以轻质铝合金发动机替代传统灰铸铁发动机是汽车发动机制造领域实现节能减排的主要措施。然而,铝合金由于耐磨性能较差,造成铝合金发动机在工作过程中气缸壁容易磨损,因此需要采用表面技术提高铝合金发动机气缸内壁的耐磨性能。在众多表面处理工艺中,热喷涂技术以其高效、廉价等优点得到广泛应用。利用热喷涂在气缸壁表面制备灰铸铁涂层,成为提高汽车铝合金发动机气缸壁耐磨性能、延长发动机寿命的有效方法。由于等离子喷涂快速冷却的特点,使灰铸铁粉末在等离子喷涂过程中难以析出大量的石墨,而无法制备出含石墨的灰铸铁涂层。但由于石墨和铸铁基体熔点差异较大这一特性,使得含石墨的灰铸铁颗粒在等离子射流中保持固(石墨)-液(灰铸铁)两相状态成为可能。由于等离子喷涂快速加热和快速冷却的特点,石墨的损失因粒子受热时间短而受到限制,使热喷涂粉中的石墨可部分保留到涂层中。基于此,本文提出采用“石墨结构移植”法制备含石墨的灰铸铁涂层。首先采用石墨化退火处理以及机械球磨法制备含石墨的灰铸铁粉末和石墨-灰铸铁壳核结构粉末,并研究球磨转速、球磨时间和球料比等球磨参数对石墨-灰铸铁壳核结构粉末表面微观结构和表面包覆率的影响。然后研究粉末结构对等离子喷涂涂层微观结构、相组成和涂层耐磨性能的影响,提出改善灰铸铁涂层能耐磨性能的方法,为灰铸铁涂层的实际应用提供数据支持和理论依据。粉末制备研究结果表明:采用石墨化退火处理能制得石墨含量为3.12 wt.%的灰铸铁粉末。采用机械球磨法制备石墨-灰铸铁壳核结构粉末的最佳工艺参数为:石墨加入量为20 wt.%,球磨转速450 r/min,球磨时间为120 min,球料比为10:1,该粉末中石墨含量为12.42 wt.%。由于灰铸铁粉末球形度较差,灰铸铁粉末在最佳球磨参数下达到了最大包覆率74.69±1.21%。两种粉末的流动性分布在38-41 s/50g,均适合热喷涂。等离子喷涂涂层结构研究结果表明:(1)以铸铁粉末为等离子喷涂原料,由于等离子喷涂技术快热快冷的特点而无法制得含石墨的铸铁涂层。(2)采用灰铸铁粉末原料,在等离子喷涂过程中粉末表面的石墨氧化烧损,粉末内部的石墨部分保留,因此能制备出石墨含量为1.24 wt.%的灰铸铁涂层。(3)以最佳球磨参数下制备的石墨-灰铸铁壳核结构粉末为原料,在等离子喷涂过程中石墨壳部分保留,部分氧化烧损。石墨在等离子射流中氧化放热提高粉末的温度,使粉末内部石墨大部分溶解,同时较高的粉末温度可以提高涂层层间的结合。因此采用石墨-灰铸铁壳核结构粉末,既能提高涂层中石墨的含量(5.23 wt.%),又不能显著损害层间结合。涂层耐磨性能研究结果表明:与铸铁涂层相比,灰铸铁涂层和石墨-灰铸铁壳核涂层的摩擦系数和磨损率均有明显的降低,其主要原因是涂层中的石墨在磨损过程中起到减磨的作用。由于石墨-灰铸铁涂层的石墨含量高于灰铸铁涂层,且石墨主要分布在涂层层间,在磨损过程中石墨更容易形成大面积的均匀的润滑膜,因此其摩擦系数和磨损量更低。铸铁涂层、灰铸铁涂层的磨损机理为磨粒磨损和少量的氧化磨损,石墨-灰铸铁涂层的磨损机理为少量的氧化磨损。