CN104805435A - 一种内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，属于表面工程技术领域，该发明主要应用于对机械内孔类零件内壁表面进行防护处理。所述的涂层制备方法通过对零件内壁表面进行清洁、预置粉末/粘结剂涂层、烘干、高频感应加热熔覆、冷却等步骤，在内壁表面制备出高频感应熔覆涂层。本发明不仅适用于铁、钴、镍材质零件，也适用于钛基、铝基、铜基等其它导电的内孔类金属零件。利用该发明在零件内壁表面制备的金属防护涂层，其优点是：基体与涂层之间形成冶金结合；热影响区窄，不对基体产生热损伤和发生变形；熔敷层及其界面组织致密，晶粒细小，没有孔洞、夹渣、裂纹等缺陷；可根据零件内壁实际工况需求，选择不同金属或合金粉末作为涂层材料，用于制备耐磨、减摩或防腐涂层。

Description

一种内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法

技术领域

本发明设计一种内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，属于表面工程技术领域，本发明主要应用于对机械零件内壁表面进行防护处理，可用于新品零件的强化，也可用于废旧零件的修复与再制造。

背景技术

内孔类零件量大面广，例如，液压油缸、摩擦偶件、油气管道等零件在工业中应用广泛。由于面临磨损或腐蚀工况，在对新品内孔类零件进行内壁表面强化处理，或对失效零件内壁进行修复和再制造过程中，零件内壁表面涂层制备技术是提升和恢复零件质量和性能的关键。目前，常用的内壁表面涂层制备技术包括内壁热喷涂、激光熔覆、电沉积、气相沉积等表面涂层制备技术。其中，热喷涂技术由于涂层沉积原理限制，造成基体与涂层之间仅形成机械结合，涂层内部存在大量孔隙、微裂纹等缺陷，在苛刻工况下易发生涂层脱落失效，且当内壁直径小于80mm时，由于孔径结构限制，无法实施有效喷涂；激光熔覆技术制备的熔覆涂层与基体之间可形成冶金结合，涂层内部无孔隙，但由于激光熔覆过程中热输入量大，易受热应力影响而在涂层内部形成裂纹，且与热喷涂技术同样受制于内壁尺寸，对于狭长、细小内壁表面无法实施有效熔覆；电镀硬铬技术是目前液压油缸等内壁类零件内壁表面最常用的涂层制备技术，硬铬涂层具有良好的耐蚀和耐磨性能，涂层质量高，但六价铬具有毒性，涂层制备过程对环境负面影响大，且镀层沉积效率低，镀层厚度通常小于0.1mm；气相沉积技术也可在内壁表面制备性能优异的薄膜涂层，但涂层厚度通常为几微米到几十微米范围，且受制于沉积设备腔体尺寸而无法实现大尺寸零件内壁涂层制备。综上，目前常用的表面涂层制备技术不适于苛刻工况下磨损或腐蚀失效的内壁零件高性能厚涂层的快速制备，无法实现内壁直径小于80mm、长度介于200mm和1000mm的圆柱形狭长、细小内壁直径的内孔类零件的强化或修复。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种内孔零件内壁表面防护涂层的制备方法，用于对磨损或腐蚀失效的内壁类零件进行修复、再制造或新品强化。

本发明基于高频感应加热技术热响应快、效率高、易于实现自动化控制、无污染的特点，通过对零件内壁表面进行清洁、预置粉末涂层、烘干处理、高频感应熔覆等工艺过程，制备出与内壁表面基体具有冶金结合的高频感应熔覆防护涂层。

本发明提供一种内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)内壁表面清洁：对处理零件进行内壁表面清洁，去表面污染物；

(2)预置粉末涂层：将金属粉末与粘结剂混合，制成膏状物，均匀涂于经过步骤(1)处理后的内壁表面；

(3)烘干处理：对经过步骤(2)处理的零件进行烘干处理，烘干温度设置范围为150～200℃，时间2～3小时，使粘结剂挥发，并使预置涂层与内壁表面形成物理结合；

(4)高频感应加热熔覆预置涂层：

固定零件：将经过步骤(3)处理的零件固定在平面数控机床上，使其能按照设置的转速沿轴心做往复运动和旋转运动；

连接并调整感应加热线圈：将与高频感应加热电源连接的感应加热线圈置于零件内部，调整零件高度使其与感应加热线圈同轴；

高频感应加热：控制感应加热电源的功率P_s、零件内壁表面与感应线圈间隙-a、零件沿轴心移动速度-v、零件旋转速度-n、感应加热交变电流频率-f等工艺参数，使预置涂层融化并保持成形状态，在加热同时随感应加热线圈向零件内壁通入带有一定压力的氩气，避免涂层发生氧化；

