由于現代經濟和科學工業技術的突飛猛進，機械化程度持續上升，機械部件所處的工作環境更加復雜苛刻，其中部件磨損是致使大量機械設備失效的重要原因，并產生了巨大的經濟損失。據不完全統計，每年全世界由于材料的磨損所產生的鋼材消耗占到了全部消耗的50%左右，同時在工業發達國家由于磨損所造成的能源消耗量也占到了30%左右。美國每年因為腐蝕和磨損而產生的經濟損失達到了國民總經濟的40%左右。美國評議局的調查顯示，船舶磨損損失約64億美元，切削機床的維修費用更是高達750億美元。而我國每年在該項的的經濟損失總計也高達400億人民幣，且通常每年都會制備高達100萬噸的后備鋼材來補足由于磨損而損耗的鋼材。在以綠色再制造工程為重點發展方向的21世紀，提倡更少的資源和能源消耗、更低的環境污染、更有效的把新技術用于對廢舊品的改造。所以，為使因磨損失效的機械部件恢復功能，而對其進行修復，符合綠色再制造工程的發展方向。

    1、船機軸類部件的工作狀況與磨損情況

    軸類部件，指在起到支承旋轉作用的同時，可傳遞扭矩和動力的部件。在船舶工程中，軸類部件是各類船舶機械設備中最重要的組成部件之一，通常在軸上安裝做回轉運動的部件，軸類部件的運轉直接影響著船舶設備的運行情況。船機軸類部件的損壞十分常見，不僅使設備的性能降低，同時會產生安全隱患。船機零件的修復大部分屬于軸類零件的修復。因此，針對船機軸類零部件的修復顯得特別重要。

    各種工程領域中，軸類部件的損壞形式通常有磨損、彎曲以及斷裂，這些損壞類型中，最常發生的是磨損。在工程機械設備中，因過度磨損而發生失效的零部件占全部失效零部件的50%左右。軸類部件通常會在表層產生磨損，可通過表面工程技術來對其進行修復，要求修復后表面能達到一定的耐磨性要求，能夠具有較高的抗疲勞和耐沖擊載荷的性能，并且滿足其結合強度和硬度的要求。部件表面形成的摩擦性能良好的涂層，能夠增加部件的耐磨性能，延長使用時間，減少貴重和稀有金屬的消耗量，從而節約資源、保護環境，并為材料的韌性和高耐磨性之間的矛盾提供了解決途徑。表面涂層工藝使材料在高溫、強酸堿和腐蝕等惡劣環境中有良好的耐磨性，進而拓展了材料的應用范圍。

    應用表面工程技術手段修復報廢、損壞的各種零部件已取得了一定的成效，且還在不斷的深入發展。目前有多種表面修復方法，根據基體和修補層的結合特性，主要有噴涂、堆焊和鍍覆等技術。其中熱噴涂由于工藝方法多樣、設備簡單、操作方便迅速、成本低、噴涂材料選擇范圍廣等特點，在軸類部件的修復中取得了重要的應用，在達到修復原有尺寸的同時，通過適當的處理工藝甚至可以獲得比原部件或者新換件更為優異的表面涂層，獲得再制造的功效。但是在一些情況下，熱噴涂因為比較高的溫度導致相變和有些元素揮發分解及氧化，故對于易發生相變和氧化的敏感材料不適用；且由于噴涂系統的輔助設備比較復雜，不利于軸類部件的修復。為了克服已有技術的不足，提出采用冷噴涂方法對軸類部件的磨損進行修復。

    2、冷噴涂技術的概念

    冷噴涂亦稱之為冷氣體動力噴涂，它是以壓縮氣體（空氣、氦氣、氮氣 和混合氣體等）為加速介質，承載固態的金屬粒子以高速撞擊基板，粒子因產生劇烈的塑性形變而沉積成涂層的一種新型的噴涂工藝。

