內(nèi)孔熱噴涂技術(shù)：工業(yè)設(shè)備內(nèi)壁“黑科技”

在機(jī)械制造、石油化工、航空航天和鋼鐵冶金等工業(yè)領(lǐng)域，存在著很多關(guān)鍵而重要的內(nèi)孔類零部件，例如：發(fā)動機(jī)氣缸體、燃?xì)廨啓C(jī)殼體、液壓機(jī)構(gòu)仝缸和各種泵送管路等。內(nèi)孔類裝備零部件在服役過程中會承受各種苛刻的服役工況，造成其內(nèi)壁不同形成和程度的損傷。

以柴油內(nèi)燃機(jī)為例。近年來，新能源替代內(nèi)燃機(jī)的呼聲越來越高，諸多汽車廠商紛紛宣布停止民用車汽油內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)。但在工業(yè)工程領(lǐng)域，柴油內(nèi)燃機(jī)仍發(fā)揮著舉足輕重的作用。為了符合國六排放標(biāo)準(zhǔn)，針對保有量巨大的柴油發(fā)動機(jī)需要進(jìn)一步提高其燃燒效率，延長使役壽命。柴油機(jī)易損件在高溫高壓環(huán)境下承受劇烈的往復(fù)摩擦，因此在其表面制備高溫減摩耐磨涂層是柴油機(jī)修復(fù)或再制造的主流方法。

熱噴涂技術(shù)作為目前先進(jìn)的表面沉積技術(shù)之一被廣泛應(yīng)用于零件裝備的制造、修復(fù)，可制備防腐、耐磨、高強(qiáng)度等防護(hù)涂層，操作簡單且成本較低，當(dāng)部件損壞時還可循環(huán)利用。盡管如此，不同熱噴涂工藝的原理和結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致喂料的沉積效率和涂層性能具有明顯差異，同時噴涂過程對工作空間較為嚴(yán)苛，因此難以應(yīng)用于氣缸內(nèi)壁等諸多狹小環(huán)境。

為了有效應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，延長關(guān)鍵零部件的使用壽命，內(nèi)孔熱噴涂技術(shù)作為一項先進(jìn)的表面處理方法得到了廣泛研究和實際應(yīng)用。

什么是內(nèi)孔熱噴涂技術(shù)？

內(nèi)孔熱噴涂技術(shù)是利用等離子弧火焰或電弧等為熱源，將絲材或粉體于極短時間內(nèi)加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，同時對材料粒子進(jìn)行加速，撞擊在一定曲率半徑的零部件內(nèi)壁上，粒子在扁平化的同時快速冷卻凝固沉積在內(nèi)壁表面形成涂覆層的一種材料成形方法，是表面工程和再制造工程中的一項重要技術(shù)。

相比于其他內(nèi)壁涂層制備技術(shù)，內(nèi)孔熱噴涂技術(shù)兼具了通用性、靈活性、實用性和經(jīng)濟(jì)性等顯著優(yōu)勢，對內(nèi)孔件的種類、尺寸大小和形狀限制較小，可選用的材料種類廣泛，能制備出耐腐蝕、耐高溫、耐磨損、抗氧化、自潤滑和隔熱等多種功能的防護(hù)強(qiáng)化涂層，且生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低。

隨著緊湊型噴槍設(shè)計和自動化技術(shù)的不斷進(jìn)步，內(nèi)孔熱噴涂技術(shù)已經(jīng)能夠適用于各種狹窄和不規(guī)則的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，如管道、發(fā)動機(jī)缸體、柴油機(jī)氣缸孔以及其他空心零件。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)熱噴涂在內(nèi)壁處理上的局限性，憑借其對工件尺寸和形狀限制小、可選材料范圍廣以及所沉積涂層優(yōu)異的物理化學(xué)性能，已成功地被應(yīng)用于船舶燃?xì)廨啓C(jī)、汽車發(fā)動機(jī)、石油輸送管道等多個核心工業(yè)領(lǐng)域的內(nèi)孔部件表面強(qiáng)化與修復(fù)。

內(nèi)孔熱噴涂技術(shù)有哪些？

1.內(nèi)孔等離子噴涂（ID-PS）

ID-PS是發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)壁最常用的熱噴涂方法之一，它是以等離子弧為熱源，通過特定的噴槍結(jié)構(gòu)設(shè)計，使產(chǎn)生的等離子射流與噴槍軸線之間呈90°~135°夾角進(jìn)行噴涂，即噴槍沿工件軸線方向伸入到內(nèi)孔件中，等離子束流沿工件徑向掃射形成涂層。

