Công nghệ phun lạnh sửa chữa nhanh các bộ phận máy bay quân sự

Lục quân, Hải quân và Không quân Mỹ đã gặp phải các vấn đề ăn mòn nghiêm trọng đối với các hợp kim magiê được sử dụng để chế tạo nhiều loại linh kiện máy bay, phải được loại bỏ sớm vì ăn mòn. Những hỏng hóc sớm của các bộ phận này khiến Bộ Quốc phòng tiêu tốn khoảng 100 triệu USD mỗi năm; nhiều thành phần không thể được khôi phục vì không có công nghệ thích hợp. Trong nhiều thập kỷ, các đội bảo dưỡng máy bay của Không quân Mỹ đã thay chúng bằng bộ phận mới nếu có sẵn, có thời gian và kinh phí.

Để bảo vệ bề mặt, cũng như khôi phục các chi tiết máy bay, Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Quân đội (Army Research Laboratory - ARL) Mỹ đã phát triển một quy trình phun lạnh (Cold Spray - CS) bằng cánh tăng tốc các hạt hợp kim nhôm đến vận tốc cao và tác động lên bề mặt của các chi tiết hợp kim magiê. Quy trình phun lạnh đã được chứng minh và xác nhận là một công nghệ hiệu quả về chi phí, chấp nhận được về môi trường, có thể được đưa vào sản xuất và trở thành một giải pháp khả thi so với các công nghệ cạnh tranh.

Công nghệ phụ gia CS có thể cho phép các nhà bảo dưỡng làm mới các bộ phận bị mòn hoặc hỏng khi vẫn đang ở trên máy bay, giúp máy bay sẵn sàng thực hiện nhiệm vụ một cách nhanh chóng. Máy bay B-1B bắt đầu hoạt động vào năm 1986 và tất cả 100 máy bay ném bom dòng này đã được chuyển giao vào năm 1988 nên việc mua các bộ phận rất khó khăn, thường phải "thịt" một máy bay để lấy các bộ phận. Khớp trượt là một bộ phận cho phép cánh của B-1 có thể uốn cong theo chiều dọc, việc tháo rời để thay thế khớp trượt mới tốn kém kinh phí (500.000 USD) và thời gian (8 tuần).

Nhóm Bảo dưỡng số 28 đã sửa chữa tại chỗ khớp trượt trên cánh trên một máy bay ném bom B-1B đang hoạt động và có thể thực hiện việc này trong vài giờ, chiếc B-1B đã bay trở lại một tuần sau đó. Với việc triển khai trong tương lai, quy trình phun lạnh sẽ mang lại lợi nhuận đáng kể về đầu tư thông qua việc tăng tuổi thọ sử dụng và khả năng thu hồi các thành phần cực kỳ có giá trị. Cả Sikorsky và Văn phòng Chương trình trực thăng UH-60 Blackhawk dành cho Lục quân đều đã phê duyệt sử dụng CS làm công nghệ sửa chữa cho một bộ phận chế tạo bằng hợp kim magiê của UH-60, và dự kiến sẽ sớm có các phê duyệt khác.

CS là một quá trình giống như in 3-D - các hạt kim loại cực nhỏ (kích thước từ 5-15 micron - μm) được trộn với khí mang (thường là nitơ hoặc heli) và được tăng tốc lên tốc độ Mach 2-3 thông qua một vòi phun, được thiết kế sao cho khí thoát ra với vận tốc siêu âm, trong khoảng 200-3.000 m/s. Các hạt kim loại được phun trực tiếp lên chi tiết khiếm khuyết để phục hồi trở lại và tăng cường; chúng liên kết lại ở trạng thái rắn, bền vững về mặt cấu trúc. Sau đó, chi tiết được gia công để phù hợp với hình dạng hoặc dung sai ban đầu. Kim loại mềm thường được sử dụng với quy trình CS mặc dù những tiến bộ gần đây cho phép sử dụng các vật liệu cứng hơn như titan và inconel.

Đây không thực sự là một bình xịt lạnh, không làm tan chảy vật liệu như phun lửa hoặc nhiên liệu oxy tốc độ cao, hay bất kỳ quy trình hàn hoặc phủ thông thường nào khác. Thay vào đó, các vật liệu phụ gia được làm nóng nhưng chỉ đạt dưới 80% nhiệt độ nóng chảy của chúng. Bởi vì nhiệt độ của khí nói chung dao động từ 0 đến 800 ⁰C, không diễn ra sự nóng chảy của các phần tử, và không có quá trình oxy hóa, phân hủy của vật liệu dạng bột. Công nghệ này có thể được sử dụng để sửa chữa nhiều bộ phận có thể đã bị mỏi hoặc ăn mòn phổ biến, từ vỏ cánh tương đối đơn giản đến bản lề, kết cấu đỡ, trục, các bộ phận của cơ cấu hạ cánh... Nghiên cứu về tiềm năng của CS trong việc phục hồi các bộ phận máy bay bắt đầu tại Trường Mỏ (South Dakota School of Mines) vào giữa những năm 2000.

