一種用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件防護(hù)的隔熱涂層材料及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】一種用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件防護(hù)的鐵基熱障涂層材料及其制備方法，屬于隔熱防護(hù)材料【技術(shù)領(lǐng)域】。選用高純度金屬與合金，包括：鐵、鉻、鉬、碳、硅、鉺以及硼鐵等，采用用高壓Ar氣氣體霧化法制備合金粉末，最終獲得粒度均在20～43μm的合金粉末，合金粉末中元素成分的質(zhì)量百分含量為：Cr:5-20wt.%；Mo:15-30wt.%；C:1-4wt.%；B:0.5-3wt.%；Si：0.5-2.5wt.%；Er:0.5-3wt.%，F(xiàn)e及不可避免的雜質(zhì):余量。采用超音速火焰噴涂工藝制備鐵基非晶隔熱涂層，本發(fā)明制備的涂層具有相對(duì)較低的熱導(dǎo)率，可用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的防護(hù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件防護(hù)的隔熱涂層材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于隔熱防護(hù)材料領(lǐng)域，具體涉及一種用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的鐵基熱障涂層材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自19世紀(jì)以來(lái)，汽車(chē)工業(yè)及相關(guān)科學(xué)技術(shù)取得了高速發(fā)展，不僅為人們帶來(lái)了舒適便利的生活條件，也代表了同期較高的科技發(fā)展水平。然而，其負(fù)面效應(yīng)所引發(fā)的環(huán)境負(fù)擔(dān)越來(lái)越受到社會(huì)的廣泛重視，其中，尾氣排放中所富含的CO、碳?xì)浠衔?HC)、NOx和固體粉塵顆粒等已成為導(dǎo)致城市空氣污染和居民呼吸道疾病頻發(fā)的重要原因之一，而大量不可再生燃料的消耗也引發(fā)了能源危機(jī)。在節(jié)能減排方針的指引下，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的改造成為必然趨勢(shì)。其中引入低散熱(low-heat rejection, LHR)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)理念可有效提高熱能利用率，并降低污染物的排放，同時(shí)減少冷卻系統(tǒng)的使用以達(dá)到車(chē)身減重，從而降低能源消耗。
[0003]現(xiàn)階段，包括缸內(nèi)直噴和渦輪增壓等技術(shù)的成熟開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，有效提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油利用率。而對(duì)于未來(lái)發(fā)展方向，在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)上增加汽缸內(nèi)燃燒溫度及壓力，不僅可以進(jìn)一步提高能源利用率，同時(shí)充分燃燒也能夠有效降低排放，這已成為以德國(guó)為代表的歐盟國(guó)家的主要研發(fā)目標(biāo)，并將參考制定歐6排放標(biāo)準(zhǔn)。但是，除了磨損、腐蝕等方面的考慮，增加燃燒溫度所面臨的主要問(wèn)題之一是接近甚至超過(guò)鋁合金結(jié)構(gòu)材料的耐熱極限，尤其是對(duì)于一些難以進(jìn)行冷卻設(shè)計(jì)的熱端部件(如活塞、氣門(mén)等)。
[0004]近些年熱障涂層(thermal barrier coatings, TBCs)技術(shù)的系統(tǒng)研究及其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的成功應(yīng)用，為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件材料的熱防護(hù)問(wèn)題提供了較好的參考。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)TBCs的研究均以陶瓷材料為主，較為典型的如氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ, Zr02/6-8Y203)，采用等離子噴涂或物理氣相沉積技術(shù)制備的YSZ涂層已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上得到了廣泛應(yīng)用。
