超音速火焰喷涂气缸内壁涂层及其固有孔隙的益处
Manzat A，Killinger A，Gadow R，Stuttgart/D
热 喷 涂 技 术
摘 要：按照内燃机的新规定和规范，需要降低其油耗和排放。超音速火焰喷涂可以用来喷涂耐磨涂层，这一工艺具有很大潜力。热喷涂涂层能提高内燃机的效率，减少发动机气缸壁的损耗，提高持久性和耐磨性，从而达到促进发动机减耗的目的。热喷涂工艺同样可以达到耐腐蚀的要求，如使用合金和陶瓷粉末，就可以在现代的内燃机里使用生物燃料。此外，热喷涂涂层的特殊表面结构，包括其多孔性，可以让气缸保持在润滑摩擦的状态，甚至是在相对移动量较小处也可以减小摩擦，如顶部和底部的正中心处。另外，表面开放孔隙可以减少油耗，从而减少内燃机的污染物排放。运用 HVOF 和 HVSFS工艺可以喷涂各种材料，包括最最新的纳米级粉末。经过喷涂的气缸和引擎由于其摩擦系数，磨损和油耗等重要因素，被认为是现代化的部件。
关键词：气缸内壁；超音速火焰喷涂；涂层孔隙；油耗
近二十年里，气缸内壁的表面处理是内燃机连续生产中的重要环节。特别是发动机的曲轴箱等部件使用的都是轻合金，而这种合金因为抗磨损性较差，所以气缸的内壁需要做特殊的表面处理。处理这种轻合金最常用的方法是 Nikasil 和 Lokasil 。随着客运汽车数量的不断增长，热喷涂处理气缸技术也被广泛应用，如Rotaplasma，等离子体转移电弧（PTWA），丝材HVOF喷涂和丝材电弧喷涂（TWAS）等。
上述方法在气缸内壁处理上起到重要作用，比如应用在VW，Mercedes- Benz & AMG和福特汽车的发动机上[1- 4]。
通常情况下，在轻合金曲轴箱上喷涂的是铁基涂层。虽然这种涂层能够耐磨，但其应对清洁的生物能源时，抗蚀性显得不足。在气缸内壁上进行热喷涂的另一个缺陷是空间的限制，它要求喷涂设备必须能够与最小直径为 60mm的气缸相匹配[5]。
相比之下，超音速火焰喷涂（HVOF）和超音速悬浮液火焰喷涂（HVSFS）工艺都需要使用固定的、全尺寸的喷枪和一个转动的气缸套或曲轴箱[6- 8]。这一技术需要非常宽泛的涂层材料，才能喷涂直径为30mm深孔的气缸。相比于微热喷涂技术，全尺寸喷枪也能够制备出非常致密的涂层和细密的组织。使用最新的HVSFS工艺喷涂气缸的好处是可以选择纳米尺寸的粉末。
悬浮液火焰喷涂中复合粉末的选材范围很大，并且能生产出质量优异的涂层。气缸内
壁涂层的另一个主要优点是其微观组织，层状结构中固有的孔隙使涂层表面有很多开放的孔洞，这些分散的孔洞有利于保留润滑油。
这些微孔作为负压室，能够有效的保持润滑，相比于原来的珩磨槽结构，润滑液更容易流动到活塞环与气缸壁的作用面[9]，如图 1 所示。此外，在涂层的整个厚度方向上都存在固有孔隙。在发动机运行时，即使经过过度磨损，涂层的孔隙仍然可以保留大部分的润滑油，而珩磨槽经历过度磨损后，就会成为干摩擦。如图 2 所示。
1实验
1.1 涂层材料研究
为了显示适用气缸涂层材料的多样性和普适性，本文研究了大量的材料作为气缸内壁涂层。其中包括金属材料、陶瓷金属复合材料、陶瓷材料等，如表1 所示。实验的涂层材料还包括了用 HVSFS和 HVOF 工艺喷涂纳米级团聚粉末。
铁基粉末 Nano3 源于丝材，这种材料已经用于喷涂曲轴箱，喷涂工艺为 TWAS，这种材料具有在原位形成纳米硬质相的特征。FeCrMo 粉末为Diamalloy 1008，这种材料与 Rotaplasma 涂层相似，由于其合金组份导致该涂层的耐腐蚀性能更高。
团聚型WC/Co粉末Infralloy S7412是由12%钴和超细碳化钨组成。80.81.1粉末由75%的碳化物和80/20合金相组成。P25型氧化钛和STD120型碳化钛是由30%溶质的水溶液制备，在HVSFS喷涂工艺中其成分比例为80/20。
1.2 热喷涂涂层制备
