CN101829650A - 将涂层涂敷到工件支持面的方法及带经涂敷支持面的工件 - Google Patents

Abstract

一种将涂层涂敷到工件支持面的方法及带经涂敷支持面的工件。本发明涉及一种用于将涂层(1)涂敷到工件(3)的支持面(2)上的方法，其中支持面(2)在距孔(4)的入口开口(5)预定的距离(L)处设于工件(3)的孔(4)中。根据本发明，在前面的方法步骤中，将涂层材料(100，101，102)敷到支持面(2)上，并且，在进一步的方法步骤中，涂层(1)通过能量束(6)形成于支持面(2)上，其中，能量束(6)通过孔(4)被引导至支持面(2)上。另外，本发明涉及一种具有根据本发明的经涂敷的支持面(2)的工件(3)。

Description

将涂层涂敷到工件支持面的方法及带经涂敷支持面的工件

技术领域

根据相应的范畴的独立权利要求的前序部分，本发明涉及用于将涂层涂敷到工件的支持面上(特别地，涂敷到大型双冲程柴油机的喷射喷嘴的喷嘴主体中的支持面上)的方法，并且涉及具有经涂敷的支持面的工件(特别是喷射喷嘴)。

背景技术

众所周知，例如，针阀具有支持面，该支持面通常设于非常长的细孔深处，使得阀的喷嘴针(例如用于将燃料喷射到内燃机的燃烧空间中的喷射阀中的喷嘴针)可在功能上与支持面协同操作。例如，在喷射喷嘴的情况下，喷嘴针由此作为阀在功能上与支持面协同操作。当阀销将其本身自阀座中提出时，燃料可自压力空间流出，流到邻近阀座下游的纵向孔中，并且可自该处经由喷嘴孔口到达内燃机的燃烧空间。如果阀销被重新移动回到阀座中，则通向喷嘴孔口的燃料供应中断，并且终止将燃料喷射到燃烧空间中。

在这一方面，在工件为喷射喷嘴、用于喷射部件的控制阀(诸如，例如用于喷射泵的控制阀)、内燃机(诸如，例如大型双冲程柴油机等等)的缸体嵌件或衬套中的润滑油孔中的支持面的情况下，常常对所讨论的工件就可使用的材料提出具体要求。因此，例如，在侵蚀性的环境中操作的工件由耐腐蚀性的材料制造，使得相应的部件被保护，尤其是以免受到高温或受到化学侵蚀的影响。

这种受到高应力作用的部件的突出实例以用于大型双冲程柴油机的喷射喷嘴为代表，该大型双冲程柴油机尤其经常以高侵蚀性的重油来操作。

对于尤其是用作用于船只或用于在静止单元中生产电力的驱动单元的大型柴油机，燃料-通常如上所述为重油或不同类型的柴油燃料-通过燃料喷射喷嘴被引入燃烧空间。这些喷射喷嘴通常包括喷嘴头，该喷嘴头部分地凸入到燃烧空间中，并且也称作喷雾喷嘴。喷嘴头是承受宽广范围的应力-热应力、机械应力和化学应力的消耗品部分。取决于应力程度，破坏可发生在喷嘴头，例如，由于腐蚀、侵蚀和/或磨损而引起的材料移除，或者还有可达到以至于导致断裂的程度的裂纹。

机械应力还归咎于可超过上千巴的高喷射压力。在喷嘴头的内部，可发生由气蚀和/或侵蚀引起的材料损失。热应力由燃烧空间中的高温，以及由燃烧温度与所供应的新鲜的吹扫空气之间的巨大的温度变化而引起。此外，间断的喷射会导致喷嘴头(燃料经由该喷嘴头而引入)内部中的温度的冲击状的变化。喷嘴头的化学应力主要来源于高温腐蚀或热腐蚀。主要由包含在燃料中的钒、钠和硫导致的热腐蚀会促使材料磨损及侵蚀。特别地，腐蚀是喷嘴头在几千操作小时之后可能就已经变得不可使用并且必须被更换的原因。

