用于汽车发动机缸孔涂层中，CFD增强热喷涂工艺，以及层粘附强度

文|博弈观史

编辑|博弈观史

随着汽车行业转向混合动力和电动汽车等替代驱动概念，不断改进内燃机技术仍然至关重要，内燃应用代表了运输技术的最大部分，乘用车发动机的持续开发和改进侧重于通过减轻重量和提高效率来减少排放。

为了在当前和未来的发动机中获得竞争优势，梅赛德斯-奔驰股份公司开发了创新的 NANOSLIDE ®采用热喷涂技术，即双丝电弧喷涂，对气缸孔的内径进行涂层的技术，利用计算流体动力学 (CFD) 模拟来研究涂层过程中曲轴箱缸孔内的复杂气体流动。

气缸孔涂层是提高内燃机效率的一种可能性，通过用带有薄而光滑的气缸涂层的典型珩磨结构代替重型灰铸铁缸套，可以显著降低摩擦损失，由于气缸涂层的层厚较小，因此可以缩小曲轴箱的尺寸，从而进一步减轻重量。

有多种技术可用于涂覆气缸孔的内径，例如等离子传输丝电弧、旋转单丝电弧喷涂、冷喷涂、高速氧燃料或大气等离子喷涂，原料以粉末或线材的形式添加到系统中，与粉末技术相比，使用金属丝的热喷涂工艺具有生产成本更低和生产可靠性更高的特点。

NANOSLIDE®技术，纳米滑梯®该技术描述了在铝制曲轴箱中生产气缸孔涂层的整个工艺链，第一步是激活气缸孔表面，具有明确切削刃的机械粗糙化工艺用于创建微观和宏观结构。

这种表面纹理对于涂层与基材的机械互锁至关重要，因此对于附着力也很重要，该工艺称为日产机械粗化工艺（NMRP），然后，通过双丝电弧喷涂工艺 (LDS) 在气缸孔上涂上铁碳合金。

两根金属丝之间的电弧熔化材料，雾化气体随后将液态金属加速到气缸表面，喷涂后的表面在涂层工艺后通过精密车削工艺进行加工，以限定气缸孔涂层的几何和位置公差。

珩磨是 NANOSLIDE 工艺链中的最后一个表面精加工步骤®技术，该过程产生光滑、镜面状的功能表面，并在涂层中打开细孔，用作保油体积，薄膜的最终厚度小于 100 µm，与使用灰铸铁缸套的发动机相比，热喷涂气缸孔涂层可将活塞缸套组的摩擦损失降低高达 50%。

这导致燃料消耗减少了 3%，此外，它还减轻了超过 4 公斤的重量（V6 发动机的数据），对于气缸孔内径 (ID) 涂层，涂层必须承受发动机运行期间的高负载，涂层的附着强度是热喷涂技术领域的一个重要的质量特征。

在气缸盖密封表面上放置一个特定的掩膜，以防止在涂层过程中该表面被过度喷涂和涂层材料污染，气缸孔下端的第二个面罩可保护曲轴空间免受喷射材料的影响。

在涂层过程中，曲轴箱固定在工具架上，工具架直接连接到提取装置，为了去除未嵌入喷涂层中的过喷颗粒，提取过程是必要的，在涂层过程中可能会产生危险、爆炸和易燃物质，必须将其排出。

使用叶片风速计测量提取速度，叶片位于气缸孔顶部中央，在测量过程中，与涂层过程类似，曲轴箱的其余气缸孔被覆盖，在本研究中，抽气速度定义为气缸孔顶部的气体速度。

该参数在涂层实验过程中由涂层系统的萃取能力自动控制，使用便携式气体分析仪测量气缸孔中的氧气含量，探头集成在掩模中，掩模放置在被涂覆的特定孔的气缸盖密封表面上。

通过精密附着力测试仪（PAT）测量涂层在铝基板上的附着强度，将直径为 8 mm 的测试元件放置在缸孔涂层表面上，因此，在粘合测试元件之前，通过喷砂对涂层气缸的表面进行机械粗糙化，以确保测试元件与气缸孔中的涂层之间具有良好的粘附性，使用专用枪对五个测量点的表面进行均匀且同时的粗糙化。

