CN114107874A - 一种隔热活塞及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及内燃机活塞技术领域，更具体而言，涉及一种隔热活塞及制备方法，在活塞顶部边缘部位依次涂覆金属/合金改性粘结层、金属/合金改性氧化钇涂层、具有空心结构的氧化钇陶瓷涂层和封孔层；采用等离子体喷涂技术，调整工艺，喷涂涂层，提高孔隙率，降低涂层体积热容，实现涂层隔热。通过在顶部局部涂层技术可以根据缸内气体温度来改变壁面温度，减少冷却损失和防止进气加热；可降低热容度50%以上，热导率降低33%以上；通过封孔层材料能够防止因燃烧压力作用产生的气体侵入，同时还能提高涂层的强度。通过本发明的方法制备的活塞具有低热容、低热导率的特点。

Description

一种隔热活塞及制备方法
技术领域
本发明涉及内燃机活塞技术领域，更具体而言，涉及一种隔热活塞及制备方法。
背景技术
目前，提高热效率是柴油机改进和发展的首要目标，降低能源消耗首先要考虑的也是热效率问题。由于当前的后处理减排技术和涡轮增压技术对其影响较小，减少壁热损失仍然是主要的提高内燃机热效率的途径，因此需要在燃烧室壁面制备隔热涂层。
现有活塞进行隔热涂层处理，喷涂粉材多是氧化锆、氧化钇稳定氧化锆，其热容较高。另外，在活塞顶面全部涂覆，成本高，工艺难以控制，涂层厚度不均匀，难以加工，影响活塞燃烧室型线，影响燃烧效率，进一步影响发动机热效率。
因此有必要提供一种活塞的低成本、隔热性能好的涂层涂覆工艺。
发明内容
针对现阶段技术中存在的问题，本发明提出一种隔热活塞及制备方法，通过对涂层的改进来降低成本，改善活塞的隔热性能。
本发明实现上述目的的技术方案如下：
一种隔热活塞的制备方法，包括以下步骤：
S1、在活塞顶部边缘部位涂覆金属/合金改性粘结层；
S2、在涂覆有粘结层活塞表面涂覆金属/合金改性氧化钇涂层；
S3、在涂覆有粘结层和氧化钇涂层的活塞表面涂覆具有空心结构的氧化钇陶瓷涂层；
S4、涂覆上述涂层的活塞表面进行封孔处理。
进一步地，所述活塞在涂覆金属/合金改性粘结层之前通过喷砂：喷砂磨料为刚玉砂或石英砂，磨料粒径为80-120目，喷砂压力为0.4-0.6MPa，吹砂距离为100-120mm，喷砂时间为10-30s，喷砂角度为75-90°，喷砂后粗糙度为2.5-4.5μm。
进一步地，所述金属/合金改性粘结层为稀土金属/合金改性NiCoCrAlY层、稀土金属/合金改性NiCrAlY层或稀土金属/合金改性NiAlY层；
其中，稀土金属/合金为Ce、Y、Re、Nd、La和Sm中的一种或多种。
进一步地，步骤S1中涂覆方式为等离子体喷涂，涂覆层厚度为50-150µm；粉末粒度为50-90µm，氧-燃气比例为4.2-5.6：1，喷涂距离为80-125mm，送粉量为20-35g/min，电压为55-75 V，电流为550-700A。
进一步地，所述金属/合金改性氧化钇涂层中稀土金属/合金为Ce、Y、Re、Nd、La和Sm中的一种或多种。
进一步地，步骤S2中涂覆方式为等离子体喷涂，涂覆层厚度为100-200µm；喷涂粉料的粒径为10-100µm，氧-燃气比例为4.2-5.6：1，喷涂距离为80-125mm，送粉量控制为20-35g/min，电压为55-75 V，电流为550-700A。
进一步地，步骤S3中涂覆方式为等离子体喷涂，涂覆层厚度为400-500µm；喷涂粉料的粒径为10-100µm，氧-燃气比例为4.2-5.6：1，喷涂距离为80-125mm，送粉量为20-35g/min，电压为55-75 V，电流为550-700A。
进一步地，步骤S4中封孔处理具体为：采用抹涂、喷涂或刷漆将封孔剂均匀涂敷于活塞顶部涂层表，将封孔涂层放在300-500℃下保温1-3小时；所述封孔处理的封孔层厚度为2-20µm。
