CN109778104A - 一种气缸套内壁隔热耐磨复合涂层及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于涂层领域，特别是一种气缸套内壁隔热耐磨复合涂层及制备方法。涂层位于气缸套的内表面，涂层包括交替布置的陶瓷隔热层和金属耐磨层。方法采用具有双路送粉器的内孔等离子喷涂系统进行涂层的制备，将金属粉末与陶瓷粉末同时送入等离子弧焰流中，气缸套绕自身轴线旋转，通过控制程序使内孔等离子喷涂系统的内孔喷枪枪头伸入气缸套内部上下往复移动，调节粉末参数和送粉参数，调控轨迹，获得分层结构的复合涂层。这种交替式层状涂层既能隔热耐腐蚀，又能使缸套沿涂层至基体传导热量进行散热，将气缸套内部温度维持在一定范围，使其在恶劣的高温环境中不会因绝热而产生剧烈的高温磨损，有效减小气缸套磨损损失，提高发动机的热效率。

Description

一种气缸套内壁隔热耐磨复合涂层及制备方法

技术领域

本发明属于表面涂层领域，特别是一种气缸套内壁隔热耐磨复合涂层及制备方法。

背景技术

进入21世纪柴油发动机机已经成为汽车、船舶、农用机械、工程机械、内燃机车、和军用设备、移动和备用电站等装备的主要配套动力，柴油机是各种机械中热效率最高、能量利用率最好、最节能的机型，柴油机也正朝着低能耗、高效率、耐久性方向发展。气缸套作为柴油机最重要的核心部件，工作环境十分恶劣，气缸套内表面在燃烧室燃烧时承受着活塞的往复摩擦作用以及高温燃气的冲击，磨损严重时在气缸内壁上产生拉缸、拉毛或咬死的现象，导致气缸套失效。

目前为提高缸套性能大都采用高强度的球墨铸铁，同时采用激光淬火、多孔镀铬法以及氮化方式提高其耐磨性，但其耐磨性能提升有限，且热效率较低。本发明所制备的隔热耐磨陶瓷涂层运用在气缸套内表面，可有效提高其耐磨性能还能保持较好的隔热性能，延长气缸套的使用寿命。

大气等离子喷涂技术相比于其它热喷涂工艺，操作简单灵活，喷涂效率更高，应用更广泛。该技术提供更高的等离子弧焰流温度(12000～16000℃)，更高的焰流速度(200～1200m/s)，使复合粉末在等离子弧焰流中得到充分熔融，以极快的喷射速度沉积到基体表面，并以超高的冷却速率(10⁵-10⁷K/s)冷却得到金属陶瓷涂层。

CN108495946A提供一种用于暴露于柴油发动机的燃烧室和/或排气的燃烧室的部件，例如气缸衬套或阀面。该部件包括施加到由钢制成的主体部分的热障涂层。首先施加一层金属结合材料，然后是包括金属结合材料和陶瓷材料的混合物的梯度结构，接着是一层陶瓷材料。该陶瓷材料包括氧化铈、氧化铈稳定的氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆和由另一种氧化物稳定的氧化锆中的至少一种。通过热喷涂或HVOF来施加热障涂层。该热障涂层具有2％体积至25％体积的孔隙率，小于1毫米的厚度，和小于1.00W/m·K的导热率。

CN107130204A涉及了一种耐磨涂层及其制备工艺。本发明提供的一种耐磨涂层气缸套，包括气缸套基体和复合在气缸套基体内表面的涂层，所述涂层为镍碳化钨涂层，镍碳化钨涂层的孔隙率为3～8％；本发明提供的工艺制备的耐磨涂层气缸套，具有摩擦系数小，涂层与气缸套内孔表面结合强度高，耐腐蚀等优点，同时涂层的孔隙率又具有很好的储油功能，能进一步降低气缸套的磨损。

CN 107354418 A公开了一种耐磨隔热涂层及其制作方法，该涂层有设置在基底上的隔热层和设置在隔热层上的耐磨层组成；所述的隔热层有氧化钇稳定氧化锆粉末和NiCrAlY粉末按质量比1：(0.35～0.55)组成；所述的耐磨层由氧化钇稳定氧化锆粉末和NiCrAlY粉末按质量比1：(3.0～5.5)组成。该涂层的制作方法如下：(1)表面处理；(2)热喷涂；(3)热处理：以5～10℃/min的升温速率将工件升温至800～820℃，恒温处理1～3小时，再以5～10℃/min的升温速率升温至1010～1020℃，恒温处理1～3小时，再在氮气环境下放入油槽淬火。