喷砂材料的颗粒尺寸在 250 至 500 µm 之间，喷枪的工作压力为 5 bar，用于测量的粘合剂是一种基于环氧树脂的热固化单组分粘合剂，随后，粘合剂在180℃的温度下固化120分钟。

然后，用铣刀在测试元件周围铣削涂层，以去除多余的胶水并产生限定的测量区域，然后，精密附着力测试仪装置以液压方式将测试元件从涂层中拉出以测量附着强度，图 1显示了所研究的缸孔测量平面。

使用扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜对双丝电弧喷涂涂层进行微观结构分析，从气缸孔中切出横截面样本，嵌入树脂中并抛光，使用场发射扫描电子显微镜（15 kV，WD = 20 mm）进行研究。

微观结构分析，为了研究涂层的微观结构以及基体和涂层之间界面的结合机制，从缸孔制作了横截面，用光学显微镜检查横截面，图像显示了 NMRP 工艺产生的典型纹理以及微观和宏观结构。

由于特定的工艺控制，在粗化过程中切屑总是在不同位置断裂，显示了带有典型凹槽和底切的机械粗糙化气缸孔表面的示例，它还表明底切沿着活化表面不规则地分布，结果，横截面部分地显示出较大和较小的粗糙结构。

在紧邻附着力测试测量点的同一平面内，在气缸盖密封面下方 10mm 的位置处从气缸孔切出样品，铝制曲轴箱的活化表面位于光学显微镜图像的底部，基材顶部是双丝电弧喷涂涂层，涂层工艺后分别对涂层进行磨光，形成光滑的表面。

图像上部的黑色区域代表嵌入横截面的树脂，热喷涂涂层的横截面显示出多孔和层状结构，这种形态是通过线弧喷涂工艺生产的金属涂层的典型特征，粗糙化基材的底切和凹槽均被涂层材料很好地填充，横截面中的深色区域对应于孔隙和氧化物。

从缸孔内的平面 1（10 毫米）切出的两个涂层样本显示出类似的微观结构，它们各自的层内都有大量的氧化物和孔隙，涂层内的氧化物导致各个碎片被氧化层分开，为了获得横截面微观结构的定量信息，使用图像分析软件对涂层的图像进行评估。

图像被分割为基底、嵌入和涂层，通过 8 位灰度分析选择分段涂层内的结构，并将其转换为二进制图形，随后，通过根据特定面积和圆形度对图案进行表征和过滤，在二元图中分析了层状结构。

这使得能够确定涂层内的板边界和层状结构的面积，显示了横截面示例及其相应的图像，以白色表示所分析的层状结构，层状结构的比例 对于以 10 m/s 提取速度涂覆的样品，图 10 为 3.9% ± 0.2%；对于以 2 m/s 提取速度喷涂的层，图 10 为 4.3% ± 0.2% 。

根据图3的分析结果 可知，在拔出速度为10m/s的情况下，根据缸膛内的位置，附着强度几乎没有差异，位置 10 mm和位置 100 mm处的横截面 均具有层中层间结构百分比相当的微观结构。

相比之下，图 12的横截面b 显示出更均匀的层结构，氧化物带不太明显，在无氧气氛中进行涂层可以使熔融喷涂颗粒撞击到未氧化的金属板表面，撞击的颗粒可以通过熔化其表面来与已经固化的板片结合，此外，各个板片之间也可以发生扩散过程。

这两个特征都会产生均匀的层结构，微观结构的差异可能是导致提取速度为 2 m/s 时平面 4 (100 mm) 中的粘附强度比提取速度为 10 m/s 时高 80% 以上的原因，图7中提取速度为 10 m/s 时的 CFD 模拟 还表明。

在平面 4 的涂层过程中，颗粒射流周围的气缸孔内氧含量普遍增加，氧气会导致熔融颗粒在飞行过程中以及撞击基材表面后氧化。

从涂层中铣削切屑，并通过载气热萃取法分析涂层中的氧含量，结果表明，根据气缸孔内的位置，涂层具有不同的氧含量，缸膛上部的氧含量（平面1和平面2的氧含量：0.19%±0.01%）是缸膛中部（平面4的氧含量：0.06）的三倍多%±0.01%）。

