一种低散热摩托车发动机的制备方法技术

一种低散热摩托车发动机的制备方法，其步骤如下：对发动机的活塞、汽缸盖、汽缸体进行超声清洗，清洗完后用40号刚玉砂砾对喷涂区域喷砂处理；然后采用低温超音速火焰喷涂在活塞顶表面和汽缸盖内表面喷涂NiCoCrAlYTa粘结层，采用大气等离子喷涂在汽缸体外表面喷涂NiCrAl粘结层；喷涂完粘结层后，对活塞顶表面、汽缸盖内表面、汽缸体外表面进行7YSZ陶瓷层大气等离子喷涂。本发明专利技术通过陶瓷材料与金属材料复合，集合两种材料的优点，避免了现有技术着眼于制备纯陶瓷发动机部件的缺点，从而获得一种低成本、高隔热、抗氧化、耐腐蚀、长寿命的低散热摩托车发动机。

【技术实现步骤摘要】
一种低散热摩托车发动机的制备方法
本专利技术涉及摩托车发动机表面处理
，具体是涉及一种低散热摩托车发动机的制备方法。
技术介绍
低散热发动机一直是摩托车发动机行业研究的热点，低散热技术是属于多学科领域的高新技术，其中的难点之一在于发动机制备技术和使用材料的选择。发动机是摩托车的心脏，摩托车的发展与发动机的进步息息相关。随着社会日趋进步，摩托车发动机必须面对低碳排放和节能减油的挑战，因此低散热发动机是未来发展的趋势。目前，发动机的发展方向主要朝着高功率、高转速、低油耗、低排放量发展，发动机效率的逐步提升以及随着发动机热负荷的增加，随之而来的负面影响也在增多，如燃烧室最大爆发压力过大，导致工作温度超过材料承受能力，产生烧熔、蠕变、热疲劳和变形等。基于现有的发展趋势，兼顾能源的有效利用和发动机性能的提高，在摩托车发动机的热端部件表面制备隔热涂层有望解决这一发展瓶颈问题。从上世纪80年代以来，低散热摩托车发动机的概念引起了广泛的关注，它是以优质的隔热材料制造热端部件的一种新型发动机，当采用耐热性好、导热性低、膨胀系数低的陶瓷材料涂覆于摩托车热端部件形成隔热涂层时可提高发动机的燃烧效率并减少散热损失。摩托车发动机核心部件主要包括活塞、汽缸盖、汽缸体。活塞作为发动机极其重要部件之一，隔热涂层的制备影响着发动机效率、油耗、噪声、排放、寿命等，摩托车发动机在正常工作状况下，活塞头部直接承受高温燃气的冲击，瞬间温度可到1800℃，但作用于活塞表面温度分布不均匀，由于冷热不均匀所产生的热应力容易使活塞顶表面开裂，目前活塞所用材料为铝合金，温度过高时其机械强度和硬度下降较快，当在活塞顶表面涂覆有陶瓷隔热涂层时，由于隔热涂层具有良好的隔热性能，能够很好的降低金属活塞的服役温度、减少燃烧做功的热量流失，同时也可避免机油烧结现象的发生。发动机汽缸盖一般为铸铁材料，其在发动机中服役环境仅受高温燃气冲击作用，为降低汽缸盖向外界散热，可在其燃气接触面制备隔热涂层。汽缸体亦为铸铁材料，工作时，活塞在其圆柱形内腔表面高速来回滑动做功，由于汽缸体内表面需要较低的摩擦系数，不适宜制备隔热涂层，因此可在其圆柱体外表面制备隔热涂层，起到隔热效果。作为摩托车发动机用热端部件所用隔热涂层材料必须具有低热导率、高耐热性和抗腐蚀性等。为了实现这些功能目标，经过长期研究实验发现7%wt.Y2O3-ZrO2(7YSZ)材料综合性能最好，它具有非常优异的物理和化学稳定性，热导率低(致密条件下热导率为2.3W/mk(100℃))、抗热震性好。已知7YSZ的膨胀系数为1.1×10-5/k，铝合金的膨胀系数为1.8×10-5/k，铸铁的膨胀系数为1.6×10-5/k，隔热涂层材料与发动机基体材料存在膨胀系数的差别，因此可使用MCrAlX合金材料作为过渡层(也称粘结层)，MCrAlX合金材料中其组元可以依据使用情况(工况，成本等)进行调整，合金组元中M包括Ni、Co或Ni+Co，它们是合金材料的基础元素，Co的抗腐蚀性优于Ni，但其抗氧化性不如Ni，Ni+Co的组合有利于涂层整体抗腐蚀、耐氧化性能的提高，一般Co的含量控制在20-26wt.