内孔等离子喷涂装置与工艺研究
王海军，刘明，李绪强，郭永明
热 喷 涂 技 术2011 年 12 月
摘 要：针对内孔等离子喷涂时，环境温度高、烟尘污染严重等问题，为了实现对大功率柴油发动机 Φ150mm 气缸套内壁的喷涂，本文从结构和功能上研究设计了一种具有独特排尘、防尘、冷却功能的内孔等离子喷涂装置。采用SEM 对粉末和涂层进行表征，对涂层的孔隙率、显微硬度进行测试和分析，认为使用排尘、防尘、冷却机构后，涂层中杂质减少，孔隙率降低，显微硬度得到提高，从而为气缸套内壁制备优质的耐磨、减磨涂层提供了条件。
关键词：内孔等离子喷涂；内孔喷涂装置；排尘；防尘；冷却；涂层性能试验
内孔等离子喷涂是一种在一定直径以上的圆孔（或筒）内壁制备涂层的等离子喷涂方法。当需要喷涂的圆孔较深时，就需要采用专用内孔等离子喷枪，在内孔环境中实施喷涂。内孔等离子喷枪的等离子射束与喷枪的轴线之间呈 90（°）角，工作示意如图 1 所示[1]。上世纪七十年代起 Metco 公司先后研制出 3MBT、7MT- 2’、7MST- 2’、11MB 等多种内孔喷枪[2]，随后国内外也相继出现了多种内孔等离子喷枪，如作者与清华大学研制出的 QZNI 高能内孔等离子弧喷枪[3]，熵科尔应用技术研究所研制出的 BT- NI 型大内孔喷枪[4]，Sulzer- Metco 公司研制出旋转式等离子内孔喷枪 Rotaplasma500 系统[5]，以及国际上新出现的 PTWA内孔喷涂系统[4]。这些喷枪的研制，为内孔喷涂的研究与发展提供了条件，并在一些领域进行了应用研究[5- 7]。但是采用内孔喷枪进行常规的工艺方法制备的涂层，涂层质量难以达到理想的程度。其中一个非常重要的原因就是内孔喷涂环境与外圆喷涂有很大差别，特别是内孔较深时尤为明显。内孔喷涂空间狭小，高温等离子焰流的热量不容易散出，造成环境温度高，基体和喷枪都容易过热；烟尘、粉尘排出困难且在排出过程中也会严重污染涂层，造成内孔喷涂层质量得不到保证。因此，如何控制内孔喷涂过程中喷枪和基体的温度，保证工件长时间喷涂不过热，及时顺利的排出烟尘、粉尘，而又不干扰射流和污染涂层等已成为内孔喷涂工艺中普遍存在的难点。
1 内孔喷涂装置设计
针对上述问题，本文以某大功率柴油机Φ50mm气缸套内壁为喷涂对象，研制出一套内孔喷涂的工艺装置，包括喷枪升降机构、工件旋转机构和排尘、防尘、冷却机构等。
1.1 升降、旋转机构设计
喷枪升降机构和工件旋转机构用于实现内孔工件喷涂满足工艺要求，采用图 2 所示的思路设计喷涂装置。工件固定在立式转台卡盘上，随转台作旋转运动；内孔喷枪固定在喷枪升降机构上，作升降运动。
从图 2 可以看出，喷涂线速度由转台的转速决定，喷涂横向移动速度由喷枪的垂直移动速度决定。因转台旋转一周为一个行程，根据转台转速可求得喷枪的垂直移动速度。转台转速为（1）其中，ω 为转台转速（r/min），vl为喷涂线速度（m/min）,d 为工件内径（mm）。喷枪垂直移动速度为Vn=ωVc（2）其中，vn为喷枪垂直移动速度(mm/min)，vc为喷枪横进速度（mm/ 行程）。
气缸套的内径为 Φ150mm，高为 276.8mm。一般在喷涂中取线速度 30~100m/min，横进速度4~5mm/ 行程[1]。将线速度最大值 100m/min、横进速度最大值 5mm/ 行程代入（1）、（2）式。可知，转台转速最大需 213r/min，喷枪垂直移动速度最大需1061mm/min。依此极限数据设计制作喷枪升降机构和工件旋转机构。
