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

第1卷 第1期 热 喷 涂 技 术 V ol. 1 No.12009年9月 Thermal Spray Technology Sep., 2009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（武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉 430063）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；表面技术中图分类号：TG174.442 文献标识码：A 文章编号：1674-7127（2009）01-0067-05The Applications of Thermal Spraying Technology in the Key PartRemanufacturing of the Marine Diesel EngineDING Zhang-xiong ，ZENG Zhi-long ，ZHAO Hui（College of Energy & Power Engineering ，WUT ，Wuhan 430063，China ）Abstract ：Based on the analysis of the failure mechanisms of the exhaust valve ，crankshaft ，cylinder liner ，cylinder head ，and other key parts of marine diesel engine ，the coating design and the process choice of thermal spray in the remanufacturing of the parts were introduced and the effects of various thermal spray materials and processes on the service performance in the key part remanufacturing of the marine diesel engine were compared in this paper.Keywords ：Remanufacturing ；Marine diesel engine ；Thermal spraying ；Coating design ；Surface technology∗基金项目：国家自然基金项目资助 （50479016） 作者简介：丁彰雄（1961-），男，湖北武汉人，教授. Email: zx_ding@ 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• 68 • 热喷涂技术1卷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。

表1 柴油机排气阀密封面的主要涂层材料及化学成份Table 1 Main coating materials and chemical composition of exhaust valve sealing surface of diesel engine /wt%化学成分牌号C Cr B Si Mn Mo Fe Ni Co WStellite6 1.1 28 1.0 1.0 1.0 3.0 3.0余 4.0Stellite12 1.4 29 1.4 1.0 1.0 3.0 3.0余8.0Co42 1.019 1.23.0≤7.015 余7.5Co-2 1.029 1.01.0≤5 余 5Ni21 0.726 2.53.5≤5 余Ni213 0.6513 2.54.0≤10余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1期丁彰雄等：热喷涂技术在船舶柴油机关键零件再制造中的应用• 69 •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。

表2部分喷涂材料的涂层收缩率Table 2 The shrinkages of partial coating materials /%涂层材料Mo 3Cr13 0.8%碳钢铝青铜 0.25%碳钢 18～8不锈钢涂层收缩率0.3 0.18 0.14 0.48 0.6 1.2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。