%。合金中Cr是用于保证涂层的抗腐蚀性，它的存在可以促进Al2O3的生成。Al是用于提高粘结层的抗氧化性，一般Al的含量控制在5-12wt.%，由于Al、Cr的存在会使涂层的韧性降低，因此为了保证粘结层的抗热震性，Al和Cr的含量应保证粘结层抗氧化、耐腐蚀性能的情况下尽可能地降低。此外，为了进一步改善粘结层的抗热震性，在组元中可加入活性元素X如微量的稀土元素Y、Ta、Hf，其可提高热生长层与基体的结合强度，另外组元还可也加入其它合金化元素如Si、Zr等。现有低散热摩托车隔热涂层中，存在几个问题：一是，现有低散热发动机重点着眼于纯陶瓷部件的制备，纯陶瓷部件存在热震性能差、成本高等缺点，较难满足批量化生产；二是，部分低散热发动机在制备隔热涂层时，由于技术所限仅仅是对发动机中活塞进行隔热涂层涂覆，没有对汽缸盖、汽缸体进行同时涂覆，因此发动机隔热效果有限；三是，现有技术对活塞进行隔热涂层涂覆时，涂层材料选择不合理，且制备方法不恰当如制备MCrAlX合金材料作为过渡层时，合金涂层氧化较为严重，导致服役过程中陶瓷层易于剥落。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种成本低、高隔热、抗氧化、耐腐蚀、长寿命的低散热摩托车发动机的制备方法。本专利技术的技术方案是这样实现的：本专利技术所述的低散热摩托车发动机的制备方法，其特点是包括以下步骤：1）对摩托车发动机的活塞顶表面、汽缸盖内表面和汽缸体外表面进行粘结层喷涂：其中，在活塞顶表面和汽缸盖内表面采用低温超音速火焰喷涂NiCoCrAlYTa粘结层，厚度控制在50～100μm，喷涂参数为：航空煤油流量700～900L/min，氧气流量600～850L/min，送粉量25～40g/min，喷涂距离140～160mm；在汽缸体外表面采用大气等离子喷涂NiCrAl粘结层，厚度控制在50～100μm，且喷涂设备为Laval嘴等离子喷枪，喷涂参数为：电流500～550A,氩气流量40～55SLPM,氢气流量3～6SLPM，送粉量20～35g/min；2）喷涂完粘结层后，采用大气等离子喷涂对活塞顶表面、汽缸盖内表面和汽缸体外表面进行7YSZ陶瓷层喷涂，喷涂参数为：电流600～680A,氩气流量40～55SLPM,氢气流量7～12SLPM，送粉量15～30g/min；其中，活塞顶表面喷涂的7YSZ陶瓷层厚度控制在80～120μm，且喷涂设备为直嘴等离子喷枪；汽缸盖内表面喷涂的7YSZ陶瓷层厚度控制在150～200μm，汽缸体外表面喷涂的7YSZ陶瓷层厚度控制在250～300μm，且喷涂设备为Laval嘴等离子喷枪。为了进一步提高涂层的结合强度，在进行上述步骤1）之前，先将摩托车发动机的活塞、汽缸盖、汽缸体依次用汽油和酒精进行超声清洗，然后对非喷涂区域用高温胶布黏贴保护，再用40号刚玉砂砾对喷涂区域在0.3MPa气压下喷砂处理，并用干燥高压空气清洗去除残余砂砾。其中，喷涂区域是指活塞顶表面、汽缸盖内表面和汽缸体外表面。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：本专利技术通过陶瓷材料与金属材料复合，集合两种材料的优点，避免了现有技术着眼于制备纯陶瓷发动机部件的缺点，即本专利技术是在发动机热端部件的表面制备有既隔热又耐用的隔热涂层，该隔热涂层包括陶瓷层和粘结层，其中陶瓷层为低热导、高熔点材料，主要用于抗高温、耐腐蚀和抗燃气冲刷等；粘结层为抗高温氧化金属合金材料，主要用于高温抗氧化保护基体，以及作为过渡层降低陶瓷层与基体之间的热不匹配性。