冷喷涂：海军装备保障的新宠
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作为世界第一海军强国，美国已成功将冷喷涂应用于海军舰载飞机及舰船设备的腐蚀防护及零部件修复，并制定了相关技术标准、规范，已在11艘航空母舰上配备了便携式冷喷涂设备，大大提高了其海军装备保障能力。
早在2000年，美国制造与后勤技术研究所(iMAST)等针对海军两栖攻击艇用铝合金轮子、钢制装甲面临的磨损、腐蚀问题，开展了冷喷涂沉积防腐、耐磨涂层应用研究；2006年，美国海军航空系统司令部(NAVAIＲ)通过海军制造技术(Navy ManTech)计划开展了腐蚀镁合金零部件的冷喷涂修复技术研究，用于促进海军航空资产的维修维护水平;2008年，美国国防部发布了冷喷涂制造工艺标准:MIL-STD-3021;2009年，美国海军航空系统司令部在切里波因特海军航空维修站(NADEP-CP)建立了冷喷涂示范设施。在海军舰船领域，冷喷涂技术的应用主要体现在腐蚀防护和修复再制造再方面。
冷喷涂沉积过程的低氧化特性使其特别适宜金属防腐涂层的制备。美国陆军研究实验室(AＲL)开展了多种冷喷涂防腐蚀涂层应用研究，表1列出了其部分研究。根据防腐机理不同，可将金属涂层分为阳极性涂层(如Al、Zn及其合金等)和阴极性涂层(Cu、Ni、Ti等)。
| 涂层 | 基体 |
| AlMg5,CP-Al,HP-Al等 | ZE41A-T5 Mg |
| Zn | Steel |
| Ta | Steel |
| Ni、Ni-Cu | Steel |
| Al | NdFeB |
| Ti | Steel，Al alloy |
表1 冷喷涂腐蚀防护应用推荐
iMAST利用冷喷涂技术在海军两栖攻击艇用装甲钢表面沉积了一层Al涂层，腐蚀试验表明：与涂覆环氧涂层相比，Al涂层具有更好的耐蚀性能。美国陆军、海军在役舰载直升机、固定翼直升机用镁合金变速箱壳体在海洋环境下极易发生腐蚀，传统的电镀铬技术对镁合金保护效果不佳，且环保性极差。为了解决该问题，AＲL研究人员采用冷喷涂沉积Cu-Al涂层对镁合金壳体进行腐蚀防护及损伤修复，并对涂层耐腐蚀、冲击、疲劳、实际服役性能进行了综合测试，发现与镁合金基体相比，冷喷涂沉积Cu-Al涂层具有良好的防护效果。
2012年，NAVAIＲ、ＲUAG公司与澳大利亚国防科学技术组织采用冷喷涂铝合金粉末成功修复了澳大利亚海军SH-60直升机齿轮箱镁合金壳体，图1所示为部分镁合金变速箱壳体等部件冷喷涂修复前后对比。
图1 舰载直升机镁合金部件冷喷涂修复前后对比
由于传统的高压冷喷涂系统现场操作性能较差，不适合舰载维修，美国海军通过小企业创新研究计划(SBIＲ)和国防部快速创新基金(ＲIF)等项目进行专项合作，开展了便携式冷喷涂系统及冷喷涂修复技术研究，以提升美国海军在舰修复能力。利用便携式冷喷涂设备，美国海军开发了3项冷喷涂修复应用场景：
第一，压载水舱钢制罐体修复。针对压载水舱钢制罐体严重的腐蚀问题，采用6061铝合金粉作为喷涂材料，通过冷喷涂技术在腐蚀区域沉积一层6061铝合金涂层，与采用焊接修复相比，不仅节省了大量时间，且涂层的牺牲阳极效应为钢基体提供了更好的防护效果。
第二，上层建筑焊接结构腐蚀防护。在舰船上层结构与船体焊接区域，由于现有的牺牲阳极块保护效果有限，异种金属焊接在焊缝处产生的电偶失配加速了焊缝区域的腐蚀，严重时会影响船体强度。通过冷喷涂技术在焊缝区域沉积一层6061铝合金涂层，能有效提高焊缝区域耐腐蚀性能。
第三，铜镍合金阀门修复。船体内部的铜镍合金阀门在海水长期冲刷、腐蚀综合作用下，阀体及密封区域腐蚀严重。传统电镀修复技术存在结合力差、易脱落问题。采用冷喷涂NiCr/CrxCy能快速修复阀门内部的腐蚀坑，修复层具有较好的结合力和硬度，大大提高了阀门服役寿命，修复后阀门见图2所示。
图2 冷喷涂修复铜镍合金阀门
美国Inovati公司面向实验室研究、自动化生产、现场手动操作等不同场景需求，开发了不同配置的冷喷涂系统，可喷涂多种金属及金属陶瓷，该系统已成为美国海军维修专用设备。图3所示是现场修复飞机起落架表面腐蚀损伤，目前美国海军11艘航母均配备有新型便携式冷喷涂集成系统，以保障航母上舰载飞机的舰上维修需求。
图3 飞机起落架表面腐蚀损伤修复
随着便携式冷喷涂系统的开发，冷喷涂技术已广泛用于海军舰船阀门、泵体等部件的修复，经试验验证，其修复效果明显优于传统的焊接、激光熔覆等工艺。普及特湾海军造船厂在2015年成功修复了铝合金阀门制动器密封面及表面的腐蚀坑，修复后的制动器通过了服役测试考核。2016年，该船厂采用冷喷涂技术修复了“海狼”级攻击核潜艇的铝合金液动装置及“尼米兹”号航母的主循环水泵壳体，图4所示为修复前后对比图。
图4“尼米兹”号航母的主循环水泵修复前后
作为国内少数掌握冷喷涂技术并产业化运用在航空器维修再制造领域的企业，超卓航科聚集了国内最大的冷喷涂研发团队，拥有全球最全种类的冷喷涂设备，公司技术团队在冷喷涂基础理论研究、工艺开发、高性能设备开发和改造等方面都具备较强的实力。公司在各方力量的支持下，开展了数个冷喷涂研究项目，在冷喷涂金属零部件再制造修复、导热导电耐磨耐蚀等功能涂层、复合材料增材制造等各方面都取得了一定成果。
针对某型军舰海洋腐蚀问题，超卓航科开发了冷喷涂固态增材制造新型材料，该材料体可减缓海洋腐蚀问题，大幅提高军舰使用寿命，具有重大的经济与军事效应。但受限于国内冷喷涂系统发展较薄弱、应用研究积累较少，且海军在新技术应用推广方面较为慎重，至今国内冷喷涂技术在海军舰船装备上的实际应用案例鲜有报道。
冷喷涂技术在海军装备保障方面的技术优势已得到验证。未来，可通过军工科研单位、高等院校、高新技术企业、海军修造船厂联合的方式，发挥各方技术优势，联合开展冷喷涂应用技术研究，并制定相关船舶标准、军用标准，推动冷喷涂技术在海军舰船领域的应用推广，提高我国海军舰船装备腐蚀防护性能及修复保障能力。
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参考资料：
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