CN108251834A - 改善柴油发动机缸盖阻尼减振性能的镍基复合涂层及其制备方法和应用 - Google Patents

改善柴油发动机缸盖阻尼减振性能的镍基复合涂层及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种镍基复合涂层及其制备方法和应用，该方法将混合粉料在基体表面进行熔覆，得到镍基复合涂层；所述混合粉料包括镍铬硼硅粉和钛酸钡粉。本发明将钛酸钡陶瓷作为第二相添加入镍基粉末中，形成BaTiO3‑NiCrBSi金属基陶瓷复合涂层。本发明中的镍基钛酸钡复合涂层具有优良的阻尼减振性，并且还有强化基体的作用。进一步地与现有的熔覆材料相比较，本发明优选由等离子熔覆技术而得到熔覆层，其不仅与基体呈冶金结合，而且热影响区小，尤为重要的是阻尼减振性能更加优异。本发明实施例制备减振熔覆层后，缸盖的振动及噪音率可达到80％。

Description

改善柴油发动机缸盖阻尼减振性能的镍基复合涂层及其制备 方法和应用
技术领域
本发明涉及涂层技术领域，特别涉及一种镍基复合涂层及其制备方法和应用，具体是一种改善柴油发动机缸盖阻尼减振性能的镍基复合涂层。
背景技术
不同机型的柴油发动机对缸盖的基本要求都是相同的，即：抗磨损性、耐腐蚀性，足够的机械强度。柴油发动机在使用过程中的磨损包括：缸盖在服役过程中气门的机械运动及积碳附着均可以造成座圈及导管的磨损；而化学腐蚀或电化学腐蚀形成的蚀点等导致缸盖某些部位的应力集中，从而产生裂纹，导致零件报废。气缸盖采用本体与排气阀体组合结构形式，排气阀体的紧固螺栓下端种在气缸盖本体上。安装排气阀体上紧固定螺栓时，气缸盖本体的凸肩是气缸盖本体应力集中的薄弱部位，承受排气阀体密封凸台传来的上紧螺栓的压力。缸盖长时间运转，机器的振动导致机械应力的产生，使得缸盖螺栓部位的应力集中，从而加速了工件的损坏。爆炸压力引起高频交变机械应力和热负荷引起的低频交变热应力的复合效应，造成缸盖损坏。
并且发动机在使用过程中，链条室内的内壁、链条及链条室外壁会产生相互振动，不可避免的发出噪音。机械产生的振动及噪声非常普遍，不仅污染环境，还会影响机床的加工精度，加速结构的疲劳损坏和失效。另外，振动和噪声也严重危害人们的身心健康，是环境工程急需解决的问题。随着科技水平的提高，发动机降噪等方面的研究越来越被重视。
当前针对缸盖振动导致零件报废的情况，多以改善缸盖结构或增加缸盖减振结构的方式，来解决缸盖服役过程中的振动现象。缸盖减振结构复杂，改变缸盖结构涉及链条室内壁、外壁、螺纹孔及连接孔等，这将使得缸盖制造成本加大。
针对振动过程中的磨损和裂纹部位，还可将这部分材料去除，制备具有减振强化作用的修复层。目前，为了满足缸盖表面的要求，等离子喷涂、等离子熔覆等技术可应用于缸盖等机械零件表面的强化。如公开号为CN104451524A的中国专利文献披露了通过等离子喷涂自动化制备NiCrBSi涂层，后续进行真空重熔处理形成冶金结合，采用工装解决喷涂后断面存在的涂层问题。
上述现有技术制备的涂层虽然在一定程度上提高了零件基材的耐摩擦磨损性能，但该涂层在改善基材减震性能方面并不突出。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供一种镍基复合涂层及其制备方法和应用，本申请提供的镍基复合涂层具有优良的阻尼减振性能，可改善柴油发动机缸盖阻尼减振性能。
本发明提供一种镍基复合涂层，由混合粉料在基体表面形成，所述混合粉料包括镍铬硼硅粉和钛酸钡粉。
优选地，所述钛酸钡粉和镍铬硼硅粉的质量比为1:1～8。
优选地，所述钛酸钡粉和镍铬硼硅粉的粒度独立地为150～325目。
本发明提供一种镍基复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
将混合粉料在基体表面进行熔覆，得到镍基复合涂层；所述混合粉料包括镍铬硼硅粉和钛酸钡粉。
优选地，所述熔覆为等离子熔覆。
优选地，在进行熔覆之前还包括：将基体预热至300℃。
优选地，在熔覆之后还包括：将熔覆之后的基体进行缓冷处理和机械加工处理。