进一步地，封孔的材料为聚硅氮烷，封孔后活塞顶部涂层在400℃进行固化保温2小时。
第二方面，本发明提供了一种通过上述的方法制备得到的活塞。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种隔热活塞的制备方法，在活塞顶部边缘部位依次涂覆金属/合金改性粘结层、金属/合金改性氧化钇涂层、具有空心结构的氧化钇陶瓷涂层和封孔层；采用等离子体喷涂技术，调整工艺，喷涂涂层，提高孔隙率，降低涂层体积热容，实现涂层隔热。通过在顶部局部涂层技术可以根据缸内气体温度来改变壁面温度，减少冷却损失和防止进气加热；通过氧化钇涂层及对其的改性工艺，制得多孔结构，可降低热容度50%以上，热导率降低33%以上；通过封孔层材料能够防止因燃烧压力作用产生的气体侵入，同时还能提高涂层的强度。通过本发明的方法制备的活塞具有低热容、低热导率的特点；进而增大进气量，减少热量损失，促进缸内气体流动，加大燃烧效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为温度对隔热活塞温度的影响曲线；
图2为温度对隔热活塞热导率的影响曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到的。
以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值或平均值±标准差。
实施例1：
（1）采用刚玉粉或石英砂对钢质活塞顶部表面进行喷砂粗化处理，增加粘结层与基体粘合强度。喷砂工艺参数：喷砂磨料的粒径为80目，喷砂压力为0.4MPa，吹砂距离为100mm，喷砂时间为10s，喷砂角度为75°，喷砂后粗糙度为2.5μm。
（2）采用等离子体喷涂方法在活塞顶部表面喷涂稀土金属/合金改性粘结层：稀土金属/合金改性粘结层为为稀土金属/合金改性NiCoCrAlY层、稀土金属/合金改性NiCrAlY层或稀土金属/合金改性NiAlY层，稀土金属/合金为Ce、Y、Re、Nd、La、Sm一种或多种，涂层厚度500µm。工艺参数：适宜粉末粒度为50µm，氧-燃气比例为4.2：1，喷涂距离为80mm，送粉量为20g/min，电压为55V，电流为550A，即功率为30.25kw。
（3）采用等离子体喷涂设备在活塞顶部表面喷涂稀土金属/合金改性的氧化钇涂层：以氧化钇作为隔热陶瓷氧化物涂层原料，稀土金属/合金可为Ce、Y、Re、Nd、La、Sm一种或多种。通过离心喷雾造粒，等离子弧球化制备出用于喷涂的稀土金属/合金改性的氧化钇粉料；采用等离子体喷涂方法，经过熔化和加速后粉末沉积到涂覆有粘结层的活塞顶部表面。其中涂层厚度为100µm。工艺参数：适宜粉末粒度为10µm，氧-燃气比例为4.2：1，喷涂距离为80mm，送粉量为20g/min，电压为55V，电流为550A，即功率为30.25kw。
（4）采用等离子体喷涂设备在活塞顶部喷涂波浪叠加结构的氧化钇涂层：以具有空心结构的氧化钇作为隔热陶瓷氧化物面层原料；采用等离子体喷涂方法，经过熔化和加速后粉末沉积到涂覆有稀土改性粘结层和稀土金属改性氧化钇过渡层的活塞顶部。其中涂层厚度为400µm。工艺参数：适宜粉末粒度为10µm，氧-燃气比例为4.2：1，喷涂距离为80，送粉量为20g/min，电压为55V，电流为550A，即功率为30.25kw。
其中，波浪式叠加结构可理解为形成的陶瓷颗粒弯曲交错排列，并非成直线型或孤立的排列结构。
（5）采用抹涂、喷涂或刷漆方法对涂覆有隔热氧化钇陶瓷涂层（4）的活塞表面进行封孔处理，其中密封剂选择聚硅氮烷、水玻璃或聚硅氧烷其中一种或几种；其中封孔层厚度为2µm。采用喷涂/刷涂方法将封孔剂均匀涂敷于活塞顶部涂层表面，使其充分渗入到涂层孔隙中，将封孔涂层放在300℃下保温1小时。对于活塞顶部喷涂涂层封孔处理，封孔材料选择聚硅氮烷，其中聚硅氮烷通过苯分散处理。
实施例2