[0005]相比于航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)的工作溫度較低，典型汽油機(jī)熱端材料的服役溫度通常在300~500°C之間，這使得采用金屬基材料制備防護(hù)涂層可以作為一種可行的研究思路，而其相對(duì)較好的韌性能夠有效彌補(bǔ)陶瓷涂層的缺陷。
[0006]在涂層制備方法中，超音速火焰噴涂(HVOF)具有其鮮明的工藝特點(diǎn)，包括超高的焰流速度和相對(duì)較低的溫度，涂層致密，結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)，是制備金屬基非晶涂層的有效方法之一。
[0007]經(jīng)檢索，目前并無(wú)采用超音速火焰噴涂(HVOF)制備鐵基非晶熱障涂層相關(guān)技術(shù)的專(zhuān)利報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種低熱導(dǎo)率的金屬基隔熱涂層材料及其涂層制備方法。[0009]—種鐵基熱障涂層合金粉末材料,其特征在于,合金粉末粒度均在20~43μηι,合金粉末中元素成分的質(zhì)量百分含量為:Cr: 5-20wt.% ；Mo: 15_30wt.% ；C: l_4wt.% ；B:0.5-3wt.% ；Si:0.5-2.5wt.% ；Er:0.5-3wt.%，F(xiàn)e 及不可避免的雜質(zhì):余量。
[0010]優(yōu)選所述鐵基涂層用的合金粉末的元素質(zhì)量百分含量為:Cr:8-18Wt.%;Mo: 18-28wt.% ；C: 1.5-3.6wt.% ；B:0.8-2.5wt.% ；S1:0.5-2wt.% ；Er:0.5-2.5wt.% ；Fe 及不可避免的雜質(zhì):余量。
[0011]采用本發(fā)明上述多元合金粉末材料制備一種低熱導(dǎo)率的金屬基隔熱涂層，其特征在于，包括如下步驟:
[0012]步驟1、選用鐵、鉻、鑰、碳、硅、鉺以及硼鐵，其中金屬為高純度金屬(質(zhì)量含量99.9%)，硼鐵中B的質(zhì)量含量:18.25% ;優(yōu)選采用高壓Ar氣氣體霧化法制備合金粉末，最終獲得粒徑均在20~43μπι的合金粉末，合金粉末中元素成分的質(zhì)量百分含量為:Cr:5-20wt.% ；Mo:15-30wt.% ；C: l-4wt.% ；B:0.5-3wt.% ；S1:0.5-2.5wt.% ；Er:0.5-3wt.%,, Fe及不可避免的雜質(zhì):余量；
[0013]步驟2、對(duì)金屬基體表面進(jìn)行預(yù)處理去除表面氧化膜以及污垢，然后對(duì)基材進(jìn)行噴砂處理；
[0014]步驟3、將步驟I粉末采用超音速火焰噴涂(High velocity oxygen fuel, HVOF)工藝制備鐵基隔熱涂層，噴涂工藝參數(shù)為:煤油流量:22-28L/h，氧氣流量2100-2250SCH1，送粉率:4.5-6r/min,噴涂距離:350-400mm，送粉氣流量:12SCHL
[0015]對(duì)步驟3所述噴涂工藝進(jìn)行優(yōu)化，工藝參數(shù)為:煤油流量:24_28L/h，氧氣流量2150-2250SCFH,送粉率:5r/min,噴涂距離:350mm,送粉氣流量:12SCHL
[0016]步驟2中的金屬基體優(yōu)選鋁合金基體。
[0017]采用上述方法制備得到的一種具有相對(duì)較低熱導(dǎo)率的鐵基隔熱涂層。
[0018]本發(fā)明采用超音速火焰噴涂方法制備的一種鐵基非晶涂層所具有的低熱導(dǎo)率主要是其自身組分所決定的。其作用為:
[0019]根據(jù)非晶形成的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，認(rèn)為多組元且主要組元之間的原子尺寸比差異較大以及混合熱為負(fù)值的體系具有較高的非晶形成能力。原子尺寸的差別是影響非晶合金形成與穩(wěn)定性的重要因素。
[0020]Cr、Mo:原子尺寸較大，同時(shí)在合金體系中可以顯著提高合金的抗氧化性和耐腐蝕性以及相對(duì)耐磨性。
[0021]Er:大尺寸原子，稀土元素，明顯提高合金體系的非晶形成能力，有助于形成非晶/納米晶涂層，室溫下熱導(dǎo)率約為20-25W/mK。
