具有动态热障涂层的内燃机部件以及这种涂层的制造和使用方法技术

提供了一种用于发动机的部件，所述部件包括：涂覆到由金属(例如钢，或其他特或铁基材料)形成的主体部分的热障涂层。根据一个实施例，将金属的结合层涂覆到主体部分，随后是金属和具有梯度结构的陶瓷的混合层，然后可选地是金属的顶层。热障涂层还可在混合层和顶层之间或作为最外层包括陶瓷层。陶瓷包括二氧化铈、二氧化铈稳定的氧化锆、氧化钇、氧化钇稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆和氧化锆被另一种氧化物稳定中的至少一种。热障涂层可以通过热喷涂来涂覆。热障涂层优选具有小于200微米的厚度和不大于3微米的表面粗糙度Ra。

Internal combustion engine parts with dynamic thermal barrier coating and the method of manufacturing and using such coating

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有动态热障涂层的内燃机部件以及这种涂层的制造和使用方法相关申请的交叉引用本专利申请要求申请日为2017年10月27日，申请号为62/578,105的美国临时专利申请；和申请日为2017年12月20日，申请号为15/848,763的美国实用专利申请；以及申请日为2018年3月26日，申请号为15/936,285的美国实用专利申请的优先权，它们的全部内容通过引用结合到本申请中。本专利技术的背景1.
本申请总体上涉及用于内燃机的发动机燃烧部件，以及制造该部件的方法。2.相关技术根据排放和燃油经济性法规，现代重型柴油机正朝着提高效率的方向发展。为了获得更高的效率，发动机必须在更高的峰值压力下运行更热。在这些增加的需求下，通过燃烧室的热损失可能成问题。例如，当热量通过活塞进入冷却系统时，通常会损失约4％至6％的可用燃料能量。一种提高发动机效率的方法是通过涡轮复合从热的燃烧气体中提取能量。例如，可以通过涡轮复合从热废气中提取大约4％至5％的燃料能量。改善发动机效率的另一种方法是使活塞的冠部隔热，以减少热量损失，否则热量将损失到冷却系统中。陶瓷的热障涂层是使活塞隔热的一种方法。已知将金属层涂覆到活塞的主体部分上，然后涂覆陶瓷层。然而，陶瓷固有地是多孔的，并且燃烧气体可以穿过陶瓷层并氧化金属层，从而在陶瓷/金属层界面处引起故障，并最终导致陶瓷层剥落和失效。陶瓷和金属层的热膨胀系数也不匹配，随着时间的流逝进一步加剧了陶瓷层的潜在分层和剥落。另一个例子是由氧化钇稳定的氧化锆形成的热喷涂涂层。这种材料单独使用时，会因柴油发动机的热效应和化学侵蚀而不稳定。还已经发现，厚的陶瓷涂层，例如那些大于500微米，例如1mm的陶瓷涂层，容易开裂和破裂。尽管文献中记录了40多年的活塞热涂层开发经验，但迄今为止尚无成功且具有成本效益的已知产品。还已经发现，由于与所涂覆的热应力的高度周期性相关的原材料和沉积成本，用于喷气涡轮的典型航空航天涂层不适合于发动机活塞。针对铝活塞的另一种活塞保护方法是通过等离子氧化将铝冠的表面转化为氧化铝，然后用聚硅氮烷密封转化层的孔。转换区非常薄(50-70微米)，被认为是一种高隔热和消散的材料，可以快速加热和冷却，因此会随燃烧热循环。这种用于铝活塞的相对较薄的转换方法不适用于钢或其他铁基活塞。
技术实现思路
本申请的一个方面提供一种用于暴露于内燃机的燃烧室和/或由所述内燃机产生的废气的部件。所述发动机部件包括由金属形成的主体部分，和涂覆在所述主体部分上的改良的热障涂层。根据一个实施例，所述热障涂层包括设置在所述主体部分上的由金属形成的结合层，设置在所述结合层上的混合层，以及设置在所述混合层上的顶层；所述混合层由陶瓷和金属的混合物形成，以及所述顶层由金属形成并且填充所述混合层的所述陶瓷的孔。根据另一实施例，所述热障涂层包括由设置在所述主体部分上的由金属形成的结合层和设置在所述结合层上的混合层。所述混合层包括陶瓷和金属的混合物，并且热障涂层的厚度不大于700微米。根据又一个实施例，所述热障涂层包括由设置在所述主体部分上的由金属形成的结合层和设置在所述结合层上的混合层。所述混合层包括陶瓷和金属的混合物。在本实施例中，在所述混合层上配置有完全由陶瓷材料形成的陶瓷层。所述陶瓷层具有所述热障涂层的最外露表面，所述最外露表面具有不大于3微米的表面粗糙度Ra，并且所述热障涂层具有不大于200微米的总厚度。