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基于冷喷涂的航空再制造技术研究现状及展望

文章亮点：冷喷涂增材制造技术在航空损伤结构的修复再制造中具有极大的应用前景与工艺优势。对于冷喷涂再制造的构件而言，其制造质量取决于基体界面的结合强度、沉积体内部的结构完整性及最终的加工表面质量。本文面向整个冷喷涂再制造流程，围绕基体表面预处理、冷喷涂沉积体的强化方法以及冷喷涂沉积体的后处理等方面综述了更具通用性的高性能冷喷涂再制造方法并讨论了相关方法的技术特色及应用领域。此外，本文还对国内外航空领域现有的冷喷涂增材修复再制造案例进行了介绍并阐述了其在航空再制造领域尚存的技术挑战和发展趋势。

研究背景：再制造技术是维修发展的高级阶段，是先进制造的重要组成，在促进我国制造业绿色低碳发展，经济高效的实现“双碳”目标中起到重要作用。近年来，冷喷涂技术由最初的涂层技术逐渐转变为一种增材制造技术被用于制造独立的金属部件以及恢复损坏的金属部件。冷喷涂增材制造通过原料粉末在高速碰撞下产生的剧烈塑性变形进而在颗粒间形成冶金结合以形成结构，由于成形过程中原料粉末始终保持固态，属于“固态增材”。与熔融增材工艺相比。整个冷喷涂的沉积过程不涉及原料的融化-再凝固过程，因此沉积体内部几乎不存在氧化、相变、组织不均匀以及偏析等缺陷。此外，其特殊的制造原理使得其在高光反射率、低熔点、高敏感性材料的制造上具有显著优势。同时，由于沉积层内部较低水平的残余压应力，沉积体产品的理论尺寸不受限制，具有更高的制造效率和灵活性，可实现零部件的原位再制造，在航空高附加值零件的制造/修复再制造上极具应用前景。

未来展望：（1）了解粒子在冷喷涂过程中的沉积行为是实现高质量修复再制造的理论基础，粒子在基体界面处沉积行为与粒子/基体组合本身的物理、机械性能密切相关。因此，在深入了解粒子/基体组合的材料特性的基础上进行工艺参数的优化匹配可以更有效的实现高质量沉积界面的制备。

（2）损伤结构具有复杂的表面状态，在进行冷喷涂再制造前需要对损伤表面进行预处理。喷砂作为最常用的表面预处理工艺已被证实无法适用于所有材料体系。因此，面向进一步的工程应用，需要根据喷涂材料组合开发相应的表面预处理方法。

（3）高温合金、钛合金等高强度航空材料的冷喷涂直接沉积体需要进一步的后处理工艺以满足性能需求，这一定程度上牺牲了冷喷涂的技术优势并且无法适用于某些构件和场景的再制造。因此，开发更先进的复合冷喷涂工艺方法以实现沉积过程中沉积体的力学性能的原位增强是是冷喷涂再制造领域的研究重点。

（4）冷喷涂修复再制造产品通常需要进一步的机械加工以满足尺寸精度要求。此外，面向叶片等关键航空构件的再制造场景，通常需要进一步的表面强化工艺来改善其表面完整性进而提升再制造的性能。目前几乎没有关于冷喷涂沉积体机械加工特性以及制造表面完整性的研究报道，需要进一步的研究支持。

      张定华，西北工业大学二级教授，博士生导师，国家级领军人才，中国航空学会冯如航空科技精英奖获得者。主要研究方向为航空发动机先进制造、智能加工技术、数字化测量与无损检测技术，是航空宇航制造工程国家重点学科带头人、工信部某创新团队负责人、××专业组副组长。研究成果荣获国家级奖励3项，入选教育部“中国高等学校十大科技进展”1项，入选“985工程”十年建设成就重大标志性成果1项。个人荣获“做出突出贡献的中国博士学位获得者” “全国教育系统劳动模范” “人民教师奖章”、陕西省“三秦学者”特聘教授、陕西省“三五人才” “中国科协西部开发突出贡献奖”等荣誉称号，1993年被评为享受国务院政府特殊津贴专家。

      李文亚，西北工业大学材料学院教授，博士生导师，国家级领军人才。陕西省摩擦焊接工程技术重点实验室主任。主要从事先进固相连接技术（摩擦焊接与冷喷涂）研究，先后主持国家自然科学基金（国际合作项目、面上项目）、973子课题、霍英东青年教师基金等科研项目15余项，出版学术专著2部，发表学术论文290余篇。

      罗明，西北工业大学机电学院教授、博士生导师，国家自然基金优秀青年科学基金项目获得者。主要从事航空复杂薄壁零件智能加工、加工过程监测与优化、复杂结构精密制造等方面的研究，主持国家自然科学基金重点类项目、陕西省重点研发计划国际科技合作项目等科研项目10余项，发表学术论文50余篇，出版中英文学术著作3部，申请和授权国家发明专利10余项。兼任航空发动机高性能制造工业和信息化部重点实验室副主任、中国机械工业金属切削刀具技术协会切削先进技术研究分会副理事长、中国航发密封工程技术创新中心专家委员会委员、中国图学学会智能工厂专业委员会委员，《机械科学与技术》副主编、《航空学报》《CJA》青年编委。

      崔敏超，西北工业大学机电学院教授、博士生导师。长期从事航空发动机高性能制造工艺及制造过程智能传感、检测与诊断技术的研究。主持国家自然科学基金项目2项，陕西省高层次人才引进项目1项；入选中国科协青年人才托举工程、西北工业大学“翱翔新星”人才计划。发表学术论文 30 余篇，出版英文专著1部。

      池亚达，西北工业大学机电学院博士研究生，师从张定华教授与崔敏超教授。曾获得校优秀研究生、一等学业奖学金等荣誉及奖励。参与国家级和省部级科研项目2项，发表学术论文2篇。

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