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冷噴涂技術進入工業化規?;A段,成為國際增材領域新技術的研究熱點之一

發布時間:2024-01-02  來源:立鼎產業研究網  點擊量: 380 

——全球增材制造市場呈高速增長趨勢。據《Wohlers Associates 2023》,2022 年全球增材制造市場規模達到 180 億美元,同比增長 18.3%,該行業已經連續 25 年保持兩位數的增長趨勢?!?/span>Wohlers Associates 2022》預測 2025 年增材制造收入規模將達到 298 億美元,2021-2025 CAGR 18.24%;2030 年增材制造收入規模將達到 853億美元,2025-2030 CAGR 23.41%。

冷噴涂技術作為增材市場的細分領域已進入工業化規?;A段。近30年來,冷噴涂技術在國際上引起了廣泛關注,美國、加拿大、德國、法國、日本、澳大利亞、新加坡和中國等國家開始進行相關的基礎研究和應用開發。進入21世紀后,冷噴涂的研究經歷了高速發展期,其研究方向逐漸從基礎研究和應用基礎研究轉向工程化應用研究與產業化開發,特別是2010年以后,冷噴涂技術的規?;I化產品逐漸發展起來。冷噴涂技術已經成功應用在航空航天、武器裝備、能源動力、電子電力、醫療器械等多個領域的表面修復、表面增強、功能涂層和增材制造等。

(1)航空航天、武器裝備零部件維修再制造

在航空航天零部件維修再制造領域,傳統氬弧焊、熱噴涂和激光沉積仍然是3種最主要的修復技術,而這3種傳統工藝均因熱輸入過大、溫度過高容易導致修復部分產生氧化夾雜、熱變形和開裂,使得修復能力和修復效果十分受限,一些形狀復雜的薄壁零部件甚至無法修復而直接報廢,從而造成巨大的資源和成本浪費。

冷噴涂固態沉積的技術特點使得它能夠避免所有與過量熱輸入有關的缺陷,在航空航天零部件修復中有著極大的應用價值。而與傳統維修技術相比,被修復的結構件在冷噴涂固態增材制造過程中全程處于低溫狀態,無氧化燒損、無打孔破壞,避免了焊接高溫等方式對基體材料的熱損傷、鉚接加強塊、打止裂孔等方式對基體造成的附加損傷,比復合材料膠接等方式具有更強的涂層強度。

得益于冷噴涂沉積體優異的耐腐蝕及疲勞性能,早在 2001 年,美國陸軍研究實驗室(ARL)就與桑迪亞國家實驗室合作成立了首個將冷噴涂應用于裝備維修的實驗室;2008 年,美國國防部發布了用于手動或自動的冷噴涂制造工藝標準。目前冷噴涂技術已廣泛用于空軍、陸軍及海軍武器裝備的維修,經驗證,其修復效果明顯優于傳統的熱噴涂、焊接、激光熔覆等工藝。

F/A-18E/F戰斗機A357鑄鋁工件表面的微動損傷冷噴涂技術修復前(左)后(右)


資料來源:CNKI

空軍武器裝備方面,從世界范圍來看,冷噴涂技術在飛機修復領域的實際應用范圍廣泛,可以用于飛機機體結構、燃油等環境控制系統附件、飛機起飛著陸裝置、飛行操控系統部件、電源電器儀表部件等部位的修復。自 2008 年以來,美國科珀斯克里斯蒂市陸軍基地已經開始利用冷噴涂技術幫助空軍修復高價值的鋁及鎂合金零構件,例如直升機鎂合金傳動齒輪箱、UH-60 主旋翼變速箱殼體、B-1 轟炸機的前系統艙面板及欽合金液壓管路、AH-64 阿帕奇桅桿支架、飛機起落架、FIA-18 戰斗機液壓泵齒輪軸等構件。

陸軍武器裝備方面,2019 年,美國陸軍作戰能力發展司令部陸軍研究實驗室聯合地面車輛系統中心和軍備中心的工程師利用冷噴涂技術對 M2 布拉德利步兵戰車的 25mm 自動炮炮架進行了修復,構件修復后表現出優異的耐磨性能,驗證了將磨損的炮塔支架重新投入使用的能力。同時,ARL 將冷噴涂技術引入維修史崔克裝甲車被腐蝕的裝甲鋼部件,并對修復后的部件進行防彈性能測試。結果表明,冷噴涂修復后部件的防彈性能優于裝甲鋼本體,冷噴涂技術能夠有效保障現有武器裝備的戰斗力。

海軍武器裝備方面,早在 2000 年,美國制造與后勤技術研究所針對海軍兩棲攻擊艇用鋁合金輪子面臨的磨損問題,開展了冷噴涂沉積耐磨沉積體的研究。2015 年,VRC Metal System公司聯合普及特灣海軍造船廠采用氨氣冷噴涂沉積 6061AI 合金粉末成功修復了鋁合金閥門制動器密封面及表面的腐蝕坑,沉積體與基體結合強度大于 71MPa,修復后的制動器通過了服役測試考核。2019 年,美國海軍東部艦隊戰備中心使用移動冷噴涂系統修復了 V-22 魚鷹上的腐蝕窗臺。2020 年,美國諾??撕\娫齑瑥S利用冷噴涂技術成功修復了“喬治·布什”號航母的 2 個海水止回閥盤。