本专利技术的另一方面提供一种制造用于暴露于内燃机的燃烧室和/或由所述内燃机产生的废气的部件的方法。所述方法包括将热障涂层涂覆到由金属形成的主体部分。根据一个实施例，涂覆所述热障涂层的步骤包括：将由金属形成的结合层涂覆到所述主体部分；将由陶瓷和金属的混合物形成的混合层涂覆到所述结合层；以及涂覆将由金属形成的顶层涂覆到所述混合层，所述顶层填充所述混合层的所述陶瓷的孔。在该实施例中，所述混合层提供最外表面的表面粗糙度Ra不大于3微米。根据另一个实施例，涂覆所述热障涂层的步骤包括：将由金属形成的结合层涂覆到所述主体部分，以及将由陶瓷和金属的混合物形成的混合层涂覆到所述结合层。所述热障涂层的总厚度不大于700微米。根据又一个实施例，涂覆所述热障涂层的步骤包括：将由金属形成的结合层涂覆到所述主体部分；将由陶瓷和金属的混合物形成的混合层涂覆到所述结合层；以及将完全由陶瓷材料形成的陶瓷层涂覆到所述混合层。陶瓷层呈现所述热障涂层的最外露表面，且其表面粗糙度Ra不大于3微米。所述热障涂层的总厚度不大于200微米。附图说明当结合附图考虑以下详细描述时，将会更好地理解本专利技术的这些和其他优点，其中：图1是根据示例性实施例的柴油发动机的燃烧室的侧视剖视图，其中，暴露于燃烧室的部件均被涂覆有热障涂层；图2是暴露于图1的燃烧室的汽缸套的放大图，其中，所述热障涂层被涂覆到所述汽缸套的一部分上；图3是暴露于图1的燃烧室的阀面的放大图，其中，所述热障涂层被涂覆到所述阀面上；图4示出了根据示例实施例的涂覆在发动机的密封环的所述热障涂层；图5示出了根据示例实施例的涂覆在发动机的冠部中的排气口的所述热障涂层；图6示出了根据示例实施例的涂覆在发动机的防火板的所述热障涂层；图7示出了根据示例实施例的涂覆在活塞环的侧面上的所述热障涂层；图8至图11是示出根据示例实施例的涂覆在钢体部分上的所述热障涂层的截面图；图12是示出了所述热障涂层的各种实施方案的流程图；和图13示出了根据示例实施例进行的以确定所述热障涂层的性能的测试结果。示例性实施例的详细说明本申请的一个方面提供了一种用于内燃机20中的发动机部件，例如重型柴油发动机或汽油发动机，其具有涂覆在发动机部件上的热障涂层22。该热障涂层22减少了热损失，从而提高了发动机效率。与用于使发动机部件隔热的其他涂层相比，热障涂层22还具有更高的成本效益和稳定性，并且更不易受到化学侵蚀。内燃机的各种不同部件可以涂覆有热障涂层22。如图1所示，热障涂层22可以涂覆到暴露于燃烧室24的一个或多个部件上，包括气缸套28，气缸冠部30，燃料喷射器32，阀座34和阀面36。通常，热障涂层22仅涂覆到部件20的暴露于燃烧室24的部分。例如，部件20的暴露到燃烧室24的整个表面可以被涂覆。或者，仅暴露于燃烧室24的部件的表面的一部分被涂覆。取决于燃烧室24的条件和表面相对于其他部件的位置，热障涂层22也可以被涂覆以选择暴露于燃烧室24的表面的位置。在图1的示例性实施例中，当活塞26位于上止点时，热障涂层22仅涂覆到气缸套28的内径表面38的一部分，该内径表面38与活塞26的顶面44相对，并且，该热障涂层22不沿着内径表面38位于任何其他位置，也不位于气缸套28的任何接触表面。然而，根据另一个实施例，热障涂层22被应用于气缸衬套28的其他表面。图2是气缸套28的包括热障涂层22的部分的放大图。在该实施例中，内径表面38包括在其中加工的凹槽40。凹槽本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于暴露于内燃机的燃烧室和/或由所述内燃机产生的废气的部件，包括：/n主体部分，其由金属形成；/n热障涂层，其涂覆在所述主体部分上；/n所述热障涂层包括设置在所述主体部分上的由金属形成的结合层，设置在所述结合层上的混合层，以及设置在所述混合层上的顶层；/n所述混合层由陶瓷和金属的混合物形成；以及/n所述顶层由金属形成并且填充所述混合层的所述陶瓷的孔。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171027 US 62/578,105;20171220 US 15/848,763;20181.用于暴露于内燃机的燃烧室和/或由所述内燃机产生的废气的部件，包括：
主体部分，其由金属形成；
热障涂层，其涂覆在所述主体部分上；
所述热障涂层包括设置在所述主体部分上的由金属形成的结合层，设置在所述结合层上的混合层，以及设置在所述混合层上的顶层；
所述混合层由陶瓷和金属的混合物形成；以及
所述顶层由金属形成并且填充所述混合层的所述陶瓷的孔。