冷却：停止加热并继续通保护气体冷却至200℃以下，再停止零件旋转和通气，自然空冷，获得与零件内壁基体具有冶金结合的高频感应熔覆涂层。

进一步，所述涂层制备过程需要控制的参数包括：感应加热电源的振荡输出功率-P_s、零件与感应加热线圈的相对移动速度-v、零件内壁预置涂层表面与感应线圈之间的间隙-a、零件旋转速度-n、感应加热交变电流频率-f；以上工艺参数的具体选择与零件内壁直径、壁厚、长度、涂层厚度和涂层材料成分与热学参数等有关。

进一步，所述感应加热电源振荡输出功率-P_s选择依据如下：

$P_s=\frac{(T_1-T_0)c{\mathrm{\ρ}}_1}{\mathrm{\η}\·h/v}\mathrm{d\πDh}=\frac{(T_1-T_0)c{\mathrm{\ρ}}_1\mathrm{d\πDv}}{\mathrm{\η}}---\left(6\right)$

其中，η-用于涂层加热的有效比功率占总比功率的比例，％；

T₁-加热至预置金属粉末涂层熔化所需的温度，℃；

T₀-加热前预置金属粉末涂层的温度，℃；

c-预置金属涂层材料的比热容，J/kg·℃；

ρ₁-预置涂层的材料密度，g/cm³；

d-预置涂层的厚度，mm；

h-感应加热线圈有效加热部分的长度，mm；

v-线圈与零件之间相对移动速度，mm/s；

D-零件内孔直径，cm。

进一步，为确保预置涂层在加热过程中完全熔化，T₁设定为高于涂层材料熔点50℃～150℃，T₀设定为室温，考虑到感应内孔加热过程η设定为35～50％。

进一步，在感应加热设备功率和频率能够满足透入式加热的情况下，选择设定高的零件与感应加热线圈相对移动速度。

进一步，对预置涂层进行感应加热制备熔覆涂层时，a取4.0～8.0mm。

进一步，零件旋转速度的最大值n_max为：

$n_{\max }=\frac{30}{\mathrm{\π}}\·\sqrt{4g/D}\≈\frac{846}{\sqrt{D}}---\left(9\right)$

其中D-零件内壁直径，cm；

g-重力加速度，980cm/s²；

进一步，感应加热过程中电流穿透深度Δ与加热材料电阻率、相对磁导率、交变电流频率存在以下关系：

$\mathrm{\Δ}=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\πf\μ}}}\left(\mathrm{cm}\right),\mathrm{\μ}={\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r---\left(10\right)$

其中f-交变电流频率，Hz；

μ₀-真空磁导率，μ₀＝4π×10^-9(H/cm)

μ_r-相对磁导率；

ρ-电阻率，Ω·cm。

进一步，电流透入深度Δ大于或等于涂层厚度；

预置金属粉末涂层的厚度d最多可超出穿透深度20％。根据式(10)：

$0/8d\≤\mathrm{\Δ}=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\πf\μ}}}\≤d---\left(11\right)$

在选择透入式加热条件下，感应线圈的电流频率范围为：

$\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\π}}^2{d}^2\mathrm{\μ}}\≤f\≤\frac{1.5625\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\π}}^2{d}^2\mathrm{\μ}}---\left(12\right).$

进一步，该涂层制备方法应用于铁、钴、镍和有色金属的内壁零件，制备多种金属或合金防护涂层。

本发明具有以下优点：可以不仅适用于铁、钴、镍材质零件，也适用于钛基、铝基、铜基等其它导电的内孔类金属零件。利用本发明在内壁表面制备的涂层，其优点是：基体与涂层之间形成冶金结合；热影响区窄，不对基体产生热损伤；熔敷层及其界面组织致密，晶粒细小，没有孔洞、夹渣、裂纹等缺陷；可根据内壁零件实际工况需求，选择镍基、铁基、钴基或轻合金涂层材料，用于制备耐磨涂层或防腐涂层。