但是专利CN108495946A喷涂温度低，陶瓷材料熔融效果不好，所制得的涂层的孔隙率较大。专利CN107130204A所制备的涂层主要起到了耐磨的作用，起不到隔热的作用，从而影响整个气缸套的使用寿命。专利CN107354418A中的隔热层和耐磨层的结构不合理，不能良好的提高涂层的隔热和耐磨特性，且所制备的涂层不能起到良好的隔热效果。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种气缸套内壁隔热耐磨复合涂层及制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种气缸套内壁隔热耐磨复合涂层，所述涂层位于气缸套的内表面，所述涂层包括交替布置的陶瓷隔热层和金属耐磨层，其中所述涂层厚度为200-300μm，每层陶瓷隔热层的厚度为20-100微米，每层金属耐磨层的厚度为50-200微米，陶瓷隔热层总层数为2-5，金属耐磨层总层数为3-6。

所述陶瓷隔热层为Al₂O₃-13％TiO₂层，所述金属耐磨层为Mo层。

一种制备上述的复合涂层的方法，所述方法采用具有双路送粉器的内孔等离子喷涂系统进行涂层的制备，所述方法采用的双路喷涂粉末分别为陶瓷粉末和金属粉末，具体包括如下步骤：

(1)对气缸套内壁进行预处理；

(2)预备陶瓷粉末和金属粉末，调试内孔等离子喷涂系统，待用；

(3)进行喷涂，采用双路送粉方式将金属粉末与陶瓷粉末同时送入等离子弧焰流中，将气缸套固定在旋转工作台上，气缸套绕自身轴线旋转，通过控制程序使内孔等离子喷涂系统的内孔喷枪枪头伸入气缸套内部上下往复移动，调节粉末参数和送粉参数，调控轨迹，获得分层结构的复合涂层。

所述步骤(1)具体为：

(1-1)对待喷涂气缸套内表面用丙酮进行超声清洗处理并干燥；

(1-2)对气缸套内壁进行喷砂粗化处理。

所述步骤(3)中在进行喷涂之前通过喷枪空走预热。

所述步骤(3)中的调控轨迹具体为：通过调整粉末的松装密度，和/或通过调节送粉的气流量，来调整粉末在等离子弧焰流中的轨迹。

所述陶瓷粉末为Al₂O₃-13％TiO₂粉，所述金属粉末为Mo粉，其中，Al₂O₃-13％TiO₂粉末较轻，处于等离子弧焰流的上方，Mo粉较重，处于等离子弧焰流的下方，两种熔融粉末颗粒在焰流中不同的飞行轨迹使得在基体表面喷涂得到层状复合涂层。

所述Al₂O₃-13％TiO₂粉的粒度范围为15-45μm，所述金属Mo粉的粒度范围为-74-+44μm；两种粉末的送料比为：Al₂O₃-13％TiO₂粉末质量百分比为15％-25％，Mo粉质量百分比为75％-85％。

还包括步骤(3)之后，将喷涂好的气缸套包裹石棉以防止气缸套骤冷导致涂层裂开。

所述喷枪空走预热后气缸套内壁温度在200-300℃，喷涂结束后气缸套表面温度在250℃以内；等离子喷涂电流为500-550A，电压为60-65V，Ar流量为40-60L/min，H₂流量为5-10L/min，送粉器流量为3-8L/min，送粉速度为5-50g/min，喷涂次数为2-10次，制得涂层厚度为200-300μm。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本申请的复合涂层，具有隔热和耐磨的优异性能，在气缸套实际工作环境下，气缸套上部距离燃烧室较近，因此温度较高，采用本发明所用Mo导热性能优异，使缸套上部不至于温度过高而损坏。此外缸套下部温度较低，采用较薄的陶瓷层可显著提高涂层隔热性能，提高缸套的热效率。且阻隔了润滑油在涂层中的渗透，改善层状涂层耐高温油蚀性能。同时Mo金属材料对整体缸套而言，提高涂层的自润滑性能，使制备的层状涂层既能隔热抗氧化，又能传导热量将气缸套内部温度稳定在一定范围，有效保护缸套免受恶劣的高温磨损，减小缸套磨损损失；这种交替式层状涂层既能隔热耐腐蚀，又能使缸套沿涂层至基体传导热量进行散热，将气缸套内部温度维持在一定范围，使其在恶劣的高温环境中不会因绝热而产生剧烈的高温磨损，有效减小气缸套磨损损失，提高发动机的热效率。