2 )其他行業典型應用

電子行業 利用冷噴涂技術制作靶材 :冷噴涂可快速在靶材背襯上噴涂成型 16mm 以上的銀靶材材料。冷噴涂直接成型靶材的生產效率高,與背襯的結合好,與鑄造相比晶粒更細小。因此冷噴涂直接成形的大型金屬濺射靶材已經應用于電子及信息行業,如集成電路、信息存儲、液晶顯示屏、激光存儲器、電子控制器件、玻璃鍍膜等領域。

冷噴涂技術應用于高端濺射靶材


資料來源:CNKI

新能源行業 利用冷噴涂替代電鍍/化學鍍銀:多晶硅還原爐用電極是多晶硅生產所需裝備中的核心部件,電極材料通常采用純銅,雖然純銅中雜質含量很低,但是電極頭部受到硅芯介質的加熱,微量的雜質容易析出并帶入工藝氣體中,最終影響多晶硅的品質。為解決這一問題,某些廠商采用電鍍/化學鍍銀作為防護涂層,目的是使電極導電性能不受影響的同時能夠避免雜質污染,然而其工藝穩定性差、鍍層厚度受限(幾十到幾百微米級)、環境污染等問題不能得到很好解決。廣東省科學院新材料研究所采用冷噴涂技術制備的銀涂層完全克服了上述問題,制備的純銀涂層與銅基體結合強度超過 60MPa,厚度不受限制,銀涂層純度可保持與粉末一致,達到 99.9%,而且涂層制備效率極高,加工能力高達40kg/h,環境友好無污染。

多晶硅還原爐用電極冷噴涂銀涂層


資料來源:CNKI

——近年來,冷噴涂技術由于其高效、高性能等優點受到世界各國科技界和工業界的高度重視,成為國際增材領域新技術的研究熱點之一。但目前,能制造出成熟的商業化冷噴涂設備的公司為數不多。目前,在全球工業化背景下,已成功應用的高溫高壓冷噴涂設備,主要來自德國Impact Innovations、日本 Plasma Giken以及美國 VRC Metal Systems 等公司。

1)德國Impact Innovations

該公司成立于 2010 年,總部位于德國巴伐利亞州,其技術最先源于德國冷氣技術公司(Cold Gas Technology,CGT)。目前,CGT Kinetiks3000 Kinetiks4000 系統仍是國內外諸多科研機構現役的主要噴涂設備。后來,CGT 被熱噴涂企業蘇爾壽美科公司收購,原公司經理重新成立了 Impact Innovations 公司。目前該公司在市場上主推的新一代冷噴涂系統是Impact Innovations 5/8 噴涂系統和 Impact Innovations5/11 噴涂系統,其中 5/11 噴涂系統工作氣體的最高溫度和壓力可分別達到1100℃和 6MPa,送粉速率為 1.5L/h。目前,ImpactInnovations 系統客戶涉及中國(625 所、529 廠、北京礦業研究總院等)、美國(通用電氣 GE、ASB Industries 等)、法國(施耐德電氣、CEALe Ripault 研究所、法國 INSA-Lyon 大學)、德國(漢堡聯邦國防軍大學 UniBwH)、意大利(FlameSprayS.P.A.公司)和英國(TWI 焊接所)等。

Impact Innovations產品


資料來源:CNKI

2)日本Plasma Giken

該公司 1980 年成立于日本東京,主要從事熱噴涂設備的研發制造、噴涂加工和涂層檢測。2002 年從西安交通大學李長久教授課題組引進冷噴涂技術開始,該公司便一直從事冷噴涂設備與技術的研發,其開發制造的 PCS 系列冷噴涂設備已得到國內外廣泛應用,例如,用于科研和小型生產的 PCS-100 系統和大型工業化PCS-1000/PCS-800 高溫高壓冷噴涂設備。目前,該公司 PCS 冷噴設備已工業成熟化,并廣泛應用于航空部件的修復及增材制造(例如以 GE、羅羅為代表的 Ni 基高溫合金、Al 合金等重要零部件)、靶材制造和修復、日用炊具(內膽導磁涂層)以及新能源汽車等不同領域。

3 美國VRC Metal Systems

VRC MetalSystems 成立于 2013 年,這家公司獲得了南達科他州礦業與技術學院與陸軍研究實驗室相關冷噴涂研究成果的專利使用權,專門從事冷噴涂機械制造、冷噴涂相關工藝工作開發和研究,以及為政府和商業應用開發新的冷噴涂產品。VRC 研發生產了 Gen III 半便攜式系統,該系統的開發旨在為美國軍事基地和戰斗人員提供國防部武器的高質量維修,因此手持功能和移動性是該系統的重要設計特征。