附图说明

图1：本发明的涂层制备方法的一种具体实施方式的示意图；

图2：采用本发明方法制备的NiCrBSi涂层XRD图谱；

图3：采用实施例1制备的涂层截面微观组织形貌；

图4：采用实施例1制备的涂层界面微观组织形貌；

图5：采用实施例2制备的涂层界面微观组织形貌；

图6：采用实施例3制备的涂层截面微观组织形貌；

图7：采用实施例3制备的涂层界面微观组织形貌；

图8：采用实施例4制备的涂层截面微观组织形貌；

图9：采用实施例4制备的涂层界面微观组织形貌；

图10：采用实施例5制备的涂层截面微观组织形貌；

图11：采用实施例6制备的涂层截面微观组织形貌。

具体实施方式

本发明针对上述问题，提供一种内孔零件内壁表面防护涂层的制备方法，用于对磨损或腐蚀失效的内壁类零件进行修复、再制造或新品强化。本发明基于高频感应加热技术热响应快、效率高、易于实现自动化控制、无污染的特点，通过对零件内壁表面进行清洁、预置粉末涂层、烘干处理、高频感应熔覆等工艺过程，制备出与内壁表面基体具有冶金结合的高频感应熔覆防护涂层。

本发明实施例所述内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，按照以下步骤进行：

(1)内壁表面清洁：对待处理零件进行内壁表面清洁，去除油污等表面污染物；

(2)预置粉末涂层：将金属粉末与粘结剂混合，制成膏状物，均匀涂于经过步骤(1)处理后的内壁表面，根据实际需要控制预置涂层厚度范围，通常为0.2～1.0mm；

(3)烘干处理：对经过步骤(2)处理的零件进行烘干处理，烘干温度设置范围为150～200℃，时间2～3小时，使粘结剂挥发，并使预置涂层与内壁表面形成物理结合；

(4)高频感应加热熔覆预置涂层：

①固定零件：将经过步骤(3)处理的零件固定在平面数控机床上，通过零件夹持旋转装置和定位夹具夹紧零件，使其可以按照设置的转速沿轴心做往复运动和旋转运动；

②连接并调整感应加热线圈：将与高频感应加热电源连接的感应加热线圈置于零件内部，调整零件高度使其与感应加热线圈同轴；

③高频感应加热：控制感应加热电源的功率P_s、零件内壁表面与感应线圈间隙-a、零件沿轴心移动速度-v、零件旋转速度-n、感应加热交变电流频率-f等工艺参数，使预置涂层融化并保持成形状态，在加热同时随感应加热线圈向零件内壁通入带有一定压力的氩气，避免涂层发生氧化。

(5)冷却：停止加热并继续通保护气体冷却至200℃以下，再停止零件旋转和通气，自然空冷，获得与零件内壁基体具有冶金结合的高频感应熔覆涂层。

涂层制备过程需要控制的参数主要包括：感应加热电源的振荡输出功率-P_s、零件与感应加热线圈的相对移动速度-v、零件内壁预置涂层表面与感应线圈之间的间隙-a、零件旋转速度-n、感应加热交变电流频率-f。以上工艺参数的合理选择是制备涂层的关键，具体参数选择与零件内壁直径、壁厚、长度、涂层厚度和涂层材料成分与热学参数等有关。各参数的选择依据如下：

①感应加热电源振荡输出功率-P_s

采用透入式加热可提高感应加热速度，减少热量损失，提高感应加热效率，除向基体内部传导和向内壁表面散失所损耗的功率，实际测定透入式加热的有效功率约占感应电源总功率的50％～55％。采用透入式加热方法将预置金属粉末涂层加热至熔化状态所需的比功率可采用下式进行计算：

$P_0\·\mathrm{\η}=\frac{(T_1-T_0)c\·{\mathrm{\ρ}}_1}{t}d---\left(1\right)$

其中P₀-为总比功率，kW/cm²；

η-用于涂层加热的有效比功率占总比功率的比例，％；

T₁-加热至预置金属粉末涂层熔化所需的温度，℃；

T₀-加热前预置金属粉末涂层的温度，℃；

c-预置金属涂层材料的比热容，J/kg·℃；

ρ₁-预置涂层的材料密度，g/cm³；

d-预置涂层的厚度，mm；

t-感应加热时间，s；

根据感应加热线圈与零件相对移动速度和感应线圈有效加热部分的长度(即感应器高度)可计算获得感应加热时间t：

t＝h/v    (2)

其中h-感应加热线圈有效加热部分的长度，mm；

v-线圈与零件之间相对移动速度，mm/s。

由公式(1)、(2)可知：

$P_0=\frac{(T_1-T_0)c\·{\mathrm{\ρ}}_1}{h\·\mathrm{\η}}v\·d---\left(3\right)$

感应加热设备的振荡输出功率(P_s)通常在感应加热电源面板有显示或可通过测量线圈电流和电压并计算获得，P_s可由下式获得：

P_s＝P₀·A    (4)

其中P_s-感应加热设备输出总功率，kW；

A-感应线圈同时加热面积。

感应线圈同时加热面积与零件内孔直径和感应器长度有关，存在如下关

系：

A＝πDh    (5)