因此，通常，钢或基于镍或基于钴的合金(例如钨铬钴合金6)用作用于大型柴油机中的喷嘴头的材料。如今，对于大型柴油机中的喷嘴头，使用钴基合金钨铬钴合金6可获得关于侵蚀、磨损及气蚀(特别是在喷嘴头的孔中)的可接受的部件部分运行时间。

在这一方面，已经显示出，具有高铬含量和高镍含量的合金(其中铬含量和镍含量为大约例如50％重量)，但尤其是还有具有高于50％重量的铬含量的合金(诸如，举例而言，通过所谓的HIP工艺制造的Cr/Ni65/35合金)，公认地具有与关于高温腐蚀或热腐蚀的上述问题相关的非常良好的特性。具有高铬含量并且关于高温腐蚀和热腐蚀具有优良的化学特性的这些材料，例如已经在EP 1 353 061中公开，并在其中进行了深度描述。

在这一方面，申请人已经在EP 2 000 550中提出了改进的材料，该材料特别地提供了关于脆性和/或延展性的显著改进。特别是因为发动机建造中的进展，首先，在大型双冲程柴油机的情况下允许期望将来有甚至更强力的发动机，尤其是具体对于受到高应力作用的零件(诸如喷嘴头或预燃室)的机械应力要求也将进一步提高。这就意味着将越来越需要新材料或改良的材料；然而，关于高温腐蚀或热腐蚀的上述材料的优良化学特性必须同时保持。因此，在EP 2 000 550中提出了基于CrNi合金的新材料，以用于作为用来形成内燃机(尤其是大型柴油机)的部件的起始材料来制造半成品的零件，其中，材料具有小于0.1％重量的氮含量。

尽管在EP 2 000 550中提出的新材料会导致关于由该材料制成的部件的化学应力和物理应力的显著地改进的特性，但是，对于特定的部件部分，牺牲也与该材料相关联。

因此，特定材料的良好的腐蚀特性以例如硬度为代价获得。例如，在用于燃料喷射的喷射喷嘴的情况下，喷嘴主体本身受到针对化学和物理上的侵蚀性环境的相对良好的保护。然而，支持面(例如，喷嘴针与该支持面相互作用)显示出不足的硬度，不足的硬度可导致相应的支持面和/或喷嘴针过早地磨损，而这可导致泄漏、燃料剂量不精确等。

为了避免整体上损坏发动机，为了避免由于喷射阀过早地磨损引起增加的燃料消耗，或者例如为了避免燃烧气体中有害物质增加，喷射喷嘴或者至少其受影响的部件必须过早地被更换或得到维护：这一点自然是劳动密集型和成本密集型的，并且，如果磨损损坏未能以及时的方式被认识到，则该损坏可导致相当大的安全危险，特别是在海上航行的船只的情况下。

原则上，这些问题可由于支持面设有适当的涂层、使得通过该涂层为支持面提供所需的物理和/或化学特性而得到解决。

然而，对于必须设于细长孔中的下部深处的支持面的制造或涂敷而言，至今仍然没有可用的方法。

在以下对该问题的说明中，将参照图2a简要地将用于大型双冲程柴油机的喷射喷嘴视为实例。为了使现有技术与本发明更好地区分，在本申请中，已知工件的特征的参考标号设有倒置的逗号，而根据本发明的特征的参考标号没有倒置的逗号。

图2a的已知的喷射喷嘴31’包括喷嘴主体300’，喷嘴主体300’带有连接至该喷嘴主体300’的喷嘴头301’。在此处所描述的实施例中，连接通过保持衬垫302’来实现，该保持衬垫302’在其下端处朝向燃料喷射喷嘴301’的纵向轴线A’渐缩。纵向轴线A’同时也是喷嘴头301’的纵向轴线A’。保持衬垫302’通过联接环303’以及通过弹性元件304’(例如弹性卡环)紧固到喷嘴主体300’上。喷嘴头301’支承在保持衬垫302’的渐缩的部分上。

喷嘴头301’具有纵向孔305’，并在其下端的区域中具有至少一个喷嘴孔口306’，通常例如具有5个喷嘴孔口306’，该喷嘴孔口306’源于纵向孔305’，并且燃料可通过该喷嘴孔口306’排放到燃烧空间B’中。