涂层的制备使用GTV TopGun超音速火焰喷枪，配六轴机械操控手，工件固定在旋转工作台上，如图3所示。
工业用GTV TopGun配有专门的送粉器（GTV PF2/2）。由于 HVSFS 使用的是悬浮液，因此需要经过改良的 GTV TopGun 喷枪和配套的送粉设备，如图4 所示。HVSFS 工艺有利于直接喷涂纳米粒子，但其对其他部件的要求同样是非常严格的，比如燃烧室和喷枪的喷嘴。
由于气缸内部表面几何形貌的限制，因此喷枪的运行轨迹是经过精心设计的，如图 5 所示。这一椭圆形的喷枪运行轨迹保证了在喷涂过程中 HVOF 的喷距始终保持在 230mm，HVSFS 的喷距在 120mm。
因为喷距严重影响了粒子的速度和温度，从而影响涂层的质量，这是保持涂层质量稳定的关键参数。尽管气缸内壁的位置较低，不利于喷涂的角度，但总体沉积效率可以达到，特别是小型铝合金内衬的沉积效率平均值为55%。沉积效率不但取决于喷涂的角度，而且取决于喷枪的移动速度。一个适用于喷涂角度的移动速度能够制备出连续的，厚度一致的涂层，浮动偏差远小于10%，如图 6 所示。
涂层厚度的均匀性有利于减少后续的加工时间和材料的浪费。
涂层沉积的时间主要取决于喷涂材料，涂层厚度和气缸尺寸，典型的客运车气缸（口径82mm，冲程100mm）涂层厚 300μm，沉积时间最低 60 秒。重型发动机气缸（口径 130mm，冲程 160mm）沉积时间大约 5 分钟。另一个几何影响是涂层的上边缘处，由于阻力作用，气缸盖存在侧向应力，在发动机工作时，涂层与气缸盖接触面处需要保持非接触式的运行。解决这个问题可以在涂层上边缘处做一个倒角，从而使边缘处更为平滑，如图7所示。
为了调整和提高工艺，实验样品有两种，一种是典型的轿车发动机气缸套，其组成成分是AlSi合金；另一种是卡车发动机气缸套，组成成分是灰口铸铁。为后续的实验，除了这两种缸套外，还对直列 4 缸曲轴箱套进行喷涂，如图 8 及表 2 所示。用于气缸套和活塞环上的铝衬套在球 - 盘法摩擦磨损试验机上进行实验。铁衬套在开动的发动机上进行实验。直列 4 缸曲轴箱在开动的牵引式发动机试验台上进行测试。
2涂层的分析与表征
2.1 喷涂涂层性能
对喷涂在气缸套上的涂层进行分析（GCI 和AlSi）。所有涂层性能在 Stuttgart 大学 IFKB 实验室进行研究。实验包括显微硬度测试，其测试方法依据 ISO14577，对样品的截面进行抛光，使用菲舍尔微压头，计算 HV0.1下的显微硬度。涂层的孔隙率通过对横截面显微照片的数字图像分析得到，如表3。此外，涂层的表面粗糙度使用 Mahr Perthometer进行接触扫描，粗糙度见表 4。
正如所知，涂层比先进材料制成的气缸壁，如 CGI 或 AlSi 具有较高的硬度。尤其是金属陶瓷涂层 （Cr3C2/NiCr和 WC/Co） 呈现出极高的硬度，因为它们具有硬质合金相。随着涂层硬度的提高，耐磨性也得到提高，因此可以作为耐磨涂层使用。从涂层的孔隙率可以看出，HVOF/HVSFS工艺所生产的涂层致密，相分布均匀，如图9 所示。
2.2 涂层珩磨
所有涂层已经过珩磨，非常浅的珩磨沟槽是为了让开孔涂层的表面更加平滑。这些开放孔隙结构仅是作为保留足够的油量，其表面粗糙度用 Rvk值表示，见表5。
尤其是 WC/Co涂层的粗糙度非常低，Rpv和 Rvk值极低，有着非常光滑如镜般的表面，如图 10 所示。尽管表面光滑，但 WC/Co 涂层仍持有足够的开放孔隙，以保留足够的油量。
2.3 涂层的开放孔隙
表面接触分析用高压汞灯 （Porotec Pascal140/440）测量，从涂层珩磨后表面的开放孔隙率，可得到涂层表面孔隙尺寸，孔隙体积和孔隙分布的详细数据，如图 11，图 12 和表 6 所示。对气缸壁的涂层部分进行准备和分析。结果表明，所有的涂层具有宏观、中观和微观孔隙，截面图像尚未检测分析。孔隙的大小以及其数量主要取决于涂层材料，从珩磨表面的SEM图像可以定量的分析，如图13。
