中国粉体网讯  在机械制造、石油化工、航空航天和钢铁冶金等工业领域，存在着很多关键而重要的内孔类零部件，例如：发动机气缸体、燃气轮机壳体、液压机构仝缸和各种泵送管路等。内孔类装备零部件在服役过程中会承受各种苛刻的服役工况，造成其内壁不同形成和程度的损伤。

以柴油内燃机为例。近年来，新能源替代内燃机的呼声越来越高，诸多汽车厂商纷纷宣布停止民用车汽油内燃机的研发。但在工业工程领域，柴油内燃机仍发挥着举足轻重的作用。为了符合国六排放标准，针对保有量巨大的柴油发动机需要进一步提高其燃烧效率，延长使役寿命。柴油机易损件在高温高压环境下承受剧烈的往复摩擦，因此在其表面制备高温减摩耐磨涂层是柴油机修复或再制造的主流方法。

热喷涂技术作为目前先进的表面沉积技术之一被广泛应用于零件装备的制造、修复，可制备防腐、耐磨、高强度等防护涂层，操作简单且成本较低，当部件损坏时还可循环利用。尽管如此，不同热喷涂工艺的原理和结构不同导致喂料的沉积效率和涂层性能具有明显差异，同时喷涂过程对工作空间较为严苛，因此难以应用于气缸内壁等诸多狭小环境。 

为了有效应对这些挑战，延长关键零部件的使用寿命，内孔热喷涂技术作为一项先进的表面处理方法得到了广泛研究和实际应用。

什么是内孔热喷涂技术？

内孔热喷涂技术是利用等离子弧火焰或电弧等为热源，将丝材或粉体于极短时间内加热至熔融或半熔融状态，同时对材料粒子进行加速，撞击在一定曲率半径的零部件内壁上，粒子在扁平化的同时快速冷却凝固沉积在内壁表面形成涂覆层的一种材料成形方法，是表面工程和再制造工程中的一项重要技术。

相比于其他内壁涂层制备技术，内孔热喷涂技术兼具了通用性、灵活性、实用性和经济性等显著优势，对内孔件的种类、尺寸大小和形状限制较小，可选用的材料种类广泛，能制备出耐腐蚀、耐高温、耐磨损、抗氧化、自润滑和隔热等多种功能的防护强化涂层，且生产效率高、生产成本低。

随着紧凑型喷枪设计和自动化技术的不断进步，内孔热喷涂技术已经能够适用于各种狭窄和不规则的内腔结构，如管道、发动机缸体、柴油机气缸孔以及其他空心零件。该技术突破了传统热喷涂在内壁处理上的局限性，凭借其对工件尺寸和形状限制小、可选材料范围广以及所沉积涂层优异的物理化学性能，已成功地被应用于船舶燃气轮机、汽车发动机、石油输送管道等多个核心工业领域的内孔部件表面强化与修复。

内孔热喷涂技术有哪些？

1.内孔等离子喷涂（ID-PS）

ID-PS是发动机气缸内壁最常用的热喷涂方法之一，它是以等离子弧为热源，通过特定的喷枪结构设计，使产生的等离子射流与喷枪轴线之间呈90°~135°夹角进行喷涂，即喷枪沿工件轴线方向伸入到内孔件中，等离子束流沿工件径向扫射形成涂层。

ID-PS技术原理

根据喷枪与缸内壁的相对运动不同分为平移式与旋转式，平移式喷枪更适用于简单规整内表面如气缸内壁喷涂，因其工艺相对简单，成本较低，发展较为成熟，是目前制备套筒类部件涂层的首要选择。目前瑞士Oerlikon Metco公司的内孔喷涂技术最为成熟，已研制出十余种内孔喷枪，可喷涂最小内径从40 mm到152 mm，功率从9 kW到95 kW不等，喷涂长度可根据需要延长至最大1010 mm。

相比于平移式内孔喷涂，旋转式内孔等离子喷涂对工件形状和尺寸的限制较少，在工业应用中也更加灵活方便。

2.内孔超音速火焰喷涂（ID-HVOF/HVAF）

内孔超音速火焰喷涂是一种通过利用超音速焰流将粉末沉积到工件内孔表面，形成涂层的表面处理技术。最早在航空航天和汽车工业中被用于零部件表面涂层处理，如发动机叶片、涡轮叶片和气门等。在HVOF工艺中，煤油或气态燃料与纯氧混合燃烧，产生高温超音速火焰流，使得注入的原料颗粒处于高温高速状态。

ID-HVAF技术原理

HVAF（高速空气燃料）主要使用气体燃料和压缩空气进行燃烧，其超音速气流的温度通常低于HVOF（高速氧气燃料）喷涂工艺，这可以降低涂层和基材的热影响区域，能够减少金属氧化和硬质碳化物脱碳，也可降低涂层材料的氧化，从而获得较低的孔隙率和较高的结合强度。

ID-HVAF技术是在HVAF技术的基础上发展而来的，专门用于内径涂覆。它适用于涂覆管道、管件、阀门等内径较小的零部件。 

3.内孔电弧喷涂（ID-WAS）

内孔电弧喷涂是在电弧喷涂基础上进一步改进的，其工作原理是通过电弧的热能将两根金属丝熔化，气流和金属丝沿喷枪的旋转轴线同轴进入，气流在喷嘴处发生偏转，从而将熔滴从金属丝端部分离，并使用高速气流将微粒喷射到基体上形成涂层。其内孔电弧喷涂的优势在于基体受热较小、熔化率较高，适合大批量的涂层制备。

ID-WAS技术原理

该技术特点是成本低、易维护以及生产效率较高等，在机械设备、采矿和电力行业的结构件修复和制造中有着广泛应用。

内孔喷涂为何难？

内孔热喷涂一般需要经历：工件内壁预处理→零件内壁涂层成形→内孔涂层后加工等步骤。如果是摩擦运动部件内壁涂层，则还需珩磨出可贮存润滑油的交叉状网纹(30°~45°)。珩磨过程中需要严格控制加工精度，包括涂层剩余厚度、圆柱度、表面储油体积和表面粗糙度等。此外，对于工作在腐蚀介质中的内壁涂层，还需要对其进行适当的封孔处理。

内孔热喷涂层制备的工艺流程

内孔涂层的制备主要是在半封闭空间中进行的，它存在工艺参数（尤其是喷涂距离）调节范围有限、喷涂时粉尘不易排出进而对涂层污染严重、喷涂热量在喷枪和涂层局部大量累积等工艺特点，使得内孔涂层的成形质量控制更加困难，也体现出其有别于常规外缘喷涂的众多特殊性。

因此，如何提高涂层自身内聚强度及其与基体的界面结合强度，如何控制涂层结构缺陷和厚度在内孔环向和轴向分布的均匀性，如何调控涂层孔隙率和残余应力等问题都需开展针对性的研究才能确保涂层成形质量。

来源：

王海斗等：内孔热喷涂技术的研究现状与展望

周昱名等：内孔热喷涂技术的研究进展

（中国粉体网编辑整理/空青）

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