CN109881138A - 一种保护涂层施工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基体保护涂层加工技术领域，具体公开了一种保护涂层施工工艺，包括喷涂阶段：将金属粉末或者金属丝加热到半熔化或者熔化状态，通过气体加速至速度超过100m/s并喷射到待喷涂的基体表面，其末端速度达到至少50m/s，堆积到基体表面；其中基体待加工面与加速的金属材料运动方向的夹角为20‑90度。本发明能够降低基体的磨损。

Description

一种保护涂层施工工艺

技术领域

本发明涉及保护涂层加工领域。

背景技术

发动机缸体(汽缸体)可以包括容纳内燃发动机的活塞的一个或更多个汽缸孔。发动机缸体可以例如由铸铁或铝铸造而成。铝比铸铁轻，并且可以被选择以减轻车辆的重量并提高燃料经济性。铝制发动机缸体可以包括缸套，诸如铸铁衬套。如果没有缸套，则铝制发动机缸体可以在缸孔表面上包括涂层。铸铁缸套通常使缸体的重量增加，并且可能导致铝制缸体和铸铁缸套之间的热性能不匹配。无缸套的缸体可以接受涂层(例如，等离子体涂覆缸孔工艺)以减少磨损和/或摩擦。

发明内容

本发明的目的在于提供一种保护涂层施工工艺，以提升原零部件的耐磨性能。

为了达到上述目的，本发明的基础方案提供一种保护涂层施工工艺，包括喷涂阶段；

喷涂阶段：将粉末状或者丝状的涂层材料加热到半熔化或者熔化状态，通过气体加速至速度超过100m/s并喷射到待喷涂的基体表面，涂层材料末端速度达到至少50m/s，堆积到基体表面；其中基体待加工面与加速的金属材料运动方向的夹角为20-90度。

本基础方案的有益效果在于：

涂层孔隙上升会导致耐磨降低、涂层强度降低，因此通常行业内的认知为夹角在45度以上喷涂效果好，因为夹角在45度以上涂层材料粒子速度快，喷涂后的涂层结合力好，沉积效率高，涂层孔隙率低；45度以下涂层结合力、沉积效率效果损失较大，引发遮蔽效应，涂层孔隙率上升，行业所不采纳；但是经过我们对喷涂参数的创造性搭配后，本工艺对涂层孔隙率以及涂层结合力、沉积效率控制较好，搭配适当，既保障了涂层沉积效率、涂层结合力，又获得了恰当的涂层孔隙率，而涂层孔隙为无序分布的非贯穿微孔结构，能够用来储存润滑介质，当基体工作时基体、涂层温度升高，涂层实体部分膨胀从而将涂层孔隙里的润滑介质挤压出涂层表面，从而在涂层表面形成润滑膜，基体、涂层温度降低时，涂层实体部分收缩而使孔隙变大，进而吸储润滑介质，从而利于润滑性能的保持。此外，通过本工艺加工后的基体利用涂层替代缸套一类的普通的保护套，其优点在于：1、在工艺使用过程中，可以通过调整涂层材料的属性提高涂层耐高温性能，可以保护基体免受燃料燃烧产生的瞬间高温的直接作用，避免基体烧损；2、涂层远远薄于保护套，有利于快速将基体中产生的废热导出进而保证基体的正常工作温度、使用寿命，这在发动机缸体应用上效果突出。3、涂层可以修复基体表面磨损、划伤、砂眼、针孔、损伤，提高成品率。

进一步，喷涂阶段具体为将基体放入喷涂机器上进行喷涂，喷头与基体受涂面的夹角为20-90度，过程中对基体进行冷却，气体加速的方式为压强至少为0.3MPA的气体经过600度以上高温加热产生的气体剧烈膨胀。

进一步，喷涂前，对基体进行粗糙化。

进一步，所述基体材质为铸铁或轻金属或轻金属合金。

进一步，将基体粗糙化至表面粗糙度大于等于Ra=10um。在这个粗糙度以下，越细结合力越差，但是喷涂后涂层光洁度越好，在这个粗糙度以上，增加粗糙度对结合力影响较小。

进一步，喷涂阶段中保护涂层单层厚度不超过35um。一般工艺中的单层厚度超过25um，涂层结合力达不到使用要求，通过本工艺加工，单层厚度不超过35um时涂层结合力都可符合使用要求。