其中D-零件内孔直径，cm；

h-感应器长度(即能够实现有效加热部分的长度)，mm。

所以，涂层制备过程中感应加热设备的输出功率为：

$P_s=\frac{(T_1-T_0)c{\mathrm{\ρ}}_1}{\mathrm{\η}\·h/v}\mathrm{d\πDh}=\frac{(T_1-T_0)c{\mathrm{\ρ}}_1\mathrm{d\πDv}}{\mathrm{\η}}---\left(6\right)$

由公式(6)可知，内壁涂层感应熔覆过程中影响设备输出功率的主要因素包括：涂层熔化所需温度(即材料熔点)、加热前涂层所处环境温度(通常为室温)、涂层材料比热容、涂层材料密度、涂层厚度、零件内孔直径、线圈与零件之间相对移动速度，以及用于涂层加热的有效功率占总功率比率。在实际涂层制备过程中，为确保预置涂层在加热过程中完全熔化，T₁设定为高于涂层材料熔点50℃～150℃，T₀设定为室温(25℃)，考虑到感应内孔加热过程η设定为35～50％，其余参数对于特定涂层材料与零件尺寸均为已知或可通过测量获得。通过以上可确定涂层制备过程中所需的感应加热设备输出功率的大致范围。

②零件与感应加热线圈的相对移动速度-v

由公式(2)可知，在感应加热过程中，在感应加热电源振荡输出功率-定的情况下，零件与感应加热线圈的相对移动速度v主要影响加热时间。零件与感应加热线圈的相对移动速度越小，加热时间越长，热量向内壁表面和基体内部散失越多，热效率低，容易导致零件过热、变形，或造成涂层过熔；相反，速度越高，加热时间越短，热量散失少，热效率高，零件变形小，但可能存在局部不熔或涂层熔化不良；由公式(3)可知，为使预置涂层充分熔化，在其他参数不变的情况下，零件与感应加热线圈的相对移动速度与所需感应加热功率成正比，即V越大，要求设备输出的功率(P_s)越高；另外，零件与感应加热线圈的相对移动速度影响内壁表面涂层的散热。v越高，内壁涂层表面散热越快，预置涂层熔化后凝固速度越快，涂层内部晶粒更加细化。

在感应加热设备功率和频率能够满足透入式加热的情况下，尽量选择设定较高的零件与感应加热线圈相对移动速度，以提高热效率、减少变形和细化涂层晶粒尺寸。

③零件内壁预置涂层表面与线圈间隙-a

预置涂层表面与感应线圈之间的间隙是影响电效率和涂层加热质量的重要因素。间隙越小，漏磁损失越少，感应线圈的电效率越高，在感应加热电源输出功率不变的情况下，涂层表面比功率增加，使加热速度增大，热量更多地集中在涂层内部，预置涂层在更短时间熔化，减少热损失，有利于获得好的涂层质量。但考虑到间隙过小存在短路放电危险，同时涂层熔化过程中释放热量，容易造成线圈过热。在本发明中，对预置涂层进行感应加热制备熔覆涂层时，a可取4.0～8.0mm。

④零件旋转速度-n

零件旋转速度同样是影响涂层质量的关键参数。内壁表面预置的金属粉末涂层在高频感应加热过程中迅速熔化，在停止加热后冷却、凝固并形成与基体具有冶金结合特征的感应熔覆涂层。涂层在加热熔化过程中受重力影响，容易发生流淌、变形现象，导致涂层厚度不均和性能下降。在预置内壁涂层加热熔化过程中保持零件高速旋转，通过旋转产生离心力抵消重力影响，可使预置涂层熔化后仍保持良好成形状态。同时，高速离心旋转也有助于压实涂层，提高涂层与基体结合强度，并有利于涂层内部气体的排除，从而降低涂层孔隙。

为确保预置涂层加热熔化后仍保持成形状态，要求零件旋转产生的相对离心场RCF≥1，即：

由于ω＝2πn/60，于是零件旋转速度下限n_min为：

$n_{\min }=\frac{30}{\mathrm{\π}}\·\sqrt{2g/D}\≈\frac{423}{\sqrt{D}}---\left(8\right)$

其中RCF-相对离心场，g；

D-零件内壁直径，cm；

n-零件旋转速度，r/min；

ω-零件旋转角速度，rad/s；

g-重力加速度，980cm/s²。

在实际操作中，由于过高的旋转速度会使尺寸较长零件加热过程存在-定的安全隐患，因此要求RCF≤2，由此可计算零件旋转速度的最大值n_max为：

$n_{\max }=\frac{30}{\mathrm{\π}}\·\sqrt{4g/D}\≈\frac{846}{\sqrt{D}}---\left(9\right)$

