CN109666881B - 一种铁基高温热障涂层合金粉末材料及其制备涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁基高温热障涂层合金粉末材料及其制备涂层的方法，该铁基高温热障涂层合金粉末材料中元素组成及质量百分含量范围如下：Cr 8‑15wt％、Ni 1‑3wt％、W 3‑8wt％、Si 0.5‑3wt％、Co 0.5‑2.5wt％、Zr 1‑2.5wt％、La 1‑2.5wt％、Nb 2‑5wt％，余量为Fe。本发明的涂层原料得到的涂层结合强度高，与基体热匹配性好，具有较低的热导率和孔隙率，可用于汽车发动机热端部件的防护。

Description

一种铁基高温热障涂层合金粉末材料及其制备涂层的方法
技术领域
本发明属于隔热防护材料领域，具体涉及一种用于汽车发动机热端部件的铁基高温热障涂层材料及其制备涂层方法。
背景技术
热障涂层又称隔热涂层，是指由隔热性好的陶瓷层和金属粘结层组成的金属陶瓷复合涂层***，一般应用于航空航天领域用来为高温热气流条件下工作的涡轮发动机叶片、燃烧室、隔热屏等热端部件提供隔热保护。
相比于航空发动机工作环境，汽车发动机缸体内的工作温度相对较低，服役温度通常在300-700摄氏度间，由于陶瓷与金属直接存在热膨胀系数的差异，当由热障涂层所处的上千摄氏度高温条件下降低至数百摄氏度时，陶瓷与金属界面会产生应变失配，最终导致陶瓷层脱落，可见现有热障涂层并不适用于汽车发动机热端部件的保护，而由于汽车发动机的工作温度低，这种情况下使得采用单一金属基材料制备防护涂层成为可能。
发明内容
本发明的目的是通过设计合金配方及其具体制备过程，提供一种新的适用于汽车发动机热端部件的铁基高温热障涂层合金粉末材料及其制备涂层的方法，得到的涂层不但具有良好的热膨胀匹配性，且具有良好韧性和表面强度及耐磨耐蚀性和较低的热导率。
为了实现本发明的目的，通过大量试验研究并不懈努力，最终获得如下技术方案：一种铁基高温热障涂层合金粉末材料，合金粉末中元素组成及质量百分含量范围如下：Cr8-15wt％、Ni 1-3wt％、W 3-8wt％、Si 0.5-3wt％、Co 0.5-2.5wt％、Zr 1-2.5wt％、La1-2.5wt％、Nb2-5wt％，余量为Fe。
优选地，如上所述铁基高温热障涂层合金粉末材料，合金粉末中元素组成及质量百分含量范围如下：Cr 10-13wt％、Ni 1.8-3wt％、W 4-6wt％、Si 1.5-2.5wt％、Co 1.5-2.0wt％、Zr 1.4-2.0wt％、La 1.8-2.2wt％、Nb 3-5wt％，余量为Fe。
优选地，如上所述铁基高温热障涂层合金粉末材料，合金粉末中元素组成及质量百分含量范围如下：Cr 13wt％、Ni 2.5wt％、W 5.0wt％、Si 2.2wt％、Co 1.8wt％、Zr1.5wt％、La 2.0wt％、Nb4.5wt％，余量为Fe。
优选地，如上所述铁基高温热障涂层合金粉末材料，杂质总含量低于0.05wt％。
优选地，如上所述铁基高温热障涂层合金粉末材料，合金粉末粒径为30-70微米。
另外，本发明还提供以上述铁基高温热障涂层合金粉末材料为原料制备铁基热障涂层的方法，包括如下步骤：
步骤1、按比例称量各原料粉末，采用高压Ar气雾化法制备合金粉末；
步骤2、对金属基体表面进行预处理，去除氧化皮及各类污染物，然后对基体表面进行喷砂处理，使基体表面粗糙度Ra＝1.0-2.5；
步骤3、在保护性气氛下采用等离子喷涂法将合金粉料喷涂到基体表面，形成涂层。
进一步优选地，如上所述制备铁基热障涂层的方法，步骤3中等离子喷涂时送粉速率为35-50g/min，喷涂速度为15-30mm/min，喷涂距离为100-140mm。
上述方法中的高压Ar气雾法制备合金粉末是现有常规的粉末冶金方法，具体是将金属原料在高温下熔化为金属液，再通过高压气流喷射，使得金属液雾化，最后经过凝固沉降等步骤，筛分得到符合要求的合金粉末，本发明得到的合金粉末粒径为30-80微米。
本发明还提供上述方法制备得到的应用于汽车发动机热端部件防护的热障涂层。
本发明相对于现有技术，具有如下技术效果：
(1)本发明得到的涂层与基体形成冶金结合，结合强度高，达到32.4-38.2MPa，表面缺陷少，孔隙率为0.87-1.47％；
