本发明涉及一种修复生产铝合金发动机缸盖的钨基粉末合金铸造模具工艺与方法，应用钎焊涂层工艺与方法，加热熔化钎焊涂层合金并快速凝固与基体形成冶金结合，在钨基粉末合金铸造模具磨损失效表面形成钎焊耐磨涂层，属于材料科学与工程领域。
背景技术：
发动机正向高功率密度轻量化方向发展，采用铸造工艺生产铝合金发动机缸盖对提高发动机燃烧室的压缩比非常有利。发动机缸盖是发动机燃烧室的重要组成部分。汽油发动机的燃烧室在缸盖上，汽油在燃烧室的空气中雾化爆炸燃烧时缸盖承受很大的热负荷和机械负荷。发动机功率密度越高，缸盖所承受的热负荷和机械负荷越大，由此对铝合金发动机缸盖性能提出了更高的要求。高性能的铝合金发动机缸盖大都采用具有超高导热和超低膨胀系数的钨基粉末合金模具来铸造生产。采用具有超高导热和超低膨胀系数的钨基粉末合金模具来铸造生产铝合金发动机缸盖，提高了铝合金缸盖性能和燃烧室的尺寸精度。钨基粉末合金铸造模具在缸盖成型铸造生产过程中，融熔的铝合金液以高压、高温和高速进入模具型腔，对型腔工作面产生剧烈的冲击和冲刷，导致钨基粉末合金铸造模具型腔表面产生腐蚀、磨损和裂纹；在填充过程中，金属液、杂质和熔渣对模具型腔工作面也会产生复杂的化学作用，加速模具型腔表面的腐蚀、磨损和裂纹的产生。钨基粉末合金铸造模具型腔表面过量磨损将导致铸造成型的缸盖尺寸超差和表面质量不合格，尤其是发动机缸盖燃烧室容积的变化直接影响到压缩比的变化，对发动机的动力性、经济性及寿命和排放等关键指标有重要影响。有效的解决方法就是通过表面工程技术对模具型腔工作面局部损伤表面进行修复，使得模具的尺寸和功能得以恢复与重新利用并提升模具表面的性能。目前，国内外模具生产企业通常采用物理气相沉积(pvd)、化学气相沉积(cvd)、电火花沉积、热喷涂、电镀、堆焊、激光熔覆以及近年来开发的多种增材制造技术和合金系统等对模具进行修复与表面强化。钨基粉末合金导热性极强，线膨胀系数小；同时，钨的熔点高，与多数金属并不形成合金，即使形成合金也多为金属间化合物。当前，修复钨基粉末合金铸造模具型腔工作面的磨损部位，存在的主要问题是(1)热输入要比钢材大4－6倍，否则容易造成修复层与基体材料不熔合现象；(2)修复层和基体材料的化学成分和性能存在较大差异，材料相互间的兼容性和结合性较差；(3)修复层与基体材料线膨胀系数相差较大，通过加热制备的耐磨合金涂层，界面中会产生较大的残余应力，降低接头的力学性能和抗热震性能，最终结果会导致修复层的开裂和剥落。现有表面工程技术修复的钨基粉末合金铸造模具型腔工作面磨损部位，很难满足模具的使用工况条件，诸如物理气相沉积和化学气相沉积只能取得较薄的涂层，灵活性较差，很难解决铝合金发动机缸盖燃烧室部位的模具型腔工作面磨损；堆焊和喷涂的加热温度高，容易使模具变形，影响铝合金发动机缸盖燃烧室尺寸精度；电火花沉积和激光再制造或增材制造，局部加热温度高，界面极易形成残余应力，导致修复层开裂。钨基粉末合金铸造模具的制造费用高，如何采用简单和行之有效的工艺与方法修复生产铝合金发动机缸盖的钨基粉末合金铸造模具，尤其是修复发动机缸盖燃烧室部位模具局部的磨损，延长模具的使用寿命，提高模具利用率，是科研工作者不可推卸的责任和长期而艰巨的任务。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种修复生产铝合金发动机缸盖的钨基粉末合金铸造模具涂层及工艺，对钨基粉末合金铸造模具型腔工作面的磨损部位应用钎焊涂层工艺与方法，加热熔化钎焊涂层合金并快速凝固与基体形成冶金结合，在钨基粉末合金铸造模具型腔工作面磨损表面形成钎焊耐磨涂层，使得模具型腔的尺寸和功能得以恢复与重新利用。