本发明提供如前文所述的镍基复合涂层在制造或修复发动机缸盖中的应用。
与现有技术相比，本发明将钛酸钡陶瓷作为第二相添加入镍基粉末中，形成BaTiO3-NiCrBSi金属基陶瓷复合涂层。本发明中的镍基钛酸钡复合涂层具有优良的阻尼减振性，并且还有强化基体的作用，利于制备和修复工件中的应用。
进一步地与现有的熔覆材料相比较，本发明优选由等离子熔覆技术而得到熔覆层，其不仅与基体呈冶金结合，而且热影响区小，尤为重要的是阻尼减振性能更加优异。本发明实施例制备减振熔覆层后，缸盖的振动及噪音率可达到80％。
附图说明
图1为本发明实施例所得熔覆层的结构示意图；
图2为本发明实施例所得熔覆层宏观图；
图3为本发明实施例所得熔覆层结合区显微组织图；
图4为本发明实施例所得熔覆层中部显微组织图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明提供了一种镍基复合涂层，由混合粉料在基体表面形成，所述混合粉料包括镍铬硼硅粉和钛酸钡粉。
本发明提供的镍基复合涂层可改善柴油发动机缸盖等工件的阻尼减振性能，并强化基材，利于应用。
形成本发明镍基复合涂层的混合粉料包括镍铬硼硅粉；镍铬硼硅 (NiCrBSi)是包括铬(Cr)、硼(B)、硅(Si)等元素的镍基合金之一，具有耐磨、耐腐蚀、耐冲击等优良性能，应用广泛。所述镍铬硼硅粉可为商业纯度的镍铬硼硅合金粉末，粒度优选为150～325目。
本发明所述混合粉料包括钛酸钡粉；所述钛酸钡粉和镍铬硼硅粉的质量比优选为1:1～8，更优选为1:7～8。钛酸钡(BaTiO3)是一种强介电化合物材料，具有高介电常数和低介电损耗，在电子陶瓷中使用广泛。所述的钛酸钡粉一般为白色粉末，粒度优选为150～325目。本发明将钛酸钡陶瓷作为第二相添加入上述镍基粉末中，形成 BaTiO3-NiCrBSi金属基陶瓷复合涂层。本发明中的镍基钛酸钡复合涂层具有优良的阻尼减振性，并且还有强化基体的作用。
在本发明中，所述混合粉料即BaTiO3-NiCrBSi混合粉末或复合粉末，可为纳米级。本发明实施例将二者以1:1-8的重量比混合，制备得到金属基陶瓷复合涂层材料。所述的复合粉末可通过混合均匀-热压烧结-打碎制备而成，其制备工艺步骤具体为：①将各组分机械混合均匀；②将干燥粉末充填至热压烧结炉内的模型内，从单轴方向边加压边加热，使材料成型并烧结；③将烧结后的块体材料打碎至粒度均匀，最后对混好的粉末进行干燥处理。在本发明的一些实施例中，所述复合粉末中钛酸钡的质量分数为8wt％。
本发明所述镍基复合涂层优选为采用等离子熔覆技术制备而成的镍基钛酸钡复合熔覆层，能够强化工件并改善工件表面阻尼减振性能，这种熔覆层可用在工件表面易产生磨损或易受震动或噪音影响的敏感位置。
相应地，本发明实施例提供了一种镍基复合涂层的制备方法，包括以下步骤：将混合粉料在基体表面进行熔覆，得到镍基复合涂层；所述混合粉料包括镍铬硼硅粉和钛酸钡粉。
为了改进和弥补现有材料的缺陷，本发明实施例提出了利用等离子熔覆技术制备一种镍铬硼硅-钛酸钡复合涂层。
本发明优选以等离子熔覆技术为主要载体，等离子熔覆技术是一种有效且实用的表面处理技术，具有熔覆层与基体结合强度高，涂层组织均匀细小，综合性能良好，成本低等优点。等离子熔覆技术已有成熟的设备和工艺，但是针对不同的基体材料(如铁碳合金、有色合金等)及不同熔点、成分的熔覆材料，可在基体表面制备出不同性能的陶瓷涂层和表面涂层。
本发明以上文所述的混合粉料为熔覆材料，这种熔覆材料粉末是由镍铬硼硅粉和钛酸钡粉末组合而成的高质量涂层材料，其组分、制备等与前文所述的内容一致，在此不再一一赘述。
在本发明中，所述基体优选为金属基体；所述基体可以为柴油发动机缸盖等零部件，还可以为其他工件。本发明一些实施例可在缸盖底部或上、下表面制备一层具有减振降噪性能的熔覆层，并对熔覆层进行后加工，使其不影响缸盖的安装及使用。本发明实施例还需对待熔覆缸盖表面进行清洁，如对缸盖表层进行除油污和去氧化皮等清洁处理。
在进行熔覆之前，本发明实施例优选还包括将基体预热至300℃，利于在基体表面制备等离子熔覆复合涂层。具体地，可采用氧-乙炔火焰加热HT250基体至300℃。
