一种多材质一体化发动机的制作方法

1.本发明涉及发动机技术领域，具体是一种多材质一体化发动机。


背景技术：

2.发动机的气门座或称气门座圈的密封锥面的使用工况较差，工作温度长期处于 700℃以上，而且时刻受到燃气中腐蚀性气体的侵蚀。并且气门座圈主要以装配式和镶嵌式最为常见，缸盖与气门座圈采用过盈配合以保证可靠性，但组合结构存在着两大不足之处，一是组合式结构虽然做到了局部加强，但由于工作环境差，工作强度高，加之两种结构的材料膨胀系数不同，还是容易出现松脱或胀裂；二是由于这种结构的局限性，需要考虑进气和出气之间的鼻梁强度，限制了发动机进气门与气缸盖的配合结构设计空间，影响了发动机的做功效率和发动机体积和轻量化设计。
3.为克服装配式和镶嵌式的缺陷，现有技术出现了激光熔覆技术，是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化性。如公开号为cn110374755a的中国发明专利公开的一种气缸盖、发动机及气门座圈的激光熔覆方法，在进气门座孔的侧壁上开设有熔覆槽，熔覆槽靠近气缸连接端的一侧设置过渡段，熔覆槽内通过激光熔覆工艺形成有气门座圈，气门座圈与气缸盖之间通过结合层连接，结合层存在于熔覆槽对应的进气门座孔的侧壁内，结合层还存在于部分过渡段对应的所述进气门座孔的侧壁内。通过特制过渡段的弧面熔覆槽，使熔覆物与母体间的结合层延伸至过渡段处。但这种通过宏观结构的来改善熔覆槽产生的熔覆裂纹缺陷，并不能从根本上改善熔覆层的微观组织结构，如图1所示，图1是通过公开号为cn110374755a的中国发明专利提供的激光熔覆方法制备的进气门座孔熔覆槽处的组织金相四联图，激光熔覆用的合金粉末由以下重量百分比的原料经研磨混合而成：59.95%fe、23%ni、0.35%al、0.82%si、0.75%ti、7.6%cr、7.5%nb、0.3c%。激光熔覆工艺参数为：激光输出功率1.2～2.0kw，扫描速度1～7mm/s，送粉速率：0.2-0.4r/min，光斑直径φ4.2mm。从图1的a)可以看出，rut450基体与熔覆层具有明显的界面，从b)可以看出，在界面附近存在大量片状石墨，说明石墨参与了到激光熔覆高温熔池，产生了c)和d)显示的大量网状连接的白口组织，白口组织的存是形成裂纹的源头，且向熔覆层进行扩展，使结合界面的强度存在降低的可能性。并且马氏体和莱氏体未浸入熔覆层，而马氏体的主要作用时提高表面硬度和耐磨性，因此熔覆层的强度较低，熔覆层与铸铁基体的结合强度不够，容易产生开裂、气泡等缺陷，影响熔覆层的使用寿命。


技术实现要素：

4.为克服现有现有技术存在的技术缺陷或缺陷之一，本发明提供一种多材质一体化发动机，所采取的技术方案是：一种多材质一体化发动机，包括灰铸铁、球磨铸铁或蠕墨铸铁材质的气缸盖，气缸
盖包括进气门座孔，与现有技术不同的是，气缸盖在铸造前、在对应进气门座孔的砂型内壁部位涂敷合金浆料，涂敷后温热烘干，然后进行浇注，合金浆料涂层经高温物化冶金反应冷却凝固后获得合金化层，对合金化层进行表面处理，最后将熔覆用合金粉末通过激光熔覆在合金化层表面上。
5.进一步地，合金浆料由合金粉末与粘结剂混合而成，粘结剂为水玻璃、酚醛树脂、磷酸二氢铝和/或聚乙烯醇。
6.进一步地，表面处理包括喷砂、磨抛和/或切削加工以去除合金化层表面的氧化物、夹渣和油污。
7.进一步地，合金化层的厚度为0.2-2mm。
8.进一步地，合金浆料的合金粉末由以下重量百分比的原料经研磨混合而成：72.53%fe、10%ni、0.35%al、1.82%si、8.6%cr、5.5%nb、1.2c%；激光熔覆用的合金粉末由以下重量百分比的原料经研磨混合而成：59.95%fe、23%ni、0.35%al、0.82%si、0.75%ti、7.6%cr、7.5%nb、0.3c%进一步地，合金浆料的合金粉末与激光熔覆用的合金粉末组分相同，均由以下重量百分比的原料经研磨混合而成：59.95%fe、23%ni、0.35%al、0.82%si、0.75%ti、7.6%cr、7.5%nb、0.3c%。
9.进一步地，激光熔覆工艺参数为：激光输出功率1.2～2.0kw，扫描速度1～7mm/s，送粉速率：0.2-0.4r/min，光斑直径φ4.2mm。
10.与现有技术相比，本发明在气缸盖铸造过程中，在进气门座孔处形成合金化层，然后在合金化层进行激光熔覆，从微观层面避免了石墨参与到激光熔覆高温熔池中形成的气孔、裂纹、脆硬碳化物等组织缺陷，有效提高了铸铁件表面激光熔覆层的结合强度及功能特性。
附图说明
11.图1是进气门座孔处通过现有激光熔覆工艺得到的组织金相四联图。
12.图2是进气门座孔处通过本发明的激光熔覆工艺得到的组织金相四联图。
具体实施方式
13.下面结合附图和试验例对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
14.一种多材质一体化发动机，包括蠕墨铸铁材质的气缸盖，气缸盖包括进气门座孔，气缸盖在铸造前、在对应进气门座孔的砂型内壁部位涂敷合金浆料，涂敷后温热烘干，然后进行浇注，合金浆料涂层经高温物化冶金反应冷却凝固后获得合金化层，对合金化层进行表面处理，最后将熔覆用合金粉末通过激光熔覆在合金化层表面上。合金浆料由合金粉末与粘结剂混合而成，粘结剂为水玻璃、酚醛树脂、磷酸二氢铝和/或聚乙烯醇。表面处理包括喷砂、磨抛和/或切削加工以去除合金化层表面的氧化物、夹渣和油污。合金化层的厚度为0.2-2mm。合金浆料的合金粉末与激光熔覆用的合金粉末组分相同，均由以下重量百分比的原料经研磨混合而成：59.95%fe、23%ni、0.35%al、0.82%si、0.75%ti、7.6%cr、7.5%nb、0.3c%。激光输出功率1.2～2.0kw，扫描速度1～7mm/s，送粉速率：0.2-0.4r/min，光斑直径
φ4.2mm。
15.在合金化层表面进行激光熔覆后的进气门座孔处经过分割、研磨，制成试样后上镜得到图2所示的金相四联图。
16.从图2的c)、d)可以看出，rut450基体与合金化层、合金化层与熔覆层没有明显的分界，从图2的a)可以看出，蠕虫状石墨发生了分解与球化现象，长条蠕虫状石墨变短，石墨前端变的圆钝，结合界面的石墨有效的减少了网状白口组织区域，提高了结合界面的强度，同时圆钝的石墨减小了石墨对基体的割裂作用，不会造成明显的应力集中现象，减小结合界面处易产生开裂的倾向。从图2的b)可以看出，合金层有效阻断了石墨参与激光熔覆熔池中，没有石墨渗入，没有产生白口组织，并在界面形成良好的马氏体组织。因此熔覆层的强度较高。
17.本发明在气缸盖铸造过程中，在进气门座孔处形成合金化层，然后在合金化层进行激光熔覆，从微观层面避免了石墨参与到激光熔覆高温熔池中形成的气孔、裂纹、脆硬碳化物等组织缺陷，有效提高了铸铁件表面激光熔覆层的结合强度及功能特性。
18.本说明书未详细说明之处为本领域的现有技术或公知常识。