进一步，喷涂方式为高速喷涂。

进一步，采用高速电弧喷涂工艺，其中喷涂电压35-38V，喷涂电流180-220A，喷涂距离140-300mm，压缩空气压力0.4-0.8MPa，送丝速度为1-4m/s；或者采用高速等离子喷涂工艺，喷涂电流250-350 A，喷涂距离140-300mm，压缩空气压力0.4-0.8 MPa，辅助燃气为丙烷或乙炔，流量为12-20L/min，供粉速度为30-200g/min；或者采用普通高速喷涂工艺，其中氧气压强0.4-1.2MPa、流量10-60L/min，氮气压强0.3-1.5MPa，流速为300-1200L/h，涂层材料的送粉速度30-200g/min，燃料流量50-300g/min。

进一步，喷涂阶段喷头与基体受涂面的夹角在20-90度范围内渐进式变化。

进一步，喷涂阶段喷头自基体一端喷涂至基体另一端或者至少两个喷头分别自基体两端同时由基体边缘向基体中部移动喷涂。喷头自基体一端喷涂至基体另一端能够使得喷涂后的涂层的孔隙率呈现自基体一端至基体另一端逐渐增大的的情形，而至少两个喷头分别自基体两端同时向基体中部喷涂，则使得喷涂后的涂层孔隙率呈现自中间向基体两端逐渐减小的情形。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

至少一个实施例中，保护涂层施工工艺包括预处理阶段以及喷涂阶段；预处理阶段：对基体进行预处理；喷涂阶段：将金属粉末或者金属丝加热到半熔化或者熔化状态，通过气体加速喷射到待喷涂的基体表面，其末端速度达到至少50m/s，堆积到基体表面；其中基体待加工面与加速的金属材料运动方向的夹角为20-90度，该夹角为20-90度或者其中的任何子范围，即可以为90度、80度、70度、45度、20度或者20-45度或者45-90度或者20-89度或者30-45度。

涂层孔隙上升会导致耐磨降低、涂层强度降低，因此通常行业内的认知为夹角在45度以上喷涂效果好，因为夹角在45度以上喷涂后的涂层结合力好，沉积效率高，涂层孔隙率低；45度以下涂层结合力、沉积效率效果损失较大，涂层孔隙率上升，行业不推荐；但是经过我们对喷涂参数的创造性搭配后，本工艺对涂层孔隙率以及涂层结合力、沉积效率控制较好，搭配适当，既保障了涂层沉积效率、涂层结合力，又获得了较大的涂层孔隙率，而涂层孔隙为无序分布的非贯穿微孔结构，能够用来储油，当基体工作时温度升高，涂层孔隙被涂层实体部分膨胀挤压而出油，从而在涂层表面形成油膜，基体温度降低，涂层孔隙被涂层实体部分收缩而吸油储油，从而利于润滑油的保持。相同条件下，其中基体待加工面与加速的金属材料运动方向的夹角的变化会导致涂层孔隙率的变化，具体为该夹角越小，涂层孔隙率越大。

在至少一个实施例中，基体在进行保护涂层施工之前，可以对基体表面进行清洁处理。例如基体表面存在油污的时候，可以采取化学除油、物理除油或者电化学除油方式清洗基体表面。经过表面清洁后的基体与涂层的结合力更佳。

预处理阶段包括对基体进行除油处理、粗糙化处理。除油完成后将基体放入烘箱干燥至少30min。对除油处理干燥后的基体粗糙化至表面粗糙度大于等于Ra=10um。在这个粗糙度以下，越细结合力越差，但是喷涂后涂层光洁度越好，在这个粗糙度以上，增加粗糙度对结合力影响较小。可以采用的是喷砂方式，但是只要是粗糙化处理都可以提高结合力，包括机械加工特殊形状的沟槽、电化学拉毛、激光拉毛等方式。

在至少一个实施例中，喷涂方法可以是高速喷涂，例如高速电弧喷涂、高速等离子喷涂、高速火焰喷涂、高速激光喷涂或冷喷涂，其中高速气流的产生方式可以是燃料燃烧产生的气体剧烈膨胀，从而获得高速气流，其燃料可以是丙烷、氢气、煤油、乙炔、丁烯其中的一种、两种或者多种组合。

在至少一个实施例中，喷涂阶段具体为将基体放入喷涂机器上进行喷涂，喷头与基体受涂面的夹角为20-90度，距离为14-38 cm，过程中对基体进行冷却，其中氧气压强0.4-1.2MPa、流量10-60L/min，氮气压强0.3-1.5MPa，流速为300-1200L/h，涂层材料的送粉速度30-200g/min，燃料流量50-300g/min。过程中氧气主要是助燃和冷却火焰，氮气主要影响沉积率和送粉效率；送粉速度以及燃料决定涂层质量和结合力和沉积效率等几乎所有参数。