（1）采用刚玉粉或石英砂对钢质活塞顶部表面进行喷砂粗化处理，增加粘结层与基体粘合强度。喷砂工艺参数：喷砂磨料的粒径为100目，喷砂压力为0.5MPa，吹砂距离为110mm，喷砂时间为20s，喷砂角度为80°，喷砂后粗糙度为3.5μm。
（2）采用等离子体喷涂方法在活塞顶部表面喷涂稀土金属/合金改性粘结层：稀土金属/合金改性粘结层为为稀土金属/合金改性NiCoCrAlY层、稀土金属/合金改性NiCrAlY层或稀土金属/合金改性NiAlY层，稀土金属/合金可为Ce、Y、Re、Nd、La、Sm一种或多种，涂层厚度100µm。工艺参数：适宜粉末粒度为70µm，氧-燃气比例为5:1，喷涂距离为100mm，送粉量为30g/min，电压为65V，电流为600A，即功率为39kw。
（3）采用等离子体喷涂设备在活塞顶部表面喷涂稀土金属/合金改性的氧化钇涂层：以氧化钇作为隔热陶瓷氧化物涂层原料，稀土金属/合金可为Ce、Y、Re、Nd、La、Sm一种或多种。通过离心喷雾造粒，等离子弧球化制备出用于喷涂的稀土金属/合金改性的氧化钇粉料；采用等离子体喷涂方法，经过熔化和加速后粉末沉积到涂覆有粘结层的活塞顶部表面。其中涂层厚度为150µm。工艺参数：适宜粉末粒度为50µm，氧-燃气比例为5:1，喷涂距离为100mm，送粉量为30g/min，电压为65V，电流为600A，即功率为39kw。
（4）采用等离子体喷涂设备在活塞顶部喷涂波浪叠加结构的氧化钇涂层：以具有空心结构的氧化钇作为隔热陶瓷氧化物面层原料；采用等离子体喷涂方法，经过熔化和加速后粉末沉积到涂覆有稀土改性粘结层和稀土金属改性氧化钇过渡层的活塞顶部。其中涂层厚度为450µm。工艺参数：适宜粉末粒度为50µm，氧-燃气比例为5:1，喷涂距离为100mm，送粉量为30g/min，电压为65V，电流为600A，即功率为39kw。
其中，波浪式叠加结构可理解为形成的陶瓷颗粒弯曲交错排列，并非成直线型或孤立的排列结构。
（5）采用抹涂、喷涂或刷漆方法对涂覆有隔热氧化钇陶瓷涂层（4）的活塞表面进行封孔处理，其中密封剂选择聚硅氮烷、水玻璃或聚硅氧烷其中一种或几种；其中封孔层厚度为10µm。采用喷涂/刷涂方法将封孔剂均匀涂敷于活塞顶部涂层表面，使其充分渗入到涂层孔隙中，将封孔涂层放在400℃下保温2小时。对于活塞顶部喷涂涂层封孔处理，封孔材料选择聚硅氮烷，其中聚硅氮烷通过苯分散处理。
实施例3
（1）采用刚玉粉或石英砂对钢质活塞顶部表面进行喷砂粗化处理，增加粘结层与基体粘合强度。喷砂工艺参数：喷砂磨料的粒径为120目，喷砂压力为0.6MPa，吹砂距离为120mm，喷砂时间为30s，喷砂角度为90°，喷砂后粗糙度为4.5μm。
（2）采用等离子体喷涂方法在活塞顶部表面喷涂稀土金属/合金改性粘结层：稀土金属/合金改性粘结层为为稀土金属/合金改性NiCoCrAlY层、稀土金属/合金改性NiCrAlY层或稀土金属/合金改性NiAlY层，稀土金属/合金可为Ce、Y、Re、Nd、La、Sm一种或多种，涂层厚度150µm. 工艺参数：适宜粉末粒度为90µm，氧-燃气比例为5.6:1，喷涂距离为125mm，送粉量为35g/min，电压为75 V，电流为700A，即功率为52.50 kw。
（3）采用等离子体喷涂设备在活塞顶部表面喷涂稀土金属/合金改性的氧化钇涂层：以氧化钇作为隔热陶瓷氧化物涂层原料，稀土金属/合金可为Ce、Y、Re、Nd、La、Sm一种或多种。通过离心喷雾造粒，等离子弧球化制备出用于喷涂的稀土金属/合金改性的氧化钇粉料；采用等离子体喷涂方法，经过熔化和加速后粉末沉积到涂覆有粘结层的活塞顶部表面。其中涂层厚度为200µm。工艺参数：适宜粉末粒度为100µm，氧-燃气比例为5.6:1，喷涂距离为125mm，送粉量为35g/min，电压为75 V，电流为700A，即功率为52.50 kw。