(2)本申请制备复合涂层的方法，采用的送粉方式是双路送粉，从而可以制备具有层状结构的金属陶瓷涂层。其中金属送粉管和陶瓷送粉管同时向等离子焰流中送粉，通过调节送粉器参数和粉末参数来控制送粉量，进一步控制层状结构的厚度，以控制涂层隔热效果。本发明制备金属层较厚，陶瓷层较薄，使缸套具有一定的隔热性能，提高发动机的热效率。

(3)本发明所使用的喷涂粉末为金属粉为主量，陶瓷粉为余量的两种喷涂粉末，其中所使用的陶瓷粉为Al₂O₃-13％TiO₂粉末，相较于其他陶瓷粉，AT13粉制备所得的陶瓷涂层韧性较高，耐热性能较好，结合强度较高。所采用的金属粉Mo粉熔点较高，因此喷涂时与陶瓷粉熔融状态相近，粉末熔融效果较好。

(4)本发明采用的热喷涂技术是一种平移式内孔等离子喷涂技术，该制备的涂层可代替质量较重的缸套，减轻柴油机重量，提高柴油机功率。技术思路是气缸套被夹持在绕自身轴线旋转的平台上，内孔喷枪伸入到气缸套中，通过设定程序使机械手夹持的内孔喷枪只沿其自身轴线做上下往复移动，通过此技术就可在气缸套内壁喷涂涂层。此技术可有效适用于气缸套这种形状规则、能够稳定旋转的内孔零部件，相比于其他内孔喷涂技术，该方法程序设计较为容易，且操作简单，成本较低。

(5)相较于其他热喷涂工艺，等离子喷涂技术喷涂效率高，可提供更高的喷涂温度，等离子弧焰流温度可达到12000～16000℃，且喷涂材料范围更广，可以充分熔融熔点较高的陶瓷和金属材料，制备出性能优异的金属陶瓷涂层，在工业生产中具有广泛的应用价值。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1内孔等离子喷涂原理示意图。

图2本发明制备气缸套内壁隔热耐磨涂层示意图。

图3本发明实施例1中的Mo-AT13复合涂层截面形貌示意图。

附图标记说明：

1-送粉管，2-喷涂涂层，3-内孔喷枪枪头，4-等离子弧焰流，5-缸套夹具，6-气缸套，7-冷却装置，8-旋转工作台，9-阳极，10-金属粉送粉管，11-陶瓷粉送粉管，12-Al₂O₃-13％TiO₂粉末，13-阴极，14-Mo粉，15-基体，16-Mo层，17-Al₂O₃-13％TiO₂层，18-复合涂层。

具体实施方式

在实际服役环境中下，气缸套6与活塞配副时承受着较为严重的高温摩擦磨损，本发明采用Al₂O₃-13％TiO₂这种陶瓷材料，可减轻气缸套内壁高温油腐蚀，还可提高缸套内表面隔热性能。同时Mo金属材料，不仅改善了层状涂层的韧性，又提高了涂层的自润滑性能。除此之外，在陶瓷材料中Al₂O₃-13％TiO₂热导率较高，且金属Mo材料进一步提高了涂层的热传导性能。

本申请所采用的的内孔等离子喷涂的原理如图1所示，气缸套6由缸套夹具5固定在旋转工作台8上面(由伺服电机驱动)，原料粉末由送粉管直接送入内孔喷枪枪头，在等离子弧焰流4中熔融后喷射沉积在气缸套6的内表面，形成一层喷涂涂层2，此外在喷涂过程中气缸套6侧面通有冷却装置7喷射的冷却气体以降低气缸套6温度。

