CN105568167A - 一种隔热防护用的涂层材料及其涂层制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种隔热防护用的涂层材料及其涂层制备方法，属于表面涂层技术领域。选用原材料包含合金块材与纯金属块材，包括：硼铁，铌铁，硅铁，纯铬以及纯铁等，采用高压氮气气体雾化法制备合金粉末，最终获得具有较好球形度且粒度均在30～75μm的合金粉末。采用大气等离子喷涂方法制备铁基非晶/纳米晶涂层，本发明所制备的涂层具有相对较低的热导率，可用于表面隔热防护领域。

Description

一种隔热防护用的涂层材料及其涂层制备方法
技术领域
本发明属于表面涂层领域，具体涉及一种可应用于汽车发动机隔热防护的涂层材料及其涂层的制备方法。
背景技术
近年来，如何进一步提高传统内燃机的能源利用率、并降低其污染物排放，一直是汽车工业领域研究的热点问题之一。现阶段，更多目光关注在如何提高发动机的工作效率，如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。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)。针对这一问题，从性能表现、结构重量和设计实现难易程度等方面综合考虑，表面涂层技术是较为适宜的解决办法。
目前，表面隔热涂层的研究主要集中在热障涂层(thermalbarriercoatings,TBCs)技术的系统研发及其在航空发动机上的应用。但也为汽车发动机热端部件材料的隔热防护问题提供了较好的参考。然而，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。
相比于航空发动机的高温工作环境，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不超过500℃，这使得采用金属基材料制备防护涂层具有较好的可行性，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，大气等离子喷涂(APS)具有其鲜明的工艺特点，包括喷涂材料范围广，从低熔点到高熔点的材料都可以喷涂，对喷涂粉末的粒度要求不高，涂层孔隙率较低，氧化物夹杂少等，是制备金属基非晶/纳米晶涂层的有效方法之一。
经检索，目前并没有本发明涉及的铁基合金粉末材料并采用大气等离子喷涂(APS)方法制备铁基非晶/纳米晶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铁基隔热涂层材料及其涂层制备方法。
本发明中用于制备铁基隔热涂层用的一种合金粉末材料，其特征在于，合金粉末中元素成分的质量百分含量范围如下：Cr:9～18％；Nb:4～11％；Si:0.5～4％；B:1～5％；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，合金粉末中元素成分的质量百分含量范围如下：Cr:9.5～16.5％；Nb:4.5～10％；Si:1～4％；B:1.5～4.5％；Fe及不可避免的杂质：余量。
采用上述铁基合金粉末材料制备一种低热导率的铁基非晶/纳米晶涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、制备合金粉末所需原材料包含合金块材与纯金属块材，具体为：硼铁，铌铁，硅铁，纯铬以及纯铁，采用氮气雾化方法，最终制备具有良好球形度，粒度范围在30～75μm的铁基合金球形类粉末；
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粉末采用大气等离子喷涂(Atmosphericplasmaspraying，APS)工艺制备铁基非晶/纳米晶隔热涂层，喷涂工艺参数为：电流:500～750A,氩气流量：35～45L/min,氢气流量：6～15L/min,送粉率：60～90g/min,喷涂距离：100～125mm。
对步骤3所述喷涂工艺进行优化，工艺参数为：电流:550～750A,氩气流量：38～42L/min,氢气流量：7～14L/min,送粉率：65～85g/min,喷涂距离：105～120mm。
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非晶/纳米晶涂层。
采用上述本方法所得铁基非晶/纳米晶涂层用于隔热防护涂层。
本发明采用大气等离子喷涂方法制备的一种铁基非晶/纳米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：
Cr：与元素Fe无限固溶，改善合金体系的抗氧化性和耐腐蚀性。
Nb：增加合金系中原子尺寸差异，进而提高组员间的负混合热，提高合金体系的非晶合金的形成与稳定性，同时在合金体系中显著提高合金的硬度进而提升耐磨性，另外，Nb元素自身的热导率相对较低，有利于降低合金系的热导率，Nb对于本发明中的合金体系的形成以及涂层的性能有至关重要作用。
Si,B元素：类金属元素，原子半径小，增加液体合金的无规则堆错性和拓扑结构复杂性，提高非晶形成能力，B元素还能有效提高涂层硬度。
涂层的总体隔热效果是主要是通过合金自身组分的合理配置与制备方法共同作用得到，并不是任意单一元素决定的，但也是缺一不可的，当然也不是仅仅通过有限次试验就可以得到的。
本发明与常规的陶瓷基热障涂层相比，该铁基隔热涂层具有以下特点：
1、具有较低的热导率，可低至2W/mK以下；
2、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、本发明采用的大气等离子喷涂工艺操作简单，喷涂粉末粒度范围广，相比于其他的粉末喷涂方法，成本也较低。
5、本发明中的铁基合金粉末成本较低，且大部分采用工业用合金作为原材料，无贵金属添加。
6、本发明制备的非晶/纳米晶涂层保持了较好的涂层微结构，在保证涂层兼具耐磨耐蚀性的同时具有较低的热导率。本发明对于汽车发动机热端部件隔热防护是一种较为适宜的解决方案。
附图说明
图1实施例2制备的铁基合金粉末SEM特征形貌图；
图2实施例2制备的非晶/纳米晶涂层XRD分析图谱；
图3实施例2制备的非晶/纳米晶涂层SEM典型形貌特征；
图4实施例2制备的非晶/纳米晶涂层的差热分析(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。
制备一种具有较低热导率的铁基非晶/纳米晶涂层方法，包括以下步骤：具体参数见各实施例：
1、选用硼铁，铌铁，硅铁，纯铬以及纯铁块材作为原材料。
2、采用高压氮气气体雾化法制备合金粉末，收集筛分30～75μm的粉末用于大气等离子喷涂。
3、将步骤2的粉末采用大气等离子喷涂工艺制备铁基非晶/纳米晶涂层。
实施例1
铁基合金粉末中元素成分的质量百分比如下：Cr:9％；Nb:4％；Si:1％；B:4.6％；Fe及不可避免的杂质：余量。制备铁基隔热涂层，喷涂工艺参数为：电流:650A,氩气流量：40L/min,氢气流量：12L/min,送粉率：75g/min,喷涂距离：110mm。
实施例2
铁基合金粉末中元素成分的质量百分比如下：Cr:12％；Nb:5.5％；Si:2.5％；B:4.0％；Fe及不可避免的杂质：余量。制备铁基隔热涂层，喷涂工艺参数为：电流:650A,氩气流量：40L/min,氢气流量：12L/min,送粉率：75g/min,喷涂距离：110mm。
实施例3
铁基合金粉末中元素成分的质量百分比如下：Cr:12％；Nb:5.5％；Si:2.5％；B:4.0％；Fe及不可避免的杂质：余量。制备铁基隔热涂层，喷涂工艺参数为：电流:550A,氩气流量：35L/min,氢气流量：6.5L/min,送粉率：60g/min,喷涂距离：100mm。
实施例4
铁基合金粉末中元素成分的质量百分比如下：Cr:17％；Nb:4.2％；Si:0.8％；B:1.2％；Fe及不可避免的杂质：余量。制备铁基隔热涂层，喷涂工艺参数为：电流:750A,氩气流量：45L/min,氢气流量：14.5L/min,送粉率：80g/min,喷涂距离：115mm。
对比例1
铁基合金粉末中元素成分的质量百分比如下：Cr:8％；Nb:12％；Si:4.2％；B:0.8％；Fe及不可避免的杂质：余量。制备铁基隔热涂层，喷涂工艺参数为：电流:450A,氩气流量：34L/min,氢气流量：5.8L/min,送粉率：55g/min,喷涂距离：100mm。
对比例2
铁基合金粉末中元素成分的质量百分比如下：Cr:18％；Nb:0％；Si:4.2％；B:2.8％；Fe及不可避免的杂质：余量。制备铁基隔热涂层，喷涂工艺参数为：电流:700A,氩气流量：40L/min,氢气流量：14L/min,送粉率：80g/min,喷涂距离：110mm。
各实施例以及对比例所制备的涂层进行孔隙率分析，采用IMAGEPROPLUS6.0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以及显微硬度测试；采用激光导热分析仪分析各实施例所制备涂层的热导率。
表1实施例1-4与对比例1-2的孔隙率以及DSC结果
表2典型金属/合金热导率(近似值)
金属/合金块体 热导率W/mK(300K)
Al 239
Fe 80.3
Cr 90.3
Nb 53.4
430不锈钢 22.0
灰口铸铁 39.5