[0022]Si，B，C元素:類(lèi)金屬元素，原子半徑小，增加合金系液體結(jié)構(gòu)的無(wú)規(guī)堆錯(cuò)性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜性，促使非晶的形成，同時(shí)其具有相對(duì)較低的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。
[0023]涂層的隔熱效果是通過(guò)各個(gè)元素相互協(xié)同作用決定的，并不是單一元素決定的。
[0024]本發(fā)明與常規(guī)的陶瓷基熱障涂層相比，該金屬基熱障涂層具有以下特點(diǎn):
[0025]1、具有較低的熱導(dǎo)率，可達(dá)到3.05ff/mK ；
[0026]1、金屬基涂層表現(xiàn)出相對(duì)較好的韌性，能夠有效彌補(bǔ)陶瓷涂層的缺陷；
[0027]3、能夠與金屬基體具有更好的熱膨脹匹配性，并簡(jiǎn)化制備工藝(無(wú)需粘結(jié)層)、降低成本。[0028]4、本發(fā)明制備的非晶涂層在保持較好的耐磨耐蝕性的同時(shí)具有較低的熱導(dǎo)率。本發(fā)明可用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件防護(hù)，提供有利的技術(shù)指導(dǎo)和適宜的解決方案。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1實(shí)施例1制備的非晶涂層X(jué)RD分析圖譜；
[0030]圖2實(shí)施例1制備的非晶涂層SEM典型形貌特征；
[0031]圖3實(shí)施例1制備的非晶涂層的差熱分析(DSC)。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明決非僅局限于所陳述的實(shí)施例。
[0033]制備一種無(wú)添加硬質(zhì)相的高硬度鐵基無(wú)磁熔覆層的方法，包括以下步驟:各實(shí)施例中具體參數(shù)見(jiàn)實(shí)施例:
[0034]1、選用高純度原料(99.9mass %)的 Fe、Cr、Mo、C、S1、Er,以及 FeB (B:18.25mass% )合金。
[0035]2、采用高壓Ar氣氣體霧化法制備而成，將收集到的粉末篩分出不同粒度范圍，其中，20~43 μ m的粉末用于超音速火焰噴涂。
[0036]3、將步驟2的粉末采用超音速火焰噴涂工藝制備Fe基非晶熱障涂層。
[0037]實(shí)施例1
[0038]Fe基合金粉末中元素成分質(zhì)量百分含量如下:Cr:14.5wt.% ；Mo: 25.5wt.% ；C:2.2wt.% ；B:1.7wt.% ；S1:1.5wt.% ；Er:2.0wt.%，F(xiàn)e 余量。制備鐵基隔熱涂層，噴涂工藝參數(shù)為:煤油流量:24L/h，氧氣流量2150SCFH，送粉率:5r/min，噴涂距離:350mm，送粉氣流量:12SCHL
[0039]實(shí)施例2
[0040]Fe基合金粉末中元素成分質(zhì)量百分含量如下:Cr:14.5wt.% ；Mo: 25.5wt.% ；C:2.2wt.% ；B:1.7wt.% ；S1:1.5wt.% ；Er:2.0wt.%，F(xiàn)e 余量。制備鐵基隔熱涂層，噴涂工藝參數(shù)為:煤油流量:26L/h，氧氣流量2250SCFH，送粉率:5r/min，噴涂距離:350mm，送粉氣流量:12SCHL
[0041]實(shí)施例3
[0042]Fe基合金粉末中元素成分質(zhì)量百分含量如下:Cr: 16.5wt.% ；Mo:21wt.% ；C:3.0wt.% ；B:2.lwt.% ；S1:2.0wt.% ；Er: 1.5wt.%, Fe 余量。制備鐵基隔熱涂層，噴涂工藝參數(shù)為:煤油流量:24L/h，氧氣流量2150SCFH，送粉率:5r/min，噴涂距離:350mm，送粉氣流量:12SCHL
[0043]實(shí)施例4
[0044]Fe基合金粉末中元素成分質(zhì)量百分含量如下:Cr: 12wt.% ；Mo: 27wt.% ；C:3.5wt.% ；B: 1.8wt.% ；S1:1.5wt.% ；Er: 1.0wt.%, Fe 余量。制備鐵基隔熱涂層，噴涂工藝參數(shù)為:煤油 流量:24L/h，氧氣流量2150SCFH，送粉率:5r/min，噴涂距離:350mm，送粉氣流量:12SCHL