(2)本发明到的涂层具有较低的热导率，为(30℃)2.21-3.08W/mK，可作为隔热涂层使用；
(3)本发明得到的涂层无需出现粘结层，简化了制备过程，降低生产成本；
(4)本发明提供了一种新的涂层配方，制备得到的涂层与基体有良好的热膨胀匹配性，可用于汽车发动机热端部件的防护。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的保护范围。另外，实施例中未注明具体技术操作步骤或条件者，均按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品，下述实施例中所用金属基体为4032铝合金板。
实施例1
铁基高温热障涂层：
步骤1：按Cr 8wt％、Ni 1wt％、W 3wt％、Si 0.5wt％、Co 0.5wt％、Zr 1wt％、La1wt％、Nb 2wt％，余量为Fe的比例称量各原料粉末共500kg，采用高压Ar气雾化法制备合金粉末，筛分出粒径为30-70微米范围内的合金粉末备用；
步骤2：对金属基体表面进行预处理，去除氧化皮及各类污染物，然后对基体表面进行喷砂处理，使基体表面粗糙度Ra＝1.2；
步骤3：在惰性气体气氛下采用等离子喷涂法将步骤1得到的合金粉料喷涂到基体表面，喷涂时送粉速率为35g/min，喷涂速度为20mm/min，喷涂距离为100mm，喷涂后形成涂层。
实施例2
铁基高温热障涂层：
步骤1：按Cr 10wt％、Ni 1.8wt％、W 4wt％、Si 1.5wt％、Co 1.5wt％、Zr1.4wt％、La 1.8wt％、Nb 3wt％，余量为Fe的比例称量各原料粉末共300kg，采用高压Ar气雾化法制备合金粉末，筛分出粒径为30-70微米范围内的合金粉末备用；
步骤2：对金属基体表面进行预处理，去除氧化皮及各类污染物，然后对基体表面进行喷砂处理，使基体表面粗糙度Ra＝2.0；
步骤3：在惰性气体气氛下采用等离子喷涂法将步骤1得到的合金粉料喷涂到基体表面，喷涂时送粉速率为50g/min，喷涂速度为30mm/min，喷涂距离为140mm，喷涂后形成涂层。
实施例3
铁基高温热障涂层：
步骤1：按Cr 13wt％、Ni 2.5wt％、W 5.0wt％、Si 2.2wt％、Co 1.8wt％、Zr1.5wt％、La 2.0wt％、Nb4.5wt％，余量为Fe的比例称量各原料粉末共300kg，采用高压Ar气雾化法制备合金粉末，筛分出粒径为30-70微米范围内的合金粉末备用；
步骤2：对金属基体表面进行预处理，去除氧化皮及各类污染物，然后对基体表面进行喷砂处理，使基体表面粗糙度Ra＝1.8；
步骤3：在惰性气体气氛下采用等离子喷涂法将步骤1得到的合金粉料喷涂到基体表面，喷涂时送粉速率为40g/min，喷涂速度为18mm/min，喷涂距离为120mm，喷涂后形成涂层。
实施例4
铁基高温热障涂层：
步骤1：按Cr 13wt％、Ni 3wt％、W 6wt％、Si 2.5wt％、Co 2.0wt％、Zr 2.0wt％、La 2.2wt％、Nb 5wt％，余量为Fe的比例称量各原料粉末共400kg，采用高压Ar气雾化法制备合金粉末，筛分出粒径为30-70微米范围内的合金粉末备用；
步骤2：对金属基体表面进行预处理，去除氧化皮及各类污染物，然后对基体表面进行喷砂处理，使基体表面粗糙度Ra＝2.5；
步骤3：在惰性气体气氛下采用等离子喷涂法将步骤1得到的合金粉料喷涂到基体表面，喷涂时送粉速率为50g/min，喷涂速度为15mm/min，喷涂距离为110mm，喷涂后形成涂层。
实施例5
铁基高温热障涂层：
步骤1：按Cr 15wt％、Ni 3wt％、W 8wt％、Si 3wt％、Co 2.5wt％、Zr 2.5wt％、La2.5wt％、Nb 5wt％，余量为Fe的比例称量各原料粉末共500kg，采用高压Ar气雾化法制备合金粉末，筛分出粒径为30-70微米范围内的合金粉末备用；
步骤2：对金属基体表面进行预处理，去除氧化皮及各类污染物，然后对基体表面进行喷砂处理，使基体表面粗糙度Ra＝2.2；
步骤3：在惰性气体气氛下采用等离子喷涂法将步骤1得到的合金粉料喷涂到基体表面，喷涂时送粉速率为45g/min，喷涂速度为20mm/min，喷涂距离为140mm，喷涂后形成涂层。
实施例6
对实施例1-5得到的带涂层试样进行观察，上述五个试样涂层致密均匀、表面平整，对其进行检测，结果如表1所示。