Claims (7)

1.一种合金粉末材料，所述的粉末材料为铁基合金粉末，其特征在于：合金粉末中元素成分的质量百分含量范围如下：Cr:9～18％；Nb:4～11％；Si:0.5～4％；B:1～5％；Fe及不可避免的杂质：余量。
2.按照权利要求1所述的一种合金粉末材料，其特征在于：合金粉末中元素成分的质量百分含量范围如下：Cr:9.5～16.5％；Nb:4.5～10％；Si:1～4％；B:1.5～4.5％；Fe及不可避免的杂质：余量。
3.按照权利要求1所述的一种合金粉末材料，其特征在于：采用氮气雾化方法制备，合金粉末的粒径范围为：30～75μm。
4.利用权利要求1-3任一项所述的合金粉末材料制备铁基非晶/纳米晶涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、制备合金粉末所需原材料包含合金块材与纯金属块材，具体为：硼铁、铌铁、硅铁、纯铬以及纯铁，采用氮气雾化方法制备得出粒度范围在30～75μm的铁基合金球形类粉末；
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合金粉末采用大气等离子喷涂工艺制备铁基非晶/纳米晶涂层，喷涂工艺参数为：电流:500～750A,氩气流量：35～45L/min,氢气流量：6～15L/min,送粉率：60～90/min,喷涂距离：100～125mm。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于，步骤3喷涂工艺参数为：电流:550～750A,氩气流量：38～42L/min,氢气流量：7～14L/min,送粉率：65～85g/min,喷涂距离：105～120mm。
6.根据权利要求4或5的方法制备得到一种铁基非晶/纳米晶涂层，其特征在于：涂层具有相对较低的热导率，小于3W/mK。
7.根据权利要求6所述的涂层，其特征在于：将其作为汽车工业领域热端部件的隔热防护涂层。
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