涂层技术在生产和产品开发中的应用08090

热动力涂层技术在生产和产品开发中的应用德国斯图加特大学R.GadowA.Killinger引言热动力涂层工艺是使用某种热能源融化粉末状、线状和棒状的喷涂辅助材料，借助集中的热气流清洁工件表面后，在此表面上喷涂热粒子，产生一定厚度的涂层。工业中称之为热喷涂工艺[1][2][3][4].在机械制造业中，特别是在汽车工业中，材料和轻量化设计的意义越来越大，同时采用全自动化、快速和低成本的加工工艺[1]。这种趋势越来越普遍，特别是在航空航天工业，在现代机械制造和能源技术工业，它的重要性也在不断增加。这促进了轻质金属获得更广泛的应用，特别是通过减轻质量提高了经济性，获得汽车功率或环境适应能力的改善。关于表面特征，特别考虑到摩擦、磨损，还有其它重要的机械的、化学的和热物理特性，改善了轻质金属机械部件和零件的使用，虽然存在各种各样的风险和限制，但是这些风险能够通过有效的涂层功能和加工技术转化为相应的有效涂层工艺来克服。热动力涂层工艺，如金属喷涂，等离子喷涂，电弧喷涂和昀近发展起来的超声粉末喷涂（HVOF）以及昀新发展的基于纳米粉末小颗粒的悬浮反射喷途工艺，对于冶金、陶瓷及金属陶瓷的基础涂层的适用性来说，发挥着中心角色作用。这些高能工艺方法能够适合高要求的订单、涂层设计（定制解决方案）的材料多样性、10μm到1mm的涂层密度变化。特别是在热力机械轻量化理念的转化方面，这些表面涂层在轻质金属和纤维合成材料零件是不可或缺的。与此相反，在航空汽轮机中主要是热气腐蚀保护涂层和绝热动力涂层在耐高温的合金面上起主要作用。在大型柴油机制造上，轻量化理念也是基于这个背景。考虑到摩擦学、废气引起的后果、润滑材料消耗和寿命周期，功能涂层将起到重大作用。昀终这些有利的涂层性能会用在各种机床和专用机械上。1轻质金属发动机热喷射气缸内涂层的加工1.1轻质金属发动机结构和功能涂层发动机的重量占现代卡车全车自重约为10%到15%。利用镁铝合金替代传统的灰铸铁大大提高了减轻曲轴重量的潜力。由于内燃机内部的摩擦和机械热负荷，缺少表面保护的轻质金属和轻质金属合金应用受到了很大的限制。为了解决这个矛盾，热喷涂涂层和连接材料提供了适合大批量的工件材料和加工理念。特别是利用HVOF工艺方法（超声高速火焰喷涂工艺）可以加工生产高品质的陶瓷、金属和金属陶瓷涂层。这中间的材料技术，设计和加工技术的结合是不可或缺的。图1.1机器人加工轻质金属曲轴气缸内壁涂层加工单元此外，带有功能涂层的工件还能通过包括在缺乏润滑条件下利用固体润滑方式的弥散作用来工作。气缸衬套的涂层取决每个气缸孔中轴和位于被镀层气缸孔外面的涂层孔椭圆进给运动的专用夹具的缸体旋转运动。实际的研究工作是研究卡车发动机多层涂层过程中的加工单元实施。钼合金、铁铬合金、镍铬和硅铝合金，是主要的机加工材料，还有氧化物陶瓷材料和金属陶瓷。对于涂层工艺来说，等离子喷涂工艺（APS）适合高速火焰喷射（HVOF）和电弧喷射。在高速金属喷涂(HVOF)时，液态燃料或者液态气体（煤油、丙烷、丙酮、乙烯）和纯氧混合，可以实现高温燃烧。由于燃烧和膨胀的作用，喷涂速度达到400m/s到1200m/s，温度达到2500℃到3200℃。由于高速粒子动能造就了少孔高韧性的涂层。大气等离子喷射工艺（APS）的过程温度达到了20000℃，因此等离子喷射工艺主要用于加工耐高温的材料。无论如何，在实施涂层之前，基体表面必须喷砂和除油处理。表面喷砂改善了基体表面的涂层韧性，降低了压应力。涂层过程结束后，再进行涂层的精加工处理。由于进给运动和燃烧室的轨迹的配合，缸体上被均匀镀上一层涂层。基于高速粒子速度，用HVOF工艺加工的涂层质量清楚地展现了韧度、孔隙度、层状组织和内应力分布的优点。从加工可靠性或者加工安全性和过程监控方面来看，涂层组合的布置显而易见是有用的。用于发动机内被涂层HVOF工艺的设备研发出来，并且受专利保护。