本发明所述的一种修复生产铝合金发动机缸盖的钨基粉末合金铸造模具工艺与方法，应用钎焊涂层工艺与方法实质上是一种特殊的钎焊，其核心技术是：钎焊涂层合金组成。本发明所述的钎焊涂层合金由两部分组成，一部分是钎料合金，其熔化温度较低；另一部分是熔化温度较高的超高导热、超低膨胀系数的钨金属和高耐磨性的碳化钨。
本发明所述的一种修复生产铝合金发动机缸盖的钨基粉末合金铸造模具工艺与方法，在钨基粉末合金铸造模具型腔工作面磨损表面形成钎焊耐磨涂层，既要使得模具的尺寸得以恢复，更重要是是模具的功能能够得以恢复与重新利用。形成的钎焊耐磨涂层合金除了与基体材料具有较高的结合强度外，更重要的是保证不能降低其导热性和耐磨性。
本发明采用如下技术方案实现的，具体说明如下。
本发明的上述目的是这样实现的：一种修复生产铝合金发动机缸盖的钨基粉末合金铸造模具工艺与方法，包括以下工艺步骤：
第一步，确定制造修复生产铝合金发动机缸盖的钨基粉末合金铸造模具的钎焊涂层合金组成。本发明所述的铸造模具基体材料为钨基粉末合金，钨基粉末合金成分按质量百分比计(wt/％)为：w(钨)97％，fe(铁)2.1％，镍(ni)0.9％，采用粉末烧结工艺制成。本发明所述的钎焊涂层合金是采用颗粒大小为10－30μm，纯度为99.99％的(ag)银、铜(cu)、镍(ni)、碳化钨(wc)、钨(w)金属按一定成分配比组成均匀混合后制备成粉状钎焊涂层合金。钎焊涂层合金成分配比(按质量百分比计wt％)：银(ag)13-18％，铜(cu)10-15％，镍(ni)1.5-6％，碳化钨(wc)0.5-1.0％，钨(w)60-75％。
第二步，制备钎焊涂层合金涂膏。钎焊涂层合金涂膏由三部分组成，钎焊涂层合金，钎剂和粘结剂。钎焊涂层合金涂膏成分按质量百分比计(wt/％)为：钎焊涂层合金90-95％，钎剂1-2％，粘结剂4-5％。钎焊涂层合金涂膏主要成分是钎焊涂层合金，钎剂只是起到去除氧化膜和改善钎焊涂层合金的润湿性作用；粘结剂起到粘结固定钎焊涂层合金的作用，当钎焊涂层合金涂膏加热到一定温度时，粘结剂挥发，钎焊涂层合金中的钎料系统熔化，将碳化钨和钨粉钎焊在钨基粉末合金铸造模具型腔工作面需要修复的部位形成钎焊耐磨涂层。本发明所述的钎剂成分按质量百分比计(wt/％)为氟硼酸钾(kbf4)50-52％，硼酸(h3bo3)30-35％，氯化锂(licl)13-20％，本发明所述钎剂也可采用市售适于银基钎料钎焊所用的硬钎剂。本发明所述的粘结剂是以聚苯乙烯为溶质，三氯乙烯为溶剂制成的具有一定粘性的透明塑胶体。本发明所述的粘结剂也可以采用其他粘结剂，诸如市售的丙烯酸树脂等。
第三步，钨基粉末合金模具型腔工作面需要修复的部位进行表面预处理。
钨基粉末合金模具型腔工作面需要修复的部位表面预处理目的是去除表面的油污、氧化物和硬化疲劳层。钨基粉末合金模具型腔工作面需要修复的部位表面采用机械方法进行处理，之后采用有机溶剂溶液进行清洗。
第四步，涂膏。
根据钨基粉末合金模具型腔工作面磨损程度，确定涂膏厚度。涂膏厚度最终目的就是对模具局部损伤表面进行修复，使得模具的尺寸和功能得以恢复与重新利用并提升模具表面的性能。
第五步，加热制备钎焊耐磨涂层。
