文 白金元，徐濱士，梁秀兵，陳永雄，劉燕（裝備再制造技術國防科技重點實驗室）
摘要：研究了自動化高速電弧噴涂的系統組成。采用了雙絲電弧噴涂方法，即噴涂時電源一端電極接1Cr18Ni9Ti不銹鋼絲，另一極接Al絲，制備了1Cr18NigTi-A1復合涂層；對形成的復合涂層進行了性能分析，與手工噴涂層進行對比分析表明，自動化電弧噴涂層比手工噴涂層均勻、致密、殘余應力小。采用該技術再制造的斯太爾發動機缸體性能優異，滿足了使用要求。
關鍵詞：自動化電弧噴涂；發動機缸體；再制造；復合涂層．
0 引言
高速電弧噴涂技術是利用氣體動力學原理，將高壓氣體通過特殊設計的噴管加速后作為高速氣流來霧化和加速熔融金屬，將霧化粒子高速噴射到工件表面形成致密涂層[1]，它被廣泛應用于工業領域。高速電弧噴涂技術具有沉積效率高、涂層組織致密、電弧穩定性好、通用性強、經濟性好等特點，其作為再制造工程的關鍵技術之一，可以賦予零件耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞、防輻射等性能。電弧噴涂手工操作制備出的涂層性能不一致而且噴涂效率低，其噴涂過程中的灰塵、煙霧以及高溫，對噴涂人員極其有害。因此。迫切需要開發自動化電弧噴涂系統。
汽車發動機缸體主軸承孔及連桿軸承座孔等部位因承受交變應力及瞬間沖擊而發生變形，并且因潤滑油中硫化物等的腐蝕和摩擦磨損而造成座孔尺寸超差和嚴重劃傷，采用高速電弧噴涂技術主要對發動機缸體主軸承孔進行噴涂，噴涂的材料是1Cr18Ni9Ti和Al，噴涂后在基體上形成1Cr18Ni9Ti一Al復合涂層。一般它需要噴涂的涂層厚度為200µm左右，噴涂完成后進行再加工，使之達到標準尺寸。
文中利用自動化高速電弧噴涂技術對廢舊斯太爾汽車發動機缸體進行再制造[2]。在此系統中，操作機的操作臂夾持噴槍在控制單元控制下運行。利用信息反饋與實時參數調整，噴槍能按照設定的路徑自行完成噴涂任務[3]。
1 自動化電弧噴涂系統組成
自動化高速電弧噴涂系統主要由5部分組成，包括：中央控制單元、操作機、變位機、觸摸屏和高速電弧噴涂設備，它的結構如圖1所示：
圖1 自動化電弧噴涂系統組成
利用操作機的操作臂夾持噴槍，帶動噴槍運動，被噴涂的缸體固定在變位機上。通過控制軟件編程實現規劃噴槍的運動路徑。將編好的程序通過USB接口傳到中央控制單元中，控制單元通過控制幾個軸的聯動[4]，來使噴槍按規劃的路線進行運動。通過觸摸屏來對噴涂進行控制，其中包括控制噴涂的起停、噴涂參數的實時調節以及一些參數的設置。另外，控制單元能夠控制噴涂電源的電流和電壓，通過控制電流來控制送絲速度。此系統主要組成單元及功能包括：
(1)中央控制單元它通過控制驅動器來控制電機的運行以控制操作機和變位機的各個軸的運動[5]。
(2)操作機、變位機操作機和變位機在中央控制單元的控制下分別帶動噴槍和工件按規劃的路徑運動。
(3)高速電弧噴涂設備它包括噴涂式逆變電源、送絲裝置和HAS-2型高速電弧噴涂槍。逆變電源的電流和電壓在控制單元的控制下可以增加或減小，通過控制電流的大小來控制送絲速度。
2 自動化電弧噴涂系統再制造缸體的材料與工藝
2．1 噴涂材料及工藝
前期的研究表明，當采用電弧噴涂1Cr18Ni9Ti不銹鋼絲時，涂層祝積過程中受熱應力作用極易產生裂紋[6]。因此，文中采用了一種雙絲電弧噴涂1Cr18Ni9Ti-A1復合涂層的方法，即噴涂時電源一端電極接1Cr18Ni9Ti不銹鋼絲，另一極接Al絲，并利用HAS-2型高速電弧噴涂槍制備涂層，噴涂工藝參數如表1所示。復合涂層用北京工業大學生產的低碳馬氏體耢芯絲材作打底層，打底涂層厚度約80µm。
表1自動化高速電弧噴涂ICrl8NigTi-A1涂層的工藝參數
2．2噴涂工序