Một trong những lợi ích của công nghệ CS là khả năng bao phủ các khu vực rộng lớn, không giới hạn về độ dày của vật liệu phủ. Các ưu điểm khác của quy trình CS bao gồm: lớp phủ có mật độ cực kỳ cao hầu như không có tạp chất hoặc vết nứt; giữ lại các đặc tính và cấu trúc vi mô của các hạt bột ban đầu cho phép lắng đọng các vật liệu có cấu trúc nano; tốc độ lắng đọng cao, tương đương hoặc vượt trội so với các quy trình phun nhiệt khác; cấu trúc vi mô đồng nhất và đối với lớp phủ hợp kim, cấu trúc pha bột được duy trì; các lớp phủ cực dày có thể được lắng đọng cũng như vật liệu rời và có thể chế tạo các cấu trúc/bộ phận cố định (dày nhiều mm).

Không những vậy, với CS, có thể sản xuất các lớp phủ/vật liệu rời; các lớp phủ/vật liệu độc đáo có thể được tạo ra mà không thể sản xuất bằng các kỹ thuật thông thường, chẳng hạn như phun nhiệt hoặc luyện kim vì quá trình hợp nhất được thực hiện ở trạng thái rắn; tác động của các hạt lên bề mặt hoạt động giống như bắn bong tróc, tạo ra ứng suất nén dư thuận lợi; ứng suất dư trong lớp phủ trung tính hoặc nén nhẹ; đầu vào nhiệt thấp cho phép phủ nhiều loại vật liệu, chẳng hạn như vật liệu tổng hợp, bao gồm các bộ phận có thành mỏng; quy trình không có khí độc, bức xạ hoặc phản ứng hóa học; có thể lắng đọng cục bộ, do đó không phải sử dụng mặt nạ…

CS đã được sử dụng để sửa chữa các bộ phận trên máy bay V-22, B-1, cũng như F-15 và hệ thống trên tàu hải quân và có thể ứng dụng để sửa chữa các bộ phận cho các hệ thống trên không, trên bộ và trên biển. CS có thể được sử dụng như một phương pháp sửa chữa/phục hồi, có thể khôi phục lại các bộ phận không thể thay thế được. Không giống như vô số các sáng kiến quy trình và kỹ thuật thường xuyên xuất hiện và nhanh chóng bị lãng quên, ý tưởng CS đã thu hút sự quan tâm rộng rãi, sẽ được sử dụng để sửa chữa các máy bay A-10, B-52 (động cơ TF33), C-5, E-3 và F-16. Người ta ước tính, đối với các bộ phận hàng không vũ trụ điển hình, CS mang lại "tỷ lệ hoàn vốn đầu tư từ 10-20:1".

CS có thể giúp giải quyết các tồn đọng bảo trì đã gây khó khăn cho Không quân Mỹ kể từ khi chuyển sang chương trình bảo dưỡng hai cấp dựa nhiều hơn vào các sản phẩm thương mại để sửa chữa. Mặc dù nó đã tạo ra một số hiệu quả, việc gửi máy bay và các bộ phận đến các kho hàng cần có thời gian. Phương pháp dự đoán "bảo trì theo điều kiện" được không quân áp dụng có thể phù hợp với việc sửa chữa CS, giúp nâng cao khả năng của các nhà bảo trì trong việc quyết định thời gian và địa điểm nên thực hiện bảo trì và rút ngắn đường cung cấp, giúp phục hồi nhanh chóng khả năng sẵn sàng thực hiện nhiệm vụ ở bất cứ nơi nào.

Kết quả thử nghiệm từ chương trình này chỉ ra rằng CS là một công nghệ sửa chữa để cải tạo lại các bộ phận hàng không vũ trụ bằng magiê mang lại hiệu quả cao và cho phép cải tạo các đặc tính của vật liệu, cũng như phục hồi kích thước, cải thiện mức độ sẵn sàng vì việc thay thế sẽ ít thường xuyên hơn. Cùng với đó, dự kiến sẽ giảm chi phí hậu cần vì ít phải vận chuyển qua lại giữa các kho và cơ sở vận hành để sửa chữa. Khả năng sửa chữa các chi tiết giúp tiết kiệm chi phí, cũng như tăng khả năng sẵn sàng chiến đấu của máy bay.