（4）采用等离子体喷涂设备在活塞顶部喷涂波浪叠加结构的氧化钇涂层：以具有空心结构的氧化钇作为隔热陶瓷氧化物面层原料；采用等离子体喷涂方法，经过熔化和加速后粉末沉积到涂覆有稀土改性粘结层和稀土金属改性氧化钇过渡层的活塞顶部。其中涂层厚度为500µm。工艺参数：适宜粉末粒度为100µm，氧-燃气比例为5.6:1，喷涂距离为80-125mm，送粉量为35g/min，电压为75 V，电流为700A，即功率为52.50 kw。
其中，波浪式叠加结构可理解为形成的陶瓷颗粒弯曲交错排列，并非成直线型或孤立的排列结构。
（5）采用抹涂、喷涂或刷漆方法对涂覆有隔热氧化钇陶瓷涂层（4）的活塞表面进行封孔处理，其中密封剂选择聚硅氮烷、水玻璃或聚硅氧烷其中一种或几种；其中封孔层厚度为20µm。然后对封孔处理后的活塞在500℃下保温3小时。采用喷涂/刷涂方法将封孔剂均匀涂敷于活塞顶部涂层表面，使其充分渗入到涂层孔隙中。对于活塞顶部喷涂涂层封孔处理，封孔材料选择聚硅氮烷，其中聚硅氮烷通过苯分散处理。
在本申请的实施例中，金属/合金改性粘结层是指将金属或合金与粘结材料合金化后制成粉末，其中金属为Ce、Y、Re、Nd、La和Sm中的一种或多种的金属材料；合金为含有Ce、Y、Re、Nd、La和Sm元素中的一种或多种的合金；粘结材料为NiCoCrAlY、NiCrAlY或NiAlY。
在本申请的实施例中，金属/合金改性氧化钇是指将金属或合金与氧化钇合金化后制成粉末，其中金属为Ce、Y、Re、Nd、La和Sm中的一种或多种的金属材料；合金为含有Ce、Y、Re、Nd、La和Sm元素中的一种或多种的合金。
在上述实施例的基础上，合金化为将原料混合熔炼后通过雾化制粉法制备预合金化粉。
在上述实施例的基础上，涂覆方式还可以是超音速火焰喷涂、激光熔覆、电弧熔覆。
在本发明实的描述中，“多”的含义是两个或两个以上。
对比例1
（1）采用刚玉粉或石英砂对钢质活塞顶部表面进行喷砂粗化处理，增加粘结层与基体粘合强度。喷砂工艺参数：喷砂磨料的粒径为100目，喷砂压力为0.5MPa，吹砂距离为110mm，喷砂时间为20s，喷砂角度为80°，喷砂后粗糙度为3.5μm。
（2）采用等离子体喷涂方法在活塞顶部表面喷涂稀土金属/合金改性粘结层：稀土金属/合金改性粘结层为为稀土金属/合金改性NiCoCrAlY层、稀土金属/合金改性NiCrAlY层或稀土金属/合金改性NiAlY层，稀土金属/合金可为Ce、Y、Re、Nd、La、Sm一种或多种，涂层厚度100µm。工艺参数：适宜粉末粒度为70µm，氧-燃气比例为5:1，喷涂距离为100mm，送粉量为30g/min，电压为65V，电流为600A，即功率为39kw。
（3）采用等离子体喷涂设备在活塞顶部表面喷涂稀土金属/合金改性的氧化锆涂层：以氧化锆作为隔热陶瓷氧化物涂层原料，稀土金属/合金可为Ce、Y、Re、Nd、La、Sm一种或多种。通过离心喷雾造粒，等离子弧球化制备出用于喷涂的稀土金属/合金改性的氧化锆粉料；采用等离子体喷涂方法，经过熔化和加速后粉末沉积到涂覆有粘结层的活塞顶部表面。其中涂层厚度为150µm。工艺参数：适宜粉末粒度为50µm，氧-燃气比例为5:1，喷涂距离为100mm，送粉量为30g/min，电压为65V，电流为600A，即功率为39kw。
（4）采用等离子体喷涂设备在活塞顶部喷涂波浪叠加结构的氧化钇涂层：以具有空心结构的氧化钇作为隔热陶瓷氧化物面层原料；采用等离子体喷涂方法，经过熔化和加速后粉末沉积到涂覆有稀土改性粘结层和稀土金属改性氧化钇过渡层的活塞顶部。其中涂层厚度为450µm。工艺参数：适宜粉末粒度为50µm，氧-燃气比例为5:1，喷涂距离为100mm，送粉量为30g/min，电压为65V，电流为600A，即功率为39kw。
其中，波浪式叠加结构可理解为形成的陶瓷颗粒弯曲交错排列，并非成直线型或孤立的排列结构。