.2 排尘、防尘、冷却机构设计
为改善气缸套内部喷涂环境，设计如图 2 所示的排尘、防尘、冷却机构。抽风隔尘筒的形状为倒 L形，上端封闭，下端敞开，上端一侧的圆筒通过耐热铝箔软管与抽风机相连。内孔喷枪置于抽风隔尘筒内部，与抽风隔尘筒一起固定在升降机构上。
在抽风隔尘筒的下部，与喷枪射流出口相对的部位开一个 Φ60mm 的圆孔，喷涂时，束流恰好能从圆孔射出，而发射角比较大的粉末粒子和喷涂产生的大部分粉尘及烟气被抽风隔尘筒遮蔽，并由抽风机吸走。
为防止锈蚀，抽风隔尘筒选用不锈钢材料制作，其外圆直径为 Φ145mm，抽风隔尘筒探入气缸套后与气缸套内壁之间仅 2.5mm左右的间隙。
用铜管制成四个冷却气环，在图 2 所示的位置，通过由铜管制成的支架将它们固定在升降机构的立柱上，冷却气环 1 固定的位置距内孔工件上边缘 5mm，其余三个冷却气环在内孔工件外部均匀分布。制成支架的铜管与各冷却气环的一端相通，冷却气环的另一端封闭。冷却气环 1 的内径为Φ150mm，抽风隔尘筒刚好可以从中间通过；其余三个冷却气环的内径为 Φ185mm。在每个冷却气环上都开若干小孔，冷却气环 1 的小孔方向都向下，并向内倾斜 45（°）角；其余三个冷却气环的小孔方向都向内垂直。
喷涂时，冷却气环 1 的小孔向抽风隔尘筒和气缸套内壁之间的缝隙内吹新鲜洁净的冷却气。这样既能对气缸套降温，又能顶住烟尘，防止其上窜进入抽风隔尘筒和气缸套内壁之间的缝隙内，还能吹走刚喷涂过部位表面的浮尘，对其起冷却净化作用。同时，再加之抽风隔尘筒内抽风的作用，强行使气缸套内部的气体按照图 2 中箭头所示的方向流动，即新鲜洁净冷却气沿气缸套与抽风隔尘筒之间缝隙，以及卡具中的圆孔进入气缸套内部，含有大量粉尘和烟气的高温气体由抽风隔尘筒吸走，从而最大程度改善气缸套内部的气体紊流状态。
当抽风隔尘筒运动到气缸套上部时，主要靠抽风机的抽风作用，大量新鲜洁净冷却气从卡具中圆孔进入气缸套内部，并由下而上流动，使喷涂产生的烟气和粉尘直接进入抽风隔尘筒，排出到内孔环境以外，从而降低涂层的污染程度；当抽风隔尘筒运动到气缸套下部时，主要靠抽风隔尘筒的遮蔽作用及改善的气体流动状态，降低涂层的污染程度。
在气缸套外壁与内壁射流斑点相对应的部位设置一个冷却气喷嘴。它与喷枪及抽风隔尘筒同步连动，气体流量可调整，强行降低气缸套上射流斑点处的局部高温。冷却气环 2、3、4 在多处对气缸套外壁吹冷却气，使其均匀冷却。
图 3 为包括有排尘、防尘、冷却机构在内的内孔喷涂装置实物图。
2 涂层性能试验
2.1 涂层材料和喷涂参数
本文采用 NiCrBSi+15%Mo 作为气缸套内壁涂层材料。NiCrBS（iNi45A）和 Mo 的粉末形貌如图 4所示。两种粉末都成圆球形状，颗粒比较均匀，这为喷涂中粉末能充分熔化及涂层的致密性提供了很好的保证。优化后的喷涂参数如表 1 所示。
2.2 涂层性能试验方法
采用 Quanta200 型扫描电子显微镜（SEM）表征喷涂粉末和涂层截面。采用红外测温仪适时测量工件的温度。
孔隙率的测定采用灰度法。涂层内部的气孔大小和裂纹长度采用它们在二维平面上的面积分布表示。主要包括如下步骤：采集 SEM图像并输入软件、转化图像、处理图像、记录孔隙率。由于采用图像处理测定的涂层孔隙率具有一定的随机性，所以对每个涂层试样的微观结构，采集 20 张微观照片，然后基于每张微观照片进行孔隙率计算。涂层截面的微观结构统一采用 400 倍放大。
