热喷涂技术在船舶柴油机关键零件再制造中的应用
丁彰雄，曾志龙，赵辉
热 喷 涂 技 术2009 年 9 月
摘 要：在分析船舶柴油机排气阀、曲轴、气缸套及气缸盖等关键零件失效机理的基础上，介绍了这些零件在再制造中热喷涂涂层的设计与工艺方法选择，比较了不同热喷涂材料与工艺方法对船舶柴油机关键零件再制造后使用性能的影响。
关键词：再制造；船舶柴油机；热喷涂；涂层设计；表面技术
船舶柴油机的功能是为船舶的安全航行和船舶机械提供动力，是船舶动力系统的核心部分。船舶柴油机中的关键零件一般工作在高温、高压、腐蚀及受冲击负荷等恶劣工况下，往往因腐蚀、烧损、过渡磨损而失效，这严重地影响了这些零件的使用寿命和船舶柴油机的工作可靠性。由于再制造具有优质、高效、节能、节材及环保的特点，经济效益和社会效益显著，因此它在船舶柴油机关键零件的再制造中将会得到越来越广泛的应用[1-2]。
目前在设备的再制造中，为了提高零件的表面性能，各种表面技术得到了普遍应用。热喷涂技术由于具有工艺灵活，喷涂材料和涂层厚度选择范围广、基体受热程度低、生产效率高的特点，既能提供耐磨、耐蚀、耐氧化、耐高温等不同功能的涂层，又能将零件的尺寸恢复和表面功能强化结合起来，因此在再制造中将会得到了最广泛的应用[3-4]。本文在分析船舶柴油机排气阀、曲轴、气缸套及气缸盖等关键零件失效机理的基础上，介绍了这些零件在再制造中热喷涂涂层的设计与工艺方法的选择，比较了不同热喷涂材料与工艺方法对船舶柴油机关键零件再制造后使用性能的影响。
1 热喷涂在排气阀再制造中应用
1.1 排气阀的失效机理
柴油机排气阀的工作条件十分恶劣，一方面排气阀底面与高温燃烧产物直接接触，承受着很高的热负荷；另一方面排气阀在气体爆发压力的作用下承受着很高的机械负荷；另外排气阀密封面受到高温燃气的冲蚀及腐蚀等。过高的温度会使金属材料的机械性能降低，材料发生热变形。当阀面密封不严时，就会引起高温燃气对阀面的烧损。气阀落座时，在惯性力和弹簧作用力的共同作用下，气阀还承受着相当大的冲击性交变载荷，当气阀出现跳动或气阀间隙增大时，这种载荷会明显增加。气阀与阀座的撞击，容易形成密封面的变形和严重的磨损。燃油的化学成分中含有大量的硫，钒，钠等元素，燃烧后生成氧化物以及这些氧化物生成的聚合物，往往具有较低的熔点，一般在 535℃左右，具有很强的腐蚀性。排气阀在工作时，由于排气温度较高，使它们以液态附着在阀盘及阀座上，腐蚀气阀，使阀面产生麻点，密封性变坏，引起漏气。当漏气严重时，火焰从此穿过，引起局部过热使阀座变形，阀门翘曲和烧损。此外，阀杆与导管间也会发生磨损，阀杆顶端受摇臂的撞击作用产生磨损。
1.2 柴油机排气阀再制造中的涂层设计
在柴油机排气阀再制造中，主要磨损表面包括阀门密封面、阀杆表面及阀杆端部。排气阀密封面的涂层材料虽然有铁基合金、钴基合金及镍基合金、陶瓷及金属陶瓷等，但一般采用钴基及镍基合金，其主要材料的化学成分如表 1 所示。
钴基合金的最大特点就是在高温时能保持较高的硬度和良好的耐磨损、耐腐蚀性能。镍基合金虽然红硬性比钴基合金差，但它的摩擦系数低，耐磨、耐腐蚀性优良，特别是它的耐氧化钒腐蚀性能比钴基合金好，所以特别适合燃煤重油的船用柴油机排气阀。另外，镍基合金价格较钴基合金低，喷熔工艺性及切削加工性能较钴基合金好，因此它的应用范围正在扩大[5-6]。
对于排气阀的阀杆，为了恢复磨损尺寸或提高其耐磨性、耐腐蚀性，可在其杆部喷涂铁基合金、镍基合金或镍铬铝复合材料等。对于大型船用柴油机，特别是燃煤重油的大型柴油机排气阀，可采用陶瓷涂层来提高阀杆的防腐耐磨性能。对于排气阀的磨损阀杆端部，目前常采用氧乙炔喷熔镍基合金恢复其尺寸，并提高其耐磨性。
