一种用于隔热防护的铁基涂层材料及其涂层制备方法

文档序号:9838929阅读:724来源:国知局
一种用于隔热防护的铁基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,具体设及一种可用于中低溫(~650°C)环境中热端部 件的隔热防护涂层材料及其制备方法。
【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, 如缸内直喷和满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,增加燃烧溫度所面临的主要问题之一是接近甚至超过侣合 金结构材料的耐热极限,尤其是对于一些难W进行冷却设计的热端部件(如活塞、气口等)。 针对运一问题,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W陶瓷材料为主,较为典型 的如氧化锭稳定氧化错(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] 相比于航空发动机工作环境,汽车发动机缸体内的工作溫度较低,典型汽油机热 端材料的服役溫度通常在300~50(TC之间,运使得采用金属基材料制备防护涂层具有较好 的可行性,而其相对较好的初性能够有效弥补陶瓷涂层的缺陷。
[0005] 在涂层制备方法中,超音速火焰喷涂化V0F)具有其鲜明的工艺特点,包括超高的 焰流速度和相对较低的溫度,涂层致密,结合强度高等特点,是制备金属基非晶/纳米晶涂 层的有效方法之一。
[0006] 经检索,目前并没有本发明设及的铁基合金粉末材料并采用超音速火焰喷涂 化V(F)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。 [000引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,制粉所需原材料包 含W下质量百分比的物质:棚铁:18~28%;妮铁:9.5~16.5%;娃铁:0.5~5%;纯铭:8.5 ~15.5%;余量为纯铁。采用氮气雾化方法制备该合金粉末,粉末粒径均在20~45WI1。
[0009] 优选所述铁基涂层用的合金粉末,所需原材料组分的质量百分比:棚铁:19~ 26% ;妮铁:10~15.5%;娃铁:2~4.5;纯铭:9~14.5%;余量为纯铁。
[0010] 采用本发明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, 其特征在于,包括如下步骤:
[001 U 步骤1、制粉原材料选用棚铁:18~28% ;妮铁:9.5~16.5% ;娃铁:2~4.5% ;纯 铭:8.5~15.5% ;余量为纯铁。采用氮气雾化方法制备该合金球形类粉末,粉末粒径均在20 ~45皿,球形度好;
[0012]步骤2、对金属基体表面进行预处理去除表面氧化膜W及污垢,然后对基材进行喷 砂处理.
[0013]步骤3、将步骤1所制备的合金粉末采用超音速火焰喷涂化igh velocity oxygen 化el,HV0F)工艺制备铁基隔热涂层,喷涂工艺参数为:煤油流量:5.5~7.OGPH,氧气流量 1800-2250SCFH,送粉率:4.5-6r/min,喷涂距离:350-400mm,送粉气流量:22-26SC 即。
[0014] 对步骤3所述喷涂工艺进行优化,工艺参数为:煤油流量:5.8-6.9L/h,氧气流量 1800-2100SCFH,送粉率:虹/min,喷涂距离:350-380mm,送粉气流量:25SC即。
[0015] 步骤2中的金属基体优选侣合金基体。
[0016] 采用上述方法制备得到的铁基非晶/纳米晶涂层具有相对较低热导率,用于铁基 隔热涂层。
[0017] 本发明采用超音速火焰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:
[0018] 根据非晶形成的经验准则,认为多组元且主要组元之间的原子尺寸比差异较大W 及混合热为负值的体系具有较高的非晶形成能力。原子尺寸的差别是影响非晶合金形成与 稳定性的重要因素。
[0019] 化:增加合金系中的组员负混合热,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,增加合金的力学性能,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,因此Nb 对于本发明中的合金体系的形成W及涂层的性能有至关重要作用,不可或缺。
[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,提高非晶形成能力,B元素还能有效提高涂层硬度。
[0022] 所得涂层中各元素的质量百分比范围为:化:9~14.5% ;Nb:4.5~12% ;Si :0.3~ 3.5% ;B: 1.5~5.0% ;Fe及不可避免的杂质:余量。
[0023] 进一步:涂层中各元素的质量百分比范围为:吐:9.5~13.5%;抓:5.5~ 0.5~3% ;B: 1.8~4.5%;化及不可避免的杂质:余量。
[0024] 所得具有较低热导率的铁基非晶/纳米晶涂层用作中低溫(~65(TC)环境中热端 部件的隔热防护涂层。
[0025] 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W得到的。
[0026] 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W下特点:
[0027] 1、具有较低的热导率,可低至2.21W/mK;
[0028] 2、金属基涂层表现出相对较好的初性,能够有效弥补陶瓷涂层的缺陷;
[0029] 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。
[0030] 4、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 贵重金属。
[0031] 5、本发明制备的非晶/纳米晶涂层保持了较好的涂层微结构,不仅具有较好耐磨 性,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】
[0032] 图1实施例2制备的铁基合金粉末SEM特征形貌图;
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