CN103898434B

CN103898434B - 一种用于汽车发动机热端部件防护的隔热涂层材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103898434B
Application number: CN201410128869.4A
Authority: CN
Inventors: 周正; 贺定勇; 姚海华; 王曾洁; 蒋建敏; 王智慧; 王国红; 赵秋颖
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2034-04-01
Also published as: CN103898434A

Abstract

一种用于汽车发动机热端部件防护的铁基热障涂层材料及其制备方法，属于隔热防护材料技术领域。选用高纯度金属与合金，包括：铁、铬、钼、碳、硅、铒以及硼铁等，采用用高压Ar气气体雾化法制备合金粉末，最终获得粒度均在20～43μm的合金粉末，合金粉末中元素成分的质量百分含量为：Cr:5‑20wt.%；Mo:15‑30wt.%；C:1‑4wt.%；B:0.5‑3wt.%；Si：0.5‑2.5wt.%；Er:0.5‑3wt.%，Fe及不可避免的杂质:余量。采用超音速火焰喷涂工艺制备铁基非晶隔热涂层，本发明制备的涂层具有相对较低的热导率，可用于汽车发动机热端部件的防护。

Description

一种用于汽车发动机热端部件防护的隔热涂层材料及其制备方法

技术领域

本发明属于隔热防护材料领域，具体涉及一种用于汽车发动机热端部件的铁基热障涂层材料及其制备方法。

背景技术

自19世纪以来，汽车工业及相关科学技术取得了高速发展，不仅为人们带来了舒适便利的生活条件，也代表了同期较高的科技发展水平。然而，其负面效应所引发的环境负担越来越受到社会的广泛重视，其中，尾气排放中所富含的CO、碳氢化合物（HC）、NO_X和固体粉尘颗粒等已成为导致城市空气污染和居民呼吸道疾病频发的重要原因之一，而大量不可再生燃料的消耗也引发了能源危机。在节能减排方针的指引下，汽车发动机的改造成为必然趋势。其中引入低散热（low-heat rejection,LHR）发动机的设计理念可有效提高热能利用率，并降低污染物的排放，同时减少冷却系统的使用以达到车身减重，从而降低能源消耗。

现阶段，包括缸内直喷和涡轮增压等技术的成熟开发和应用，有效提高了发动机的燃油利用率。而对于未来发展方向，在现行标准上增加汽缸内燃烧温度及压力，不仅可以进一步提高能源利用率，同时充分燃烧也能够有效降低排放，这已成为以德国为代表的欧盟国家的主要研发目标，并将参考制定欧6排放标准。但是，除了磨损、腐蚀等方面的考虑，增加燃烧温度所面临的主要问题之一是接近甚至超过铝合金结构材料的耐热极限，尤其是对于一些难以进行冷却设计的热端部件（如活塞、气门等）。

近些年热障涂层（thermal barrier coatings,TBCs）技术的系统研究及其在航空发动机上的成功应用，为汽车发动机热端部件材料的热防护问题提供了较好的参考。目前，国内外针对TBCs的研究均以陶瓷材料为主，较为典型的如氧化钇稳定氧化锆（YSZ,ZrO₂/6-8Y₂O₃），采用等离子喷涂或物理气相沉积技术制备的YSZ涂层已在航空发动机叶片上得到了广泛应用。

相比于航空发动机工作环境，汽车发动机缸体内的工作温度较低，典型汽油机热端材料的服役温度通常在300～500℃之间，这使得采用金属基材料制备防护涂层可以作为一种可行的研究思路，而其相对较好的韧性能够有效弥补陶瓷涂层的缺陷。

在涂层制备方法中，超音速火焰喷涂（HVOF）具有其鲜明的工艺特点，包括超高的焰流速度和相对较低的温度，涂层致密，结合强度高等特点，是制备金属基非晶涂层的有效方法之一。

经检索，目前并无采用超音速火焰喷涂（HVOF）制备铁基非晶热障涂层相关技术的专利报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低热导率的金属基隔热涂层材料及其涂层制备方法。

一种铁基热障涂层合金粉末材料，其特征在于，合金粉末粒度均在20～43μm，合金粉末中元素成分的质量百分含量为：Cr:5-20wt.%；Mo:15-30wt.%；C:1-4wt.%；B:0.5-3wt.%；Si：0.5-2.5wt.%；Er:0.5-3wt.%，Fe及不可避免的杂质:余量。

优选所述铁基涂层用的合金粉末的元素质量百分含量为：Cr:8-18wt.%；Mo:18-28wt.%；C:1.5-3.6wt.%；B:0.8-2.5wt.%；Si：0.5-2wt.%；Er:0.5-2.5wt.%；Fe及不可避免的杂质:余量。