    3、 冷噴涂技術的特點

    冷噴涂技術與熱噴涂技術對粒子的加熱方式和程度不同，使粒子撞擊基體表面之前的狀態不同，進而引起沉積行為和涂層形成機制的不同，最終導致冷噴涂涂層獨特的組織和特性。在冷噴涂的過程中，為了使氣流達到可以對承載的粒子產生加速的速度，有時也會預熱加速氣體，因預熱溫度十分低，粉末粒子仍為固態；而熱噴涂過程中，粒子卻被加熱到了熔融狀態。相對于熱噴涂而言，冷噴涂技術有以下特點：

    （1）加熱溫度較低：粉末粒子在噴涂過程中，在非氧化性的熱氣流中加速，由于加熱溫度低，涂層幾乎不會被氧化，適用于制備溫度敏感的涂層。冷噴涂涂層與原始粉末的氧含量相差 無幾，不會發生熔化和蒸發現象，能有效避免塑料涂層的揮發。

    （2）可制備復合涂層：一些混合粉末由于物理化學性質的差異在常溫下不相容，冷噴涂工藝可制得常規工藝無法制得的特殊復合材料涂層。例如，AlPb合金涂層。

    （3）對基體的熱影響小：對基體材料的組織結構影響很小，使得基體材料有很大的選擇范圍，不僅是金屬和合金，也可以是塑料，能夠使不同類別的材料結合優良。

    （4）涂層孔隙率低：冷噴涂涂層是速度很大的粒子以固態碰撞基板發生塑性形變而沉積成的，涂層未經過熔融狀態冷卻，沒有發生體積變化，后續粒子對已有涂層進行沖擊，夯實作用使得涂層具有很低的孔隙率。

    （5）噴涂粉末因未經過明顯的熱過程，可以回收再利用。

    4、冷噴涂技術的國內外發展概況

    冷噴涂作為最新出現的一種熱噴涂工藝，已成功研制出多種金屬、合金、復合涂層以及其他一些特殊功能涂層（如納米結構涂層、非晶涂層、TiO2光催化涂層等）。科研人員在對冷噴涂技術進行理論研究的同時也在積極開發應用。國外開展冷噴涂的研究相對國內較早，但這也是初步的研究，并沒有大面積應用到工業中。對冷噴涂工藝研究起步較早的國家，例如德國、美國、俄羅斯等，正積極致力于此技術的工業化。美國使用冷噴涂技術修復直升機用鎂合金曲軸箱外殼，福特公司在汽車底盤的防腐中應用了冷噴涂鋁涂層。俄羅斯將冷噴涂涂層用于鋼管內表面的防腐，已在西伯利亞鋼廠建成了自動化的生產線，并在汽車、機械制造和汽車領域積極推廣。德國把冷噴涂工藝用于解決熱噴涂工藝引發的汽車尾氣排氣管的疲勞斷裂問題，使服役時間延長；加拿大Centerline Windsor公司采用冷噴涂Al涂層對飛機發動機輔助動力裝置的鋁合金零件進行了修復；日本在電子工業領域制備出了高品質的冷噴涂導電涂層。

    我國的冷噴涂技術雖然晚起步于國外，但是研究內容和規模已經逐步形成，吳杰采用冷噴涂工藝制得的Al電極可以避免PTC陶瓷和金屬界面產生吸附氧層，減小接觸電阻。陳利修采用冷噴涂工藝制備超細Cu-Zn-Al2O3復合涂層，用于修復斯太爾發動機的水道腐蝕部分，結果顯示，冷噴涂Cu-Zn-Al2O3復合涂層和發動機缸體能夠很好的結合，大幅度提高了耐磨性，且延長了設備服役期。孫裕昌把滲鋁管換成冷噴涂鎳包鋁F501，用于高溫環境下電站水冷壁管的抗腐蝕。侯根良以KY-HVO（A）F多功能超音速火焰噴涂為前提條件，發展了冷噴涂工藝。王平將冷噴涂耐磨涂層應用到省煤器上，使其耐磨性提高。

    綜上所述，冷噴涂技術目前已發展較成熟，為冷噴涂技術用于船機軸類部件磨損修復創造了有利條件。

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責任編輯：龐雪潔

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