⑤感应加热交变电流频率-f

感应加热电源产生的交变电流频率影响涂层制备过程中加热效率与加热深度。感应加热电磁场产生的高频交变电流通过加热零件内壁时，由于集肤效应的影响，电流只在零件内壁表层通过，电流密度从零件内壁表层向内部呈指数关系逐渐衰减，从而使热量主要集中在零件内壁表层至内部Δ深度范围内，Δ为电流的穿透深度，定义为：导体某一深度的电流密度为其表面电流密度的1/e时的深度。感应加热过程中电流穿透深度Δ与加热材料电阻率、相对磁导率、交变电流频率存在以下关系：

$\mathrm{\Δ}=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\πf\μ}}}\left(\mathrm{cm}\right),\mathrm{\μ}={\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r---\left(10\right)$

其中f-交变电流频率，Hz；

μ₀-真空磁导率，μ₀＝4π×10^-9(H/cm)

μ_r-相对磁导率；

ρ-电阻率，Ω·cm。

在对零件内壁表面预置金属粉末涂层进行感应加热时，一般要求电流透入深度Δ大于涂层厚度，这种加热方式在感应加热技术中称为透入式加热。在透入式加热条件下，涂层依靠感应电磁场产生的涡流电效应进行直接加热，涂层在短时间内被快速加热至熔化状态，而热量来不及向零件基体内部扩散，从而降低热影响，减少热损失和防止变形。当透入深度超过涂层厚度过多时，会造成加热效率降低，同时由于电流分散，加热速度也将减慢。

为减少热损失、防止变形和提高加热速度，在利用感应加热技术制备内壁表面涂层时，理论上要求穿透深度(Δ)要等于预置金属粉末涂层的厚度(d)。

对于均质导体，由于集肤效应，涡流主要集中在导体表面，感应加热时热量由表面向内部传递。对于预置涂层/内壁金属基体而言，由于内孔零件导电性好，其电阻率远低于预置粉末材料的电阻率，因此在对内壁表面预置粉末涂层进行感应加热时，涂层与基体界面处涡流的强度同样很大，集肤效应使热量集中在涂层表面以及涂层与基体结合的界面两个区域，即相当于预置涂层表面和界面两个热源产生热量不断向涂层内部传递，对涂层进行加热并使其熔化。因此，预置金属粉末涂层的厚度在稍大于穿透深度的情况下，同样可以实现透入式加热。根据反复验证，预置金属粉末涂层的厚度(d)最多可超出穿透深度20％。于是根据式(9)：

$0.8d\≤\mathrm{\Δ}=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\πf\μ}}}\≤d---\left(11\right)$

因此在选择透入式加热条件下，感应线圈的电流频率范围为：

$\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\π}}^2{d}^2\mathrm{\μ}}\≤f\≤\frac{1.5625\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\π}}^2{d}^2\mathrm{\μ}}---\left(12\right)$

在实际涂层制备过程中，可根据上述计算获得所需涂层制备工艺的参数范围，并经过实验进一步优化工艺，针对零件不同尺寸、材质、涂层材料特性、厚度等获得最佳的涂层质量和性能。另外，对于特定的感应加热设备，其频率通常不可调。由于内壁涂层的厚度通常小于1mm，因此，一般要求使用高频感应加热电源，即频率通常大于100kHz。

本发明涂层制备方法可应用于铁、钴、镍和有色金属等多种材质的内壁零件，可制备多种金属或合金防护涂层。

参见图1，该图为本发明的涂层制备方法的一种具体实施方式的示意图；图1中各标号含义：1-氩气瓶；2-冷水机；3-冷却水管路；4-高频感应加热电源；5-保护气管路；6-感应器；7-定位器；8-零件；9-粉末涂层；10-旋转机头；11-带有移动机构的底座。

下面以圆筒形零件内壁表面制备NiCrBSi涂层为例结合图1说明涂层具体制备方法及主要工艺参数的选择。其中，NiCrBSi粉末粒度为-300+500目，熔点为1080℃，成分为0.9％-C，4.71％-Si，3.5％-B，16.02％-Cr，4.52-Fe，其余为Ni；圆筒形零件材质为未经热处理的321不锈钢(1Cr18Ni9Ti)，零件尺寸为Φ80mm×400mm，壁厚15mm，内孔尺寸为Φ50mm×400mm。