摩托车发动机中活塞、汽缸盖、汽缸体对隔热涂层性能的要求不尽相同。活塞作为发动机中服役环境最为苛刻的热端部件，它面临着高温燃气冲击、高速循环运动以及顶表面受热不均所带来的应力，因此隔热涂层中粘结层材料采用低温超音速火焰喷涂的NiCoCrAlYTa合金，避免了合金材料的氧化，另外，由于该材料中掺杂有Y、Ta稀土元素，具有良好的抗高温氧化性能。另外，活塞在制备陶瓷层过程中采用直嘴等离子喷枪，尽管陶瓷层孔隙率较Laval喷嘴所制备的涂层低，隔热性能偏低，但直嘴喷涂的陶瓷层内聚力高、结合强度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低散热摩托车发动机的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）对摩托车发动机的活塞顶表面、汽缸盖内表面和汽缸体外表面进行粘结层喷涂：其中，在活塞顶表面和汽缸盖内表面采用低温超音速火焰喷涂NiCoCrAlYTa粘结层，厚度控制在50～100μm，喷涂参数为：航空煤油流量700～900L/min，氧气流量600～850L/min，送粉量25～40g/min，喷涂距离140～160mm；在汽缸体外表面采用大气等离子喷涂NiCrAl粘结层，厚度控制在50～100μm，且喷涂设备为Laval嘴等离子喷枪，喷涂参数为：电流500～550A, 氩气流量40～55SLPM,氢气流量3～6SLPM，送粉量20～35g/min；2）喷涂完粘结层后，采用大气等离子喷涂对活塞顶表面、汽缸盖内表面和汽缸体外表面进行7YSZ陶瓷层喷涂，喷涂参数为：电流600～680A, 氩气流量40～55SLPM,氢气流量7～12SLPM，送粉量15～30g/min；其中，活塞顶表面喷涂的7YSZ陶瓷层厚度控制在80～120μm，且喷涂设备为直嘴等离子喷枪；汽缸盖内表面喷涂的7YSZ陶瓷层厚度控制在150～200μm，汽缸体外表面喷涂的7YSZ陶瓷层厚度控制在250～300μm，且喷涂设备为Laval嘴等离子喷枪。...

【技术特征摘要】
1.一种低散热摩托车发动机的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）对摩托车发动机的活塞顶表面、汽缸盖内表面和汽缸体外表面进行粘结层喷涂：其中，在活塞顶表面和汽缸盖内表面采用低温超音速火焰喷涂NiCoCrAlYTa粘结层，厚度控制在50～100μm，喷涂参数为：航空煤油流量700～900L/min，氧气流量600～850L/min，送粉量25～40g/min，喷涂距离140～160mm；在汽缸体外表面采用大气等离子喷涂NiCrAl粘结层，厚度控制在50～100μm，且喷涂设备为Laval嘴等离子喷枪，喷涂参数为：电流500～550A,氩气流量40～55SLPM,氢气流量3～6SLPM，送粉量20～35g/min；2）喷涂完粘结层后，采用大气等离子喷涂对活塞顶表面、汽缸盖内表面和汽...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小锋，周克崧，邓春明，宋进兵，邓畅光，刘敏，毛杰，张吉阜，杨焜，徐丽萍，陈志坤，曾威，
申请(专利权)人：广东省新材料研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44