GE零件修復(fù)的秘密武器：超音速冷噴技術(shù)

幾年前，在紐約州北部的GE實(shí)驗(yàn)室工作的科學(xué)家提出了一個(gè)很酷的想法來修理破損的零件。從字面上看，這種方法被稱為Cold Spray-“冷噴”，他們向飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jù)GE全球研究中心涂層和表面實(shí)驗(yàn)室經(jīng)理Anteneh Kebbede，該技術(shù)可以制造厚達(dá)1英寸或更厚的全新部件。對于制造商來說，潛在的好處是巨大的。想象一下，用一把看起來像噴槍的工具，能夠?qū)⒗匣�部分恢�?fù)到原來的狀態(tài)，這就像開啟了受損零件恢復(fù)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(tái)階，今年早些時(shí)候，GE航空子公司Avio Aero的工程師開始在意大利測試該技術(shù)。上個(gè)月，他們用它來修理了一個(gè)零件：噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)GE90的變速箱。

這個(gè)零件修復(fù)成為冷噴技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用里程碑。冷噴涂是幾種增材制造方法之一，通過向添加材料而不是切割材料而實(shí)現(xiàn)零件的構(gòu)建。

但即使在高科技增材制造技術(shù)分類中，冷噴涂也是一種罕見的技術(shù)。大多數(shù)金屬3D打印機(jī)使用激光來加熱粉末鈦和其他金屬，并將它們?nèi)酆铣梢粚右粚拥貥?gòu)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(jù)計(jì)算機(jī)文件構(gòu)建新組件，但是加熱現(xiàn)有零部件會(huì)改變其晶體結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，這需要對工藝和材料有著極高的控制能力，從而使得工藝的大規(guī)模商業(yè)化變得充滿挑戰(zhàn)。

對于像噴氣式飛機(jī)零件來說，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(fù)，冷噴技術(shù)正好滿足了這一需求。此外，對于那些大型結(jié)構(gòu)件的制造，冷噴技術(shù)特別具有吸引力。而當(dāng)前的LENS 3D打印技術(shù)由于受到設(shè)備尺寸的限制，制造大型的結(jié)構(gòu)件十分困難。冷噴技術(shù)則有可能構(gòu)件更大的部件，唯一的限制是可應(yīng)用于金屬粉末區(qū)域的大小。

除了不需要焊接或機(jī)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?qū)⑿迯?fù)材料與零件融為一體，完美恢復(fù)零件原有的功能和屬性。這樣就能有效延長零件使用壽命幾年，甚至幾十年，最終為客戶創(chuàng)造了更大的價(jià)值。

在GE的Avio Aero，冷噴霧過程發(fā)生在一個(gè)步入式冰箱尺寸的金屬室內(nèi)。腔室內(nèi)裝有一個(gè)帶有超音速噴嘴的機(jī)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(kuò)散結(jié)合。根據(jù)，實(shí)驗(yàn)室的維修開發(fā)工程師Giulio Longo，在動(dòng)力學(xué)的作用下，來自粉末充電槍的每一個(gè)金屬顆粒都會(huì)附著在零部件上進(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(jù)計(jì)算機(jī)建模文件構(gòu)建零件，但冷噴涂機(jī)使用實(shí)際的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零件的數(shù)字掃描結(jié)果來準(zhǔn)確地重建斷裂部分。

冷噴技術(shù)最早是俄羅斯上世紀(jì)80年代中期發(fā)明的，目前主要用于機(jī)械維修方面。在美國，該技術(shù)應(yīng)用最多的是軍事領(lǐng)域，主要用于修復(fù)美軍的鎂合金直升機(jī)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)人員來說，要面臨的挑戰(zhàn)是如何利用這種技術(shù)結(jié)合3D打印生產(chǎn)高品質(zhì)的高溫鎳鈦合金部件。GE開發(fā)的冷噴涂技術(shù)可用于構(gòu)建3D形狀，抑或無損修復(fù)現(xiàn)有的金屬結(jié)構(gòu)或價(jià)格昂貴的核心材料。

冷噴技術(shù)非常獨(dú)特地結(jié)合了材料、工藝和產(chǎn)品功能，預(yù)計(jì)在不久的將來，將會(huì)用于飛機(jī)部件如轉(zhuǎn)子、葉片、軸、螺旋槳、齒輪箱的維修和改造。由于冷噴不像常見的修復(fù)工藝如焊接那樣需要加熱，它可以將修復(fù)對象恢復(fù)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，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(jī)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)用金屬粉末高速噴灑制造零件，或者對零件進(jìn)行修復(fù)。冷噴技術(shù)已經(jīng)成為GE日益擴(kuò)大的増材制造技術(shù)方案的一部分。 GE技術(shù)總監(jiān)Christine Furstoss認(rèn)為這種工藝將在未來的20年內(nèi)占到50％的應(yīng)用。

來源：3D科學(xué)谷
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