采用本发明上述多元合金粉末材料制备一种低热导率的金属基隔热涂层，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、选用铁、铬、钼、碳、硅、铒以及硼铁，其中金属为高纯度金属（质量含量99.9％），硼铁中B的质量含量：18.25％；优选采用高压Ar气气体雾化法制备合金粉末，最终获得粒径均在20～43μm的合金粉末，合金粉末中元素成分的质量百分含量为：Cr:5-20wt.%；Mo:15-30wt.%；C:1-4wt.%；B:0.5-3wt.%；Si：0.5-2.5wt.%；Er:0.5-3wt.%，，Fe及不可避免的杂质:余量；

步骤2、对金属基体表面进行预处理去除表面氧化膜以及污垢，然后对基材进行喷砂处理；

步骤3、将步骤1粉末采用超音速火焰喷涂（High velocity oxygen fuel，HVOF）工艺制备铁基隔热涂层，喷涂工艺参数为：煤油流量:22-28L/h,氧气流量2100-2250SCFH,送粉率：4.5-6r/min,喷涂距离：350-400mm,送粉气流量:12SCFH。

对步骤3所述喷涂工艺进行优化，工艺参数为：煤油流量:24-28L/h,氧气流量2150-2250SCFH,送粉率：5r/min,喷涂距离：350mm,送粉气流量:12SCFH。

步骤2中的金属基体优选铝合金基体。

采用上述方法制备得到的一种具有相对较低热导率的铁基隔热涂层。

本发明采用超音速火焰喷涂方法制备的一种铁基非晶涂层所具有的低热导率主要是其自身组分所决定的。其作用为：

根据非晶形成的经验准则，认为多组元且主要组元之间的原子尺寸比差异较大以及混合热为负值的体系具有较高的非晶形成能力。原子尺寸的差别是影响非晶合金形成与稳定性的重要因素。

Cr、Mo：原子尺寸较大，同时在合金体系中可以显著提高合金的抗氧化性和耐腐蚀性以及相对耐磨性。

Er：大尺寸原子，稀土元素，明显提高合金体系的非晶形成能力，有助于形成非晶/纳米晶涂层，室温下热导率约为20-25W/mK。

Si,B，C元素：类金属元素，原子半径小，增加合金系液体结构的无规堆错性和拓扑结构复杂性，促使非晶的形成，同时其具有相对较低的热导率和电导率。

涂层的隔热效果是通过各个元素相互协同作用决定的，并不是单一元素决定的。

本发明与常规的陶瓷基热障涂层相比，该金属基热障涂层具有以下特点：

1、具有较低的热导率，可达到3.05W/mK；

1、金属基涂层表现出相对较好的韧性，能够有效弥补陶瓷涂层的缺陷；

3、能够与金属基体具有更好的热膨胀匹配性，并简化制备工艺（无需粘结层）、降低成本。

4、本发明制备的非晶涂层在保持较好的耐磨耐蚀性的同时具有较低的热导率。本发明可用于汽车发动机热端部件防护，提供有利的技术指导和适宜的解决方案。

附图说明

图1实施例1制备的非晶涂层XRD分析图谱；

图2实施例1制备的非晶涂层SEM典型形貌特征；

图3实施例1制备的非晶涂层的差热分析（DSC）。

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于所陈述的实施例。

制备一种无添加硬质相的高硬度铁基无磁熔覆层的方法，包括以下步骤：各实施例中具体参数见实施例：

1、选用高纯度原料（99.9mass％）的Fe、Cr、Mo、C、Si、Er，以及FeB（B：18.25mass％）合金。

2、采用高压Ar气气体雾化法制备而成，将收集到的粉末筛分出不同粒度范围，其中，20～43μm的粉末用于超音速火焰喷涂。

3、将步骤2的粉末采用超音速火焰喷涂工艺制备Fe基非晶热障涂层。

实施例1

Fe基合金粉末中元素成分质量百分含量如下：Cr:14.5wt.%；Mo:25.5wt.%；C:2.2wt.%；B:1.7wt.%；Si：1.5wt.%；Er:2.0wt.%，Fe余量。制备铁基隔热涂层，喷涂工艺参数为：煤油流量:24L/h,氧气流量2150SCFH,送粉率：5r/min,喷涂距离：350mm,送粉气流量:12SCFH。

实施例2

Fe基合金粉末中元素成分质量百分含量如下：Cr:14.5wt.%；Mo:25.5wt.%；C:2.2wt.%；B:1.7wt.%；Si：1.5wt.%；Er:2.0wt.%，Fe余量。制备铁基隔热涂层，喷涂工艺参数为：煤油流量:26L/h,氧气流量2250SCFH,送粉率：5r/min,喷涂距离：350mm,送粉气流量:12SCFH。