1.3 排气阀涂层制备工艺
在柴油机排气阀的再制造中，其涂层制备工艺主要取决于涂层材料的特性，对于陶瓷涂层，应采用等离子喷涂工艺来制备涂层；对于合金材料，虽然可采用的工艺方法有：等离子弧喷熔、钨极氩弧焊、氧乙炔焰喷熔、手工电弧堆焊及激光熔敷等，但目前在生产实际中主要采用氧乙炔焰喷熔及等离子弧喷熔工艺。
氧乙炔焰喷熔工艺制备的涂层均匀光滑、加工余量小、冲淡率低、设备简单、施工方便，但生产效率低、工人劳动强度大、对零件的热输入较大，对操作工人的技术要求高、质量控制困难。等离子喷熔的生产率高、质量控制方便，可实现自动化生产，并且喷熔层质量与性能优良，因此目前在排气阀再制造中等离子弧喷熔是阀门密封面涂层制备的最广泛使用的工艺方法。
2 热喷涂在曲轴再制造中的应用
曲轴是船舶柴油机的最主要零件之一，其制造成本约占一台柴油机的 10%～20%。曲轴在每一工作循环中轴颈上所受力的大小和方向是在不断变化的，由此会使轴颈产生不均匀磨损。由于润滑油中的杂质作用及润滑故障，曲轴轴颈也会产生擦伤、划痕、磨料磨损及粘着磨损。同时曲轴在工作过程中承受着复杂的弯曲应力、扭转应力及冲击载荷，因此曲轴会产生弯曲、扭曲、裂纹甚至折断。曲轴的结构和材质不同，损伤方式不同，相应地采用的修复方式也有所不同。在曲轴的上述损伤形式中最常见的损伤形式为轴颈的磨损、擦伤、划痕和腐蚀，根据损伤程度的不同目前可采用分级修理、镀铬、镀铁或热喷涂等工艺对曲轴进行修复或再制造，但在对轴颈已产生过渡磨损的曲轴进行再制造中，热喷涂已成为被使用的最主要的一种工艺方法。
2.1 曲轴再制造中的涂层设计
采用热喷涂技术对船舶柴油机曲轴进行再制造时，其涂层设计主要考虑曲轴结构与材质、所受应力大小、工况、喷涂厚度、喷涂工艺及再制造成本等。目前常采用的涂层材料有：自粘结“不锈钢”型复合材料、铝青铜、磷青铜、蒙乃尔合金、80#钢丝、马氏体不锈钢丝、奥氏体不锈钢丝、铁基粉末、镍基粉末及镍铝复合粉末等。在上述的材料中，铝青铜、磷青铜涂层不仅有很好的耐腐、耐磨性能，同时它们与基体的结合强度高，因此既可作底层又可直接作为轴承位表面的工作层，蒙乃尔合金涂层具有很好的耐海水腐蚀的能力，奥氏体不锈钢涂层耐酸性腐蚀性能好，马氏体不锈钢涂层具有较优良的耐腐、耐磨性能，镍基合金涂层具有优良的耐腐、耐磨等综合性能，但价格昂贵[7-10]。
在选择涂层材料时，还应该考虑涂层厚度。涂层越厚，涂层内应力越大，因此涂层产生开裂与脱落的倾向就越大。不同喷涂材料的涂层收缩率是不一样的，表 2 是部分喷涂材料的涂层收缩率，由此可见 80#钢、3Cr13 等材料涂层收缩率低，可喷涂厚涂层。
在涂层设计时，除考虑工作涂层的性能外，还需考虑涂层与基体金属的结合强度。虽然自粘结复合材料、青铜能和基体金属结合良好，但对于大部分涂层而言，需在工作涂层与基体之间施加一层结合底层，以提高涂层与基体的结合强度。目前在喷涂曲轴零件时采用的底层材料主要有 Ni/Al（或Al/Ni）和钼两类。Ni/Al 是增效复合材料，它与基体的结合强度、自身的抗拉强度及耐磨性都优于钼，因此应用更为广泛。
2.2 曲轴涂层制备