至少在一个实施例中，采用高速电弧喷涂工艺，喷涂阶段具体为将基体放入喷涂机器上进行喷涂，喷头从两头向中间喷涂，喷头与基体受涂面的夹角为20-90度，其中喷涂电压35-38V，喷涂电流180-220A，喷涂距离140-300mm，压缩空气压力0.4-0.8MPa，送丝速度为1-4m/s。相同条件下，其中喷头与基体受涂面的夹角变化会导致涂层孔隙率的变化，具体为该夹角越小，涂层孔隙率越大。送丝速度和电流电压参数决定了涂层质量、结合力和沉积效率等几乎所有参数。

至少在一个实施例中，采用高速等离子喷涂工艺，喷涂阶段具体为将基体放入喷涂机器上进行喷涂，喷头从两头向中间喷涂，喷头与基体受涂面的夹角为20-90度，喷涂电流250-350 A，喷涂距离140-300mm，压缩空气压力0.4-0.8 MPa，辅助燃气为丙烷或乙炔，流量为12-20L/min，供粉速度为30-200g/min。

喷涂阶段中单层厚度不超过35um。超过35um涂层结合力下降。喷涂阶段中采用冷却水道进行冷却。喷涂过程中存在温度控制考虑，采用冷却水道强制冷却，防止材料变性；否则涂层结合力不达标。应当理解为冷却水道强制冷却只是其中一种具体的冷却机制，实际上只要对基体进行强制冷却即可，例如风冷、液氮冷却等。

在至少一个实施例中，基体为铝质或铝合金基体或镁合金基体或钛合金基体等轻金属基体或轻金属合金基体时，喷涂过程中冷却基体温度保持不超过300度。

在至少一个实施例中，基体为铸铁基体。

在至少一个实施例中，基体为发动机气缸缸体，喷涂阶段喷头自基体一端喷涂至基体另一端或者至少两个喷头分别自基体两端同时向基体中部喷涂。因此，润滑特性或要求在汽缸孔的不同区域中会不同。在至少一个实施例中，涂层的孔隙率可以沿着缸孔的高度变化。如本文所使用的，孔隙率可以是指在涂层沉积期间形成的孔隙或者可在涂层沉积之后(例如，通过机械地或化学地纹理化)在涂层中形成的孔隙。涂层中的孔隙可以用作保持油/润滑剂的储存器，从而在恶劣的工况下提供润滑或改善润滑剂膜厚度。因此，具有不同孔隙率水平的区域可对汽缸孔的润滑具有不同的影响。在至少一个实施例中，沿着缸孔的高度可具有至少两个不同的孔隙率水平。在至少一个实施例中，涂层材料成分中含有自润滑材料，从而在恶劣的工况下无法保持润滑剂膜的情况下，实现固体润滑。孔隙率的变化主要带来的是孔隙率越高，保油效果就会更好，但是随之带来的问题就是孔太多了，结构容易崩塌，导致强度和耐磨性的下降。空隙的大小也会影响到保油性能，孔太小了润滑油可能进不去。涂层孔隙率0.2%-5%。涂层中含有碳化物。平均孔隙尺寸可以从0.1μm至100μm或其中的任何子范围，诸如0.1μm至25μm、0.1μm至100μm、1μm至50μm、1μm至30μm、1μm至20μm、10μm至30μm、10μm至20μm、20μm至100μm、10μm至50μm或20μm至50μm。涂层可具有50μm至500μm(例如50μm至250μm、50μm至500μm、50μm至250μm、50μm至100μm或50μm至75μm)的厚度。已经发现，涂层的孔隙率可以影响涂层与缸孔表面(例如，铝制缸孔或缸套)的粘合或结合。通常，涂层与缸孔表面的结合可以随着孔隙率的降低而增加。因此，在至少一个实施例中，涂层在涂层和缸孔表面之间的界面处的平均孔隙率可以小于涂层在涂层的表面处(例如，接触活塞的暴露表面)的平均孔隙率。已经发现，所公开的具有可变涂层的汽缸孔可以改善汽缸的润滑以及减少摩擦和磨损。如上所述，当活塞处于或接近TDC或BDC时，摩擦状况可以是边界摩擦，其中在活塞和缸孔表面(或当涂覆有涂层时的涂层表面)之间存在粗糙面接触。这种摩擦状况可能不需要大量的润滑来填充活塞和缸孔/涂层表面之间的小间隙。因此，在发生边界摩擦的区域(例如，在零活塞速度和低活塞速度及相应的曲柄角处)中，涂层可以具有相对低的孔隙率。