采用 TIMT- 3 型显微硬度计测试涂层横截面的显微硬度，载荷为 300g，加载时间为 10s。试样测试前按金相制样标准进行研磨和抛光。每个涂层试样表面的 20 个测定位置随机选取，但是两相邻测试点的间距要尽量大一些，以避免相邻压痕对测试精度的影响。
3 试验结果及讨论
采用本文设计的升降机构和旋转机构，对内径Φ150mm、高 200mm、壁厚 5mm 的试验件，喷枪垂直上下连续往返喷涂 2 次。当不使用排尘、防尘、冷却机构时，试验件的温度从室温升高到了 240℃；当使用排尘、防尘、冷却机构改善喷涂环境后，试验件的温度仅从室温升高到了 150℃，降低了 90℃。
目测涂层表面的污染情况，未使用排尘、防尘、冷却机构时，涂层呈黄褐色，表面粉尘和烟尘污染严重，并粘有浮尘；使用排尘、防尘、冷却机构后，涂层呈灰白色，与外圆喷涂的颜色差不多，表面没有明显的烟尘。
图 5 为采用排尘、防尘、冷却机构前后涂层的截面形貌及孔隙率对比图。从 a 图中可以观察到未使用排尘、防尘、冷却机构时，涂层内部的层状结构界面明显，说明涂层氧化严重，每一遍喷涂的涂层表面都被氧化，致使层状结构边界颜色发深。还可以观察到在层状结构搭接边缘存在较多的夹杂物和未熔颗粒，以及较大尺寸的微观孔洞和大量的微观裂纹，说明涂层的污染较为严重，每一遍喷涂后，在涂层表面都会粘附上大量粉尘，再次喷涂后粉尘被夹在两层涂层之间成为夹杂物和未熔颗粒，这些颗粒周围的气体在短时间内无法排除，形成气孔，并在界面氧化物、残余应力等的作用下进一步扩展形成裂纹和较大的微观孔洞[8- 9]。采用排尘、防尘、冷却机构后，从 c 图中看不到明显的未熔颗粒、夹杂物和微观裂纹，涂层内部的层状结构界面不明显，说明粉尘污染减小，涂层质量得到改善。
表 2 为测得的两种涂层的孔隙率和显微硬度值。比较两组数据可以看出，未使用排尘、防尘、冷却机构时，涂层孔隙率和显微硬度的测定值范围较大，这进一步证明了从图 6 观察得到的结论，即此时在涂层内部存有大量的未熔和半熔颗粒，以及微观缺陷，导致微观结构均匀性较差，测定的数据分散性较大。
另外，未使用排尘、防尘、冷却机构时，涂层的孔隙率较高，显微硬度较低，说明大量微观缺陷和未熔颗粒的存在，在降低涂层孔隙率和均匀性的同时，也使得涂层的显微硬度减小。当使用排尘、防尘、冷却机构后涂层孔隙率减小，显微硬度提高。
4 结论
本文设计制作了内孔喷涂装置，在实现对喷枪垂直移动速度和内孔喷涂工件旋转速度控制的基础上，增加了排尘、防尘、冷却机构。采用该装置对内径 Φ150mm、高 200mm、壁厚 5mm 的试验件连续往返喷涂 2 次，基体温度从 240℃降低到 150℃。观察涂层截面形貌，使用排尘、防尘、冷却机构后，涂层缺陷减少，层结构边界变的不明显，粉末熔化状态明显变好；测定孔隙率和显微硬度，数据显示采用排尘、防尘、冷却机构后，数据范围减小，涂层更均匀，孔隙率减少，显微硬度提高，涂层质量得到改善。因此，采用该内孔喷涂装置可以改善内孔喷涂环境，提高涂层质量，为气缸套内壁制备优良的耐磨、减磨涂层提供了条件。
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