本发明实施例在基体表面熔覆上述混合粉料，得到镍基复合涂层。本发明对采用的等离子熔覆设备没有特殊限制；本发明一些实施例等离子熔覆的工作参数为：工作电流50～70A，扫描速度1～2mm/s，送粉速度1～3r/min，离子气流量4～6L/min，保护气流量4～6L/min，送粉气流量3～6L/min，喷嘴距离5～10mm。所得熔覆层的结构示意可参见图1；本发明实施例由等离子熔覆技术而得到熔覆层，其不仅与基体呈冶金结合，而且热影响区小，阻尼减振性能更加优异。
在熔覆之后，本发明实施例优选还包括：将熔覆之后的基体进行缓冷处理和机械加工处理。所述的缓冷是一种保温处理，可采用恒温炉进行保温。本发明所述缓冷处理的保温时间优选为1小时～2小时，经过充分保温之后，随恒温炉冷却或降到某一温度出炉空气冷却。最后，本发明实施例对制备有减振熔覆层的工件进行机械加工，使其符合缸盖使用条件下的尺寸要求。
此外，本发明还提供了如前文所述的镍基复合涂层在制造或修复发动机缸盖中的应用。
为了测量所得涂层的各项性能，本发明采用Nova NanoSEM450 型扫描电子显微镜观察粉末以及涂层的表面和截面形貌。本发明用灰度法测量涂层的孔隙率，其具体步骤为：将涂层横截面金相SEM形貌进行灰度法拉伸和增强，气孔因底色较重便显现出来，再通过装备再制造技术国防科技重点实验室研制的图像处理软件，计算出显露的气孔占横截面的面积分数，记为涂层的孔隙率。
振动结构的能量流一般是取一段时间t的平均功率P，其计算公式如下：
式(1)中，|F|为激励力的幅值，|V|为速度响应的幅值，T为激励力F的周期。
若激励力和响应速度都是简谐变化量，则它们可表示为：
式(2)和(3)中，Re表示取实部，分别为激励力F、响应速度V的复数表达形式，包含相位角，ω为角频率。
为评价基座结构的阻尼减振效果，定义振动源从基座面板激励点至船体结构的加速度振级落差LD为：
式(4)中，at为船体板结构的平均加速度幅值；a0为激励点的加速度幅值，N为船体板上加速度测点数目；ai为船体板上各测点的加速度幅值。
主要试验仪器设备可采用丹麦B&K3160型数据采集硬件前端和 B&K PULSE信号分析系统；激励系统由B&K3160信号源、B&K2707 功率放大器以及B&K4809激振器组成。由信号发生器产生的白噪声信号，经过功率放大后驱动激振器，激励基座面板结构。用阻抗头、力和加速度传感器同步采集振动信号。在试验时，通过调节功率放大器的电流，使激振力的大小基本保持恒定。
根据以上测试结果可知，本发明的优点与效益为：本发明所述镍基钛酸钡复合涂层具有优良的阻尼减振性，并且可强化基体。而现有的纯镍涂层中，镍与基体存在极大的热膨胀系数差异，使得制备的涂层极易产生残余应力，从而导致裂纹的产生。现有通过等离子转移电弧(PTWA)得到的镍及其合金涂层，也不能解决结合强度低的缺点，特别在冲击载荷下，喷涂涂层易脱落，不能与基体达到良好的结合。与现有的熔覆材料相比较，本发明是可由等离子熔覆技术而得到的熔覆层，因此其不仅与基体成冶金结合，其次，热影响区小，尤为重要的是阻尼减振性能更加优异。本发明实施例制备减振熔覆层后，缸盖的振动及噪音率可达到80％。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的镍基复合涂层及其制备方法和应用进行具体描述。
实施例1
一种制备上述镍基复合涂层的方法，其具体步骤为：
(1)制备金属基陶瓷复合涂层材料：①将镍铬硼硅粉末(粒度为200目)和钛酸钡粉末(粒度为200目)二者以1:8的重量比，机械混合均匀(两种粉末的纯度均为99.9％，供应商为矿冶研究总院)；②将干燥的混合粉末充填至热压烧结炉内的模型内，从单轴方向边加压边加热，使材料成型并烧结；③将烧结后的块体材料打碎至粒度均匀，最后对混好的粉末进行干燥处理，得到BaTiO3-NiCrBSi混合粉末，其为纳米级。
(2)对待熔覆缸盖(HT250基体)表面进行除油污和去氧化皮处理；
(3)预热(2)中缸盖工件至300℃；