利用此系統噴涂斯太爾發動機缸體，它共有七個軸承座，其座孔的劃痕、噴砂后和噴涂后的形貌如圖2所示。待修復的缸體七個軸承座孔中不是每個都需要修復，有的軸承座孔保持完好，不需要噴涂修復，根據這一特點，進行了相應的編程，在噴涂之前先選擇需要修復的軸承座孔，在噴涂時系統會自動對需要修復的軸承座孔進行噴涂。
圖2斯太爾發動機缸體及軸承座孔
在噴涂時利用x軸、Y軸和R軸三個軸的聯動，x軸帶動噴槍進行左右平移，R軸帶動缸體進行相應轉動，同時Y軸帶動噴槍進行上下運動。這樣不但能使噴槍的運動幅度較小，噴涂穩定性提高，而且能使噴槍始終與待噴表面保持垂直姿勢，噴涂焰流勻速移動，提高了噴涂的質量，且使涂層厚度趨于均勻化。噴涂一個缸體軸承座孔時的過程示意如圖3所示，噴涂完一個軸承座，操作機將噴槍自動移到下一個需要修復的軸承座上，并重復噴涂上一個軸承座時的動作。完成所有需要修復的軸承座時，噴槍自動回到起始位置。
圖3噴涂一個缸體軸承座孔的過程
3 結果與分析
3．1組織形貌分析
選用1Cr18Ni9Ti和Al兩種絲材分別用手工和自動化在20鋼試樣上制備了涂層。在CSM-950掃描電鏡下觀察分g口由這兩種方法制備出的涂層橫截面，并對涂層的性能進行了分析。圖4和圖5分別是自動化噴涂和手工噴涂1Cr18NigTi-AI復合涂層”l截面的SEM形貌。對比可以看出自動化系統制備出的涂層均勻、致密，與手工噴涂相比，能顯著提高涂層的質量。在手工制備的涂層中，可以看到層狀結構。由于層與層之間界面結合處比較脆弱，涂層的結合強度會減小。能譜結果顯示黑色部分是Al元素，白色或接近白色的部分是鐵，鉻，鎳等元素。
圖4 自動化噴涂10r18Ni9Ti-A1復臺涂層截面的SEM形貌
圖5手工噴涂lCr18N19Ti-A1復臺涂層截面的SEM形貌
對自動化噴涂1Cr18Ni9Ti-AI復合涂層的相組成進行了分析，圖6是x射線衍射圖譜�？梢钥闯�1Cr18Ni蚶—A1復合涂層由Y(Fe．Ni)、o-Fe、FeO·cr203，CrO、AI相組成[8]。沒有Fe與Al的臺金相，說明Fe和Al之間沒有發生完全冶金反應。
3．2殘余應力分析
使甩lcr18Ni9Ti—Al復合涂層體系，自動化噴涂7個試樣，噴涂厚度從1次循環到7次循環依次遞增，同時手工噴涂7組試樣，噴涂厚度也是依次循環遞增。圖7為兩組試樣的殘余應力分布曲線�？梢钥闯�，自動化噴涂層的殘余應力呈現先降低后緩慢增加的趨勢，而手工噴涂層的應力分布曲線波動較大，且數值偏高，這說明手工電弧噴涂的噴涂距離，移動路徑，移動速度，涂層厚度等因素不確定性太多，溫度場變化大，致使應力分布無明顯規律。同時，單就分析自動化噴涂層的應力變化情況來看，最開始應力值最高，第3層時應力最小，分析認為，X-350A應力測試儀檢測的是涂層表面十幾個微米厚度范圍內的應力值，最開始，涂層很薄，表面的應力值受與基體結合的界面影響較大(基體噴砂后表面為壓應力)，殘余應力呈現出較高值，隨著涂層不斷增厚，界面對涂層表面的影響降低，涂層內部的殘余應力在不斷增加，總體上殘余應力呈現出了先降低后增加的趨勢。另外，從手工噴涂層的應力分布曲線來看，手工噴涂涂層分布不均勻，應力分布不規則。
圖6自動化lCr18NigTi—Al復合涂層的x—射線衍射圖譜
4 結論
(1)自動化噴涂層與手工噴涂相比，成分相似，組織更加均勻，涂層的質量顯著提高。
(2)自動化噴涂層殘余應力呈現出先降后升的變化規律，表面的應力值受與基體結合的界面影響較大(基體噴砂后表面為壓應力)，隨著涂層不斷增厚，界面對涂層表面的影響降低，但是涂層增厚的同時，涂層內部的殘余應力在增加，呈現出了先降低后增加的趨勢。
(3)采用自動化高速電弧噴涂技術對斯太爾廢舊發動機缸體進行再制造，顯著提高噴涂效率，噴涂系統操作簡單，改善了噴涂人員的工作環境與操作強度。自動化高速電弧噴涂技術在機械零件再制造領域具有廣闊應用前景。
圖7自動和手工不同厚度噴涂層的表面殘余應力
參考文獻
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