一种发动机缸孔内壁取代缸套的涂层及其喷涂工艺的制作方法

1.本发明属于发动机高温涂层技术领域，具体涉及了一种发动机缸孔内壁取代缸套的涂层及其喷涂工艺。


背景技术：

2.目前，全球石油能源资源正逐渐被消耗。针对能源问题正在进行一些探索。在汽车行业中，国内外针对汽车节能减排方面提出了很高的要求,而要做到节能减排最简单有效的方法就是汽车的轻量化。车辆中气缸大多由铸铁压铸而成，使其成为汽车构造中最重的零件之一，因此发动机的轻量化，成为了汽车轻量化的首要目标。
3.现有技术中，为了减轻发动机重量，采取了用铝合金缸作为镶嵌体，在其内再镶嵌铸铁缸套，以减轻气缸的重量，但由于气缸在长期的高温环境中工作过程中，铝合金缸体与铸铁缸套会在热作用下出现变形，而由于铝合金缸体与铸铁缸套之间的热膨胀系数的差别较大，即两者之间会出现不同程度的变形，使得铝合金缸体与铸铁缸套之间出现脱离，使得两者之间的连接强度下降，从而缩短了发动机的服役寿命。
4.基于此，本技术提供了一种发动机缸孔内壁取代缸套的涂层及其喷涂工艺，以解决目前采用铝合金作为缸体材料，而在缸孔内壁镶嵌铸铁缸套，因两者之间的热膨胀系数相差较大，使得气缸在长期高温工作环境下服役，两者之间因变形程度不同导致气缸使用寿命缩短的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种发动机缸孔内壁取代缸套的涂层及其喷涂工艺，以解决目前采用铝合金作为缸体材料，而在缸孔内壁镶嵌铸铁缸套，因两者之间的热膨胀系数相差较大，使得气缸在长期高温工作环境下服役，两者之间因变形程度不同导致气缸使用寿命缩短的问题。
6.为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
7.一种发动机缸孔内壁取代缸套的涂层，涂层所用原料，按质量占比计，包括10％～20％的氧化锆增韧氧化铝陶瓷粉末、10％的mos2粉末以及余量为fe基合金粉末。
8.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
9.1、采用本方案中提供的原料得到的涂层中，陶瓷颗粒(氧化锆增韧氧化铝陶瓷粉末和mos2粉末)能够阻止氧的向内扩散，从而降低了涂层表面氧化层的生长速率，从而提高涂层的抗氧化能力，从而使得本方案在取代缸套的同时，保证发动机气缸能够在高温环境下长时间服役。
10.2、本方案中，由于陶瓷颗粒(氧化锆增韧氧化铝陶瓷粉末和mos2粉末)的添加，陶瓷颗粒“镶嵌”在fe基合金基体内，能够减少涂层表面的摩擦力，同时分散较大的冲击载荷，从而提高涂层的耐磨性以及硬度。
11.进一步，所述fe基合金粉末呈球形，粒径范围为10～30μm。
12.有益效果：这样不仅能够满足喷涂工艺需求，且使涂层中组织更加均匀，不会出现晶粒长大的情形。
13.进一步，所述氧化锆增韧氧化铝陶瓷粉末中氧化锆与氧化铝以共晶的组织存在于粉末中，氧化锆粉末粒径范围为20～30μm，氧化锆增韧氧化铝陶瓷粉末中氧化铝基体粉末为无规则形态，粉末粒径范围为8～40μm。
14.有益效果：这样既能够满足喷涂工艺需求，且使陶瓷颗粒能够均匀分布在涂层中，保证陶瓷颗粒的强化作用。
15.进一步，所述mos2粉末呈扁平状，其粉末粒径范围为30～40μm。
16.有益效果：这样既能够满足喷涂工艺需求，且使陶瓷颗粒能够均匀分布在涂层中，保证陶瓷颗粒的强化作用。
17.进一步，本发明还公开了一种发动机缸孔内壁取代缸套的涂层的喷涂工艺，包括以下步骤：
18.步骤1：将fe基合金粉末、氧化锆增韧氧化铝陶瓷粉末以及mos2粉末放入球磨机中，混合均匀，并进行烘干；
19.步骤2：将步骤1中烘干的混合粉末利用等离子喷涂技术，喷涂到铝合金制的发动机气缸内壁上形成涂层。
20.有益效果：本方案中通过球磨使得fe基合金粉末与陶瓷颗粒(氧化锆增韧氧化铝陶瓷粉末和mos2粉末)得到充分混合，并采用等离子喷涂，得到致密层状结构的涂层，同时陶瓷颗粒均匀的分布在fe基合金涂层中。
21.本方案中，虽然陶瓷颗粒与fe基合金之间的性能相差较大，但氧化铝与氧化锆以共晶陶瓷的形式在界面上形成互反应区，形成氧化锆与氧化铝的混合界面，另外通过热扩散，使得陶瓷颗粒与fe基合金之间的物理结合转变为冶金结合，从而提高涂层中界面处的结合力，使得涂层的孔隙率降低。
22.进一步，所述步骤1中球磨转速不低于200r/min，球磨时间不低于2h。
23.有益效果：以保证陶瓷颗粒与fe基合金粉末之间能够得到充分混合。
24.进一步，所述步骤1中混合均匀的粉末在真空炉中进行烘干处理，烘干温度不超过100℃，烘干时间不低于2h。