本申请双路送粉成型复合涂层的原理如图2所示，等离子喷枪枪头中阳极9与阴极13放电产生等离子弧焰流4，随后金属粉送粉管10与陶瓷粉送粉管11并列置于焰流4的上方并向其中输送粉末，其中金属粉送粉管10输送粉末为Mo粉14，陶瓷粉送粉11输送粉末为Al₂O₃-13％TiO₂粉12，由于粉末粒径与密度大小的差异，Al₂O₃-13％TiO₂粉12较轻，处于焰流4的上方，Mo粉14较重，处于焰流4的下方，因此这两种熔融颗粒在焰流中不同的飞行轨迹使得在基体15表面喷涂得到一层层状复合涂层18。

Mo粉是一种熔点较高的金属粉(2610℃)，与陶瓷粉熔点相差不大。通过喷涂Mo粉制备所得涂层可改善涂层的自润滑性能，降低其摩擦系数，提高耐磨性能。本发明所采用的陶瓷粉末(AT13)中Al₂O₃与TiO₂的质量百分比为87：13，其中Al₂O₃是应用最广泛的一种耐磨材料，但制备所得涂层脆性较大，因此在Al₂O₃粉末中添加TiO₂粉末可有效提高其韧性和结合强度，同时减少涂层孔隙率，改善其耐磨和抗冲蚀性能。本发明同时喷涂两种粉末可将陶瓷材料的耐热性能和金属材料的自润滑性能结合起来，有效提高涂层性能。

本发明所采用的等离子喷涂技术为内孔热喷涂技术，该技术是将缸套夹持在圆形转盘上，操作内孔喷枪在气缸套内部上下移动完成喷涂作业。利用内孔等离子喷涂技术制备的涂层可代替质量较重的缸套，减轻柴油机重量，提高柴油机功率。

本发明采用的是装备双路送粉器的等离子喷涂方式，目的是制备具有层状结构的金属陶瓷涂层。其中金属送粉管和陶瓷送粉管同时向等离子焰流中送粉，调节送粉器来控制送粉率的大小，也可以调节粉末参数，进一步控制层状结构的厚度，本发明制备金属层较厚，陶瓷层较薄，使缸套具有一定的隔热性能，提高发动机的热效率。

实施例1：

1.使用丙酮对待喷涂气缸套内壁进行超声清洗，随后进行干燥。

2.以棕刚玉为喷涂材料，对干燥后的气缸套内壁进行喷砂粗化处理，棕刚玉粒度为20目，具体喷砂方式是将气缸套夹持在圆形转盘上，通过自动旋转式喷砂机进行喷砂操作，粗化后的基体表面粗糙度为Ra7.0。

3.喷涂粉末包括两种物质，一种是粒度范围在15～45μm的Al₂O₃-13％TiO₂陶瓷粉末。另一种是粒度范围在-74～+44μm的金属Mo粉。两种粉末分别称取1000g。

4.将两种粉末置于80℃烘箱内干燥2h，保证粉末在喷涂时保持良好的流动性。

5.采用双路送粉方式将金属粉与陶瓷粉同时送入等离子弧焰流中。控制送粉速度为，金属粉送粉速度为22.5g/min，陶瓷粉送粉速度为7.5g/min，陶瓷粉为熔炼破碎粉。

6.采用内孔等离子喷涂方式在气缸套内壁喷涂陶瓷基复合涂层，具体做法是将气缸套固定在旋转工作台上，通过控制程序使ABB机械手夹持内控喷枪伸入缸套内部上下往复移动完成喷涂。具体的喷涂参数是等离子喷涂工艺电流为518A，电压为61V，等离子生成气Ar流量为50L/min，H₂流量为8L/min，喷涂距离为55mm，枪垂直平移速度为2.5mm/s，重复喷涂次数为10次。

7.喷涂前先对气缸套进行预热，喷涂结束后缸套表面温度在250℃左右，使熔融颗粒沉积到基体上时不会因温度过低而开裂。

8.喷涂后用石棉包裹气缸套，防止其骤冷导致结合强度降低，冷却方式为0.3MPa空冷。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤5中金属粉送粉速度为15g/min，陶瓷粉送粉速度为5g/min，陶瓷粉为粘接团聚粉。步骤6中等离子喷涂工艺电流为518A，电压为61V，等离子生成气Ar流量为50L/min，H₂流量为8L/min，喷涂距离为55mm，枪垂直平移速度为2.5mm/s，重复喷涂次数为6次。