在喷嘴主体300’的内部中提供了压力空间307’，用于燃料的供应管路308’通入该压力空间307’中。压力空间307’在轴线方向上由阀座2’界定。另外，在喷嘴主体300’的内部中布置有喷嘴针7’，该喷嘴针7’基本上沿着纵向轴线A’的方向延伸，并且该喷嘴针7’与阀座2’协同操作。在图2a中显示的关闭的设置中，喷嘴针7’的下尖端被压入阀座2’中，使得自压力空间307’进入邻近下游的纵向孔305’的通道被关闭。喷嘴针7’通过未显示的压力弹簧以本身已知的方式被弹性加载，并朝向阀座2’被预加应力。在喷嘴针7’的打开的设置中，将其向上提起离开阀座2’，使得喷嘴针7’的下端与阀座2’之间的通道敞开，燃料可通过该通道自压力空间307’到达纵向孔305’。

阀座2’与喷嘴孔口306’之间的容积通常被称为盲孔口。

在此处所描述的具体的实例中，纵向孔305’基本上被制成为圆筒形的孔，该圆筒形的孔沿着纵向轴线A’的方向延伸。纵向孔305’的直径d’限定了流动截面，利用该流动截面表示纵向孔305’中可用于燃料流动的截面面积。

喷嘴针7’设于孔4’中，该孔4’由于空间的原因在图2a中仅仅部分地示出，并且具有入口开口5’，喷嘴针7’通过该入口开口5’可插入孔4’中。支持面2’在距离L’处设于入口开口5’前方，并且孔4’本身具有内径D’，该内径D’稍微大于喷嘴针7’的外径，使得在孔4’中安全地且精确地引导喷嘴针7’。

在这一方面，与孔4’的直径D’相比，距离L’通常较大。这表示当在本发明的上下文中提到细长孔时，孔指的是与该孔的典型长度和/或基本长度相比，该孔的直径较小。

在根据图2a的喷射喷嘴的实例中，入口开口5’与支持面2’的距离L’为例如在L’＝30mm左右，而孔4’的直径D’为例如仅D’＝2.5mm大。

这意味着在本发明的意义下，对于细长孔，孔的直径为例如大约该孔的相应长度的10％，取决于所考虑的工件，直径与孔的显著不同的比例自然也是可行的。

根据前面示范性地描述的实例变得显而易见的是，原则上难以加工细长孔的内部中的支持面。当绝对尺寸处于例如甚至仅仅几毫米直到几十毫米的范围内时(如在燃料喷射喷嘴的以上所讨论的实例的情况下)，在这种细孔的内部深处对支持面进行涂敷至今为止根本不可能(实现)。

因此，本发明的目标在于提供用于将涂层涂敷到工件的支持面上的方法，以及提供相应的工件，使得自工件的支持面的现有技术中已知的问题可以避免，并且，特别是可获得较长的运行时间，而且由此可获得较短的维护间隔，以及最终还有更高的操作安全性。

发明内容

因此，具体地提供了一种方法，利用该方法可制造在细长孔中(即相对于直径而言较长的孔中)的支持面上具有涂层的工件(特别是喷嘴)。本发明的另一个目标在于提供一种方法，利用该方法可在细长孔中的支持面上制造涂层。特别地讲，还将提供一种方法，利用该方法，工件的细长孔中的支持面可追溯性地(retroactively)设有涂层。另外，本发明的一个目标在于提供一种在细长孔中具有经涂敷的支持面的工件(尤其是喷嘴主体)。

满足该目标的本发明的主题通过相应范畴的独立权利要求的特征来表征。

从属权利要求涉及本发明的特别有利的实施例。

因此，提出了用于将涂层涂敷到工件的支持面上的方法，其中支持面距孔的入口开口预定的距离而设于工件中的孔中。根据本发明，在前面的方法步骤中，将涂层材料敷到支持面上，并且，在进一步的方法步骤中，涂层通过能量束形成于支持面上，其中，能量束通过孔被引导至支持面上。

通过本发明的方法第一次可以选择基体材料的材料特性，工件(诸如，例如用于大型双冲程柴油机的喷射喷嘴)由该基体材料完全独立于对在工件中的细长孔的内部深处可靠地起作用的支持面制定的材料要求来制造。

