一种发动机汽缸用铝合金材料的制备方法

摘要

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种利用冷气动力喷涂制备汽车发动机缸体用Al‑Si‑Cu合金块体材料的方法。首先将Al、Si、Cu的单质块进行真空炉熔炼后采用气体雾化的方法制得适合冷喷涂工艺尺寸的合金粉末；再采用冷气动力喷涂将制备的合金粉末喷涂到基体表面，制备出Al‑Si‑Cu的块体材料；所获得Al基合金块体材料中，抗拉强度可达100～350MPa，屈服强度可达80～200MPa，伸长率1％～3.5％，厚度在2cm以上。本发明方法操作简单，制备出的Al基合金块体材料组织致密，厚度可控，经热处理后力学性能良好。该材料结合冷喷涂增材制造技术有可能用于汽车发动机缸体的制备，大幅减轻发动机缸体的重量，解决国内汽车发动机铝合金缸体铸造工艺不成熟的问题。

权利要求

1.一种发动机汽缸用铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将Al、Si、Cu的单质块进行真空炉熔炼后，采用气体雾化的方法制得适合冷喷涂工艺尺寸的合金粉末；

(2)采用冷气动力喷涂将制备的合金粉末喷涂到基体表面，制备出Al-Si-Cu的块体材料；

(3)采用马弗炉对制备出的Al-Si-Cu块体材料进行热处理；

所获得Al基合金块体材料中，孔隙率在2％以下，抗拉强度为100～350MPa，屈服强度为

80～200MPa，伸长率1％～3.5％，厚度在2cm以上；

步骤(1)中，气雾化合金粉末成分为Si：7～9wt.％，Cu：2.5～3.5wt.％，Al：余量；

步骤(1)中，气雾化合金粉末的粒度范围为20～50μm。

2.按照权利要求1所述的发动机汽缸用铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，冷气动力喷涂的操作条件为温度200～600℃，压力0.5～5.0MPa，喷涂距离10～40mm。

3.按照权利要求1所述的发动机汽缸用铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，制备出的Al基合金块体材料结构致密，颗粒变形程度高。

4.按照权利要求1所述的发动机汽缸用铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，热处理的温度范围为200℃～500℃，保温时间为2h～10h。

说明书

一种发动机汽缸用铝合金材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于增材制造领域，具体涉及一种利用冷气动力喷涂制备汽车发动机缸体用Al-Si-Cu合金块体材料的方法。

背景技术

[0002] 汽车工业中，为了降低废气排放和减少燃料的消耗，迫切期望减轻发动机重量(占总体重量10～15％)和减少汽缸内膛的磨损。铝合金作为一种新型材料，汽车轻量化建设中得到广泛应用。目前，国外中高端汽车生产厂家已经进行了铝合金发动机的工业化应用和生产，德国奔驰等公司已经用Al-Si-Cu系列的GD-AlSi9Cu3压铸铝制备了轿车用OM660共轨直喷发动机，其密度仅为铸铁的30％左右，美国福特汽车的2001ExpeditionSUV汽车的V-8发动机缸体也是用铝合金压铸而成。国内由于缺乏成熟精密的铸造工艺和先进的工业化生产设备，在高性能铝合金研发应用上与国外存在不小的差距。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种发动机汽缸用铝合金材料的制备方法，不采用于传统铸造工艺制备铝合金块体材料，将Al-Si-Cu合金块体材料结合冷喷涂增材制造技术有可能用于汽车发动机缸体的制备，大幅减轻发动机缸体的重量，解决国内汽车发动机铝合金缸体铸造工艺不成熟的问题。

[0004] 本发明的技术方案如下：

[0005] 一种发动机汽缸用铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

[0006] (1)将Al、Si、Cu的单质块进行真空炉熔炼后，采用气体雾化的方法制得适合冷喷涂工艺尺寸的合金粉末；

[0007] (2)采用冷气动力喷涂将制备的合金粉末喷涂到基体表面，制备出Al-Si-Cu的块体材料；

[0008] (3)采用马弗炉对制备出的Al-Si-Cu块体材料进行热处理；

[0009] 所获得Al基合金块体材料中，孔隙率在2％以下，抗拉强度为100～350MPa，屈服强度为80～200MPa，伸长率1％～3.5％，厚度在2cm以上。

[0010] 所述的发动机汽缸用铝合金材料的制备方法，步骤(1)中，气雾化合金粉末成分为Si：7～9wt.％，Cu：2.5～3.5wt.％，Al：余量。

[0011] 所述的发动机汽缸用铝合金材料的制备方法，步骤(1)中，气雾化合金粉末的粒度范围为20～50μm。

[0012] 所述的发动机汽缸用铝合金材料的制备方法，步骤(2)中，冷气动力喷涂的操作条件为温度200～600℃，压力0.5～5.0MPa，喷涂距离10～40mm。

[0013] 所述的发动机汽缸用铝合金材料的制备方法，步骤(2)中，制备出的Al基合金块体材料结构致密，颗粒变形程度高。

[0014] 所述的发动机汽缸用铝合金材料的制备方法，步骤(3)中，热处理的温度范围为200℃～500℃，保温时间为2h～10h。

[0015] 本发明的设计思想是：

[0016] 本发明提供了一种通过冷喷涂增材制造工艺制备汽车发动机缸体的新方法。压力铸造、重力铸造、消失模铸造、精密组芯造型铸造等铸造工艺普遍存在成本较高、研发周期长等特点，同时国内由于铝合金缸体研究起步较晚，铸造工艺和国外存在不小差距，工业化应用尚处于起步阶段。冷喷涂增材制造技术是一项新兴的技术，该技术基于冷气动力喷涂工艺，能够使颗粒在固态状态下高速撞击工件表面，通过颗粒强烈的塑性变形进行沉积实现材料增项，同时结合先进计算机辅助制造技术可以制备具有较高精度的复杂工件。本发明拟用冷喷涂Al-Si-Cu合金粉末，制备Al基合金块体材料，同时通过热处理等工艺提高该材料的力学性能，达到同质铸造材料的强度水平。该方法操作简便，易于控制，成本较低，该制备技术在国内外未见报道。

