一种隔热涂层及其应用的制作方法

1.本发明属于金属表面处理技术领域，具体涉及一种隔热涂层及其应用。

背景技术：

2.现代重型柴油发动机正在向着高效率发展，为了实现更高的效率，发动机必须在更高的峰值压力下和在更高的温度下运行。在这些增加的需求下，通过燃烧室的热损失成为问题。通常，约4%至6%的可用燃料能量作为通过活塞进入冷却系统的热而损失掉。提高发动机效率的一种方法是通过涡轮复合从热的燃烧气体中提取能量。例如，通过涡轮复合可以从热排气中提取约4%至5%的燃料能量。
3.提高发动机效率的另一种方法包括，通过使发动机部件绝热来减少冷却系统的热损失，例如，使用由陶瓷材料形成的绝缘层。一种选择包括，将金属结合层施加到金属表面，然后施加陶瓷层。然而，这些层是不连续的，并且陶瓷本质上是多孔的。因此，燃烧气体可以穿过陶瓷并开始氧化在陶瓷/结合层界面处的金属结合层，导致随着时间的推移形成脆弱的边界层和潜在的涂层失效。此外，相邻层之间的热膨胀系数的不匹配以及陶瓷的脆性性质，产生了脱层和剥落的风险。
4.另一种选择是由氧化钇稳定的氧化锆形成的热喷涂层。当这种材料单独使用时，可能会因为柴油内燃机中的热效应和化学侵蚀而出现不稳定。而且，还发现，厚的陶瓷涂层，例如大于500微米(比如1毫米)厚的陶瓷涂层，易于产生裂纹和失效。
5.此外，传统涂层一般是高热容、高热导涂层，表面温度较高，且保持不变。当进气时，较高的温度会使得进气减少，不利于燃烧。当上止点高温燃烧时，温度的降低又使得对外传递的热量多，增大热量损失。
6.综上所述，如何提供一种结合牢固，且低热容、低热导的涂层成为当前亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种隔热涂层及其应用，所述隔热涂层通过涂层结构的设计，涂层原料的选择优化，以及各原料组分的配比，针对现有隔热涂层存在的高热容、高热导的问题，有效降低了涂层的热容和热导，具有较好的应用前景。
8.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
9.第一方面，本发明提供了一种隔热涂层，所述隔热涂层包括与结构件直接接触的功能层以及设置于所述功能层表面的面层；所述功能层的原料包括氧化钇、除钇以外的其他稀土氧化物以及蓬松材料；
10.所述面层的原料包括铀。
11.本发明中，隔热涂层的主体成分为氧化钇，可有效降低涂层热容；蓬松材料可降低整体功能层的密度，增加孔隙率，有助于形成低热容、低热导涂层；而最外层的面层，可有效
降低涂层表面粗糙度，是ra＜1.6μm。
12.以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
13.以下作为本发明优选的技术方案，所述功能层的厚度可根据隔热要求，适应性的调整厚度，优选为0.3-0.5mm，例如0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm或0.5mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
14.作为本发明优选的技术方案，所述功能层的原料以质量百分数计，包括氧化钇 70-80wt%，例如70wt%、71wt%、72wt%、73wt%、74wt%、75wt%、76wt%、77wt%、78wt%、79wt%或80wt%等；除钇以外的其他稀土氧化物 5-15wt%，例如5wt%、6wt%、7wt%、8wt%、9wt%、10wt%、11wt%、12wt%、13wt%/14wt%或15wt%等；以及蓬松材料 5-15wt%，例如5wt%、6wt%、7wt%、8wt%、9wt%、10wt%、11wt%、12wt%、13wt%、14wt%或15wt%等，上述数值的选择并不仅限于所列举的数值，在各自的数值范围内其他未列举的数值同样适用。
15.本发明中，各组分的添加量对隔热效果具有重要的影响。氧化钇添加量不论过少还是过多，均不易形成低热容涂层结构；而樟木粉的添加量过少，会导致涂层结构的密度增大；樟木粉的添加量过多，则会导致涂层的强度和韧性变差。
16.作为本发明优选的技术方案，所述氧化钇的粒度不超过200μm，例如10μm、30μm、50μm、80μm、100μm、150μm、180μm或200μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
17.本发明中，为保证功能层的隔热效果，氧化钇的粒度不宜过大，否则不能形成稳定的低热容涂层结构。
18.所述除钇以外的其他稀土氧化物的过筛目数为800-1000目，例如800目、850目、900目、950目或1000目等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
