內孔熱噴涂技術：工業(yè)設備內壁“黑科技”

在機械制造、石油化工、航空航天和鋼鐵冶金等工業(yè)領域，存在著很多關鍵而重要的內孔類零部件，例如：發(fā)動機氣缸體、燃氣輪機殼體、液壓機構仝缸和各種泵送管路等。內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，造成其內壁不同形成和程度的損傷。

以柴油內燃機為例。近年來，新能源替代內燃機的呼聲越來越高，諸多汽車廠商紛紛宣布停止民用車汽油內燃機的研發(fā)。但在工業(yè)工程領域，柴油內燃機仍發(fā)揮著舉足輕重的作用。為了符合國六排放標準，針對保有量巨大的柴油發(fā)動機需要進一步提高其燃燒效率，延長使役壽命。柴油機易損件在高溫高壓環(huán)境下承受劇烈的往復摩擦，因此在其表面制備高溫減摩耐磨涂層是柴油機修復或再制造的主流方法。

熱噴涂技術作為目前先進的表面沉積技術之一被廣泛應用于零件裝備的制造、修復，可制備防腐、耐磨、高強度等防護涂層，操作簡單且成本較低，當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構不同導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苛，因此難以應用于氣缸內壁等諸多狹小環(huán)境。

為了有效應對這些挑戰(zhàn)，延長關鍵零部件的使用壽命，內孔熱噴涂技術作為一項先進的表面處理方法得到了廣泛研究和實際應用。

什么是內孔熱噴涂技術？

內孔熱噴涂技術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加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，同時對材料粒子進行加速，撞擊在一定曲率半徑的零部件內壁上，粒子在扁平化的同時快速冷卻凝固沉積在內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。

相比于其他內壁涂層制備技術，內孔熱噴涂技術兼具了通用性、靈活性、實用性和經濟性等顯著優(yōu)勢，對內孔件的種類、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強化涂層，且生產效率高、生產成本低。

隨著緊湊型噴槍設計和自動化技術的不斷進步，內孔熱噴涂技術已經能夠適用于各種狹窄和不規(guī)則的內腔結構，如管道、發(fā)動機缸體、柴油機氣缸孔以及其他空心零件。該技術突破了傳統(tǒng)熱噴涂在內壁處理上的局限性，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)異的物理化學性能，已成功地被應用于船舶燃氣輪機、汽車發(fā)動機、石油輸送管道等多個核心工業(yè)領域的內孔部件表面強化與修復。

內孔熱噴涂技術有哪些？

1.內孔等離子噴涂（ID-PS）

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

ID-PS技術原理

根據噴槍與缸內壁的相對運動不同分為平移式與旋轉式，平移式噴槍更適用于簡單規(guī)整內表面如氣缸內壁噴涂，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公司的內孔噴涂技術最為成熟，已研制出十余種內孔噴槍，可噴涂最小內徑從40 mm到152 mm，功率從9 kW到95 kW不等，噴涂長度可根據需要延長至最大1010 mm。

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

2.內孔超音速火焰噴涂（ID-HVOF/HVAF）

內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孔表面，形成涂層的表面處理技術。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技術原理

HVAF（高速空氣燃料）主要使用氣體燃料和壓縮空氣進行燃燒，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合強度。

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

3.內孔電弧噴涂（ID-WAS）

內孔電弧噴涂是在電弧噴涂基礎上進一步改進的，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軸線同軸進入，氣流在噴嘴處發(fā)生偏轉，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技術原理

該技術特點是成本低、易維護以及生產效率較高等，在機械設備、采礦和電力行業(yè)的結構件修復和制造中有著廣泛應用。

內孔噴涂為何難？

內孔熱噴涂一般需要經歷：工件內壁預處理→零件內壁涂層成形→內孔涂層后加工等步驟。如果是摩擦運動部件內壁涂層，則還需珩磨出可貯存潤滑油的交叉狀網紋(30°~45°)。珩磨過程中需要嚴格控制加工精度，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中的內壁涂層，還需要對其進行適當的封孔處理。

內孔熱噴涂層制備的工藝流程

內孔涂層的制備主要是在半封閉空間中進行的，它存在工藝參數（尤其是噴涂距離）調節(jié)范圍有限、噴涂時粉塵不易排出進而對涂層污染嚴重、噴涂熱量在噴槍和涂層局部大量累積等工藝特點，使得內孔涂層的成形質量控制更加困難，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聚強度及其與基體的界面結合強度，如何控制涂層結構缺陷和厚度在內孔環(huán)向和軸向分布的均勻性，如何調控涂層孔隙率和殘余應力等問題都需開展針對性的研究才能確保涂層成形質量。

王海斗等：內孔熱噴涂技術的研究現(xiàn)狀與展望

周昱名等：內孔熱噴涂技術的研究進展