|
幾年前，在紐約州北部的GE實(shí)驗室工作的科學(xué)家提出了一個(gè)很酷的想法來(lái)修理破損的零件。從字面上看，這種方法被稱(chēng)為Cold Spray-“冷噴”，他們向飛機發(fā)動(dòng)機葉片表面以超音速的速度從噴嘴中噴射微小的金屬顆粒，為葉片受損部位添加新材料而不改變其性能。
不僅低溫 還不受尺寸限制 根據GE全球研究中心涂層和表面實(shí)驗室經(jīng)理Anteneh Kebbede，該技術(shù)可以制造厚達1英寸或更厚的全新部件。對于制造商來(lái)說(shuō)，潛在的好處是巨大的。想象一下，用一把看起來(lái)像噴槍的工具，能夠將老化部分恢復到原來(lái)的狀態(tài)，這就像開(kāi)啟了受損零件恢復青春的密碼。 GE工程師已經(jīng)將該技術(shù)的使用推向了一個(gè)新的臺階，今年早些時(shí)候，GE航空子公司Avio Aero的工程師開(kāi)始在意大利測試該技術(shù)。上個(gè)月，他們用它來(lái)修理了一個(gè)零件：噴氣發(fā)動(dòng)機GE90的變速箱。
這個(gè)零件修復成為冷噴技術(shù)的一個(gè)應用里程碑。根據3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究冷噴涂是幾種增材制造方法之一，通過(guò)向添加材料而不是切割材料而實(shí)現零件的構建。
但即使在高科技增材制造技術(shù)分類(lèi)中，冷噴涂也是一種罕見(jiàn)的技術(shù)。大多數金屬3D打印機使用激光來(lái)加熱粉末鈦和其他金屬，并將它們熔合成一層一層地構建新的部件。包括LENS 3D打印技術(shù)，這些技術(shù)適用于直接根據計算機文件構建新組件，但是加熱現有零部件會(huì )改變其晶體結構和機械性能，這需要對工藝和材料有著(zhù)極高的控制能力，從而使得工藝的大規模商業(yè)化變得充滿(mǎn)挑戰。
對于像噴氣式飛機零件來(lái)說(shuō)，這種零件往往需要在低于材料熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行修復，冷噴技術(shù)正好滿(mǎn)足了這一需求。
此外，對于那些大型結構件的制造，冷噴技術(shù)特別具有吸引力。而當前的LENS 3D打印技術(shù)由于受到設備尺寸的限制，制造大型的結構件十分困難。冷噴技術(shù)則有可能構件更大的部件，唯一的限制是可應用于金屬粉末區域的大小。
除了不需要焊接或機加工就能制造全新零件以外，冷噴技術(shù)令人興奮之處在于，它能夠將修復材料與零件融為一體，完美恢復零件原有的功能和屬性。這樣就能有效延長(cháng)零件使用壽命幾年，甚至幾十年，最終為客戶(hù)創(chuàng )造了更大的價(jià)值。
在GE的Avio Aero，冷噴霧過(guò)程發(fā)生在一個(gè)步入式冰箱尺寸的金屬室內。腔室內裝有一個(gè)帶有超音速?lài)娮斓臋C器人手臂，可將小至5微米的金屬粉末顆粒噴射到零部件上。他們用如此大的能量撞擊表面，與零部件形成擴散結合。根據，實(shí)驗室的維修開(kāi)發(fā)工程師Giulio Longo，在動(dòng)力學(xué)的作用下，來(lái)自粉末充電槍的每一個(gè)金屬顆粒都會(huì )附著(zhù)在零部件上進(jìn)行重建用途。
與我們所熟知的3D打印的工作原理有所不同的是，3D打印是根據計算機建模文件構建零件，但冷噴涂機使用實(shí)際的噴氣發(fā)動(dòng)機零件的數字掃描結果來(lái)準確地重建斷裂部分。
冷噴技術(shù)最早是俄羅斯上世紀80年代中期發(fā)明的，目前主要用于機械維修方面。在美國，該技術(shù)應用最多的是軍事領(lǐng)域，主要用于修復美軍的鎂合金直升機零件。但用的材料都是質(zhì)地較軟、熔點(diǎn)較低的合金，比如銅、鋁、鋅等。對于GE的研發(fā)人員來(lái)說(shuō)，要面臨的挑戰是如何利用這種技術(shù)結合3D打印生產(chǎn)高品質(zhì)的高溫鎳鈦合金部件。GE開(kāi)發(fā)的冷噴涂技術(shù)可用于構建3D形狀，抑或無(wú)損修復現有的金屬結構或價(jià)格昂貴的核心材料。
冷噴技術(shù)非常獨特地結合了材料、工藝和產(chǎn)品功能，預計在不久的將來(lái)，將會(huì )用于飛機部件如轉子、葉片、軸、螺旋槳、齒輪箱的維修和改造。由于冷噴不像常見(jiàn)的修復工藝如焊接那樣需要加熱，它可以將修復對象恢復到其最初的狀態(tài)。在GE公司的石油和天然氣業(yè)務(wù)部門(mén)，GE研究人員正在探索將冷噴作為一種替代技術(shù)用于涉及石油天然氣鉆探和透平機械的維修或上裝方面。
通用電氣公司研究人員的“冷噴（Cold Spray）”的増材制造技術(shù)用金屬粉末高速?lài)姙⒅圃炝慵?，或者對零件進(jìn)行修復。冷噴技術(shù)已經(jīng)成為GE日益擴大的増材制造技術(shù)方案的一部分。 GE技術(shù)總監Christine Furstoss認為這種工藝將在未來(lái)的20年內占到50％的應用。
|