25.有益效果：由于球磨过程中需要加入无水乙醇作为球磨介质，因此这样设置使得无水乙醇能够完全挥发。
26.进一步，所述步骤2中的喷涂参数：电流为300～500a、电压为40～50v、喷涂距离为40～80mm、旋转速度为100～200r/min、抽风速率为10～20m/s、送风速率为80～100g/min、喷涂角度为45
°
。
27.有益效果：通过实验证明，本方案提供的等离子喷涂参数，能够得到陶瓷颗粒分布均匀的涂层，且涂层与发动机缸孔内壁之间的结合力高。
附图说明
28.图1为本发明实施例1中涂层的断面形貌图。
29.图2为本发明实施例1中涂层氧化12h后的断面形貌图。
30.图3为本发明实施例1中涂层氧化168h后的断面形貌图。
具体实施方式
31.以下结合说明书附图对本发明作进一步详细说明，并给出具体实施方式。
32.实施例1：
33.一种发动机缸孔内壁取代缸套的涂层，涂层所用原料包括fe基合金粉末、氧化锆增韧氧化铝陶瓷粉末(zta)以及mos2粉末，按质量占比计，其中氧化锆增韧氧化铝陶瓷粉末占比为10％，mos2粉末的占比为10％，而fe基合金粉末的占比为80％。
34.另外本实施例中fe基合金粉末呈球形，其粒径范围为10～30μm，zta中氧化锆主要和氧化铝以共晶的组织存在于粉末中，其粉末粒径范围为20～30μm，而zta中氧化铝基体粉末为无规则形态，其粉末粒径范围为8～40μm；另外mos2粉末呈扁平状，其粉末粒径范围为30～40μm。
35.本实施例中fe基合金粉末的成分如下表1所示：
36.表1为fe基合金粉末的成分表
[0037][0038]
上述发动机缸孔内壁取代缸套的涂层的喷涂工艺，包括以下步骤：
[0039]
步骤1：将fe基合金粉末与zta粉末以及mos2粉末放入球磨机中进行球磨，将粉末混合均匀，球磨的条件为：球磨时间2h，球磨转速200r/min，球磨添加物为无水乙醇。
[0040]
球磨后，将混合粉末置于真空炉中，并在100℃保温2h，烘干后取出。
[0041]
步骤2：将步骤1中烘干的混合粉末利用等离子喷涂技术喷涂到发动机气缸内壁上形成涂层，其中气缸采用铝合金制成；其中喷涂的参数如下表2所示：
[0042]
表2为实施例1步骤2中喷涂工艺的参数表
[0043][0044]
实施例2～实施例5：
[0045]
与实施例1的区别在于，实施例2～实施例5中，原料的质量占比不同，具体如下表3所示。
[0046]
表3为实施例2～实施例5中，涂层所用原料表
[0047] 实施例2实施例3实施例4实施例5fe基合金粉末78％75％72％70％zta粉末12％15％18％20％mos2粉末10％10％10％10％
[0048]
实施例6：
[0049]
与实施例1的区别在于，实施例6的步骤2中喷涂工艺参数不同，具体如下表4所示。
[0050]
表4为实施例6步骤2中喷涂工艺的参数表
[0051][0052]
实施例7：
[0053]
与实施例1的区别在于，实施例7的步骤2中喷涂工艺参数不同，具体如下表5所示。
[0054]
表5为实施例7步骤2中喷涂工艺的参数表
[0055][0056][0057]
将采用实施例1～实施例7提供的方案得到的涂层试样进行实验检测：
[0058]
其中图1为实施例1中涂层的断面形貌图，通过图1可以观察到，铝合金缸孔内壁表面的涂层厚度均匀，没有较为明显的起伏。陶瓷增强相主要由al2o3颗粒、al2o3/zro2以及mos2颗粒组成，同时涂层内部含有少量的fe的氧化物以及少量的zro2颗粒，另外所有陶瓷颗粒在fe基涂层中均表现出相对均匀的分布。
[0059]
对涂层试样的抗拉强度进行测试，以实施例1为例，该涂层的平均抗拉强度为43.8mpa，表明涂层的结合强度高。
[0060]
另外对涂层试样进行氧化实验，将各试样放置于600℃的水蒸气环境中进行氧化反应。
[0061]
图2为实施例1中涂层氧化12h小时后的断面形貌图，图3为实施例2中涂层氧化168h后的断面形貌图，从图2和图3可以观察到，短时间的氧化后(12h)涂层内部氧化程度较低，但是氧化168小时后，fecr涂层内部出现明显的氧化。氧化后fecr涂层内部没有太大的相貌变化，但是fecr涂层表面形成厚度不一的氧化层。168h氧化层厚度比在12h下形成的氧化层厚20μm左右。
[0062]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0063]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本
发明的权利要求范围当中。