这是由于细长孔的内部深处的支持面设有涂层而实现的，该涂层的材料可取决于对支持面的特性的要求而自由地进行选择。

因此，对于工件本身，例如，材料可从Ni基、Cr基合金、Cu基合金中或者基于Fe基合金进行选择，该材料相对较软但是关于针对热气体腐蚀或化学侵蚀的防护具有非常良好的特性。然后，例如，显著更硬的材料可被选择为用于支持面的涂层材料，使得可关于由于例如材料腐蚀、气蚀、腐蚀、微焊接或材料疲劳等引起的过早磨损，针对持久的机械应力更好地保护支持面。

在不同的实例中，还可行的是，支持面的涂层由比工件本身更软的材料制成，例如以便在支持面处获得更好的可密封性，或者在支持面处实现不同的期望的材料特性，或者，例如可使用由金属基质和嵌入的颗粒制成的材料，该嵌入的颗粒的硬度与金属基质的硬度相同或高于金属基质的硬度。

其它特性也可以通过支持面上的涂层来优化。例如，可行的是，支持面本身必须被防护，以免受到与(例如)暴露于具有有害影响的不同的侵蚀性环境中的工件本身的外壁不同的具有腐蚀效果的工艺的影响。

本领域的技术人员会立即理解，本发明如此灵活，使得通过适当地选择用于支持面上的涂层的材料，和/或由于在涂敷工艺本身中直接选择具体的涂敷条件(诸如(例如)涂敷工艺期间能量束的能量密度或者能量束的有效时间)，使得在实践中可直接设定支持面上的涂层的任何期望的特性。

在这一方面，涂层材料在通过能量束来施用能量之前至少部分地被敷到部分支持面上-优选地以涂层粉末的形式和/或以涂层丝的形式，或者以小件涂层丝的形式，和/或以预制的涂层体的形式。

在本发明一个不同的实施例中，涂层材料还可以在通过能量束将能量施用到支持面上的同时敷到支持面上，即这是本身已知的通常已知的堆焊的特殊情况。

特别地，为了制造新工件，例如用于大型双冲程柴油机的新喷射喷嘴，在涂层形成于支持面上之后，可通过涂层引入功能性的孔(例如燃料可在操作状态下经由该功能性的孔来输送)。

特别优选地，激光束被用作能量束，但是，在某些的情况下，也可有利地使用不同的能量束(诸如，例如电子束)。

如常常所提到的，支持面设于根据本发明的工件中、该工件深处的细长孔中，其中入口开口与支持面之间的区域中的孔的最小直径至多为距入口开口的距离的50％，特别地，至多为该距离的25％，并且，孔的最小直径优选地至多为距入口开口的距离的10％。

在这一方面，工件优选但是不必为喷嘴的喷嘴主体，特别地，工件为大型双冲程柴油机的喷射喷嘴的喷嘴主体，或者安全阀或用于喷射系统的部件的控制阀，或者缸体嵌件或衬套中的润滑油孔。

原则上，任何材料都可被视为涂层材料，支持面上的涂层的期望的特性可利用该材料来设定。优选地，例如可选择钴基合金和/或铬基合金和/或镍基合金和/或铁基合金作为涂层材料。

另外，本发明涉及一种工件，在该工件中，支持面在距孔的入口开口预定的距离处设于该孔中，涂层形成于支持面上，且该涂层通过能量束由涂层材料制成，该能量束通过孔被引导至支持面上。

特别地，功能性的孔可通过涂层提供。

在入口开口与支持面之间的区域中的孔的最小直径至多为从支持面至入口开口的距离的50％，特别地，至多为该距离的25％，并且，孔的最小直径优选地至多为该距离的10％。

因为支持面上的涂层的特性可实际上以任何期望的灵活性设定，所以例如涂层的硬度可不同于工件的硬度，和/或涂层的耐腐蚀性可不同于工件的耐腐蚀性，和/或涂层的每一项其它特性可不同于工件的相对应的特性。