除高壓冷噴涂設備外,低壓冷噴涂設備主要來自加拿大的 CenterLine、美國的 Inovati、俄羅斯 OCPS 等公司。值得一提的是,美國 Inovati 公司的 KM 系列低壓冷噴涂系統具有機架式噴槍和手持式噴槍,采用 He 氣加速,氣體壓力 035090MPa,溫度 01000℃。該系統是美國海軍用于裝備維修的主要設備(該系統受美國商務部監管,禁止出口到中國軍工科研單位)。

4)國內相關單位

國內除超卓航科外,西安交通大學、中國科學院金屬研究所、西北工業大學、中國兵器科學研究院寧波分院、廣東省科學院新材料研究所等單位均已開展了冷噴涂技術研究,并取得了一定成果。

2000年底,西安交通大學熱噴涂實驗室李長久教授課題組最先自主研發了國內第一套CS-2000型冷噴涂系統。西安交通大學熱噴涂實驗室在涂層形成基本過程機制與涂層結構定量表征方面,取得了國際領先的研究成果,涂層基本理論被國際同行普遍接納并被廣泛采用。同時開發的高性能涂層技術已廣泛應用于電力、石化、機械、冶煉、材料等領域,取得了顯著的經濟效益和社會效益。

2000年,中國科學院金屬研究所課題組與冷噴涂技術的發明單位俄羅斯科學院理論與應用力學研究所合作,在中國科學院金屬研究所建立了國內第一套臺式冷噴涂實驗設備。在此基礎上,該課題組進一步研發了具有自主知識產權的自動控制型及移動式小型冷噴涂設備。經過20余年的發展和積累,中國科學院金屬研究所目前建有2個冷噴涂實驗室,1個激光輔助冷噴涂實驗室;累計承擔了國家高技術研究發展計劃、國家科技支撐計劃、國家科技重大專項、國家自然科學基金以及省市等30余項冷噴涂方面的項目和課題;發表學術論文80余篇,獲授權發明專利20余項;在冷噴涂沉積層的結合機制探索、組織性能調控及技術開發應用等方面開展了大量的研究工作。

2016年,西北工業大學凝固技術國家重點實驗室李文亞教授課題組設計了擁有自主知識產權的高溫高壓冷噴涂系統,工作氣體最高的壓力和溫度分別可達到4MPa800℃。

中國兵器科學研究院寧波分院(中國兵器工業集團第五二研究所),是集材料及工藝技術

研究、設計與試驗為一體的高科技研究機構,主要從事金屬材料、金屬基復合材料、陶瓷材料以及與之相配套的工藝技術工程力學分析、模擬實驗技術的應用研究和技術開發。自成立以來,寧波分院建立了一支高素質專業人才隊伍,形成了具有自身特色、充滿競爭和活力的運行機制與模式,具備了很強的科研開發、科技成果轉化及產業化能力。在特種金屬材料技術領域取得了豐碩的科研成果,難熔金屬材料、防護材料、結構和輕質材料與工藝技術等方面達到國內領先水平。迄今為止共獲得國家、國防科工委及省市級重大科技成果700余項,其中省部級以上科技成果獎200余項,國家專利100余項,為我國國防科技工業發展和地方經濟發展做出了重大貢獻。

廣東省科學院新材料研究所是廣東省科學院下屬獨立法人科研機構,公益事業單位。研究所主要圍繞廣東省戰略新興產業、重點傳統產業和高端裝備制造業及國家重大工程對產品開發及裝備性能不斷提升的需求,面向航空航天、海洋工程、先進裝備制造、機械、能源、資源、交通、醫療器械等領域,開展熱(冷)噴涂技術、真空鍍膜技術、激光制造技術、鋁鎂輕金屬材料、特種鋼鐵及復合材料、高性能粉末冶金技術和材料分析檢測技術的研究與應用。黃仁忠博士,是廣東省科學院從日本引進的首批高層次領軍人才之一。201512月回國后,在省科學院和省新材料所的大力支持下,白手起家創業,組團隊、購設備、建廠房,快速啟動冷噴涂技術的研發和建設工作。短短四年,黃仁忠團隊優化了世界最先進的高壓冷噴涂設備,自主優化設計了包括噴嘴在內的冷噴涂設備的核心部件,成功將冷噴涂金屬固態沉積技術應用于鈦合金、鎳基高溫合金等航空零部件再制造,開啟了冷噴涂技術在廣東省乃至全國工程化應用開發的先河。黃仁忠團隊成果豐碩,先后承擔省市重點科技攻關項目10余項,申請發明專利10余件,發表SCI論文20余篇;在國內外表面工程領域形成了相當的影響力,為冷噴涂技術在廣東省乃至全國的快速發展做出了突出貢獻。


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