19.作为本发明优选的技术方案，所述蓬松材料包括樟木粉。
20.所述樟木粉的过筛目数为30-50目，例如30目、35目、40目、45目或50目等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
21.第二方面，本发明提供了一种第一方面所述的隔热涂层的应用，所述隔热涂层作用于气缸盖的火力面。
22.第三方面，本发明提供了一种第一方面所述的隔热涂层的应用方法，所述应用方法包括以下步骤：
23.先将混合后的功能层原料喷涂于结构件的表面上，烘干后再将面层原料涂覆于功能层之上，形成隔热涂层。
24.作为本发明优选的技术方案，所述结构件的表面包括气缸盖的火力面。
25.所述结构件的表面在进行喷涂前，先进行预处理。
26.所述预处理包括依次进行的粗加工以及机械电子震动，所述粗加工包括但不限于喷丸处理、激光雕刻纹理或砂轮打磨处理。
27.作为本发明优选的技术方案，所述喷涂的方式包括爆炸喷涂或等离子增强电弧喷涂。
28.作为本发明优选的技术方案，所述烘干的温度为500-1100℃，例如500℃、600℃、
700℃、800℃、900℃、1000℃或1100℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
29.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
30.本发明所述隔热涂层通过涂层结构的设计，涂层原料的选择优化，以及各原料组分的配比，针对现有隔热涂层存在的高热容、高热导的问题，有效降低了涂层的热容和热导，在气缸盖的应用中，提升涡前能量与动力性储备提升，具有较好的应用前景。
附图说明
31.图1是本发明实施例1提供的一种隔热涂层中，功能层垂直剖面的sem图。
32.图2是本发明对比例2提供的一种隔热涂层中，隔热涂层垂直剖面的sem图。
33.图3是实施例1-7中覆有隔热涂层的气缸盖不同转速下的涡前排温变化曲线图。
34.图4是实施例1和对比例1-2中覆有隔热涂层的气缸盖不同转速下涡前排温变化曲线图。
35.图5是实施例1和对比例1-2中覆有隔热涂层的气缸盖不同增压器放气阀开度下的扭矩变化曲线图。
具体实施方式
36.为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
37.在一个具体实施方式中，本发明提供了一种隔热涂层，所述隔热涂层包括与结构件直接接触的功能层以及设置于所述功能层表面的面层；所述功能层的原料包括氧化钇、除钇以外的其他稀土氧化物以及蓬松材料；
38.所述面层的原料包括铀。
39.进一步地，所述功能层的原料以质量百分数计，包括氧化钇 70-80wt%，除钇以外的其他稀土氧化物 5-15wt%，以及蓬松材料 5-15wt%。
40.进一步地，所述氧化钇的粒度不超过200μm。
41.进一步地，所述除钇以外的其他稀土氧化物的过筛目数为800-1000目。
42.进一步地，所述蓬松材料包括樟木粉；所述樟木粉的过筛目数为30-50目。
43.以下为本发明典型但非限制性实施例：
44.实施例1：
45.本实施例提供了一种隔热涂层，基于具体实施方式中的隔热涂层，本实施例隔热涂层的具体成分如表1所示。
46.表1
47.48.上述隔热涂层中，功能层的垂直剖面的扫描电镜图如图1所示。从图1中可以看出，本发明方案形成的功能层呈波浪式叠加结构，有利于提高涂层结构的孔隙率、降低涂层密度与热容。
49.本实施例还提供了上述隔热涂层的应用方法，所述应用方法包括：
50.（1）气缸盖火力面进行喷丸处理，是粗糙度ra为3.2μm，然后进行机械电子振动，提高表面硬度；
51.（2）按照表1中的配比将功能层原料进行混合，利用等离子增强电弧喷涂的方式喷涂到经步骤（1）处理后的气缸盖火力面上，在800℃下烘干，得到0.4mm的功能层；
52.（3）将面层材料（铀）涂敷于功能层之上，保证面层的粗糙度ra为1.4μm。
53.实施例2：
54.本实施例提供了一种隔热涂层，基于具体实施方式中的隔热涂层，本实施例隔热涂层的具体成分如表2所示。
55.表2
[0056][0057]
本实施例还提供了上述隔热涂层的应用方法，所述应用方法包括：
[0058]
（1）气缸盖火力面进行喷丸处理，是粗糙度ra为4.3μm，然后进行机械电子振动，提高表面硬度；
[0059]
（2）按照表2中的配比将功能层原料进行混合，利用等离子增强电弧喷涂的方式喷涂到经步骤（1）处理后的气缸盖火力面上，在900℃下烘干，得到0.3mm的功能层；
