張振鵬，方喜風(fēng)，張風(fēng)東，董彥妮，胡潔

中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東青島 266111

1 序言

隨著軌道交通產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，高速動(dòng)車組越來越多地使用鋁合金作為車體結(jié)構(gòu)材料，以滿足輕量化的使用需求[1]。受運(yùn)營環(huán)境的影響，動(dòng)車組車體表面容易出現(xiàn)不同程度的局部腐蝕及損傷，在動(dòng)車組返廠檢修時(shí)需進(jìn)行修復(fù)。目前，國內(nèi)外知名的軌道客車制造企業(yè)主要采用焊接修復(fù)方法，但基于焊接修復(fù)過程溫度高、鋁合金導(dǎo)熱快、焊接飛濺等工藝特點(diǎn)，焊接前往往需要對(duì)周圍區(qū)域內(nèi)的部件（內(nèi)裝、電纜等）進(jìn)行拆除，并在焊接后恢復(fù)部件安裝，極大地增加了修復(fù)作業(yè)量及動(dòng)車組的檢修周期。隨著動(dòng)車組檢修交付要求的提高，由于傳統(tǒng)焊接修復(fù)方法已無法滿足動(dòng)車組車體檢修周期的要求，因此發(fā)掘一種高效、快速的修復(fù)方法已成為動(dòng)車組檢修亟待解決的問題。

冷噴涂作為一種低溫固態(tài)成形技術(shù)，相比傳統(tǒng)焊接修復(fù)方法，具有沉積溫度低、沉積效率高、應(yīng)用材料范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)80年代提出以來，受到國內(nèi)外研究學(xué)者的青睞。目前，冷噴涂技術(shù)已在航空航天及艦船等領(lǐng)域中對(duì)一些結(jié)構(gòu)件的修復(fù)進(jìn)行了應(yīng)用[2，3]，但對(duì)于其在高速動(dòng)車組領(lǐng)域中的應(yīng)用報(bào)道較少。本文結(jié)合動(dòng)車組常用鋁合金材料（7N01S-T5），開展了冷噴涂技術(shù)在動(dòng)車組車體修復(fù)上的應(yīng)用研究。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

冷噴涂設(shè)備采用陜西天元智能再制造股份有限公司生產(chǎn)的SCS-P01型設(shè)備，最大功率3.3kW。采用氮?dú)庾鳛閯?dòng)力源，最大輸出壓力為1.3MPa，氣體輸出流量為1m3/min。試驗(yàn)基體材料為400mm×300mm的7N01S-T5鋁合金，厚度5mm，基體化學(xué)成分見表1。噴涂合金粉末主要成分為75%純鋁和25%氧化鋁，平均粒徑為28mm。

表1 7N01S-T5鋁合金主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 試樣制備及冷噴涂工藝參數(shù)

對(duì)試驗(yàn)基體中部銑出15mm×4mm的凹槽，凹槽尺寸如圖1所示。使用冷噴涂設(shè)備對(duì)試件凹槽部位進(jìn)行冷噴涂填滿，冷噴涂工藝參數(shù)見表2。

表2 冷噴涂工藝參數(shù)

圖1 凹槽尺寸

2.3 組織、硬度及性能檢測

冷噴涂后截取修復(fù)區(qū)域的橫截面，制備金相試樣，采用OLYMPUS-BX51M金相顯微鏡觀察涂層宏觀組織特征。采用SUPRA 55型掃描電鏡觀察涂層不同區(qū)域的顯微組織及孔隙率。

采用FM-700顯微硬度儀測試接頭的顯微硬度，載荷500g（4.9N），載荷時(shí)間為15s。

按GB/T 8642—2002 《熱噴涂 抗拉結(jié)合強(qiáng)度的測定》方法，在φ25mm的鋁合金基體上制備冷噴涂涂層，試樣數(shù)量3個(gè)，采用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測定。

室溫拉伸試驗(yàn)按EN ISO 4136：2022《金屬材料焊接的破壞性試驗(yàn).橫向拉伸試驗(yàn)》要求進(jìn)行，試樣尺寸如圖2所示，試樣數(shù)量3個(gè)，拉伸試驗(yàn)采用WDW-300E設(shè)備，拉伸速率1mm/min。

圖2 拉伸試驗(yàn)試樣尺寸

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 金相組織

涂層宏觀金相組織特征如圖3所示。從圖3可看出，涂層與基體之間結(jié)合良好，未出現(xiàn)明顯的未熔合、裂紋等缺陷。

圖3 宏觀金相組織

3.2 微觀組織及孔隙率

圖4所示為鋁合金基體的微觀組織。鋁合金基體組織為晶粒沿軋制方向延長呈纖維狀，α（Al）基體上分布著MgZn2強(qiáng)化相。圖5所示為冷噴涂修復(fù)試樣修復(fù)區(qū)表面和截面的微觀組織。從圖5可看出，修復(fù)區(qū)表面和截面的組織相似，均由許多白色顆粒鑲嵌在基體中組成。通過能譜分析，發(fā)現(xiàn)白色顆粒為Al2O3，基體部分為Al，且Al基體因塑性變形而失去了原有的形貌。對(duì)比表面和截面的組織，可看到截面的組織比表面組織更加致密。利用Image J軟件對(duì)圖片進(jìn)行分析，孔隙率結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，冷噴涂表面的孔隙率為3.116%，冷噴涂截面的孔隙率為2.77%。

圖4 鋁合金基體微觀組織

圖5 修復(fù)試樣的微觀組織

圖6 修復(fù)試樣孔隙率結(jié)果

3.3 硬度試驗(yàn)

