[发明专利]一种用于铝合金活塞燃烧室面的CrAlN隔热涂层及其制备方法

说明书

本发明公开一种用于铝合金活塞燃烧室面的CrAlN隔热涂层及其制备方法，由内向外依次包括过渡层和隔热层，所述过渡层为CrAl涂层，所述隔热层为CrAlN涂层。该方法采用磁过滤阴极真空弧法，以CrAl合金靶材（Cr、Al金属靶材）为阴极，在所述铝合金表面沉积CrAl涂层形成过渡层，然后以氮气为工作气体，在所得过渡层表面均匀涂覆CrAlN涂层形成隔热层。本发明不但解决了CrAlN涂层与铝合金基底材料因基本物性差异较大而导致的结合力和承载能力差的问题，而且涂层均匀致密，具有良好的膜基结合状态，硬度高达40 GPa，在活塞热负荷试验中也表现出良好的高温隔热性及抗热冲击性。本发明显著提高了铝合金活塞的性能可靠性及使用寿命，能满足现代发动机高功率、低排放的发展要求。

技术领域

本发明涉及活塞表面处理领域，特别地涉及一种用于铝合金活塞燃烧室面的CrAlN隔热涂层及其制备方法。

背景技术

活塞是发动机的“心脏”，是发动机传递能量的重要构件，其质量的好坏直接影响到发动机的使用性、经济性及寿命。其中活塞燃烧室面位于上止点时，活塞顶面以上、汽缸盖底面以下，它用于混合燃气、组织气流并为燃烧提供空间。但柴油机燃料柴油粘度大不易蒸发，而其自燃温度却较汽油低，活塞压燃的工作性质赋予燃烧室面更加恶劣的服役环境。柴油机活塞工作时柴油会形成细微的油粒，与高压高温的空气混合,压缩进程中进而产生瞬时的高温及燃气压力，同时产生氮氧、硫氧等烧蚀性气体；在进气、压缩、做功、排气四个行程的工作循环下，燃烧室面不但承受交变的机械负荷和循环热冲击，燃料与空气混合工作的模式更使活塞基材直接与高温燃气接触，燃烧室面极易发生热负荷、热疲劳及热腐蚀等失效行为。柴油机活塞的燃烧室面为非几何面，活塞的燃烧室形状不但影响柴油机的效率，对活塞热强度也有相当大的影响。随着科技的发达，燃烧室的几何形状日趋复杂，但总的来说，并没有达到完善燃烧效率、活塞热强度和排放标准的统一发展。目前改善活塞基体材料的有效途径之一就是通过表面涂层技术，以提高活塞局部的抗热冲击、抗高温氧化性和耐腐蚀性等性能。但考虑到柴油机活塞燃烧室面特殊的服役状况，传统表面涂层工艺绕射性差，很难制备得到均匀致密、与基材结合性好的膜层，从而不能达到防护基材强化基材的效果。

CrAlN涂层具有良好的力学性能和机械加工特性，在高温下会形成惰性的Al₂O₃、Cr₂O₃混合氧化膜，且具有较低的导热系数，在高温防护领域具有极大的应用优势。如公开号为CN108266287A的专利公开了一种活塞环的耐磨涂层，由四层结构构成，由内而外依次包括粘结层、主耐磨层、辅耐磨层和缓冲层；所述主耐磨层为CrAlN层和WS₂层交替构成的CrAlN/WS₂多层涂层，辅耐磨层为Cr层和CrO层交替构成的Cr/CrO多层涂层。该专利公开的耐磨涂层具有较好的力学性能、耐磨性能。但是，CrAlN涂层主要是用于与Si、工模具钢等基材结合用于耐磨领域，高硬度的CrAlN涂层与铝合金活塞基材在硬度、热膨胀系数以及结构方面存在很大差异，从而限制CrAlN隔热涂层与基材之间的结合力和承载能力，无法避免涂层应用于燃烧室面发生的热负荷、热疲劳及热腐蚀等失效行为。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于铝合金活塞燃烧室面的CrAlN隔热涂层及其制备方法，解决因基底材料铝合金与隔热涂层结合力不佳，导致活塞因恶劣服役环境发生的热负荷、热疲劳及热腐蚀等失效行为的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种用于铝合金活塞燃烧室面的CrAlN隔热涂层，由内向外依次包括过渡层和隔热层，所述过渡层为CrAl涂层，所述隔热层为CrAlN涂层。

这样，在高硬度的CrAlN层与基底材料铝合金之间设置高Al含量的CrAl过渡层，能够改善CrAlN涂层与铝合金基材之间的适应性，缓解化学键、热膨胀系数等性能的差别，起到减小应力作用。有效避免了CrAlN涂层与铝合金基材因基本物性存在较大差异而导致的结合力和承载能力差的问题。