（见图1.2）图1.2在IFKB上的发动机内壁涂层1.2材料选择和描述在高要求的摩擦系统中材料选择主要集中在有效并且起作用的喷涂辅助材料的研发上。鉴于特殊的目的，摩擦磨损系数小的涂层材料同时抗腐蚀性能却很强。摩擦副活塞和气缸之间的摩擦受相对速度、专用润滑材料性能、表面湿润性、配合、表面形状、现有操作条件（温度和压力），还有涂层材料性能影响。在一定材料范围内涂层材料定义为陶瓷、金属陶瓷和金属材料系统。IFKB研究重点在于干润滑材料系统的生产和特性。特定的金属氧化物，如钛、钼、贴、钒等，符合摩擦的要求，具有非常合适的摩擦磨损特性。干加工和微量润滑条件下这些材料可以期待它们的低摩擦系数和低磨损程度[7，8]。为了评估涂层质量，主要是为了能评估涂层在重复性，应对所有喷涂涂层进行金相研究。这里用孔隙体积均值表示VPM[VOL.%]的孔隙度确定图像分析方法，也是用微硬度测量计测量的涂层硬度HV0.05[N/mm2]。在可选材料范围子内试用的涂层可以利用两种涂层工艺在气缸上按给定的涂层强度（Smin=\200μm）和质量均匀地可重复性地镀层。图1.3描述了典型的涂层（TiO2）横向切槽金相图。表1.1描述了不同涂层材料的气孔体积均值VPM[VOL.%]和维氏硬度HV0.05[N/mm2]。图1.3内涂层，圆柱形状测试体（HVOF，TiO2）。表1.1不同涂层材料气孔体积测量中值VPM[VOL.%]和维氏硬度HV0.05[N/mm2]常见的涂层厚度在150-300微米。涂层加工完后机加工至昀终厚度在100-150微米的厚度。1.3应力和涂层粘附涂层连接材料的质量、使用性能和主要的可靠性关键是受应力影响。热喷涂多层涂层体中应力存在的原因是连接材料内部不均匀的不同性的应变，在生产和使用过程中显著的温度差别引起的温度梯度、材料热物理特征和金属基体或者涂层材料的弹性变形的区别。涂层结合材料的应力既可能受它的尺寸也可能受它的方向影响。实际中，使用过程中应力和负荷叠加和相互影响，使得使用状况得到优化。为了提高涂层组织连接的静强度、耐振强度和抗磨强度，尽可能地提高零件表面和涂层材料的压应力。另外，涂层和基体之间界面的应力也体现了重要的连接体之间的机械粘附强度的影响因素。通过微钻孔方法可以用实验确定零件深处的应力[9]。不同涂层工艺（APS和HVOF）和冷却速度过程对热喷涂涂层材料的应力状况的影响可以通过TiO2涂层连接材料分析。图1.4描述了测量深度到400um的参与应力深度分布。图1.4：涂层工艺和冷却过程改变的TiO2内应力深度分布和粘结强度降低冷却强度，APS喷涂TiO2涂层的压应力增大。通过降低冷却强度，镀层期间，零件温度升高。在冷却阶段，涂层从高温冷却到室温，涂层中热感应压应力升高。基于高热碰撞能量HVOF喷涂TiO2涂层中的压应力被测量。测量压应力的边界面也就是基体表面的辐射热被感应到。通用检测设备Z100可以确定涂层粘结强度，粘结强度由测量到的拉力，主要是涂层脱层确定。图1.4描绘了在不同的冷却强度下APS和HVOF喷涂TiO2涂层产生的粘附强度。原则上可以确定：基于高速碰撞能量、高强度结合和紧密内部组织的HVOF喷涂涂层粘附强度强度高于APS喷涂TiO2涂层的强度。APS喷涂涂层粘附强度对着结合界面的压应力提高而降低。可以得出结论：丙烷/氧气喷涂TiO2涂层的粘附强度至少对于因素2来说高于APS喷涂TiO2涂层。1.4批量加工和自动化在IKFB利用HVOF喷涂工艺在发动机转动情况下可以设计和实现热喷气缸内壁涂层生产总方案（见图1.5）。轻质金属表面激活后，发动机缸体通过传送带在隔音涂层室传送。借助于操作机器人可以在回转座对发动机缸体进行定位、固定、调整及回转位上升将等操作。每一个需要镀层的气缸孔应该被准确定位在转动的发动机气缸的回转轴上。在涂层室中内壁涂层沿着气缸回转面镀层。六轴工业机器人用来加工燃烧室。涂层工艺结束后，发动机缸体放回到输送带上，继续在回转面机加工工位上传送，继续对表面质量和形位公差进行加工。