（5）采用抹涂、喷涂或刷漆方法对涂覆有隔热氧化钇陶瓷涂层（4）的活塞表面进行封孔处理，其中密封剂选择聚硅氮烷、水玻璃或聚硅氧烷其中一种或几种；其中封孔层厚度为10µm。采用喷涂/刷涂方法将封孔剂均匀涂敷于活塞顶部涂层表面，使其充分渗入到涂层孔隙中，将封孔涂层放在400℃下保温2小时。对于活塞顶部喷涂涂层封孔处理，封孔材料选择聚硅氮烷，其中聚硅氮烷通过苯分散处理。
图1为温度对隔热活塞温度的影响曲线；图2为温度对隔热活塞热导率的影响曲线；从图中可以得出，本发明实施例制备的活塞降低热容度50%以上，热导率降低33%以上。传统氧化锆涂层热导率高，隔热性能差。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种隔热活塞的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在活塞顶部边缘部位涂覆金属/合金改性粘结层；
S2、在涂覆有粘结层的活塞表面涂覆金属/合金改性氧化钇涂层；
S3、在涂覆有粘结层和氧化钇涂层的活塞表面涂覆具有空心结构的氧化钇陶瓷涂层；
S4、涂覆上述涂层的活塞表面进行封孔处理。
2.根据权利要求1所述的隔热活塞的制备方法，其特征在于，所述活塞在涂覆金属/合金改性粘结层之前通过喷砂进行粗化处理：喷砂磨料为刚玉砂或石英砂，磨料粒径为80-120目，喷砂压力为0.4-0.6MPa，吹砂距离为100-120mm，喷砂时间为10-30s，喷砂角度为75-90°，喷砂后粗糙度为2.5-4.5μm。
3.根据权利要求1所述的隔热活塞的制备方法，其特征在于，所述金属/合金改性粘结层为稀土金属/合金改性NiCoCrAlY层、稀土金属/合金改性NiCrAlY层或稀土金属/合金改性NiAlY层；
其中，稀土金属/合金为Ce、Y、Re、Nd、La和Sm中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的隔热活塞的制备方法，其特征在于，步骤S1中涂覆方式为等离子体喷涂，涂覆层厚度为50-150µm；等离子体喷涂的粉末粒度为50-90µm，氧-燃气比例为4.2-5.6：1，喷涂距离为80-125mm，送粉量为20-35g/min，电压为55-75 V，电流为550-700A。
5.根据权利要求1所述的隔热活塞的制备方法，其特征在于，金属/合金改性氧化钇涂层中金属/合金为Ce、Y、Re、Nd、La和Sm中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的隔热活塞的制备方法，其特征在于，步骤S2中涂覆方式为等离子体喷涂，涂覆层厚度为100-200µm；等离子体喷涂的粉料粒径为10-100µm，氧-燃气比例为4.2-5.6：1，喷涂距离为80-125mm，送粉量控制为20-35g/min，电压为55-75 V，电流为550-700A。
7.根据权利要求1所述的隔热活塞的制备方法，其特征在于，步骤S3中涂覆方式为等离子体喷涂，涂覆层厚度为400-500µm；等离子体喷涂的粉料粒径为10-100µm，氧-燃气比例为4.2-5.6:1，喷涂距离为80-125mm，送粉量为20-35g/min，电压为55-75 V，电流为550-700A。
8.根据权利要求1所述的一种隔热活塞的制备方法，其特征在于，步骤S4中封孔处理具体为：采用抹涂、喷涂或刷漆将封孔剂均匀涂敷于活塞顶部涂层表，将封孔涂层放在300-500℃下保温1-3小时；所述封孔处理的封孔层厚度为2-20µm。
9.根据权利要求1所述的一种隔热活塞的制备方法，其特征在于，封孔的材料为聚硅氮烷，封孔后活塞顶部涂层在400℃进行固化保温2小时。
10.一种权利要求1-9任一项所述的方法制备得到的活塞。
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