(4)采用(1)中得到的混合粉末，在预热的基体表面制备等离子熔覆复合层，涂层厚度为2.5mm；采用装甲兵工程学院自制的等离子熔覆设备，熔覆参数为：工作电流70A，扫描速度2mm/s，送粉速度1.5r/min，离子气流量6L/min，保护气流量6L/min，送粉气流量 6L/min，喷嘴距离10mm。
(5)对熔覆之后的工件采用恒温炉进行保温，保温时间为1小时，经过充分保温之后，随恒温炉冷却，最后对冷却后的工件进行机械加工，尺寸符合缸盖使用条件。
按照上文所述的方法，测试分析所得涂层的形貌、孔隙率和工件的阻尼减振效果。结果如图：图1为本发明实施例所得熔覆层的结构示意图，图2为本发明实施例所得熔覆层宏观图，图3所示为熔覆层结合区，图4为本发明实施例所得熔覆层中部显微组织。由此可知，所得涂层表面平整，组织致密、没有微裂纹，对基体的热影响小，引起工件的变形小，涂层稀释率为22％；应用该涂层的缸盖可提高10％的阻尼比。
实施例2
一种制备上述镍基复合涂层的方法，其具体步骤为：
(1)制备金属基陶瓷复合涂层材料：①将镍铬硼硅粉末(粒度为150目)和钛酸钡粉末(粒度为150目)二者以1:7的重量比，机械混合均匀(两种粉末的纯度均为99.9％，供应商为矿冶研究总院)；②将干燥的混合粉末充填至热压烧结炉内的模型内，从单轴方向边加压边加热，使材料成型并烧结；③将烧结后的块体材料打碎至粒度均匀，最后对混好的粉末进行干燥处理，得到BaTiO3-NiCrBSi混合粉末，其为纳米级。
(2)对待熔覆缸盖(HT250基体)表面进行除油污和去氧化皮处理；
(3)预热(2)中缸盖工件至300℃；
(4)采用(1)中得到的混合粉末，在预热的基体表面制备等离子熔覆复合层，涂层厚度为2mm；采用装甲兵工程学院自制的等离子熔覆设备，熔覆参数为：工作电流65A，扫描速度1.5mm/s，送粉速度1.8r/min，离子气流量5L/min，保护气流量5L/min，送粉气流量5L/min，喷嘴距离8mm。
(5)对熔覆之后的工件采用恒温炉进行保温，保温时间为2小时，经过充分保温之后，随恒温炉冷却，最后对冷却后的工件进行机械加工，尺寸符合缸盖使用条件。
按照上文所述的方法，测试分析所得涂层的形貌、孔隙率和工件的阻尼减振效果。所得涂层表观结构均匀光洁，微观组织均匀，与基体形成冶金结合、结合强度高，无裂纹、气孔缺陷；应用该涂层的缸盖可附加12％的阻尼比。
由以上实施例可知，本发明将钛酸钡陶瓷作为第二相添加入镍基粉末中，形成BaTiO3-NiCrBSi金属基陶瓷复合涂层。本发明中的镍基钛酸钡复合涂层具有优良的阻尼减振性，并且还有强化基体的作用。本发明实施例制备减振熔覆层后，缸盖的振动及噪音率可达到80％，具有很大的应用前景。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种镍基复合涂层，由混合粉料在基体表面形成，所述混合粉料包括镍铬硼硅粉和钛酸钡粉。
2.根据权利要求1所述的镍基复合涂层，其特征在于，所述钛酸钡粉和镍铬硼硅粉的质量比为1:1～8。
3.根据权利要求1或2所述的镍基复合涂层，其特征在于，所述钛酸钡粉和镍铬硼硅粉的粒度独立地为150～325目。
4.一种镍基复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
将混合粉料在基体表面进行熔覆，得到镍基复合涂层；所述混合粉料包括镍铬硼硅粉和钛酸钡粉。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述熔覆为等离子熔覆。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在进行熔覆之前还包括：将基体预热至300℃。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在熔覆之后还包括：将熔覆之后的基体进行缓冷处理和机械加工处理。
8.如权利要求1～3任一项所述的镍基复合涂层或权利要求4～7任一项所述的方法制得的镍基复合涂层，在制造或修复发动机缸盖中的应用。
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