涂层可以是为发动机缸体汽缸孔提供足够的强度、刚度、密度、耐磨性能、摩擦、疲劳强度和/或导热性的任何合适的涂层。在至少一个实施例中，涂层可以是铁或钢涂层。合适的钢成分的非限制性示例可包括从1010至4130钢的任何AISI/SAE钢等级。钢也可以是不锈钢，诸如AISI/SAE400系列(例如420)中的那些不锈钢。然而，也可以使用其它钢成分。涂层不限于铁或钢，并且可以由其它金属或非金属形成或包括其它金属或非金属。例如，涂层可以是陶瓷涂层、聚合物涂层或无定形碳涂层(例如DLC或类似物)。因此，涂层类型和成分可以根据应用和期望的特性而变化。此外，在汽缸孔中可以存在多种涂层类型。例如，不同的涂层类型(例如，成分)可以施加于汽缸孔的不同区域(下面更详细地描述)和/或涂层类型可根据整个涂层的深度变化(例如，可以使涂层从极软的基体过度到高硬度的涂层，这样涂层的耐用性更好；还包括一些功能性的梯度改变)。例如涂层中还可以添加氧化物，氧化物的作用不限于提高材料的耐磨性能，还可以提供热障性能，即降低材料中的热传导的性能，例如含有氧化锆的涂层。保护涂层中还可以添加固体自润滑材料，例如石墨、硫化钼等，可以降低涂层的摩擦系数，提高耐磨性能，同时还可以提高气缸的性能，比如提高输出功率，降低耗油量，恶劣条件下无法形成油膜的时候依旧具有润滑性。保护涂层中还可以添加非金属材料，例如碳化物的加入，可以提高涂层的硬度和耐磨性，同时还可能会提高涂层的孔隙率。但是通常自润滑材料的引入会降低涂层的结合力，提高材料的孔隙率等缺陷。表面重熔技术可以是激光表面重熔、中频淬火、高频淬火、火焰喷焊等方式，通过表面重熔技术可以降低涂层的孔隙率，提高耐磨性和（或）硬度。改善保护涂层与基体的结合强度，控制参数可以实现涂层与基体冶金结合，也可以保持原有的结合方式。冶金结合可以使得涂层与基体的结合更加紧密。

至少在一个实施例中，保护涂层的制造方法可以是电弧喷涂，保护涂层可以是一层或者多层，例如电弧喷涂单层厚度为10μm，保护涂层厚度为50μm，保护涂层一共有5层，每层保护涂层的材料成分和含量可以不同，例如底层为提高保护涂层结合力的打底涂层（MCrAlY， M为Co、Ni等金属元素），第二层为热障涂层金属氧化物（ZrO₂、SiO₂等），第三层为67%的热障涂层金属氧化物和33%的保护涂层材料（铁基合金涂层、镍基合金涂层等），第四层为33%的热障涂层金属氧化物和67%的保护涂层材料，第五层为100%的保护涂层材料。其中多层保护涂层并不局限于这一种变化。

至少在一个实施例中，最表面的涂层中可以含有质量分数为0.1%-50%的自润滑材料，例如：石墨、硫化钼和氟化钙等。用以应付在恶劣条件下无法形成均匀润滑油膜的干摩擦条件下的摩擦。

当活塞在缸孔长度/高度的中间部分中以相对高的速度移动时，摩擦条件可以是流体动力摩擦，其中在活塞和缸孔/涂层表面之间几乎没有粗糙面接触并且在活塞和缸孔/涂层表面之间存在大间隙。这种摩擦状况可能需要较大量的润滑以填充活塞和缸孔/涂层表面之间的较大间隙。因此，在发生流体动力摩擦的区域(例如，在最大和接近最大活塞速度及相应的曲柄角处)中，涂层可以具有相对高的孔隙率。

当活塞在这两个区域之间朝向或远离TDC或BDC移动时，活塞速度相对中等，摩擦状况可以是边界摩擦和流体动力摩擦的混合摩擦(例如，一些粗糙面接触)。这种摩擦状况可能需要中等量的润滑以填充活塞和缸孔/涂层表面之间的适中间隙。因此，在发生混合摩擦的区域(例如，在中等活塞速度和相应的曲柄角处)中，涂层可以具有相对中等的孔隙率。