使用的感应加热电源最大输出振荡功率80kW，振荡频率80-200kHz，感应器长度50mm。

实施例1

本实施例用于说明本发明的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，具体地，本实施例的步骤如下：

(1)以丙酮为清洗剂，对待处理零件进行超声波清洗，内壁表面清洁，去除油污等表面污染物。超声波清洗功率10kW，清洗时间30min。

(2)将松香与松节油按照1：3的质量比混合后倒入烧杯并加热至90℃，使松香完全溶解在松节油溶液中，制成粘结剂。将NiCrBSi与粘结剂按照10∶1的质量比混合并搅拌均匀，制成膏状物。借助刮刀和夹持旋转工装，将制得的膏状NiCrBSi/粘结剂混合物均匀涂于经过步骤(1)处理后的零件内壁表面，厚度约为0.5mm。

(3)将经过步骤(2)处理的零件放入鼓风干燥箱中进行烘干处理，烘干温度设置为180℃，时间2小时，使预置涂层内部的松节油挥发。

(4)将经过步骤(3)处理的零件固定在平面数控机床上，通过零件夹持旋转装置和定位夹具夹紧零件；将与高频感应加热电源连接的感应加热线圈置于零件内部，固定感应线圈，调整零件高度使其与感应线圈同轴，在零件一端放置连接氩气瓶的保护气管和喷嘴。

(5)调整感应加热电源输出振荡功率P_s、零件移动速度v、零件旋转速度n，以及零件内壁表面与感应线圈间隙a等参数，并按照如表1所示的工艺参数在零件内壁表面制备感应熔覆涂层。

(6)停止加热并保持零件旋转，继续通保护气体冷却至200℃以下，再停止零件旋转和通气，并自然空冷，获得与零件内壁基体具有冶金结合的金属涂层。

表1

(注：对于特定的感应加热电源设备，在工艺参数固定情况下，其输出的振荡频率f为近似固定值)

经上述方法在零件内壁表面获得的NiCrBSi涂层平均厚度为0.40～0.42mm，涂层表面硬度730～760HV，涂层界面结合强度82～94Mpa，涂层孔隙率0.7～0.8％。涂层相结构的X射线衍射分析(XRD)图谱如图2所示；涂层界面区域的显微组织如图3所示，涂层截面内部微观组织形貌如图4所示。从本实施例的结果可以看出，采用本实施例的方法能够在零件内壁表面制备具有冶金结合特征的镍基自熔性合金厚涂层，涂层内部孔隙率低，涂层与基体结合良好，涂层组织呈典型等轴晶特征，涂层主要由大量Y-Ni，少量Fe₃C、Ni₃B固溶体相，以及Cr₂₃C₆、Cr₇C₃、CrB增强相构成。

实施例2

本实施例用于说明本发明的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，具体地，本实施例的方法与实施例1的方法相似，不同的是，本实施例中调高了感应加热电源输出的振荡功率P_s，具体的操作条件如表2中所示。

表2

经上述方法在零件内壁表面获得的NiCrBSi涂层平均厚度为0.39～0.41mm，涂层表面硬度720～740HV，涂层界面结合强度90～95Mpa，涂层孔隙率0.4～0.8％。涂层相结构与实施例1所用方法获得的涂层相近，不同的是硬质析出相数量增多；涂层显微组织如图5所示。从本实施例的结果可以看出，同实施例1所述方法获得的涂层相比，采用本实施例所述方法获得涂层与基体呈现明显的冶金结合特征-“白区”组织，涂层内部孔隙率更低，涂层与基体结合更好，涂层呈典型树枝晶组织特征。

结合实施例1和实施例2可以看出，在一定的线圈扫描速度下，在一定范围内增大功率，涂层热输入量增大，更有利于涂层充分熔化形成熔池和凝固后析出硬质相，凝固后涂层内部组织由等轴晶结构向树枝晶结构转变。而当功率过小或过大时，会出现涂层熔化不良或过熔，降低涂层性能。

实施例3

本实施例用于说明本发明的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，具体地，本实施例的方法与实施例2的方法相似，不同的是，本实施例中调高了零件水平移动速度v，具体的操作条件如表3中所示。

表3

经上述方法在零件内壁表面获得的NiCrBSi涂层平均厚度为0.41～0.42mm，涂层表面硬度730～750HV，涂层界面结合强度81～86Mpa，涂层孔隙率0.6～0.9％。涂层相结构与实施例1所用方法获得的涂层相近；涂层界面区域的显微组织如图6所示，涂层截面内部微观组织形貌如图7所示。从本实施例的结果可以看出，采用本实施例的方法在零件内壁表面制的高频感应涂层与基体形成了冶金结合，涂层内部结构呈等轴晶组织，涂层孔隙率低。