[0060]
（3）再次利用等离子增强电弧喷涂的方式喷涂面层材料，保证面层的粗糙度ra为1.5μm。
[0061]
实施例3：
[0062]
本实施例提供了一种隔热涂层，基于具体实施方式中的隔热涂层，本实施例隔热涂层的具体成分如表3所示。
[0063]
表3
[0064][0065]
本实施例还提供了上述隔热涂层的应用方法，所述应用方法包括：
[0066]
（1）气缸盖火力面进行喷丸处理，是粗糙度ra为6.4μm，然后进行机械电子振动，提高表面硬度；
[0067]
（2）按照表3中的配比将功能层原料进行混合，利用等离子增强电弧喷涂的方式喷涂到经步骤（1）处理后的气缸盖火力面上，在1000℃下烘干，得到0.5mm的功能层；
[0068]
（3）再次利用等离子增强电弧喷涂的方式喷涂面层材料，保证面层的粗糙度ra为1.3μm。
[0069]
实施例4：
[0070]
本实施例提供了一种隔热涂层，所述隔热涂层参照实施例2中的隔热涂层，区别仅在于：功能层的原料中，氧化钇的含量为65wt%，其减少的含量，按比例增加到其他组份上。
[0071]
本实施例还提供了上述隔热涂层的应用方法，所述应用方法中除功能层原料外，其余条件不变。
[0072]
实施例5：
[0073]
本实施例提供了一种隔热涂层，所述隔热涂层参照实施例3中的隔热涂层，区别仅在于：功能层的原料中，氧化钇的含量为85wt%，其增加的含量，有其他组分按比例减少得到。
[0074]
本实施例还提供了上述隔热涂层的应用方法，所述应用方法中除功能层原料外，其余条件不变。
[0075]
实施例6：
[0076]
本实施例提供了一种隔热涂层，所述隔热涂层参照实施例3中的隔热涂层，区别仅在于：功能层的原料中，樟木粉的含量为18wt%，其增加的含量，有其他组分按比例减少得到。
[0077]
本实施例还提供了上述隔热涂层的应用方法，所述应用方法中除功能层原料外，其余条件不变。
[0078]
实施例7：
[0079]
本实施例提供了一种隔热涂层，所述隔热涂层参照实施例1中的隔热涂层，区别仅在于：功能层的原料中，氧化钇的粒度为250-300μm。
[0080]
本实施例还提供了上述隔热涂层的应用方法，所述应用方法中除功能层原料外，其余条件不变。
[0081]
对比例1：
[0082]
本对比例提供了一种隔热涂层，所述隔热涂层参照实施例1中的隔热涂层，区别仅在于：功能层的原料中，不含有樟木粉，其减少的含量，按比例增加到其他组份上。
[0083]
本实施例还提供了上述隔热涂层的应用方法，所述应用方法中除功能层原料外，其余条件不变。
[0084]
对比例2：
[0085]
本对比例提供了一种隔热涂层，所述隔热涂层的原料仅为过筛150目的氧化锆。上述隔热涂层垂直剖面的扫描电镜图如图2所示。从图2中可以看出，该隔热涂层呈板条层状结构，这样的涂层结构孔隙低，密度高且热容高，不利于隔热。
[0086]
本对比例还提供了上述隔热涂层的应用方法，所述应用方法包括：
[0087]
（1）气缸盖火力面进行喷丸处理，是粗糙度ra为3.2μm，然后进行机械电子振动，提高表面硬度；
[0088]
（2）将过筛150目的氧化锆利用等离子电弧喷涂的方式喷涂到经步骤（1）处理后的气缸盖火力面上，在800℃下烘干，得到0.4mm的隔热涂层。
[0089]
绘制实施例1-7中覆有隔热涂层的气缸盖不同转速下涡前排温变化曲线，结果如
图3所示。由图3中可以看出，本发明实施例1-3所述隔热涂层通过控制隔热涂层原料含量，与实施例4-7相比，有效提升了涡前能量。
[0090]
绘制实施例1和对比例1-2中覆有隔热涂层的气缸盖不同转速下涡前排温变化曲线如图4所示。有由图4可知，对比例1中没有添加樟木粉，导致其无法形成低热容低密度涂层，涡前能量提升有限；而与对比例2的传统隔热涂层相比，本发明实施例1所述的隔热涂层可有效提升涡前能量，使涡前排温提升4-11℃。
[0091]
绘制实施例1和对比例1-2中覆有隔热涂层的气缸盖不同增压器放气阀开度下的扭矩变化曲线图，结果如图5所示。由图5可知，与传统隔热涂层（即对比例2）相比，本发明所述的隔热涂层使动力性储备提升了20-50n
·
m，具有较好的应用效果。
[0092]
本发明通过上述实施例来说明本发明的产品和详细方法，但本发明并不局限于上述产品和详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述产品和详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明操作的等效替换及辅助操作的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