图1.5发动机缸体回转气缸内壁热喷涂层总加工方案流程图燃烧室运动过程、回转速度、发动机缸体定位和喷涂状况，以及涂层参数（粉末要求、气体量、气体混合状况、冷却等）都应进行控制和调整。此外，喷涂监控（红外成像仪、高温计、激光风速计、飞行粒子分析仪等）远程诊断可以被集成在其中，并经以太网实现在PC平台上进行控制。2.大功率大型柴油机的功能涂层在大功率柴油发动机上，高温高喷射压力在气缸壁—活塞环配合中的上死点范围产生高负荷。含硫燃料的燃烧和硬质物质（油垢）的堆积导致操作条件恶化,这使得提高材料强度成为了必然，活塞环等配件的技术状况必须要进行分析评价，在气缸上部用淬火钢还是硬质金属。由于不同的热物理特性（不同的热物理膨胀性能）和糟糕的在两个零件之间间隙转换不一致性，现有方法出现了问题，因此就有了应力、零件的偏移及不允许出现的热辐射。对此，可以实施一项复杂结构和复杂装备及设计的技术，其不利的一面就是经济性差。一个可期待的替换方案就是用热喷涂涂层的环状结构。利用高速火焰喷涂在大型柴油机气缸壁上部获得经济的成本、高效的金属陶瓷和硬质材料涂层。这可以用于火焰范围内针对油垢减少摩擦磨损，保护涂层加工，同时也可用作堆积引起的补偿。为此，在活塞环回转点上方气缸OT范围内镀上硬质材料涂层。见图2.1图2.1减少活塞火焰范围内油垢堆积的大功率柴油机功能涂层选取三种不同的材料：FeCr17%(Diamalloy),Co28Mo17Cr3Si(司太立特硬质合金)和金属陶瓷Stelico602MIT典型气缸规格（10,900kw柴油发动机IZAR-MAN-B&W40/45）气缸高度：1，071mm内径：400mm重量：384kg新开发的涂层工艺必须保证过程稳定，而且确保涂层的可靠性和可再现性。气缸旋转时，要求计算机控制的的内壁涂层在水平位置。为此特别设计和制造了旋转和传动夹具。位于夹具中部有一个旋转轴在中心的排气设备，利用排气设备可以从HVOF燃烧室中抽走喷溅产生的粉末和废气[11]。六轴机器人用于精确定位和实现燃烧室预期的运动轨迹。旋转速度必须适合燃烧室进给量。还需要设计一套合适的罩壳。借助于HVOF工艺和燃烧气体丙烷可以进行涂层镀层。镀层燃烧采用循序渐进的运动。为了优化涂层的应力，在镀层时同时要用压缩空气冷却。图2.2表示了涂层过程。图2.2大型柴油气缸HVOF涂层过程得到的涂层厚度总计在250μm到350μm之间，涂层加工结束后为了获得准确的尺寸公差和要求的表面特性还需进行机加工达到150μm的昀终尺寸。图2.3（左图）是获得的显微镜下的界面图。昀终加工选用两把不同的金刚石刀具，切削速度约为25m/s,材料补偿金进给5μm。表2描述了MahrPerthometerTM确定的表面粗糙度值Ra和Rz.涂层：Stelico602Rz[μm]Rz[μm]镀层后粗糙度～5.19～34.8镀层后粗糙度～0.15～1.35表2.1昀后加工前后的表面粗糙度值图2.3左：涂层及显微镜下的界面图右：气缸的安装镀层的气缸将被装配到12缸的涡轮增压的大型柴油机中用于柴油发电机。运行10个月后（型号：Izar40/4510900KW）没有测量到磨损，有涂层的气缸油耗降低到原来的1/7。3用于工业的功能涂层数十年前在机械制造的所有领域热喷涂工艺都做出了重要的贡献，在这些传统应用领域里功能涂层被用作防腐蚀涂层和防磨损涂层。不仅如此，极具技术挑战的热物理和电物理功能涂层的应用也搭建起了弹性的经纬结构，如用于航空涡轮机和固定涡轮机的绝热动力涂层、生物相容涂层、热敏涂层、固体电解质涂层及昀后的生物陶瓷涂层[12]。电功能涂层应用在电子学中作为氧化物绝缘体和电介质[13]，也以高集成的电阻成像加热器[14]用在昀新的消费领域产品上。3.1用于消费品工业的导热动力涂层高度集成的电阻加热器的发展不仅对电子技术和机械制造很有兴趣，而且存在日用消费品中。对于节能的电水壶和咖啡机来说厨房的受热是因为玻璃陶瓷还是由于加热盘都一样。相对传统的辐射热，由电绝缘体（氧化铝）和所谓的薄层热导体（由抗腐蚀抗氧化的金属合金组成）组成的热