[0017] 本发明的优点及有益效果是：

[0018] 1.本发明制备的Al基合金块体材料，制备温度在500℃以下，颗粒内部和颗粒与颗粒之间无反应。

[0019] 2.本发明Al基合金块体材料冷喷涂方法制备，晶粒尺寸适中，没有铸造形成的粗大晶粒，力学性能良好。

[0020] 3.本发明方法操作简单，制备出的Al基合金块体材料组织致密，孔隙率低，厚度可控。

具体实施方式

[0021] 在具体实施过程中，本发明Al基合金块体材料的制备方法，首先将Al、Si、Cu的单质块进行真空炉熔炼后采用气体雾化的方法制得适合冷喷涂工艺尺寸的合金粉末；再采用冷气动力喷涂将制备的合金粉末喷涂到基体表面，制备出Al-Si-Cu的块体材料；该材料是由冷喷涂粉末层层喷涂叠加夯实而形成，具有低的密度、良好的热导性能以及良好的力学性能，因此可以用于汽车发动机铝合金缸体的制备，该方法具体步骤如下：

[0022] 步骤1制粉：将Al、Si、Cu的单质块进行真空炉熔炼后采用气体雾化的方法制得适合冷喷涂工艺尺寸的合金粉末。

[0023] 其中，气雾化球形合金粉末成分为Si：7～9wt.％，Cu：2.5～3.5wt.％，Al：余量，筛出适合冷喷涂的粉末尺寸为20～50μm。

[0024] 步骤2喷涂：采用冷喷涂设备将步骤1中所制备的气雾化铝合金粉末直接喷涂到铝合金或不锈钢基体上，形成的厚的沉积层即为所制备的块体材料。冷喷涂设备的操作条件为温度200～600℃，压力1.5～5.0MPa，喷涂距离10～40mm。

[0025] 其中，冷喷涂设备请参见中国发明专利(专利号：01128130.8，授权公告号：CN1161188C)提到的一种冷气动力喷涂装置或其他商用冷喷涂、动力喷涂或低压冷喷涂设备。所获得Al基合金块体材料中，孔隙率在2％以下，抗拉强度可达100～350MPa，屈服强度可达80～200MPa，伸长率1％～3.5％。

[0026] 步骤3热处理：采用马弗炉对制备出的Al-Si-Cu块体材料进行退火热处理。

[0027] 其中，热处理的温度范围为200℃～500℃，保温时间为2h～10h。

[0028] 所获得Al基合金块体材料中，孔隙率在2％以下，抗拉强度可达100～350MPa，屈服强度可达80～200MPa，伸长率1％～3.5％。

[0029] 下面对本发明的实施例作详细说明，在以发明技术方案为前提下进行实施，给出详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下面的实施例。

[0030] 实施例1

[0031] 将成分为Al-8wt.％Si-3wt.％Cu的单质块体在真空炉中熔炼并雾化制粉筛出平均粒度为30μm的气雾化合金粉末；随后用冷喷涂设备在不锈钢基体上沉积该合金粉末，操作温度450℃，操作压力2.5MPa，喷涂距离20mm。本实施例中，制备出的Al基合金块体材料厚度为2mm，孔隙率约为1％，抗拉强度250MPa，屈服强度165MPa，伸长率为1.5％。

[0032] 实施例2

[0033] 将成分为Al-8wt.％Si-3wt.％Cu的单质块体在真空炉中熔炼并雾化制粉筛出平均粒度为20μm的气雾化合金粉末；随后用冷喷涂设备在不锈钢基体上沉积该合金粉末，操作温度450℃，操作压力2.5MPa，喷涂距离20mm。同时将制备出的Al基合金块体在450℃下真空热处理6h。本实施例中，制备出的Al基合金块体材料厚度为2cm，孔隙率约为0.5％，抗拉强度240MPa，屈服强度187MPa，伸长率约为2％。

[0034] 实施例3

[0035] 将成分为Al-8wt.％Si-3wt.％Cu的单质块体在真空炉中熔炼并雾化制粉筛出平均粒度为20μm的气雾化合金粉末；随后用冷喷涂设备在不锈钢基体上沉积该合金粉末，操作温度550℃，操作压力3.5MPa，喷涂距离20mm。本实施例中，制备出的Al基合金块体材料厚度为2cm，孔隙率约为0.8％，抗拉强度300MPa，屈服强度172MPa，伸长率为2％。

[0036] 实施例4

[0037] 将成分为Al-8wt.％Si-3wt.％Cu的单质块体在真空炉中熔炼并雾化制粉筛出平均粒度为30μm的气雾化合金粉末；随后用冷喷涂设备在不锈钢基体上沉积该合金粉末，操作温度550℃，操作压力3.5MPa，喷涂距离20mm。同时将制备出的Al基合金块体在450℃下真空热处理6h。本实施例中，制备出的Al基合金块体材料厚度为2cm，孔隙率约为0.5％，抗拉强度280MPa，屈服强度193MPa，伸长率约为3％。

[0038] 实施例结果表明，本发明方法操作简单，制备出的Al基合金块体材料组织致密，厚度可控，经热处理后力学性能良好。该Al基合金块体材料结合冷喷涂增材制造技术可用于制备汽车发动机缸体，减轻车身的重量，降低能源消耗。