2.根据权利要求1所述的部件，其中，所述顶层的表面粗糙度Ra不大于3微米。


3.根据权利要求1所述的部件，其中，所述热障涂层的厚度不大于700微米。


4.根据权利要求1所述的部件，其中，所述结合层的厚度为20-50微米，所述混合层的厚度为20-50微米，以及所述顶层的厚度为50-100微米。


5.根据权利要求1所述的部件，其中，所述混合层具有梯度结构，所述梯度结构包括从所述结合层向所述顶层浓度增加的所述陶瓷材料。


6.根据权利要求1所述的部件，其中，所述结合层由NiCrAlY形成，所述混合层的所述金属是NiCrAlY，所述混合层的所述陶瓷是二氧化铈稳定的氧化锆，并且所述顶层是NiCrAlY。


7.根据权利要求1所述的部件，其中，所述部件是汽缸套、汽缸盖、燃料喷射器、阀座、阀面、密封环、排气口、防火板或活塞环。


8.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述结合层由铬、镍、钴、铬合金、镍合金、钴合金、镍基高温合金和钴基高温合金中的至少一种形成；
所述混合层的所述陶瓷由二氧化铈、二氧化铈稳定的氧化锆、氧化钇、氧化钇稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆，和被另一种氧化物稳定的氧化锆中的至少一种形成；
所述混合层的金属由铬、镍、钴、铬合金、镍合金、钴合金、镍基高温合金和钴基高温合金中的至少一种形成；和
所述顶层包括铬、镍、钴、铬合金、镍合金、钴合金、镍基高温合金和钴基高温合金中的至少一种。


9.一种用于暴露于内燃机的燃烧室和/或内燃机产生的废气的部件，包括：
主体部分，其由金属形成；
热障涂层，其涂覆在所述主体部分上；
所述热障涂层包括设置在所述主体部分上的由金属形成的结合层和设置在所述结合层上的混合层；
所述混合层包括陶瓷和金属的混合物；和
所述热障涂层的厚度不大于700微米。


10.根据权利要求9所述的部件，其中，所述混合层的表面粗糙度Ra为3微米或更小，并且所述热障涂层的厚度不大于200微米。


11.根据权利要求9所述的部件，其中，所述结合层由NiCrAlY形成，所述混合层的所述金属是NiCrAlY，并且所述混合层的所述陶瓷是二氧化铈稳定的氧化锆。


12.根据权利要求9所述的部件，其中，所述结合层的所述金属和/或所述混合层的所述金属由NiCrAl形成。


13.根据权利要求9所述的部件，其中，所述结合层的厚度为50至100微米，并且所述混合层的厚度为50至350微米。


14.根据权利要求9所述的部件，包括：完全由设置在所述混合层上的陶瓷材料形成的陶瓷层。


15.根据权利要求14所述的部件，包括：由设置在所述陶瓷层上的金属形成的顶层，并且所述顶层的表面粗糙度Ra不大于3微米。


16.根据权利要求15所述的部件，其中，所述顶层的表面粗糙度不大于1微米。


17.根据权利要求15所述的部件，其中，所述陶瓷层的一些穿过所述顶层而暴露。


18.根据权利要求15所述的部件，其中，所述陶瓷层均不穿过所述顶层暴露。


19.根据权利要求14所述的部件，其中，所述陶瓷层是所述热障涂层的最外暴露层。


20.根据权利要求19所述的部件，其中，所述陶瓷层的厚度不大于100微米。


21.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：沃伦·博伊德·莱恩托恩，
申请(专利权)人：天纳克有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US