[0045]對(duì)比例I[0046]Fe基合金粉末中元素成分質(zhì)量百分含量如下:Cr: 14.5wt.% ；Mo: 25.5wt.% ；C:2.2wt.% ；B: 1.7wt.% ；S1:1.5wt.% ；Er:0wt.%, Fe余量。制備鐵基隔熱涂層，噴涂工藝參數(shù)為:煤油流量:24L/h，氧氣流量2150SCFH，送粉率:5r/min，噴涂距離:350mm，送粉氣流量:12SOTL
[0047]對(duì)比例2
[0048]Fe基合金粉末中元素成分質(zhì)量百分含量如下:Cr:14.5wt.% ；Mo: 25.5wt.% ；C:2.2wt.% ；B:1.7wt.% ；S1:1.5wt.% ；Er:3.5wt.%，F(xiàn)e 余量。制備鐵基隔熱涂層，噴涂工藝參數(shù)為:煤油流量:24L/h，氧氣流量2150SCFH，送粉率:5r/min，噴涂距離:350mm，送粉氣流量:12SCHL
[0049]各實(shí)施例以及對(duì)比例所制備的涂層進(jìn)行孔隙率分析，采用IMAGE PR0PLUS6.0圖像分析軟件分析涂層孔隙率，分別對(duì)每個(gè)實(shí)施例所制備的涂層的10個(gè)截面區(qū)域進(jìn)行計(jì)算分析，取其平均值。
[0050]對(duì)各個(gè)實(shí)施例制備涂層進(jìn)行XRD、SEM、DSC檢測(cè)；采用物理性能分析儀(PPMS)分析各實(shí)施例所制備涂層的熱導(dǎo)率。
[0051]表1實(shí)施例1-4孔隙率以及DSC結(jié)果
[0052]
【權(quán)利要求】
1.一種鐵基熱障涂層合金粉末材料,其特征在于，合金粉末中兀素成分質(zhì)量百分含量范圍如下:Cr:5-20wt.% ；Mo: 15-30wt.% ；C: l-4wt.% ；B:0.5-3wt.% ；S1:0.5-2.5wt.% ；Er:0.5-3wt.%, Fe及不可避免的雜質(zhì):余量。
2.按照權(quán)利要求1的合金粉末材料，其特征在于，合金粉末的兀素質(zhì)量百分含量為:Cr: 8-18wt.% ；Mo: 18-28wt.% ；C: 1.5-3.6wt.% ；B: 0.8-2.5wt.% ；S1:0.5-2wt.% ；Er:0.5-2.5wt.% ； ；Fe及不可避免的雜質(zhì):余量。
3.按照權(quán)利要求1的合金粉末材料，其特征在于，合金粉末的粒徑均在20~43μ m。
4.包含權(quán)利要求1-3所述的任一一種鐵基熱障涂層合金粉末材料的鐵基熱障涂層的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:步驟1、原材料選用純金屬鐵、鉻、鑰、碳、硅、鉺以及合金硼鐵，制備粒徑均在20~43 μ m的合金粉末，合金粉末中元素成分的質(zhì)量百分含量為:Cr:5-20wt.% ；Mo:15-30wt.% ；C: l-4wt.% ；B:0.5-3wt.% ；S1:0.5-2.5wt.% ；Er:0.5-3wt.%, Fe 及不可避免的雜質(zhì):余量；步驟2、對(duì)金屬基體表面進(jìn)行預(yù)處理去除表面氧化膜以及污垢，然后對(duì)基材進(jìn)行噴砂處理； 步驟3、將步驟I粉末采用超音速火焰噴涂(High velocity oxygen fuel, HVOF)工藝制備鐵基非晶隔熱涂層，噴涂工藝參數(shù)為:煤油流量:22-28L/h，氧氣流量2100-2250SCH1，送粉率:4.5-6r/min,噴涂距離:350-400mm，送粉氣流量:12SCHL
5.按照權(quán)利要求4的方法，其特征在于，步驟3噴涂工藝參數(shù)為:煤油流量:24-28L/h，氧氣流量2150-2250SCFH ，送粉率:5r/min，噴涂距離:350mm，送粉氣流量:12SCHL
6.按照權(quán)利要求4的方法，其特征在于，選用高純度原料(99.9mass%)的鐵、鉻、鑰、碳、娃、鉺以及硼鐵(B:18.25mass% )合金。
7.按照權(quán)利要求4的方法，其特征在于，采用高壓Ar氣氣體霧化法制備合金粉末。
8.按照權(quán)利要求4的方法制備得到的一種具有相對(duì)較低熱導(dǎo)率的鐵基非晶隔熱涂層。
9.按照權(quán)利要求4的方法制備得到的一種用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件防護(hù)的隔熱涂層。
【文檔編號(hào)】C09D5/46GK103898434SQ201410128869
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】周正, 賀定勇, 姚海華, 王曾潔, 蔣建敏, 王智慧, 王國(guó)紅, 趙秋穎 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)