实施例3

Fe基合金粉末中元素成分质量百分含量如下：Cr:16.5wt.%；Mo:21wt.%；C:3.0wt.%；B:2.1wt.%；Si：2.0wt.%；Er:1.5wt.%，Fe余量。制备铁基隔热涂层，喷涂工艺参数为：煤油流量:24L/h,氧气流量2150SCFH,送粉率：5r/min,喷涂距离：350mm,送粉气流量:12SCFH。

实施例4

Fe基合金粉末中元素成分质量百分含量如下：Cr:12wt.%；Mo:27wt.%；C:3.5wt.%；B:1.8wt.%；Si：1.5wt.%；Er:1.0wt.%，Fe余量。制备铁基隔热涂层，喷涂工艺参数为：煤油流量:24L/h,氧气流量2150SCFH,送粉率：5r/min,喷涂距离：350mm,送粉气流量:12SCFH。

对比例1

Fe基合金粉末中元素成分质量百分含量如下：Cr:14.5wt.%；Mo:25.5wt.%；C:2.2wt.%；B:1.7wt.%；Si：1.5wt.%；Er:0wt.%，Fe余量。制备铁基隔热涂层，喷涂工艺参数为：煤油流量:24L/h,氧气流量2150SCFH,送粉率：5r/min,喷涂距离：350mm,送粉气流量:12SCFH。

对比例2

Fe基合金粉末中元素成分质量百分含量如下：Cr:14.5wt.%；Mo:25.5wt.%；C:2.2wt.%；B:1.7wt.%；Si：1.5wt.%；Er:3.5wt.%，Fe余量。制备铁基隔热涂层，喷涂工艺参数为：煤油流量:24L/h,氧气流量2150SCFH,送粉率：5r/min,喷涂距离：350mm,送粉气流量:12SCFH。

各实施例以及对比例所制备的涂层进行孔隙率分析，采用IMAGE PROPLUS6.0图像分析软件分析涂层孔隙率，分别对每个实施例所制备的涂层的10个截面区域进行计算分析，取其平均值。

对各个实施例制备涂层进行XRD、SEM、DSC检测；采用物理性能分析仪（PPMS）分析各实施例所制备涂层的热导率。

表1实施例1-4孔隙率以及DSC结果

表1实施例1-4以及典型金属/合金热导率

涂层/金属合金	热导率W/mK（300K）
		实施例1	3.05
实施例2	4.08
		实施例3	3.24
实施例4	3.68
		对比例1	4.21
对比例2	5.07
		Al	239
Fe	80.3
		Cr	90.3
Mo	138

Claims

1.一种铁基热障涂层合金粉末材料，其特征在于，合金粉末中元素成分质量百分含量范围如下：Cr:8-18wt.％；Mo:18-28wt.％；C:1.5-3.6wt.％；B:0.8-2.5wt.％；Si：0.5-2wt.％；Er:0.5-2.5wt.％；Fe及不可避免的杂质:余量；合金粉末的粒径均在20～43μm。

2.包含权利要求1所述的一种铁基热障涂层合金粉末材料的铁基热障涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、原材料选用纯金属铁、铬、钼、碳、硅、铒以及合金硼铁，制备粒径均在20～43μm的合金粉末；

步骤3、将步骤1粉末采用超音速火焰喷涂(High velocity oxygen fuel，HVOF)工艺制备铁基非晶隔热涂层，喷涂工艺参数为：煤油流量:22-28L/h,氧气流量2100-2250SCFH,送粉率：4.5-6r/min,喷涂距离：350-400mm,送粉气流量:12SCFH。

3.按照权利要求2的方法，其特征在于，步骤3喷涂工艺参数为：煤油流量:24-28L/h,氧气流量2150-2250SCFH,送粉率：5r/min,喷涂距离：350mm,送粉气流量:12SCFH。

4.按照权利要求2的方法，其特征在于，选用高纯度原料(99.9mass％)的铁、铬、钼、碳、硅、铒以及硼铁(B：18.25mass％)合金，高纯度指的是99.9mass％，硼铁合金中B：18.25mass％。

5.按照权利要求2的方法，其特征在于，采用高压Ar气气体雾化法制备合金粉末。

6.按照权利要求2的方法制备得到的一种具有相对较低热导率的铁基非晶隔热涂层。

7.按照权利要求2的方法制备得到的一种用于汽车发动机热端部件防护的隔热涂层。