GE零件修复的秘密武器：超音速冷喷技术让零件重获青春

| 3DScienceValley · 2017/12/03

几年前，在纽约州北部的GE实验室工作的科学家提出了一个很酷的想法来修理破损的零件。从字面上看，这种方法被称为Cold Spray-“冷喷”，他们向飞机发动机叶片表面以超音速的速度从喷嘴中喷射微小的金属颗粒，为叶片受损部位添加新材料而不改变其性能。

不仅低温还不受尺寸限制根据GE全球研究中心涂层和表面实验室经理Anteneh Kebbede，该技术可以制造厚达1英寸或更厚的全新部件。对于制造商来说，潜在的好处是巨大的。想象一下，用一把看起来像喷枪的工具，能够将老化部分恢复到原来的状态，这就像开启了受损零件恢复青春的密码。 GE工程师已经将该技术的使用推向了一个新的台阶，今年早些时候，GE航空子公司Avio Aero的工程师开始在意大利测试该技术。上个月，他们用它来修理了一个零件：喷气发动机GE90的变速箱。

这个零件修复成为冷喷技术的一个应用里程碑。根据3D科学谷的市场研究冷喷涂是几种增材制造方法之一，通过向添加材料而不是切割材料而实现零件的构建。

但即使在高科技增材制造技术分类中，冷喷涂也是一种罕见的技术。大多数金属3D打印机使用激光来加热粉末钛和其他金属，并将它们熔合成一层一层地构建新的部件。包括LENS 3D打印技术，这些技术适用于直接根据计算机文件构建新组件，但是加热现有零部件会改变其晶体结构和机械性能，这需要对工艺和材料有着极高的控制能力，从而使得工艺的大规模商业化变得充满挑战。

对于像喷气式飞机零件来说，这种零件往往需要在低于材料熔点的温度下进行修复，冷喷技术正好满足了这一需求。

此外，对于那些大型结构件的制造，冷喷技术特别具有吸引力。而当前的LENS 3D打印技术由于受到设备尺寸的限制，制造大型的结构件十分困难。冷喷技术则有可能构件更大的部件，唯一的限制是可应用于金属粉末区域的大小。

除了不需要焊接或机加工就能制造全新零件以外，冷喷技术令人兴奋之处在于，它能够将修复材料与零件融为一体，完美恢复零件原有的功能和属性。这样就能有效延长零件使用寿命几年，甚至几十年，最终为客户创造了更大的价值。

在GE的Avio Aero，冷喷雾过程发生在一个步入式冰箱尺寸的金属室内。腔室内装有一个带有超音速喷嘴的机器人手臂，可将小至5微米的金属粉末颗粒喷射到零部件上。他们用如此大的能量撞击表面，与零部件形成扩散结合。根据，实验室的维修开发工程师Giulio Longo，在动力学的作用下，来自粉末充电枪的每一个金属颗粒都会附着在零部件上进行重建用途。

与我们所熟知的3D打印的工作原理有所不同的是，3D打印是根据计算机建模文件构建零件，但冷喷涂机使用实际的喷气发动机零件的数字扫描结果来准确地重建断裂部分。

冷喷技术最早是俄罗斯上世纪80年代中期发明的，目前主要用于机械维修方面。在美国，该技术应用最多的是军事领域，主要用于修复美军的镁合金直升机零件。但用的材料都是质地较软、熔点较低的合金，比如铜、铝、锌等。对于GE的研发人员来说，要面临的挑战是如何利用这种技术结合3D打印生产高品质的高温镍钛合金部件。GE开发的冷喷涂技术可用于构建3D形状，抑或无损修复现有的金属结构或价格昂贵的核心材料。

冷喷技术非常独特地结合了材料、工艺和产品功能，预计在不久的将来，将会用于飞机部件如转子、叶片、轴、螺旋桨、齿轮箱的维修和改造。由于冷喷不像常见的修复工艺如焊接那样需要加热，它可以将修复对象恢复到其最初的状态。在GE公司的石油和天然气业务部门，GE研究人员正在探索将冷喷作为一种替代技术用于涉及石油天然气钻探和透平机械的维修或上装方面。