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氣缸內壁塗層的熱噴塗沉積技術

時間:2017-07-29 17:29:01  來源:AG亚游官网熱噴塗網整理  作者:tianzhongma

1 超音速火焰噴塗

    20世紀80年代,超音速火焰噴塗(HVOF)工藝研發成功。HVOF將粉末、絲材或棒材送入超音速的高溫焰流中,加熱熔融後並噴射到基材形成塗層。一般情況下,焰流速度可達到5馬赫(1500m/s)以上,熔融顆粒在火焰中可被加速到300~700m/s,甚至更高。
    超音速火焰噴塗粒子的溫度低、飛行速度快,因此塗層的結合強度高、孔隙率更低。HVOF工藝可以噴塗各種硬質合金材料,包括納米結構粉末。Manzat等采用超音速火焰噴塗(HVOF)和超音速懸浮液火焰噴塗(HVSFS)方式,分別在氣缸內壁製備出金屬和陶瓷塗層,塗層表麵具有大量直徑為0.2~1.0μm的貫通孔隙,這些孔隙能夠儲油,形成微負壓室並實現液態潤滑。Johansson等也用HVOF和HVSFS方式製備出鐵合金、Cr3C2/NiCr、80%TiO2-20%TiC和鐵基複合材料(MMC)塗層,研究結果和Manzat等基本一致,該塗層的磨損量顯著低於鑄鐵缸套的磨損量,其中Cr3C2/NiCr和MMC塗層的磨損量低於80%TiO2-20%TiC。
超音速火焰噴塗製備的塗層還具有結合強度高的特點,毛俊元等通過HVOF方法在球墨鑄鐵氣缸套內壁上製備NiCrBSi合金塗層,塗層的結合強度達到128.8MPa。此外,NiCrBSi塗層在常溫和高溫下均具有良好的耐磨耐腐蝕性,由於燃料中含有硫元素,會在氣缸壁生成硫酸,在表麵形成硫酸腐蝕。實驗采用30%(質量分數)稀硫酸和8%(質量分數)稀鹽酸作為腐蝕劑,將噴塗好的塗層浸泡在腐蝕劑中一個月,通過光譜分析塗層浸泡前後的化學成分,發現塗層化學成分變化十分小。如將該塗層應用在氣缸套上,能增大氣缸套的耐腐蝕性能,延長氣缸套的使用壽命。
    Edrisy等針對低碳鋼氣缸內壁塗層,分別探討了塗層在銷盤摩擦中和在實際使用中的耐磨性以及拉缸損壞情況。結果表明,鋁合金氣缸內壁的低碳鋼塗層在實驗室磨損測試條件下展現出很好的耐磨性。在實際應用中,氣缸壁磨損最嚴重的地方發生在最大推力麵處,在燃燒動力衝程循環過程中,由於施加較大的負載,導致在塗層下麵產生單一方向的塑性變形層,剝離是磨損的主要形式。


2 電弧噴塗

    電弧噴塗是利用兩根連續送進的金屬絲之間的電弧來熔化金屬,用高速氣流把熔化的金屬霧化,並迅速噴射到基材表麵形成塗層。電弧噴塗因易操作、效率高、對工件熱影響小、塗層性能優異、適用範圍廣及經濟安全等特點而得到迅速發展,到20世紀末,電弧噴塗的應用占所有熱噴塗的15%,市場比例位居第3位。目前,國外使用電弧噴塗製備氣缸內壁塗層的報道並不多,而國內學者做了較多的工作。
    李增榮、吳比等設計並製造的XDP-5型內孔電弧噴塗設備,解決了發動機氣缸內壁難以噴塗的問題。他們選用鐵基合金金屬絲材製備鋁製缸體內壁減摩塗層以代替鑄鐵缸套,塗層由扁平粒子堆積而成,在顆粒邊界還存在一些孔隙和帶狀金屬氧化物。摩擦磨損結果表明,塗層孔隙結構的儲油效應和表麵氧化物起到明顯降低摩擦係數的作用,提高了塗層的耐磨性。
    Kim等采用雙絲電弧噴塗(TWAS)在鋁合金氣缸套內壁製備FeO塗層,研究珩磨工藝對內壁塗層的影響。兩種珩磨的氣缸內壁塗層分別是40°珩磨角的光滑層(SH)和140°珩磨角的螺紋結構珩磨層(HSH),如圖1所示。在幹摩條件下,由於HSH的珩磨槽更大,可以留住磨粒因而避免磨粒磨損,所以HSH層的摩擦係數更低。在潤滑條件下,由於SH層的表麵更加光滑,因此具有較低的摩擦係數。綜合來講,采用TWAS工藝製備的氣缸內壁塗層即使在惡劣的發動機工作條件下,仍可以展現優異的摩擦性能。