附图说明

下面，将参照示意图更详细地阐述本发明。显示了：

图1a-1c一种根据本发明的、用于在支持面上产生涂层的方法；

图2a-2d一种根据本发明的、用于追溯性地设有支持面涂层的喷射喷嘴的方法；

图3a-3d一种根据本发明的、用于制造具有支持面涂层的喷射喷嘴的方法。

具体实施方式

参照图1a至1c示范性地阐述了用于在工件3的细长孔4中的支持面2上产生涂层1的方法的第一简单实施例。图1的工件3是用于大型双冲程柴油机的喷射系统的部件的控制阀3(在剖面中部分地显示)。在控制阀3的组装状态下，支持面2用于支承阀针，该阀针可沿着轴线A移动，并且，该阀针仅仅在已将涂层1涂敷到阀座2上之后才引入控制阀3中。根据图1a-1c的孔4在本申请的意义上为细长孔。在当前的情况下，孔具有3.5mm的直径，并且支持面2在距入口开口5大约25mm的距离L处布置在孔中深处。这就意味着孔的最小直径D(在当前的情况下沿着轴线A恒定)仅仅为支持面2距入口开口5的距离L的大约14％。

在前面的方法步骤中，根据图1a，将涂层粉末100，101以使得涂层1可以在支持面2上以预定的厚度和几何形状来制造的预定的量敷到支持面2上。在进一步的方法步骤中，根据图1b，能量束6(其在当前的情况下为具有小于孔4的直径D的直径的非常精细的激光束6)由激光器600产生，并且通过孔4被引导至支持面2上。通过以激光束6的方式施用能量，涂层粉末100被加热，并由此全部或部分地熔化或熔融，使得最后涂层2例如由于金属熔合工艺连接的形成或层的粘接而形成于支持面2上。

可在图1c的支持面2上看到完成的涂层1，如果需要，该涂层1可能仍然必须经再加工，以保证未显示的阀针牢固地配合在涂层1上。

下文中将参照图2a至2d示意性地阐述借助于本发明可如何为用于大型双冲程柴油机的本身已知的喷射喷嘴31’追溯性地设置涂层1。

在图2a中，部分地以及以剖面的形式示意性地显示了从现有技术获知的喷射喷嘴31’。图2a已经在上面详细地进行了描述，使得可继续进行图2b的描述。

为了应用根据本发明的方法，阀针7’根据图2b最初从喷射喷嘴31’上移除。

在图2c(该视图详细地稍微更清晰地显示了支持面2周围的所关注的区域)中，由涂层材料100制成的预制的涂层体102通过孔4被放置于支持面2上。因为最迟现在，喷射喷嘴3，31已经是根据本发明的工件3，并且因为其不再是由现有技术已知的喷射喷嘴31’，所以从现在开始所有参考标号将在不带有倒置的逗号的情况下使用，因为相对应的特征涉及根据本发明的喷射喷嘴3，31。

在图2d中，支持面1的完成刚刚结束。激光器刚要关闭。涂层体102被来自激光器600的激光束6以预定的加热方法加热，使得涂层体102可靠地连接至支持面2，并由此根据本发明在支持面2上形成涂层1。本身已知的喷射阀由此成功地根据本发明追溯性地设有支持涂层1。

最后，将参照图3a至3d示意性地阐述根据本发明的方法的另一个实施例，本发明的喷射喷嘴3，31可利用该方法以新的方式制造。

在图3a中部分地且以剖面的形式示意性地显示了喷嘴头301的坯料。喷嘴头301的坯料具有盲孔口孔4，在该盲孔口孔4的下端，根据该图示，支持面2设于距入口开口5距离L处，使得支持面2延伸越过盲孔口孔4的总截面。涂层粉末100，101被引入孔4中，并覆盖支持面2。激光器600仅仅刚刚打开，并通过激光束6经由孔4加热涂层材料100，101，涂层1由此形成于支持面2上。在图3b中，激光器600已经关闭，因为涂层1已经完全形成于支持面2上。

因此，喷射喷嘴31可在最终的状态下获得其功能，盲孔口孔形式的纵向孔305根据图3c借助于适当的钻孔装置通过孔4经由涂层1和支持面2被引入。

最后，喷嘴孔口306如在图3d中示意性地显示的那样自外部引入喷嘴头301中，使得在操作状态下，燃料可以本身已知的方式经由纵向孔305和喷嘴孔口306通过喷射喷嘴301而喷射到内燃机的燃烧空间中。

