[发明专利]一种隔热防护用的涂层材料及其涂层制备方法

说明书

技术领域

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

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。

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,ZrO₂/6-8Y₂O₃)，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。

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℃，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。

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。

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

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。

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。

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:1～4％；B:1.5～4.5％；Fe及不可避免的杂质：余量。

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：

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30～75μm的铁基合金球形类粉末；

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；

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。

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。

步骤2中的金属基体优选铝合金基体。

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。

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。

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：

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。

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。