结合实施例2和实施例3可以看出，在一定的感应加热功率条件下，在一定范围内增大零件移动速度，涂层热输入量降低，涂层熔化并冷却凝固后形成的内部组织由高柱状晶结构向等轴晶结构转变。而当零件移动速度过大或过小时，会出现涂层熔化不良或过熔，降低涂层性能。

结合实施例1和实施例3可以看出，同时增加或降低感应加热功率和零件移动速度，可以获得近似的涂层结构。

实施例4

本实施例用于说明本发明的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，具体地，本实施例的方法与实施例1到实施例4的方法相似，不同的是，本实施例中调高了感应加热电源功率P_s和零件水平移动速度v，具体的操作条件如表4中所示。

表4

经上述方法在零件内壁表面获得的NiCrBSi涂层平均厚度为0.38～0.41mm，涂层表面硬度690～710HV；涂层界面结合强度113～120MPa；涂层孔隙率0.3～0.5％；涂层相结构与实施例1所用方法获得的涂层相近；涂层界面区域的显微组织如图8所示，涂层截面内部微观组织形貌如图9所示。从本实施例的结果可以看出，采用本实施例的方法在零件内壁表面制的高频感应涂层与基体形成了冶金结合，涂层内部结构呈树枝晶组织，涂层孔隙率低。

结合实施例1到实施例4可以看出，在感应加热功率增加到一定程度时，可以实现对内壁表面预置粉末涂层的透入式加热，涂层依靠感应电磁场产生的涡流电效应进行直接加热，涂层在短时间内被快速加热至熔化状态，充分形成熔池，冷却凝固后形成树枝晶组织并与基体形成良好的冶金结合。

实施例5

本实施例用于说明本发明的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，具体地，本实施例的方法与实施例4的方法相似，不同的是，本实施例中调高了感应加热电源功率P_s和零件水平移动速度v，具体的操作条件如表5中所示。

表5

经上述方法在零件内壁表面获得的NiCrBSi涂层平均厚度为0.38～0.40mm，涂层表面硬度710～730HV；涂层界面结合强度110～121MPa；涂层孔隙率0.3～0.5％；涂层相结构与实施例1所用方法获得的涂层相近；涂层截面和界面区域的显微组织如图10所示。从本实施例的结果可以看出，采用本实施例的方法在零件内壁表面制的高频感应涂层与基体形成了冶金结合，涂层内部结构呈树枝晶组织，涂层孔隙率低，树枝晶尺寸小。

结合实施例4和实施例5可以看出，在感应加热功率增加到一定程度时，可以实现对内壁表面预置粉末涂层的透入式加热，涂层依靠感应电磁场产生的涡流电效应进行直接加热，涂层在短时间内被快速加热至熔化状态，充分形成熔池，冷却凝固后形成树枝晶组织并与基体形成良好的冶金结合。在一定范围内增加零件移动速度v，可以增加涂层熔池的冷却速度，有利于降低晶粒尺寸，提高涂层硬度。

实施例6

本实施例用于说明本发明的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，具体地，本实施例的方法与实施例4的方法相似，不同的是，本实施例中降低了零件旋转速度n，具体的操作条件如表6中所示。

表6

经上述方法在零件内壁表面获得的NiCrBSi涂层平均厚度为0.40～0.44mm，涂层表面硬度695～712HRC；涂层界面结合强度102～109MPa；涂层孔隙率11.7～14.9％；涂层相结构与实施例1所用方法获得的涂层相近；涂层截面显微组织照片如图11所示。从本实施例的结果可以看出，采用本实施例的方法能够在零件内壁表面制备具有冶金结合特征的镍基自熔性合金厚涂层，涂层与基体结合良好，但涂层孔隙率高。

对比实施例4和实施例6结果可以看出，涂层制备过程中零件通过旋转产生离心力可以抵消重力影响，可使预置涂层熔化后仍保持良好成形状态。同时，高速离心旋转也有助于压实涂层，提高涂层与基体结合强度，并有利于涂层内部气体的排除，从而降低涂层孔隙。

综上，本发明的实施例仅是用来说明本发明而非限制本发明，任何熟悉本领域的技术人员在不脱离本发明的保护范围内所作出的更改，都应涵盖在本发明的权利要求限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)内壁表面清洁：对处理零件进行内壁表面清洁，去表面污染物；