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圖1 氣缸內壁樣品表麵交叉珩磨紋路
Fig.1 Surface topography of cylinder liner specimens showing cross hatch honing pattern: a) type I specimen (honing an- gle~40°) and b) type II specimen (honing angle~140°)

    采用電弧噴塗技術也可對氣缸套進行修複。吉榮廷等采用電弧噴塗對內燃機缸套內表麵進行修複,恢複缸套的尺寸,修複成本僅為新缸套的1/3,而修複好的缸套的使用壽命可以達到原缸套的3倍。因此,無論從經濟效益還是社會效益來看,電弧噴塗工藝修複內燃機缸套都是一種理想的方法。曾誌龍、徐亮等針對大型船舶柴油機氣缸套腐蝕磨損失效情況,采用高速電弧噴塗和亞音速火焰噴塗工藝,對失效氣缸套進行再製造並進行摩擦磨損實驗。研究表明,在實際運行工況下,電弧噴塗的3Cr13塗層表現出的性能優於火焰噴塗的NiCr-Cr3C2塗層,且電弧噴塗成本較低,該技術有望在氣缸套再製造中得到應用。

3 大氣等離子噴塗

    大氣等離子噴塗(APS)通過放電生成的熱等離子(15000K)將粉末材料熔化並噴射到基體表麵形成塗層。這種工藝適合噴塗各種熔點高的粉末材料,尤其是複合材料和陶瓷材料。20世紀90年代初,SulzerMetco公司(OerlikonMetco前身)開發了“RotaPlasma”旋轉式APS噴塗設備,至今仍被很多製造商用於噴塗發動機氣缸內壁塗層。在過去幾年中,APS技術不斷改進發展,有關APS內孔塗層工藝和材料選擇的進展已有很多外文文獻報道。
    在原始粉末中加入其他元素可以有效提高APS塗層的綜合使用性能。Uozato等研究了APS噴塗鐵基合金粉(Fe-C-Ni-Cr-Cu-V-B)中添加不同含量Ni粉所得柴油機氣缸內壁塗層的耐磨耐腐蝕性並與常用鑄鐵缸套進行比較。摩擦實驗結果表明,鐵基塗層的磨痕深度最大值小於鑄鐵缸套磨痕深度的一半,並且摩擦對偶銷的磨損深度也低於鑄鐵缸套對偶銷。在實際應用中,不僅要保證氣缸內壁耐磨,同時要減少對活塞環的磨損,采用這種塗層可增加活塞環的使用壽命。在原始鐵基粉中加入質量分數4%~14%的Ni粉以後,塗層在硫酸溶液中的耐腐蝕性隨Ni含量增加而提高,且遠遠優於鑄鐵材料,但與此同時,在油潤滑下塗層的耐磨性隨Ni含量的增加而降低,這主要由於Ni的添加降低了塗層硬度。因此,合適的Ni含量,將有助於平衡塗層的耐磨性和耐蝕性。
    APS焰流速度高,粉末顆粒速度快,噴塗時采用Ar等惰性氣體,因此所得塗層的致密度和結合強度都很高,且塗層的氧化物和雜質含量少。Kim等采用APS工藝在鋁合金基體上分別噴塗了水霧化得到的鑄鐵(Fe-3.75C-3.6Si-3.93Al)粉末和經過退火預處理含有石墨結構的鑄鐵粉,獲得塗層C1和C2。浸泡腐蝕結果表明,塗層的耐蝕性主要取決於孔隙率,兩種塗層的孔隙率均較低,分別為4.33%和3.4%。C1塗層表麵和截麵形貌都有明顯改變,存在顯著的點蝕現象,而在含有石墨結構的塗層中存在混合的碳化物相和片狀石墨,提高了塗層的耐腐蝕性。石墨層的存在對於氣缸內壁還可以起到自潤滑的作用,提高了塗層的耐磨性。
    劉明等研究了內孔等離子噴塗Ni45-15%Mo塗層與38CrMoAl滲氮層的耐磨性。在邊界潤滑條件下,塗層表麵產生的MoS2和MoO2具有良好的減摩性,對提高塗層的耐磨性起到關鍵性作用,同時,塗層對偶件的損傷明顯小於滲氮層對偶件。在實際內孔等離子噴塗過程中,缸套內壁溫度高,煙塵汙染嚴重,為了解決這些問題,王海軍等人開發設計了一種具有排塵、防塵和冷卻功能的內孔等離子噴塗裝置,對使用前後塗層的性能進行了分析,研究發現,使用該裝置可以明顯降低塗層的缺陷,為製備性能優越的減摩耐磨氣缸壁塗層提供了條件。
    大氣等離子噴塗陶瓷缸套內壁塗層具有較低的摩擦係數和優良的耐蝕、耐高溫特性。毛俊元等采用等離子噴塗製備Al2O3-13%TiO2複合陶瓷納米塗層,它具有陶瓷的高硬度、剛度和高溫下極好的化學穩定性,將這種材料噴塗在金屬基體表麵,在一定程度上能克服陶瓷本身韌性、塑性、導熱性差的缺點。李福村等也采用等離子噴塗技術,在缸套內壁製備了耐高溫、耐磨損的Al2O3-13%TiO2陶瓷塗層,以增強缸套的壽命。塗層磨損機理是切削和脆性斷裂或脫落磨損,其耐磨性、結合強度和抗震性等符合缸套的工作環境。Skopp等研究了混合邊界潤滑條件下APS噴塗低價氧化鈦塗層的摩擦特性,摩擦實驗選用了不同種類的活塞環對偶塗層,結果表明,TiOx塗層的耐磨性能優於灰鑄鐵缸套。同時,實驗還發現,在酯類潤滑條件下,塗層的摩擦係數減少了10%~20%,在甘醇類潤滑條件下,塗層的摩擦係數從0.12降到0.04~0.06。衡量一種塗層摩擦性能的兩個重要指標分別是硬度和摩擦係數,這種氧化鈦陶瓷塗層的硬度約為650HV0.2,在耐磨領域具有明顯的優勢。