项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
涂层结合强度(MPa) 32.4 36.7 38.2 37.4 33.5
热导率W/mK(30℃) 3.02 2.71 2.21 2.82 3.08
孔隙率(％) 1.47 1.23 1.16 0.87 0.91
对比例1
在实施例5的基础上，其它参数不变，仅仅改变原料质量百分比为：(1)Cr 5wt％、Ni 0.5wt％、W 2wt％、Si 0.1wt％、Co 0.1wt％、Zr 0.5wt％、La 0.5wt％、Nb1wt％，余量为Fe；(2)Cr 20wt％、Ni 5wt％、W 10wt％、Si 4wt％、Co 3wt％、Zr 4wt％、La 3wt％、Nb7wt％，余量为Fe；分别得到含涂层的试样，检测发现各自性能为(1)中涂层结合强度为21.4MPa，热导率(30℃)3.51W/mK，孔隙率1.91％；(2)中涂层结合强度为29.7MPa，热导率(30℃)3.21W/mK，孔隙率1.04％。
对比例2
制备过程及参数与实施例2的相同，不同处在于按按Cr 10wt％、Mo 15wt％、Ni1.8wt％、W 4wt％、Si 1.5wt％、Co 1.5wt％、Zr 1.4wt％、La 1.8wt％、Nb 3wt％，余量为Fe的比例称量各原料粉末，最终得到含涂层的试样，检测发现涂层结合强度为27.2MPa，热导率(30℃)3.81W/mK，孔隙率1.33％。
对比例3
制备过程及参数与实施例2的相同，不同处在于按按Cr 10wt％、Mo 15wt％、Ni1.8wt％、B 4wt％、Si 1.5wt％、Co 1.5wt％、Zr 1.4wt％、C 1.0wt％、Nb 3wt％，余量为Fe的比例称量各原料粉末，最终得到含涂层的试样，检测发现涂层结合强度为20.8MPa，热导率(30℃)3.36W/mK，孔隙率1.51％。

Claims (8)

1.一种铁基高温热障涂层合金粉末材料，其特征在于合金粉末中元素组成及质量百分含量范围如下：Cr 8-15wt％、Ni 1-3wt％、W 3-8wt％、Si 0.5-3wt％、Co 0.5-2.5wt％、Zr1-2.5wt％、La1-2.5wt％、Nb 2-5wt％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述铁基高温热障涂层合金粉末材料，其特征在于合金粉末中元素组成及质量百分含量范围如下：Cr 10-13wt％、Ni 1.8-3wt％、W 4-6wt％、Si 1.5-2.5wt％、Co 1.5-2.0wt％、Zr 1.4-2.0wt％、La 1.8-2.2wt％、Nb 3-5wt％，余量为Fe。
3.根据权利要求2所述铁基高温热障涂层合金粉末材料，其特征在于合金粉末中元素组成及质量百分含量范围如下：Cr 13wt％、Ni 2.5wt％、W 5.0wt％、Si 2.2wt％、Co1.8wt％、Zr 1.5wt％、La 2.0wt％、Nb 4.5wt％，余量为Fe。
4.根据权利要求1或2或3所述铁基高温热障涂层合金粉末材料，其特征在于：杂质总含量低于0.05wt％。
5.根据权利要求1或2或3所述铁基高温热障涂层合金粉末材料，其特征在于：合金粉末粒径为30-70微米。
6.一种以权利要求1或2或3所述铁基高温热障涂层合金粉末材料为原料制备铁基热障涂层的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、按比例称量各原料粉末，采用高压Ar气雾化法制备合金粉末；
步骤2、对金属基体表面进行预处理，去除氧化皮及各类污染物，然后对基体表面进行喷砂处理，使基体表面粗糙度Ra＝1.0-2.5；
步骤3、在保护性气氛下采用等离子喷涂法将合金粉料喷涂到基体表面，形成涂层。
7.根据权利要求6所述制备铁基热障涂层的方法，其特征在于：步骤3中等离子喷涂时送粉速率为35-50g/min，喷涂速度为15-30mm/min，喷涂距离为100-140mm。
8.一种根据权利要求6所述方法制备得到的应用于汽车发动机热端部件防护的热障涂层。
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