实施例3：

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤5中金属粉送粉速度为20g/min，陶瓷粉送粉速度为6g/min。步骤6中等离子喷涂工艺电流为518A，电压为61V，等离子生成气Ar流量为50L/min，H₂流量为8L/min，喷涂距离为55mm，枪垂直平移速度为2.5mm/s，重复喷涂次数为5次。

实施例4：

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤6中等离子喷涂工艺电流为518A，电压为61V，等离子生成气Ar流量为60L/min，H₂流量为8L/min，喷涂距离为55mm，枪垂直平移速度为2.5mm/s，重复喷涂次数为10次。

实施例5：

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤6中等离子喷涂工艺电流为530A，电压为60V，等离子生成气Ar流量为50L/min，H₂流量为8L/min，喷涂距离为55mm，枪垂直平移速度为2.5mm/s，重复喷涂次数为10次。

实施例6：

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤3中喷涂粉末包括两种物质，一种是粒度范围在15～45μm的Al₂O₃-20％TiO₂陶瓷粉末，为团聚-烧结粉。另一种是粒度范围在-74～+44μm的金属Mo粉。

实施例7

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤3中喷涂粉末包括两种物质，一种是粒度范围在 15～45μm的Al₂O₃-40％TiO₂陶瓷粉末。另一种是粒度范围在-74～+44μm的金属Mo粉。

Claims (10)

1.一种气缸套内壁隔热耐磨复合涂层，其特征在于，所述涂层位于气缸套(6)的内表面，所述涂层包括交替布置的陶瓷隔热层和金属耐磨层，其中所述涂层厚度为200-300μm，每层陶瓷隔热层的厚度为20-100微米，每层金属耐磨层的厚度为50-200微米，陶瓷隔热层总层数为2-5，金属耐磨层总层数为3-6。

2.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述陶瓷隔热层为Al₂O₃-13％TiO₂层(17)，所述金属耐磨层为Mo层(16)。

3.一种制备权利要求1-2任一项所述的复合涂层的方法，其特征在于，所述方法采用具有双路送粉器的内孔等离子喷涂系统进行涂层的制备，所述方法采用的双路喷涂粉末分别为陶瓷粉末和金属粉末，具体包括如下步骤：

(1)对气缸套(6)内壁进行预处理；

(2)预备陶瓷粉末和金属粉末，调试内孔等离子喷涂系统，待用；

(3)进行喷涂，采用双路送粉方式将金属粉末与陶瓷粉末同时送入等离子弧焰流(4)中，将气缸套(6)固定在旋转工作台(8)上，气缸套(6)绕自身轴线旋转，通过控制程序使内孔等离子喷涂系统的内孔喷枪枪头(3)伸入气缸套(6)内部上下往复移动，调节粉末参数和送粉参数，调控轨迹，获得分层结构的复合涂层(18)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：

(1-1)对待喷涂气缸套内表面用丙酮进行超声清洗处理并干燥；

(1-2)对气缸套内壁进行喷砂粗化处理。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中在进行喷涂之前通过喷枪空走预热。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的调控轨迹具体为：通过调整粉末的松装密度，和/或通过调节送粉的气流量，来调整粉末在等离子弧焰流(4)中的轨迹。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述陶瓷粉末为Al₂O₃-13％TiO₂粉，所述金属粉末为Mo粉，其中，Al₂O₃-13％TiO₂粉末较轻，处于等离子弧焰流(4)的上方，Mo粉较重，处于等离子弧焰流(4)的下方，两种熔融粉末颗粒在焰流中不同的飞行轨迹使得在基体(15)表面喷涂得到层状复合涂层(18)。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述Al₂O₃-13％TiO₂粉的粒度范围为15-45μm，所述金属Mo粉的粒度范围为-74-+44μm；两种粉末的送料比为：Al₂O₃-13％TiO₂粉末质量百分比为15％-25％，Mo粉质量百分比为75％-85％。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括步骤(3)之后，将喷涂好的气缸套(6)包裹石棉以防止气缸套骤冷导致涂层裂开。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述喷枪空走预热后气缸套(6)内壁温度在200-300℃，喷涂结束后气缸套(6)表面温度在250℃以内；等离子喷涂电流为500-550A，电压为60-65V，Ar流量为40-60L/min，H₂流量为5-10L/min，送粉器流量为3-8L/min，送粉速度为5-50g/min，喷涂次数为2-10次，制得涂层厚度为200-300μm。