在进行涂层设计后，涂层性能主要是通过正确选择喷涂工艺方法来保证的。这些性能包括涂层与基体的结合强度、涂层自身的粘结强度、涂层孔隙率及涂层对曲轴疲劳强度的影响等。在曲轴再制造中，可采用的热喷涂方法主要有：普通火焰粉末喷涂、亚音速火焰喷涂、超音速火焰喷涂、线材火焰喷涂、电弧喷涂及等离子喷涂。在上述喷涂方法中，超音速火焰喷涂所制备的涂层结合强度高、孔隙率低、涂层耐磨性能最优，但喷涂设备昂贵、噪音大、涂层制备成本高。普通火焰粉末与线材喷涂设备简单、施工方便、成本低，但其涂层结合强度较低、涂层的致密度差，因此对于在应力大、工况恶劣下工作的曲轴零件，其涂层质量难以保证。亚音速火焰喷涂不仅具有一般火焰喷涂的优点，并且涂层性能明显地优于一般的火焰粉末喷涂与线材喷涂，可望在曲轴再制造中得到更广泛的应用。电弧喷涂最大特点是生产效率高，涂层制备成本低，但涂层的性能一般，近几年来随着高速电弧喷涂工艺的应用，涂层质量得到了显著提高，其应用得到了逐步推广。等离子喷涂层与基体的结合强度及涂层自身强度高、致密性好，因此涂层的耐磨性好，特别是高能及超声速等离子喷涂工艺的应用，使涂层质量得到了进一步提高，但喷涂设备与工艺较复杂、成本高。一般而言，喷涂方法的选择应考虑曲轴结构与材质、工况及所受应力大小、涂层材料特性、涂层厚度、涂层制备成本及喷涂现场条件等因素。对于重载船舶柴油机曲轴，宜采用超音速火焰喷涂或等离子喷涂，以获得结合强度高、孔隙率低的高性能涂层。对于一般船用柴油机曲轴，可选用高速电弧喷涂或亚音速火焰喷涂，以获得性能价格比高的涂层。
3 热喷涂在气缸套再制造中的应用
3.1 气缸套的失效机理
船舶柴油机气缸套内外表面工作的环境不同，其失效机理也不一样。气缸套的内表面失效主要是由于磨损和腐蚀而引起的。柴油机在实际运行过程中，气缸套内表面直接与高温高压燃气接触，承受着很高的燃气爆发压力、瞬变高温及活塞环的往复摩擦作用，会产生磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀和氧化磨损，因此，缸套内壁在工作过程中腐蚀及磨损的同时作用是造成缸套失效的主要原因。气缸套的外表面失效主要是由于汽蚀而引起的。汽蚀是湿式缸套的外壁经常发生的一种局部腐蚀现象，它主要是由缸套的高频振动所引起的，其汽蚀机理是空泡腐蚀和电化学腐蚀相互促进的结果。随着柴油机强化指标（平均有效压力、活塞平均速度等）的提高, 汽蚀的速度随之加快，甚至有的气缸套内壁远没有达到磨损极限，就因缸套外壁汽蚀难于控制和维修而使缸套提前报废。
3.2 气缸套的涂层设计
气缸套的工况除要求它有足够的强度和刚度外，还要求内表面有优良的抗磨特性、抗燃气腐蚀性能、保油性及低的摩擦系数，同时要求缸套外表面有很好的抗汽蚀性能。为了提高气缸套内表面的表面性能，镀铬、激光淬火、等离子淬火、等离子多元共渗、离子氮化及热喷涂等各种表面技术已被应用于气缸套内表面的强化[11]，但在内表面产生过度磨损与腐蚀的气缸套的再制造中，主要是采用热喷涂技术，它既可以恢复其尺寸，又能达到强化内表面的效果。
在气缸套再制造中，热喷涂涂层可采用铬基合金、钼及钼基合金、钼与铁基合金的混合物、钼与镍基合金的混合物、金属陶瓷、“自粘结”不锈钢复合材料等。它主要取决于气缸套的结构尺寸及材质、涂层厚度、涂层制备方式、气缸套的工况、配对活塞环的材质及强化方式等。铬基合金涂层的硬度高、摩擦系数低，因此具有十分优良的摩擦磨损特性及耐腐性能；钼在工作中与润滑中的有害元素硫能形成 MoS2，它是一种固体润滑剂，能起到减摩的作用，因而，钼及钼合金涂层在工作过程中能有效地防止粘着磨损的产生。由钼与铁基合金或镍基合金混合物制备的涂层不仅能具有耐磨、耐腐性能，并且经济性好；金属陶瓷由于硬度高，摩擦系数低，因此涂层的耐磨、耐腐性能十分优良，“自粘结”不锈钢涂层不仅使气缸套具有较好的使用性能，同时简化了涂层制备工艺。