ID-PS技術(shù)原理

根據(jù)噴槍與缸內(nèi)壁的相對運動不同分為平移式與旋轉(zhuǎn)式，平移式噴槍更適用于簡單規(guī)整內(nèi)表面如氣缸內(nèi)壁噴涂，因其工藝相對簡單，成本較低，發(fā)展較為成熟，是目前制備套筒類部件涂層的首要選擇。目前瑞士Oerlikon Metco公司的內(nèi)孔噴涂技術(shù)最為成熟，已研制出十余種內(nèi)孔噴槍，可噴涂最小內(nèi)徑從40 mm到152 mm，功率從9 kW到95 kW不等，噴涂長度可根據(jù)需要延長至最大1010 mm。

相比于平移式內(nèi)孔噴涂，旋轉(zhuǎn)式內(nèi)孔等離子噴涂對工件形狀和尺寸的限制較少，在工業(yè)應(yīng)用中也更加靈活方便。

2.內(nèi)孔超音速火焰噴涂（ID-HVOF/HVAF）

內(nèi)孔超音速火焰噴涂是一種通過利用超音速焰流將粉末沉積到工件內(nèi)孔表面，形成涂層的表面處理技術(shù)。最早在航空航天和汽車工業(yè)中被用于零部件表面涂層處理，如發(fā)動機(jī)葉片、渦輪葉片和氣門等。在HVOF工藝中，煤油或氣態(tài)燃料與純氧混合燃燒，產(chǎn)生高溫超音速火焰流，使得注入的原料顆粒處于高溫高速狀態(tài)。

ID-HVAF技術(shù)原理

HVAF（高速空氣燃料）主要使用氣體燃料和壓縮空氣進(jìn)行燃燒，其超音速氣流的溫度通常低于HVOF（高速氧氣燃料）噴涂工藝，這可以降低涂層和基材的熱影響區(qū)域，能夠減少金屬氧化和硬質(zhì)碳化物脫碳，也可降低涂層材料的氧化，從而獲得較低的孔隙率和較高的結(jié)合強(qiáng)度。

ID-HVAF技術(shù)是在HVAF技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，專門用于內(nèi)徑涂覆。它適用于涂覆管道、管件、閥門等內(nèi)徑較小的零部件。

3.內(nèi)孔電弧噴涂（ID-WAS）

內(nèi)孔電弧噴涂是在電弧噴涂基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)的，其工作原理是通過電弧的熱能將兩根金屬絲熔化，氣流和金屬絲沿噴槍的旋轉(zhuǎn)軸線同軸進(jìn)入，氣流在噴嘴處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而將熔滴從金屬絲端部分離，并使用高速氣流將微粒噴射到基體上形成涂層。其內(nèi)孔電弧噴涂的優(yōu)勢在于基體受熱較小、熔化率較高，適合大批量的涂層制備。

ID-WAS技術(shù)原理

該技術(shù)特點是成本低、易維護(hù)以及生產(chǎn)效率較高等，在機(jī)械設(shè)備、采礦和電力行業(yè)的結(jié)構(gòu)件修復(fù)和制造中有著廣泛應(yīng)用。

內(nèi)孔噴涂為何難？

內(nèi)孔熱噴涂一般需要經(jīng)歷：工件內(nèi)壁預(yù)處理→零件內(nèi)壁涂層成形→內(nèi)孔涂層后加工等步驟。如果是摩擦運動部件內(nèi)壁涂層，則還需珩磨出可貯存潤滑油的交叉狀網(wǎng)紋(30°~45°)。珩磨過程中需要嚴(yán)格控制加工精度，包括涂層剩余厚度、圓柱度、表面儲油體積和表面粗糙度等。此外，對于工作在腐蝕介質(zhì)中的內(nèi)壁涂層，還需要對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆饪滋幚怼?/p>

內(nèi)孔熱噴涂層制備的工藝流程

內(nèi)孔涂層的制備主要是在半封閉空間中進(jìn)行的，它存在工藝參數(shù)（尤其是噴涂距離）調(diào)節(jié)范圍有限、噴涂時粉塵不易排出進(jìn)而對涂層污染嚴(yán)重、噴涂熱量在噴槍和涂層局部大量累積等工藝特點，使得內(nèi)孔涂層的成形質(zhì)量控制更加困難，也體現(xiàn)出其有別于常規(guī)外緣噴涂的眾多特殊性。

因此，如何提高涂層自身內(nèi)聚強(qiáng)度及其與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度，如何控制涂層結(jié)構(gòu)缺陷和厚度在內(nèi)孔環(huán)向和軸向分布的均勻性，如何調(diào)控涂層孔隙率和殘余應(yīng)力等問題都需開展針對性的研究才能確保涂層成形質(zhì)量。

王海斗等：內(nèi)孔熱噴涂技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望

周昱名等：內(nèi)孔熱噴涂技術(shù)的研究進(jìn)展