将涂有钎焊涂层合金涂膏的的钨基粉末合金模具在炉中预热，加热温度350-370℃，保温60min，使粘结剂充分挥发。将在炉中整体预热的钨基粉末合金模具取出，采用火焰加热方法快速加热钎焊涂层合金，直至钎料熔化后润湿钨基粉末合金和钨金属，凝固后形成钎焊耐磨涂层。
钎焊涂层合金包含有银(ag)，铜(cu)，镍(ni)，碳化钨(wc)，钨(w)，其中，碳化钨(wc)具有极好的耐磨性，添加少量的碳化钨(wc)有助于提高钎焊耐磨涂层的耐磨性；钨(w)的熔点高，密度大，钎焊耐磨涂层合金的钨(w)金属质量百分比过低或过高均不能发挥钎焊耐磨涂层的耐磨性优势。基于钨(w)金属含量，冲刷载荷和钨(w)金属粒度对钎焊耐磨涂层的耐磨性影响，采用五因素的二次回归正交组合设计方法，建立金属元素与性能之间的数学模型，确定钎焊涂层合金成分配比(按质量百分比计wt％)：银(ag)13-18％，铜(cu)10-15％，镍(ni)1.5-6％，碳化钨(wc)0.5-1.0％，钨(w)60-75％。钎焊涂层合金与钨基粉末合金的物理、化学和力学性能兼容性较差，将涂有钎焊涂层合金涂膏的的钨基粉末合金模具在炉中直接加热到钎焊涂层合金熔化形成钎焊耐磨涂层，加热时间长，会导致钎剂失效，降低钎剂的去膜作用和润湿性；如果将涂有钎焊涂层合金涂膏的钨基粉末合金模具直接采用火焰加热，由于钨基粉末合金的导热性好，与钎焊涂层合金的线膨胀系数相差较大，制备的钎焊耐磨涂层在界面中会产生较大的残余应力，导致形成的钎焊耐磨涂层容易开裂。通过预热一方面能使粘结剂充分挥发，减少对钎焊性能的影响，另一方面降低了热冲击作用；预热后再采用火焰加热，加热速度快，减轻了钎焊耐磨涂层由于各金属密度的差异形成的分层，制备的钎焊耐磨涂层具有较好的耐磨性、抗热疲劳性和抗热冲击性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述的一种修复生产铝合金发动机缸盖的钨基粉末合金铸造模具工艺与方法，是应用了一种特殊的钎焊工艺在需要修复部位形成一层钎焊耐磨涂层，可以在空气中完成对模具的修复，加工灵活，成本较低，修复效率较高，得到的钎焊耐磨涂层导热系数优异，厚度范围较宽，与基体材料能够形成冶金结合，结合强度高；加热温度低，热应力和基体材料性能影响较小，表面光滑，经过少量的机械加工即可达到要求的精度，非常适合修复生产铝合金发动机缸盖燃烧室部位的钨基粉末合金铸造模具型腔工作面局部磨损部位。
具体实施方式
通过以下给出的实施例对本发明方法作进一步具体阐述。
本发明所述的一种修复生产铝合金发动机缸盖的钨基粉末合金铸造模具工艺与方法，是采用一种特殊的钎焊工艺与方法，将钎焊涂层合金制备涂膏，涂覆在需要修复的钨基粉末合金铸造模具型腔工作面的磨损部位，通过在炉中预热，降低热冲击影响，再采用火焰加热熔化钎焊涂层合金并快速凝固与基体形成冶金结合，在钨基粉末合金铸造模具磨损表面形成钎焊耐磨涂层，使得模具型腔的尺寸和功能得以恢复与重新利用。本发明的核心技术是：钎焊涂层合金组成。本发明所述的钎焊涂层合金由两部分组成，一部分是钎料合金，其熔化温度较低；另一部分是熔化温度较高的超高导热和超低膨胀系数的钨金属和高耐磨性的碳化钨。
本发明所述的一种修复生产铝合金发动机缸盖的钨基粉末合金铸造模具工艺与方法，包括以下工艺步骤：