(2)预置粉末涂层：将金属粉末与粘结剂混合，制成膏状物，均匀涂于经过步骤(1)处理后的内壁表面；

(3)烘干处理：对经过步骤(2)处理的零件进行烘干处理，烘干温度设置范围为150～200℃，时间2～3小时，使粘结剂挥发，并使预置涂层与内壁表面形成物理结合；

(4)高频感应加热熔覆预置涂层：

固定零件：将经过步骤(3)处理的零件固定在平面数控机床上，使其能按照设置的转速沿轴心做往复运动和旋转运动；

连接并调整感应加热线圈：将与高频感应加热电源连接的感应加热线圈置于零件内部，调整零件高度使其与感应加热线圈同轴；

高频感应加热：控制感应加热电源的功率P_s、零件内壁表面与感应线圈间隙-a、零件沿轴心移动速度-v、零件旋转速度-n、感应加热交变电流频率-f等工艺参数，使预置涂层融化并保持成形状态，在加热同时随感应加热线圈向零件内壁通入带有一定压力的氩气，避免涂层发生氧化；

冷却：停止加热并继续通保护气体冷却至200℃以下，再停止零件旋转和通气，自然空冷，获得与零件内壁基体具有冶金结合的高频感应熔覆涂层。

2.根据权利要求1所述的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于，所述涂层制备过程需要控制的参数包括：感应加热电源的振荡输出功率-P_s、零件与感应加热线圈的相对移动速度-v、零件内壁预置涂层表面与感应线圈之间的间隙-a、零件旋转速度-n、感应加热交变电流频率-f；以上工艺参数的具体选择与零件内壁直径、壁厚、长度、涂层厚度和涂层材料成分与热学参数有关。

3.根据权利要求2所述的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于，

所述感应加热电源振荡输出功率-P_s选择依据如下：

$P_s=\frac{(T_1-T_0)c{\mathrm{\ρ}}_1}{\mathrm{\η}\·h/v}\mathrm{d\πDh}=\frac{(T_1-T_0)c{\mathrm{\ρ}}_1\mathrm{d\πDv}}{\mathrm{\η}}---\left(6\right)$

其中，η-用于涂层加热的有效比功率占总比功率的比例，％；

T₁-加热至预置金属粉末涂层熔化所需的温度，℃；

T₀-加热前预置金属粉末涂层的温度，℃；

c-预置金属涂层材料的比热容，J/kg·℃；

ρ₁-预置涂层的材料密度，g/cm³；

d-预置涂层的厚度，mm；

h-感应加热线圈有效加热部分的长度，mm；

v-线圈与零件之间相对移动速度，mm/s；

D-零件内孔直径，cm。

4.根据权利要求3所述的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于，

为确保预置涂层在加热过程中完全熔化，T₁设定为高于涂层材料熔点50℃～150℃，T₀设定为室温，考虑到感应内孔加热过程η设定为35～50％。

5.根据权利要求3所述的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于，

在感应加热设备功率和频率能够满足透入式加热的情况下，选择设定高的零件与感应加热线圈相对移动速度。

6.根据权利要求3所述的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于，

对预置涂层进行感应加热制备熔覆涂层时，a取4.0～8.0mm。

7.根据权利要求3所述的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于，

零件旋转速度的最大值n_max为：

$n_{\max }=\frac{30}{\mathrm{\π}}\·\sqrt{4g/D}\≈\frac{846}{\sqrt{D}}---\left(9\right)$

其中D-零件内壁直径，cm；

g-重力加速度，980cm/s²。

8.根据权利要求3所述的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于，

感应加热过程中电流穿透深度Δ与加热材料电阻率ρ、相对磁导率μ_r、交变电流频率f存在以下关系：

$\mathrm{\Δ}=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\πf\μ}}}\left(\mathrm{cm}\right),\mathrm{\μ}={\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r---\left(10\right)$

其中f-交变电流频率，Hz；

μ₀-真空磁导率，μ₀＝4π×10^-9(H/cm)

μ_r-相对磁导率；

ρ-电阻率，Ω·cm。

9.根据权利要求3所述的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于，

电流透入深度Δ大于或等于涂层厚度；

预置金属粉末涂层的厚度d最多可超出穿透深度20％；

$0.8d\≤\mathrm{\Δ}=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\πf\μ}}}\≤d---\left(11\right)$

在选择透入式加热条件下，感应线圈的电流频率范围为：

$\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\π}}^2{d}^2\mathrm{\μ}}\≤f\≤\frac{1.5625\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\π}}^2{d}^2\mathrm{\μ}}---\left(12\right)$

10.根据权利要求3所述的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于，

所述涂层制备方法应用于铁、钴、镍和有色金属的内壁零件，制备多金属或合金防护涂层。