冷噴涂修復(fù)試樣的硬度曲線如圖7所示。從圖7可看出，冷噴涂修復(fù)層的硬度為52～64HV，結(jié)合界面附近硬度為60～80HV。鋁合金基體的硬度為87～108HV，主要合金元素為Mg、Zn，因此硬度主要?dú)w因于MgZn2強(qiáng)化相。相比鋁合金基體，冷噴涂修復(fù)層的硬度較低，這主要與噴涂粉末成分有關(guān)，因?yàn)閲娡糠勰┯?5%純鋁和25%氧化鋁組成，Al2O3顆粒的硬度較高，而純鋁的硬度較低，所以冷噴涂修復(fù)層的硬度也就較低。

圖7 冷噴涂修復(fù)試樣的硬度曲線

3.4 結(jié)合強(qiáng)度檢測

涂層與鋁合金的結(jié)合強(qiáng)度檢測結(jié)果見表3。從表3可看出，鋁合金冷噴涂涂層的平均結(jié)合強(qiáng)度為33.3MPa。

表3 冷噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度

3.5 抗拉強(qiáng)度檢測

3個(gè)冷噴涂修復(fù)試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4可看出，修復(fù)試樣的平均抗拉強(qiáng)度為169MPa，平均伸長率為0.24%，且隨著試樣凹槽深度的增加，修復(fù)試樣的抗拉強(qiáng)度有一定減小。圖8所示為拉伸斷裂后的宏觀形貌，斷裂位置均發(fā)生在冷噴涂修復(fù)區(qū)。圖9所示為拉伸斷口的微觀形貌。由圖9可知，鋁合金基體存在韌窩，為典型的韌性斷裂，而修復(fù)區(qū)看到許多Al2O3顆粒，斷口與主應(yīng)力方向垂直，為脆性斷裂。

表4 冷噴涂修復(fù)試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖8 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖9 拉伸斷口微觀形貌

4 車體修復(fù)應(yīng)用

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合車體易發(fā)生腐蝕部位的靜強(qiáng)度仿真分析和結(jié)構(gòu)安全性分析，選取低應(yīng)力區(qū)且不存在脫落風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域作為冷噴涂新技術(shù)應(yīng)用的初始條件。

圖10所示為側(cè)門和端門部位在局部去除一定材料后的靜強(qiáng)度仿真計(jì)算結(jié)果。對(duì)于側(cè)門角，根據(jù)各載荷工況分析，側(cè)門區(qū)域在最大重力載荷及壓縮載荷工況下應(yīng)力較大，當(dāng)材料厚度去除10mm后，在最大重力載荷工況下的最大應(yīng)力為53.08MPa，在壓縮工況下的最大應(yīng)力為73.86MPa，小于焊縫屈服強(qiáng)度120MPa和母材屈服強(qiáng)度195MPa，安全系數(shù)為2.26。對(duì)于端門區(qū)域，根據(jù)各載荷工況分析，端部區(qū)域在壓縮載荷工況下應(yīng)力最大，當(dāng)局部去除40mm×120mm結(jié)構(gòu)后，壓縮工況下最大應(yīng)力為50.36MPa，小于焊縫屈服強(qiáng)度120MPa，安全系數(shù)為2.38。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果表明，端門和側(cè)門局部去除一定材料后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍然能夠滿足使用要求。動(dòng)車組車體不同部位冷噴涂修復(fù)的應(yīng)用條件見表5。

圖10 不同部位靜強(qiáng)度仿真結(jié)果

表5 冷噴涂車體修復(fù)應(yīng)用條件

目前，我公司已成功在車體側(cè)門、端門、地板等部位進(jìn)行了冷噴涂修復(fù)技術(shù)應(yīng)用，如圖11所示。由于噴涂修復(fù)區(qū)域溫度較低，為50～60℃，其周圍的內(nèi)裝件、電氣件等部件在不拆除的情況下即可完成修復(fù)，減少了部件拆裝作業(yè)量，縮短了動(dòng)車組檢修周期。

圖11 端門區(qū)域冷噴涂應(yīng)用效果

5 結(jié)束語

本文采用冷噴涂技術(shù)在動(dòng)車組常用7N01S-T5鋁合金材料上進(jìn)行噴涂，研究了冷噴涂涂層的微觀組織、力學(xué)性能，以及冷噴涂在動(dòng)車組車體修復(fù)中的應(yīng)用，取得如下效果。

1）冷噴涂涂層成形良好，無明顯的未熔合、裂紋缺陷。涂層組織致密，孔隙率低，且涂層截面組織比表面組織更加致密。

2）冷噴涂涂層具有一定硬度（52～64HV）、結(jié)合強(qiáng)度（33.3MPa）及抗拉強(qiáng)度（169MPa）。

3）結(jié)合動(dòng)車組車體仿真強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，在一定的條件下，冷噴涂技術(shù)可以滿足部分車體部位的修復(fù)要求。相比傳統(tǒng)的焊接修復(fù)方法，采用冷噴涂技術(shù)，由于噴涂溫度較低，對(duì)周圍部件影響較小，施工作業(yè)時(shí)可避免拆除周圍的部件，因此將大大減少車體檢修作業(yè)量，縮短車體檢修周期，提高動(dòng)車組的檢修維護(hù)能力。冷噴涂技術(shù)在動(dòng)車組車體上的成功應(yīng)用，將為該技術(shù)向軌道交通領(lǐng)域擴(kuò)展和推廣起到示范作用。