第一步，确定制造修复生产铝合金发动机缸盖的钨基粉末合金铸造模具的钎焊涂层合金组成。本发明所述的铸造模具基体材料为钨基粉末合金，钨基粉末合金成分按质量百分比计(wt/％)为：w(钨)97％，fe(铁)2.1％，镍(ni)0.9％，采用粉末烧结工艺制成。本发明所述的钎焊涂层合金是采用颗粒大小为10－30μm，纯度为99.99％的(ag)银、铜(cu)、镍(ni)、碳化钨(wc)、钨(w)金属按一定成分配比组成均匀混合后制备成粉状钎焊涂层合金。钎焊涂层合金成分配比(按质量百分比计wt％)：银(ag)13-18％，铜(cu)10-15％，镍(ni)1.5-6％，碳化钨(wc)0.5-1.0％，钨(w)60-75％。
第二步，制备钎焊涂层合金涂膏。钎焊涂层合金涂膏由三部分组成，钎焊涂层合金，钎剂和粘结剂。钎焊涂层合金涂膏成分按质量百分比计(wt/％)为：钎焊涂层合金90-95％，钎剂1-2％，粘结剂4-5％。钎焊涂层合金涂膏主要成分是钎焊涂层合金，钎剂只是起到去除氧化膜和改善钎焊涂层合金的润湿性作用；粘结剂起到粘结固定钎焊涂层合金的作用，当钎焊涂层合金涂膏加热到一定温度时，粘结剂挥发，钎焊涂层合金中的钎料系统熔化，将碳化钨和钨粉钎焊在钨基粉末合金铸造模具型腔工作面需要修复的部位形成钎焊耐磨涂层。本发明所述的钎剂成分按质量百分比计(wt/％)为氟硼酸钾(kbf4)50-52％，硼酸(h3bo3)30-35％，氯化锂(licl)13-20％，本发明所述钎剂也可采用市售适于银基钎料钎焊所用的硬钎剂。本发明所述的粘结剂是以聚苯乙烯为溶质，三氯乙烯为溶剂制成的具有一定粘性的透明塑胶体。本发明所述的粘结剂也可以采用其他粘结剂，诸如市售的丙烯酸树脂等。
第三步，钨基粉末合金模具型腔工作面需要修复的部位进行表面预处理。
钨基粉末合金模具型腔工作面需要修复的部位表面预处理目的是去除表面的油污、氧化物和硬化疲劳层。钨基粉末合金模具型腔工作面需要修复的部位表面采用机械方法进行处理，之后采用有机溶剂溶液进行清洗。
第四步，涂膏。
根据钨基粉末合金模具型腔工作面磨损程度，确定涂膏厚度。涂膏厚度最终目的就是对模具局部损伤表面进行修复，使得模具的尺寸和功能得以恢复与重新利用并提升模具表面的性能。
第五步，加热制备钎焊耐磨涂层。
将涂有钎焊涂层合金涂膏的的钨基粉末合金模具在炉中预热，加热温度350-370℃，保温60min，使粘结剂充分挥发。将在炉中整体预热的钨基粉末合金模具取出，采用火焰加热方法快速加热钎焊涂层合金，直至钎料熔化后润湿钨基粉末合金和钨金属，凝固后形成钎焊耐磨涂层。
将涂有钎焊涂层合金涂膏的的钨基粉末合金模具在炉中预热，加热温度350-370℃，保温60min，使粘结剂充分挥发。将在炉中整体预热的钨基粉末合金模具取出，采用火焰加热方法快速加热钎焊涂层合金，直至钎料熔化后润湿钨基粉末合金和钨金属，凝固后形成钎焊耐磨涂层。
本发明所述的一种修复生产铝合金发动机缸盖的钨基粉末合金铸造模具工艺与方法，下述所有实施例均采用钎焊涂层合金以及工艺步骤和参数得到的，其中需要强调的是涂膏中的钎剂和粘结剂只是起到去膜和粘结的作用，可以根据具体工况条件进行适当调整成分，具体实施例见下表1。
本发明所述的一种修复生产铝合金发动机缸盖的钨基粉末合金铸造模具工艺与方法，按照上述工艺步骤和成分进行修复生产铝合金发动机缸盖的钨基粉末合金铸造模具型腔工作面磨损部位所达到的技术指标：
(1)修复后的钎焊涂层合金与钨基粉末合金基体结合强度150-170mpa；
(2)修复后的钎焊涂层合金耐磨性是钨基粉末合金基体材料耐磨性的0.80－0.95倍。
(3)修复后的钎焊涂层合金导热系数200-220w/m.k。
表1钎焊涂层合金成分及其性能