为了防止气缸套外表面的汽蚀，可采用镀铬、涂敷环氧－酚醛树脂、热喷涂金属或合金涂层等表面技术，但对于已产生一定程度汽蚀的气缸套，热喷涂是最有前途得到推广应用的表面技术之一。气缸套外表面抗汽蚀的涂层材料主要有 80#碳钢、4Cr13、FeCrMn 合金、18-10 型不锈钢及 WC-12Co金属陶瓷等，随着纳米涂层的发展，纳米结构WC-12Co 涂层材料由于具有十分优良的抗汽蚀性能可望在气缸套上得到应用[12]。
3.3 气缸套涂层制备工艺
在气缸套再制造中，热喷涂工艺方法的选择主要取决于涂层设计、气缸套的结构尺寸及喷涂部位等因素，对于气缸套内表面耐腐、耐磨涂层的制备，采用的热喷涂方法主要有：等离子喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂及超音速火焰喷涂。对于大部分合金粉末喷涂材料，目前等离子喷涂方法得到了主要应用，高速电弧喷涂由于具有涂层性能好、生产效率高、成本低的特点，可望得到越来越广泛的应用。爆炸喷涂及超音速火焰喷涂适合于优质金属陶瓷涂层的制备，但爆炸喷涂因操作空间方面的原因，仅适用于气缸套上止点部位的喷涂。
对于气缸套外表面抗汽蚀涂层的制备，主要采用等离子喷涂、电弧喷涂、火焰喷涂、超音速火焰工艺。对于一般的合金粉末，可采用等离子喷涂及火焰喷涂工艺，对于合金线材，可采用电弧喷涂或等离子喷涂工艺；对于优质 WC-12Co 或纳米结构WC-12Co 涂层的制备，宜采用超音速火焰喷涂工艺，以提高涂层的致密度，降低 WC 在喷涂过程中的烧损及氧化。
4 热喷涂在气缸盖再制造中的应用
4.1 气缸盖的失效机理
柴油机工作时，一方面气缸盖水套壁受冷却水的作用，而底部受高温、高压燃气的作用，因此气缸盖承受着过大的机械应力和热应力，致使产生底面裂纹和水腔面裂纹。另一方面，气缸盖的气门座受爆发压力的作用、气门的冲击及高温腐蚀燃气的冲刷，容易产生微动磨损、腐蚀磨损、磨料磨损及烧伤。对于气门座已产生过度磨损及烧伤的气缸盖，可采用热喷涂技术对其进行再制造。
4.2 气缸盖再制造中的涂层设计与制备工艺
由气缸盖气门座的工况及失效机理可知：气门座涂层材料应具有优良的耐磨、耐腐、耐冲击和耐高温性能，因此一般可选用Co基和Ni基合金材料，其典型涂层材料如表 3 所示，其中 Co-01 合金高温红硬性更好，更能满足气门座的工况要求，但是由于气缸套为铸铁材料，Ni-01 合金的熔点低、喷熔工艺性好，更适合铸铁基体材料的喷熔，因此在生产实际中应用更为广泛[4]。
气缸盖气门座涂层的制备工艺可选择火焰喷涂、激光熔敷及等离子堆焊，在这些方法中，火焰喷熔具有设备简单、施工方便、涂层的冲淡率低、基体熔合区小的特点，但它要求工人的操作水平高；等离子堆焊自动化程度高、操作工人劳动强度低、生产效率高、适合于生产批量大的场合。激光熔敷可获得优质涂层，但它的生产效率低、设备昂贵，这使它的应用受到一定的局限。
5 结束语
将热喷涂技术应用于船舶柴油机关键零件再制造，不仅实现了对再制造部件或产品尺寸的完全恢复，提高了废品的利用率、降低了再制造的成本，使节能、节材效果更加突显，提升了再制造产品的性能，而且将废品资源化，符合我国可持续发展及建设资源节约型社会战略。在资源短缺、能源紧张的情况下，热喷涂技术在船用柴油机再制造中的地位将越来越显著。
参考文献略
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