技术特征：
1.一种多材质一体化发动机，包括灰铸铁、球磨铸铁或蠕墨铸铁材质的气缸盖，气缸盖包括进气门座孔，其特征在于，气缸盖在铸造前、在对应进气门座孔的砂型内壁部位涂敷合金浆料，涂敷后温热烘干，然后进行浇注，合金浆料涂层经高温物化冶金反应冷却凝固后获得合金化层，对合金化层进行表面处理，最后将熔覆用合金粉末通过激光熔覆在合金化层表面上。2.根据权利要求1所述的一种多材质一体化发动机，其特征在于，合金浆料由合金粉末与粘结剂混合而成，粘结剂为水玻璃、酚醛树脂、磷酸二氢铝和/或聚乙烯醇。3.根据权利要求1所述的一种多材质一体化发动机，其特征在于，表面处理包括喷砂、磨抛和/或切削加工以去除合金化层表面的氧化物、夹渣和油污。4.根据权利要求1所述的一种多材质一体化发动机，其特征在于，合金化层的厚度为0.2-2mm。5.根据权利要求1所述的一种多材质一体化发动机，其特征在于，合金浆料的合金粉末由以下重量百分比的原料经研磨混合而成：72.53%fe、10%ni、0.35%al、1.82%si、8.6%cr、5.5%nb、1.2c%；激光熔覆用的合金粉末由以下重量百分比的原料经研磨混合而成：59.95%fe、23%ni、0.35%al、0.82%si、0.75%ti、7.6%cr、7.5%nb、0.3c%。6.根据权利要求1所述的一种多材质一体化发动机，其特征在于，合金浆料的合金粉末与激光熔覆用的合金粉末组分相同，均由以下重量百分比的原料经研磨混合而成：59.95%fe、23%ni、0.35%al、0.82%si、0.75%ti、7.6%cr、7.5%nb、0.3c%。7.根据权利要求1所述的一种多材质一体化发动机，其特征在于，激光熔覆工艺参数为：激光输出功率1.2～2.0kw，扫描速度1～7mm/s，送粉速率：0.2-0.4r/min，光斑直径φ4.2mm。

技术总结
本发明涉及发动机技术领域，具体是一种多材质一体化发动机，包括灰铸铁、球磨铸铁或蠕墨铸铁材质的气缸盖，气缸盖包括进气门座孔，与现有技术不同的是，气缸盖在铸造前、在对应进气门座孔的砂型内壁部位涂敷合金浆料，涂敷后温热烘干，然后进行浇注，合金浆料涂层经高温物化冶金反应冷却凝固后获得合金化层，对合金化层进行表面处理，最后将熔覆用合金粉末通过激光熔覆在合金化层表面上。与现有技术相比，本发明在气缸盖铸造过程中，在进气门座孔处形成合金化层，然后在合金化层进行激光熔覆，从微观层面避免了石墨参与到激光熔覆高温熔池中形成的气孔、裂纹、脆硬碳化物等组织缺陷，有效提高了铸铁件表面激光熔覆层的结合强度及功能特性。度及功能特性。度及功能特性。


技术研发人员：孙福臻 姜波
受保护的技术使用者：北京机科国创轻量化科学研究院有限公司烟台分公司
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/7/7