对微观结构的详细 EDS 研究还显示了涂层的不同成分，显示了分析区域和相应的光谱，在层状结构的边缘和沿板边界测定了氧含量，相反，在横截面的均匀区域中检测不到氧气，两种方法表明，在附着强度较低的区域，涂层中氧含量较高，并且氧主要位于层状结构和板片边界处。

提高热喷涂缸孔附着强度的涂层方法，CFD模拟和微观结构研究的结果表明，涂层过程中的氧含量对涂层的附着强度有影响，通过减小上罩与燃烧器之间的间隙，可以提高缸孔上部和下部区域的粘合强度。

在涂层过程中，在掩模顶部加盖了板盖，使燃烧器与掩模开口之间的距离减少了7毫米，与没有掩模盖的涂层（2 m/s 提取）相比，有盖掩模产生的涂层的粘附强度在平面 2 (40 mm) 中可提高 67%，在平面 5 (130 mm) 中可提高 35%速度）。

为了确定由于面罩盖导致的氧含量的变化，通过上部面罩测量O 2体积分数，涂层系统在测量测试模式下运行，以模拟无电弧的涂层过程，不带面罩的面罩的平均氧气体积分数为 13 vol.%，带板罩的面罩的平均氧气体积分数为 3 vol.%。

通过减小掩模开口和燃烧器之间的间隙而减少氧含量，可以提高平面2和平面5中的粘合强度，在提取速度为 2 m/s 时，缸孔中部（平面 3 和 4）的粘附强度几乎与不带盖的掩模具有相同的高粘附水平。

该测量结果表明，在缸孔长度的75％处可以增加粘合强度，两个横截面 显示了涂有面罩覆盖物的气缸孔的上部位置，气缸盖密封表面下方10mm的第一位置显示出与图10中的横截面类似的板片边界的清晰特征。

层状结构在 10 mm 位置处的比例为 3.6% ± 0.2%，相比之下，40毫米的位置显示了层结构，其中各个板片彼此更好地连接，细长微结构覆盖的面积为 1.7% ± 0.3%，这与图12中 100 mm 位置处的横截面类似 (b)（层状结构比例1.4%±0.3%）。

沿缸膛的其他位置的片状结构的比例也小于2%，与没有掩模覆盖的涂层相比，提取速度为2 m/s时，层状结构在40 mm位置处减少了60%，在130 mm位置处减少了40%，分析表明。

由于喷涂气氛中的氧含量降低，使用面罩盖进行涂层可以使底部和顶部沿缸孔长度形成更均匀的层结构，图 23显示了沿气缸孔的涂层内粘附强度和层状结构面积之间的比较，结果显示与没有面罩盖的涂层实验相同的行为，粘合强度低的区域比层粘合力高的区域包含更多的界面，呈现出更均匀的结构。

多项涂层实验表明，提取速度会影响涂层的粘附强度，提取速度的降低导致粘合强度的增加，涂层附着力的改善出现在沿气缸孔的局部，CFD 模拟结果表明，缸膛内的氧气质量分数取决于抽气速度和燃烧器的位置，高抽取速度将大量环境大气吸入气缸孔。

在低提取速度下，模拟显示在高粘合强度区域的涂层过程中几乎没有氧气，相反，可以在具有较低层附着力的区域中识别出氧气对涂层过程的影响。

微观结构的研究表明，在粘附强度较低的缸孔顶部区域，存在几乎相同的层结构，与提取速度无关，涂层在各个板片之间含有大量的氧化物，然而，在涂层附着力高的区域，层结构更加均匀，板之间的界面处的氧化物水平较低。

对涂层和基材之间相互作用的研究表明，附着力测试后保留在基材上的涂层百分比随着附着力的增加而增加，这表明随着附着力的增加，基体和涂层之间冶金结合的比例增加，在基材表面上可以发现部分熔化的区域和韧窝状断裂，这也表明存在冶金结合，此外，还可以检测到铝从基材扩散到涂层中，这是这种结合机制的进一步证据。