常高,喷粉颗粒将与底层材料形成紧密而牢固的结合,从而形成了致密的涂层并且很好地粘附在零部件的表面。

K3冷喷涂工艺的优点

传统上可以采用热喷涂的方法在零件上喷涂涂层,用于防腐或防止磨损以及零部件修理。但由于喷涂过程中发生的湍流以及涂层材料与环境空气的接触常会造成多孔的涂层结构,通常这种多孔的涂层结构会降低耐磨性或防腐性。由德国 MTU 公司率先提出的 K3 冷喷涂工艺,可以有效解决这一问题。

在 K3 冷喷涂工艺中由于喷粉粒子有较低的热能和非常高的动能,喷粉粒子不需要像常规热喷涂那样必须熔化。这样不但可以防止喷粉在喷涂过程中氧化和气化,同时还可以得到非常致密的涂层,避免了涂层中的氧化相和气化相,提高了涂层的结合强度和耐久性。换言之,由于 K3 涂层与基体的结合非常好,且强度更高,以至于很难清晰地识别出涂层 / 基体界面,特别是对于低熔点材料尤其明显,这与传统的喷涂完全不同。

K3 冷喷涂工艺的另一优点是其可用于各种各样材料零部件的喷涂,不但可以用于镍基合金和钛合金零部件的喷涂,还可以应用于更低熔点的合金,如铝合金或镁合金材料的喷涂。而常规的等离子喷涂、火焰喷涂、高速火焰喷涂和金属丝电弧喷涂等工艺在应用于铝合金材料零部件的喷涂时会有特殊的要求,而且常规的喷涂工艺很难应用于镁合金材料零部件的喷涂,因为喷涂的温度会将镁合金零件表面完全氧化掉。

另外, K3 冷喷涂工艺对喷涂厚度几乎没有限制,可以达到数厘米厚。而且 K3 冷喷涂工艺可以将喷流直径聚焦到大约 5 毫米,使其更好地沿着工件的表面轮廓,进行有选择性地喷涂(局部喷涂),且不需要对工件进行覆盖保护,因此 K3 喷涂工艺的效率更高,喷粉利用率也更高。根据 MTU 的实验结果, K3 冷喷涂工艺的喷粉利用率可高达 90% ,而常规火焰喷涂工艺的喷粉利用率仅可达 40% 。

经机械加工后K3涂层的剖面细部。

由于 K3 冷喷涂工艺对工件的保护没有特别的要求,采用常规喷涂所用方法保护工件和试片即可,也可以用不锈钢保护工装对工件进行保护。对于无法用常规喷涂工艺进行喷涂的零部件,且这些零部件还要求改变其特定部位的耐磨性和耐腐性, K3 冷喷涂工艺可以为该类零部件提供相应的解决方案。而且由于 K3 冷喷涂工艺可以获得更厚和密度更高的涂层,所以喷涂后的涂层可以进行精细加工,为磨损或损坏的零部件提供了一个很好的翻修方案。

K3冷喷涂与等离子喷涂和超声速火焰喷涂的区别

等离子喷涂设备及工艺是采用等离子弧发生器(喷枪)将通入喷嘴内的气体(常用氩气、氮气和氢气等)加热和电离,形成高温高速等离子射流,熔化和雾化金属或非金属喷粉,并使其以高速喷射到经预处理的工件表面上形成涂层的方法。

超声速火焰喷涂是应用火箭发动机的原理获得温度较低( 3400K )、但速度却很高的喷涂燃流。其突出的贡献是大幅度提高了涂层的结合强度、密度、硬度,同时降低了涂层中的氧化物含量,使涂层较等离子喷涂更加纯净。此外,超声速火焰喷涂涂层内部的残余应力为压应力,其涂层厚度所受限制不大,一般可达到数毫米。

K3 冷喷涂技术与等离子喷涂技术相比温度低很多,不需要产生高温高速等离子射流去熔化和雾化金属或非金属物料。与超声速火焰喷涂技术类似,但其所使用的喷涂温度更低,不但继承了超声速火焰喷涂涂层结合强度高、密度大、硬度高和降低涂层中的氧化物含量,使涂层较等离子喷涂更加纯净等优点,还使得喷涂易氧化材料成为可能。同时 K3 冷喷涂技术对喷涂厚度几乎没有限制,甚至可以达到数厘米厚。

但由于在喷气流中的喷粉粒子不需要像常规热喷涂那样必须熔化,因此 K3 冷喷涂工艺更适合于喷涂易于延展的材料,对喷涂陶瓷类材料的适应性相对较差。

应用前景

K3 冷喷涂工艺在损坏零部件的修复上有着更好的经济性。例如,修复旧发动机机匣的法兰,常规的方法是需要将法兰切割下来进行翻修然后再焊接到机匣上去,或者重新焊接一个新的法兰上去。但由于焊接会在机匣上造成热影响区,同时在焊接过程中由于高热还会造成机匣的变形等其他问题,有可能造成翻修机匣的报废。使用 K3 冷喷涂工艺则可以避免上述问题,可以直接在需要翻修的部位喷涂 K3 涂层,然后采用机加工的方法将涂层加工到需要的形状和尺寸。基于此特点, K3 冷喷涂工艺也为高价值零部件由于机械加工造成的缺陷提供了一种潜在的修复方案。

2012 年, MTU 为 K3 冷喷涂工艺用于狂风战机的 RB199 发动机叶片的维修编制了技术文件和技术标准。随后 MTU 计划将 K3 冷喷涂工艺引入商用发动机零部件的维修,并开始做相应的申请工作。由于商用发动机零部件维修工艺在应用前需要获得民航管理机构的认证和批准,所以 K3 冷喷涂工艺应用于商用发动机的零部件维修的认证和批准要难于军用发动机。

作者:航空维修与工程

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