至今仍不能获得的运行时间可通过根据本发明的工件3(例如为喷嘴31的形式)来实现，这一点从经济的角度来看特别具有重大意义。

一方面，根据本发明的喷嘴头因此(尤其是)特别适用于这样的后代大型柴油机：这种大型柴油机进一步更高效，并且产生关于喷嘴头可承受的应力的进一步更高的要求。另一方面，也可以根据本发明追溯性地设置已经处于操作中的部件。

在这一方面，本发明自然不局限于大型柴油机中的具体的应用场合，而是，在本发明的意义上在细长孔中的支持面必须设有涂层(该涂层必须满足具体的功能)的任何场合，都可成功地使用本发明。

Claims (15)

1.一种用于将涂层(1)涂敷到工件(3)的支持面(2)上的方法，其中，所述支持面(2)在距孔(4)的入口开口(5)预定的距离(L)处设于所述工件(3)的所述孔(4)中，其特征在于，在前面的方法步骤中，将涂层材料(100，101，102)敷到所述支持面(2)上，并且，在进一步的方法步骤中，所述涂层(1)通过能量束(6)形成于所述支持面(2)上，其中，所述能量束(6)通过所述孔(4)被引导至所述支持面(2)上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在通过所述能量束(6)施用能量之前，所述涂层材料(100)以涂层粉末(101)的形式和/或以涂层丝(101)的形式和/或以预制的涂层体(102)的形式敷在所述支持面(2)的至少一部分上。

3.根据权利要求1或权利要求2中任一项所述的方法，其特征在于，所述涂层材料(100)在能量通过所述能量束(6)施用到所述支持面上的同时被敷到所述支持面(2)上。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述涂层(1)形成于所述支持面(2)上之后，通过所述涂层(1)来提供功能性的孔(7)。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，激光束(6)或电子束(6)用作能量束(6)。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述入口开口(5)与所述支持面(2)之间的区域中所述孔(4)的最小直径(D)至多为所述距离(L)的50％，特别地，至多为所述距离(L)的25％，并且，所述孔(4)的所述最小直径(D)优选地至多为所述距离(L)的10％。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述工件(3)为喷嘴(31)的喷嘴主体，特别地，为大型双冲程柴油机的喷射喷嘴(31)的喷嘴主体，或者为安全阀，或者为用于喷射系统的部件的控制阀，或者为缸体嵌件或衬套中的润滑油孔。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述涂层材料(100，101，102)为钴基合金和/或为铬基合金和/或为铁基合金。

9.一种工件(3)，在该工件(3)中，支持面(2)在距离孔(4)的入口开口(5)预定的距离(L)处设于所述孔(4)中，其特征在于，涂层(1)形成于所述支持面(2)上，并且通过能量束(6)由涂层材料(100，101，102)制成，所述能量束(6)通过所述孔(4)被引导至所述支持面(2)上。

10.根据权利要求9所述的工件，其特征在于，通过所述涂层(1)提供了功能性的孔(7)。

11.根据权利要求9或权利要求10中的一项所述的工件，其特征在于，在所述入口开口(5)与所述支持面(2)之间的区域中所述孔(4)的最小直径(D)至多为所述距离(L)的50％，特别地，至多为所述距离(L)的25％，并且，所述孔(4)的所述最小直径(D)优选地至多为所述距离(L)的10％。

12.根据上述权利要求9至11中任一项所述的工件，其特征在于，所述工件(3)为喷嘴(31)的喷嘴主体，特别地，为大型双冲程柴油机的喷射喷嘴(31)的喷嘴主体，或者为安全阀，或者为用于喷射系统的部件的控制阀，或者为缸体嵌件或衬套中的润滑油孔。

13.根据上述权利要求9至12中任一项所述的工件，其特征在于，所述涂层材料(100，101，102)为钴基合金和/或为镍基合金和/或为铁基合金。

14.根据上述权利要求9至13中任一项所述的工件，其特征在于，所述涂层(1)的硬度不同于所述工件(3)的硬度。

15.根据上述权利要求9至14中任一项所述的工件，其特征在于，所述涂层(1)的耐腐蚀性不同于所述工件(3)的耐腐蚀性。

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