技术特征：

1.一种隔热涂层，其特征在于，所述隔热涂层包括与结构件直接接触的功能层以及设置于所述功能层表面的面层；所述功能层的原料包括氧化钇、除钇以外的其他稀土氧化物以及蓬松材料；所述面层的原料包括铀。2.根据权利要求1所述的隔热涂层，其特征在于，所述功能层的原料以质量百分数计，包括氧化钇 70-80wt%，除钇以外的其他稀土氧化物 5-15wt%，以及蓬松材料 5-15wt%。3.根据权利要求1所述的隔热涂层，其特征在于，所述氧化钇的粒度不超过200μm。4.根据权利要求1所述的隔热涂层，其特征在于，所述除钇以外的其他稀土氧化物的过筛目数为800-1000目。5.根据权利要求1所述的隔热涂层，其特征在于，所述蓬松材料包括樟木粉；所述樟木粉的过筛目数为30-50目。6.一种如权利要求1-5任一项所述的隔热涂层的应用，其特征在于，所述隔热涂层作用于气缸盖的火力面。7.一种如权利要求1-5任一项所述的隔热涂层的应用方法，其特征在于，所述应用方法包括以下步骤：先将混合后的功能层原料喷涂于结构件的表面上，烘干后再将面层原料涂覆于功能层之上，形成隔热涂层。8.根据权利要求7所述的隔热涂层的应用方法，其特征在于，所述结构件的表面包括气缸盖的火力面；所述结构件的表面在进行喷涂前，先进行预处理；所述预处理包括依次进行的粗加工以及机械电子震动。9.根据权利要求7所述的隔热涂层的应用方法，其特征在于，所述喷涂的方式包括爆炸喷涂或等离子增强电弧喷涂。10.根据权利要求7所述的隔热涂层的应用方法，其特征在于，所述烘干的温度为500-1100℃。

技术总结

本发明提供了一种隔热涂层及其应用，所述隔热涂层包括与结构件直接接触的功能层以及设置于所述功能层表面的面层；所述功能层的原料包括氧化钇、除钇以外的其他稀土氧化物以及蓬松材料；所述面层的原料包括铀；所述隔热涂层通过涂层结构的设计，涂层原料的选择优化，以及各原料组分的配比，针对现有隔热涂层存在的高热容、高热导的问题，有效降低了涂层的热容和热导，在气缸盖的应用中，提升涡前能量与动力性储备提升，具有较好的应用前景。具有较好的应用前景。具有较好的应用前景。