上述的WC/Co表面像镜子般的平滑，但仍包含孔隙，尺寸在很小的范围内，介于 0.2~1μm之间。TiO2/TiC涂层的孔隙更浅而且呈堆叠状态。而 Cr3C2/NiCr涂层的孔隙更深且边缘锐利，分布不均匀。铁基合金和 FeCrMo 涂层的孔隙深浅不一且边缘锐利。
3 实验结果
3.1 实验室测试
气缸套表面涂层的摩擦力和摩擦系数通过摩擦计进行记录，对已喷涂的气缸壁段和未喷涂的先进气缸壁相比较。销-盘法实验在无润滑条件下进行，对磨材料为氧化铝球体，在样品上加载载荷，在长时间的跑合后，认定对磨状态为简单的摩擦磨损，如图 14 所示。涂层销 - 盘法的摩擦系数如表 7所示。
与标准气缸材料相比，除TiO2/TiC 外，所有涂层的磨损情况显著降低。尤其是 WC/Co 涂层的磨损极低。灰口铸铁在对较高的润滑状态下的摩擦系数为 0.2，这是由于它的珩磨沟槽较深，进而与100Cr6球相应的接触面积小导致。其他结果显示，AlSi 的孔隙度和浅珩磨沟槽更适合于在高载荷条件下保持润滑油。为了达到销 - 盘法摩擦磨损的理论实验条件，对活塞环与气缸壁的节块磨损情况进行试验，并将它与大气等离子喷涂（APS）灰口铸铁气缸壁涂层相比较。这一实验在充分润滑条件中进行，在不同的载荷和温度状态下，模拟不同的发动机工作状态。磨损后的数据显示，所有涂层的磨损情况都比灰口铸铁低，如图15 所示，尤其是TiO2/TiC 涂层表现出良好的耐磨性。
3.2 发动机试验
为了明确的评估涂层材料，下面在实验台上对发动机进行了追踪和点火试验。在 600cm3的赛车发动机上，将WC/Co 涂层和标准的 AlSi 汽缸壁对比，测量试验台上的摩损损失，如图16 所示。
经过喷涂处理的发动机，每分钟旋转扭矩可减小 10％（平均 6％），这一测试结果显示涂层直接起到了减少摩擦的作用。第二个整机测试是喷涂了FeCrMo 涂层的发动机（2000 cm3），主要目的是分析油耗，如图 17 所示。用发动机转速和载荷状态代表不同的驾驶条件，如市区行驶或高速行驶的状态。
相比于先进的灰口铸铁材料或APS涂层，喷涂过FeCrMo的发动机其油耗大大降低。针对典型的客车发动机而言，其满负荷全速运转状态下油耗减少25％。
减少油耗同时影响着发动机排量，气缸中燃料燃烧减少可以降低污染物的排放。图 17 与参考引擎相比喷涂 FeCrMo 后的油耗情况[12]Fig.17 Oil consumption of a FeCrMo- engine comparedto reference engines
4 结论
从孔隙率测量和发动机摩擦磨损实验中，可以看出，涂层表面具有大量的开放孔隙，孔隙直径分部在0.2~1.0μm 的同一范围内。在发动机运行中，这应该是维持最佳摩擦状态的孔径范围，它能提供润滑摩擦状态，甚至在活塞环与气缸壁之间相对运动较低的区域也同样适用，如靠近顶部正中心处。由于孔隙是涂层一种内在属性，其表面结构可以减少后续处理的时间和成本。孔隙结构取决于服役材料及喷涂工艺和参数，因此进行广泛研究，找到最佳孔隙大小和分布是十分必要的。
5总结
内燃机表面的摩擦磨损状态，可以用 HVOF 和HVSFS 喷涂金属和陶瓷涂层进行改善。摩擦磨损实验显示出较低的摩擦系数和优异的耐磨性，尤其是在难以润滑的条件。固有的涂层孔隙能够非常好保留住润滑油，从而形成微负压室并保持液态摩擦状态。涂层硬度很高，用 HVOF 和 HVSFS喷涂气缸壁，其涂层内在孔隙有利于改进耐磨性，改善气缸内的摩擦环境，以减少油耗。同时，这项技术有延长发动机的寿命和减少其排放量。
参考文献略
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