一种隔热防护用的涂层材料及其涂层制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于表面涂层领域，具体涉及一种可应用于汽车发动机隔热防护的涂层材 料及其涂层的制备方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，如何进一步提高传统内燃机的能源利用率、并降低其污染物排放，一直是 汽车工业领域研究的热点问题之一。现阶段，更多目光关注在如何提高发动机的工作效率， 如缸内直喷和涡轮增压等技术的成熟开发和应用，有效提高了发动机的燃油利用率。但是， 除了磨损、腐蚀等方面的考虑，增加燃烧温度所面临的主要问题之一是接近甚至超过铝合 金结构材料的耐热极限，尤其是对于一些难以进行冷却设计的热端部件(如活塞、气门等）。 针对这一问题，从性能表现、结构重量和设计实现难易程度等方面综合考虑，表面涂层技术 是较为适宜的解决办法。
[0003] 目前，表面隔热涂层的研究主要集中在热障涂层（thermal barrier coatings, TBCs)技术的系统研发及其在航空发动机上的应用。但也为汽车发动机热端部件材料的隔 热防护问题提供了较好的参考。然而，国内外针对TBCs的研究均以陶瓷材料为主，较为典型 的如氧化钇稳定氧化锆(YSZ，Zr〇2/6-8Y2〇 3)，采用等离子喷涂或物理气相沉积技术制备的 YSZ涂层已在航空发动机叶片上得到了广泛应用。
[0004] 相比于航空发动机的高温工作环境，汽车发动机缸体内的工作温度较低，典型汽 油机热端材料的服役温度通常不超过500°C，这使得采用金属基材料制备防护涂层具有较 好的可行性，而其相对较好的韧性能够有效弥补陶瓷涂层的缺陷。
[0005] 在涂层制备方法中，大气等离子喷涂(APS)具有其鲜明的工艺特点，包括喷涂材料 范围广，从低熔点到高熔点的材料都可以喷涂，对喷涂粉末的粒度要求不高，涂层孔隙率较 低，氧化物夹杂少等，是制备金属基非晶/纳米晶涂层的有效方法之一。
[0006] 经检索，目前并没有本发明涉及的铁基合金粉末材料并采用大气等离子喷涂 (APS)方法制备铁基非晶/纳米晶涂层相关技术的专利报道。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种低热导率的铁基隔热涂层材料及其涂层制备方法。
[0008] 本发明中用于制备铁基隔热涂层用的一种合金粉末材料，其特征在于，合金粉末 中元素成分的质量百分含量范围如下:Cr :9~18% ;Nb: 4~11 % ;Si :0.5~4% ;B: 1~5% ; Fe及不可避免的杂质:余量。
[0009]优选所述铁基涂层用的合金粉末，合金粉末中元素成分的质量百分含量范围如 下：Cr:9.5~16.5%;Nb:4.5~10% ;Si:l~4%;Β:1·5~4.5% ;Fe及不可避免的杂质：余 量。
[0010]采用上述铁基合金粉末材料制备一种低热导率的铁基非晶/纳米晶涂层的方法， 其特征在于，包括如下步骤：
[0011] 步骤1、制备合金粉末所需原材料包含合金块材与纯金属块材，具体为：硼铁，铌 铁，硅铁，纯铬以及纯铁，采用氮气雾化方法，最终制备具有良好球形度，粒度范围在30~75 ym的铁基合金球形类粉末；
[0012] 步骤2、对金属基体表面进行预处理去除表面氧化膜以及污垢，然后对基材进行喷 砂处理；
[0013] 步骤3、将步骤1粉末采用大气等离子喷涂(Atmospheric plasma spraying，APS) 工艺制备铁基非晶/纳米晶隔热涂层，喷涂工艺参数为：电流:500~750A，氩气流量:35~ 45L/min，氢气流量:6~15L/min，送粉率:60~90g/min，喷涂距离：100~125mm。
[0014] 对步骤3所述喷涂工艺进行优化，工艺参数为：电流：550~750A，氩气流量：38~ 42L/min,氢气流量:7~14L/min,送粉率:65~85g/min,喷涂距离：105~120mm。
[0015] 步骤2中的金属基体优选错合金基体。
[0016] 采用上述方法制备得到的一种具有相对较低热导率的铁基非晶/纳米晶涂层。
[0017] 采用上述本方法所得铁基非晶/纳米晶涂层用于隔热防护涂层。
[0018] 本发明采用大气等离子喷涂方法制备的一种铁基非晶/纳米晶涂层所具有的低热 导率主要是其自身组分所决定的。其作用为：
[0019] Cr:与元素 Fe无限固溶，改善合金体系的抗氧化性和耐腐蚀性。
[0020] Nb:增加合金系中原子尺寸差异，进而提高组员间的负混合热，提高合金体系的非 晶合金的形成与稳定性，同时在合金体系中显著提高合金的硬度进而提升耐磨性，另外，Nb 元素自身的热导率相对较低，有利于降低合金系的热导率，Nb对于本发明中的合金体系的 形成以及涂层的性能有至关重要作用。
[0021 ] Si，B元素:类金属元素，原子半径小，增加液体合金的无规则堆错性和拓扑结构复 杂性，提尚非晶形成能力，B兀素还能有效提尚涂层硬度。
[0022] 涂层的总体隔热效果是主要是通过合金自身组分的合理配置与制备方法共同作 用得到，并不是任意单一元素决定的，但也是缺一不可的，当然也不是仅仅通过有限次试验 就可以得到的。
[0023] 本发明与常规的陶瓷基热障涂层相比，该铁基隔热涂层具有以下特点：
[0024] 1、具有较低的热导率，可低至2W/mK以下；
[0025] 2、金属基涂层表现出相对较好的韧性，能够有效弥补陶瓷涂层的缺陷；
[0026] 3、能够与金属基体具有更好的热膨胀匹配性，并简化制备工艺(无需粘结层）、降 低成本。
[0027] 4、本发明采用的大气等离子喷涂工艺操作简单，喷涂粉末粒度范围广，相比于其 他的粉末喷涂方法，成本也较低。
[0028] 5、本发明中的铁基合金粉末成本较低，且大部分采用工业用合金作为原材料，无 贵金属添加。
[0029] 6、本发明制备的非晶/纳米晶涂层保持了较好的涂层微结构，在保证涂层兼具耐 磨耐蚀性的同时具有较低的热导率。本发明对于汽车发动机热端部件隔热防护是一种较为 适宜的解决方案。
【附图说明】
[0030]图1实施例2制备的铁基合金粉末SEM特征形貌图；
[0031 ]图2实施例2制备的非晶/纳米晶涂层XRD分析图谱；
[0032]图3实施例2制备的非晶/纳米晶涂层SEM典型形貌特征；
[0033] 图4实施例2制备的非晶/纳米晶涂层的差热分