4 等離子轉移弧線材噴塗

    等離子轉移弧(PTA)與非轉移弧的區別是,非轉移型等離子弧的鎢級接負極而噴嘴接正極,轉移型等離子弧的鎢級接負極而工件接正極,後者使等離子弧在鎢級和工件之間產生。實際工作中,首先要用噴嘴接正極產生等離子弧來引弧,然後工件接正極把弧引出去。等離子轉移弧線材噴塗(PTWA)工藝可以噴塗幾乎所有材質的實芯或藥芯焊絲,對材料的要求是所噴塗的焊絲材料必須導電。
    電弧電流強度對PTWA噴塗塗層的結構有較大影響。Darut等研究了不同電流強度對等離子轉移弧噴塗高碳鋼氣缸套內壁塗層的結構與成分的影響,實驗所用的電流分別為85A和150A。通過對比塗層的孔隙率發現,當電弧電流從85A增強到150A時,塗層從頂部到底端的孔隙率增加顯著。實驗還發現,塗層中間部位的氧化物含量最高,因為在噴塗中間過程中,係統的熱量不易擴散且通風性較差,因而導致塗層氧化嚴重。Schramm等采用PTWA工藝在發動機氣缸內壁噴塗鐵基合金塗層,添加Al、Cr合金元素可以提高塗層的耐磨耐腐蝕性。摩擦實驗選用線性往複摩擦試驗機表征氣缸壁和活塞環間的摩擦行為,實驗對比了三種材料(氮化鋼、類金剛石(DLC)塗層、氮化鉻鋁塗層)的活塞環,以尋求最佳塗層組合。與灰鑄鐵缸套相比,高鉻、鋁含量的鐵基材料PTWA塗層與CrAlN塗層活塞環間的平均摩擦係數可從0.11降到0.066,表現出很大的減摩潛力,該塗層與活塞環組合應用於發動機將更經濟、環保。
    Rabiei等研究發現,采用HVOF和PTWA噴塗鐵基絲材時,塗層中α-Fe扁平粒子之間會存在一層厚度超過100nm的非晶氧化物薄膜,為了研究該氧化層所起的作用,實驗利用楔形物在光滑塗層表麵加載促使該塗層產生裂紋,加載後塗層截麵如圖2所示(箭頭標記地方是裂紋形成的地方),可以看出加壓後裂紋主要在非晶氧化層處形成。從斷裂韌性測試結果來看,該氧化層和α-Fe顆粒之間的結合很差,導致局部斷裂韌性隻有0.2~1MPa•m1/2。因此,有效地抑製該非晶氧化物薄膜層的形成,將有助於提高塗層的耐用性。

07292.jpg

圖2 加壓後塗層截麵局部圖
Fig.2 Images of regions within cross sections taken after wedge impression: a) high velocity oxfuel (HVOF) coating,
b) plasma transfer wire arc (PTWA) coating


     Edrisy等研究了PTWA工藝在鋁合金表麵噴塗低碳鋼塗層的幹摩擦特性,發現在低速高負載摩擦條件下,由於塗層中不鏽鋼扁平粒子斷裂分層嚴重,塗層的磨損率最高;當速度提高、加載減小時,塗層表麵生成氧化物含量較高的摩擦層,該摩擦層能夠保護下麵塗層免於被磨損。該課題組又研究了濕度對PTWA噴塗低碳鋼塗層的摩擦磨損性能的影響,研究結果表明,在低速低負載條件下,塗層表麵主要發生氧化磨損。當環境濕度增加時,磨拋變得更加活躍,塗層的磨損率降低。若在此基礎上增加負載,扁平粒子的塑性變形嚴重,繼而發生斷裂和破碎。
 

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