除了摩擦状况之外，活塞速度还根据汽缸孔中的活塞位置而变化。在TDC和BDC处，速度为零或基本为零并且在接近TDC/BDC的曲柄角处相对较低。该速度随着活塞朝向汽缸中间/中心移动而增加，并且可以在中间/中心处或其附近(例如，在或大约在90度的曲柄角处)达到最大值。摩擦力可以根据速度而改变，通常随着速度增加而增加。因此，已经发现，在最大速度区域处的汽缸孔涂层中提供增加的孔隙率水平可以改善润滑并减少摩擦。如上所述，孔隙率可以沿着缸孔的高度变化以对应于摩擦状况、活塞速度和/或曲柄角，以便在每个区域中提供一定量的润滑。可以存在两个或更多个(例如，两个、三个、四个、五个或更多)不同孔隙率的区域，或者可以连续地或以非常小的离散台阶调节孔隙率。

将至少一个实施例中加工出来的涂层进行硬度测试，测试数据如下：

数据1：

涂层材料	涂层1	涂层2	涂层3	涂层4	涂层5	涂层6	涂层7	涂层8	涂层9	涂层10	涂层11	涂层12	涂层13	涂层14
															铁基合金	508.3	706.7	586.5	478.8	615.4	590	534.6	494.6	600.7	534.6	473.7	600.7	497.3	650.5

数据2：

涂层材料	涂层15	涂层16	涂层17	涂层18	涂层19	涂层20	涂层21	涂层22	涂层23	涂层24
											镍基合金	885.6	638.4	965.9	948.8	554.5	932.3	957.3	916.2	863.8	932.3

数据3：

涂层材料	涂层25	涂层26	涂层27	涂层28	涂层29	涂层30
							金属陶瓷	1348.2	1256.71	1159.8	1268.9	1384.9	1399.3

结论：1、由表中数据可以得出，加工后的涂层硬度与涂层材料本身有关，涂层材料硬度越高，经过本工艺加工后的涂层硬度就越高。2、在涂层材料大致相同的前提下，通过调整本工艺的具体参数，从而调整涂层中的孔隙率或合金成分，能够在一定范围内进行涂层硬度的调整。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种保护涂层施工工艺，其特征在于，包括喷涂阶段：

将粉末状或者丝状的涂层材料加热到半熔化或者熔化状态，通过气体加速至速度超过100m/s并喷射到待喷涂的基体表面，涂层材料末端速度达到至少50m/s，堆积到基体表面；其中基体待加工面与加速的金属材料运动方向的夹角为20-90度。

2.根据权利要求1所述的一种保护涂层施工工艺，其特征在于，喷涂阶段具体为将基体放入喷涂机器上进行喷涂，喷头与基体受涂面的夹角为20-90度，过程中对基体进行冷却，气体加速的方式为压强至少为0.3MPA的气体经过600度以上高温加热产生的气体剧烈膨胀。

3.根据权利要求1或2所述的一种保护涂层施工工艺，其特征在于，喷涂前，对基体进行粗糙化。

4.根据权利要求1或2所述的一种保护涂层施工工艺，其特征在于，所述基体材质为铸铁或轻金属或轻金属合金。

5.根据权利要求3所述的一种保护涂层施工工艺，其特征在于，将基体粗糙化至表面粗糙度大于等于Ra=10um。

6.根据权利要求1所述的一种保护涂层施工工艺，其特征在于，喷涂阶段中保护涂层单层厚度不超过35um。

7.根据权利要求1、2、5或6任一条所述的一种保护涂层施工工艺，其特征在于，喷涂方式为高速喷涂。

8.根据权利要求7所述的一种保护涂层施工工艺，其特征在于，采用高速电弧喷涂工艺，其中喷涂电压35-38V，喷涂电流180-220A，喷涂距离140-300mm，压缩空气压力0.4-0.8MPa，送丝速度为1-4m/s；或者采用高速等离子喷涂工艺，喷涂电流250-350 A，喷涂距离140-300mm，压缩空气压力0.4-0.8 MPa，辅助燃气为丙烷或乙炔，流量为12-20L/min，供粉速度为30-200g/min；或者采用普通高速喷涂工艺，其中氧气压强0.4-1.2MPa、流量10-60L/min，氮气压强0.3-1.5MPa，流速为300-1200L/h，涂层材料的送粉速度30-200g/min，燃料流量50-300g/min。

9.根据权利要求1或8所述的一种保护涂层施工工艺，其特征在于，喷涂阶段喷头与基体受涂面的夹角在20-90度范围内渐进式变化。

10.根据权利要求1、2、5或6任一条所述的一种保护涂层施工工艺，其特征在于，喷涂阶段喷头自基体一端喷涂至基体另一端或者至少两个喷头分别自基体两端同时由基体边缘向基体中部移动喷涂。