中空微球的热喷涂沉积的制作方法

该部分提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。

本公开涉及用于将中空微粒热喷涂在基底上以形成绝缘热障涂层的方法。

绝缘热障涂层用于各种应用以减少热传递。期望这种涂层具有低热容量和低热导率。在某些方面中，热障涂层可包括绝缘材料，其包括一个或多个中空微球。因此，绝缘或热障涂层可以用于各种应用中，包括作为非限制性实例，用于内燃机内的部件的表面上，以减少热传递损失并提高性能和效率。在各种复杂部件上形成坚固的热障涂层的新方法是期望的。

技术实现要素：

该部分提供本公开的综述，且并不是其全部范围和所有特征的综合公开。

本公开涉及诸如微球的中空微结构的热喷涂沉积。在一个变型中，本公开提供了一种形成绝缘涂层的方法，该方法包括将具有大于或等于约900℃的最高温度的喷射流喷向基底，以在基底上形成绝缘涂层。喷射流包括多个中空微球。在标准温度和压力条件下，形成的绝缘涂层具有小于或等于约200mW/m·K的热导率(K)。

在一个方面中，在热喷涂之后，绝缘涂层包括具有完整空隙区域的多个中空微结构。

在另一方面中，绝缘涂层具有大于或等于约80体积％的净孔隙率。

在又一方面中，绝缘涂层具有小于或等于约200微米(μm)的厚度。

在某些方面中，喷射流具有小于或等于约1400℃的最高温度。

在另一方面中，多个微球包括选自由镍、铁、其组合及其合金组成的组中的金属。

在其它方面中，多个微球包括第一层中的金属，并且进一步包括选自由铜、锌、锡、镍及其组合组成的组中的第二金属的第二层。

在又一方面中，基底包括选自由镍、铁、铜、锌、铝、其组合及其合金组成的组中的至少一种金属。

在另一方面中，在标准温度和压力条件下，绝缘涂层的热导率(K)小于或等于约100mW/m·K。

在进一步的方面中，绝缘涂层的热容量(cv)小于或等于约100kJ/m³·K。

在另一个变型中，本公开提供了一种形成绝缘涂层的方法，该方法包括从高速氧燃料(HVOF)装置朝向基底喷射包括多个中空微球的流。该流包括多个微球，微球包括具有选自由镍、铁、其组合及其合金组成的第一金属的第一金属层和具有选自由铜、锌、锡、镍、其组合及其合金组成的第二金属的第二金属层。进一步，在喷射期间，该流具有比第一金属层的熔点低至少约50℃、但等于或高于第二金属层的熔点的最高温度。该方法还包括在标准温度和压力下在基底上形成具有小于或等于约200mW/m·K的热导率(K)的绝缘涂层。

在一个方面中，在热喷涂之后，绝缘涂层包括具有完整空隙区域的多个中空微结构。

在另一方面中，绝缘涂层具有大于或等于约80体积％的净孔隙率。

在又一方面中，绝缘涂层具有小于或等于约200微米(μm)的厚度。

在又一方面中，绝缘涂层可具有小于或等于约200微米(μm)的厚度。

在进一步的方面中，最高温度为大于或等于约900℃至小于或等于约1400℃。

在又一方面中，基底包括选自由镍、铁、铜、锌、锡、镍、铝、其组合及其合金组成的组中的至少一种金属。

在其它方面中，基底包括选自由镍、铁、其组合及其合金组成的组中的第一金属，并且进一步包括选自由铜、锌、锡、镍、其组合及其合金组成的第二金属的表面涂层。

在又一方面中，多个微球包括具有镍的第一金属层和具有铜的第二金属层。

在再一方面中，在标准温度和压力条件下，热导率(K)小于或等于约100mW/m·K。

在另一方面中，绝缘涂层具有小于或等于约100kJ/m³·K的热容量(cv)。

在又一方面中，该方法进一步包括在喷射之后烧结绝缘层。

在又一个变型中，本公开提供了一种形成绝缘涂层的方法，该方法包括从高速氧燃料(HVOF)装置向基底喷射包括多个中空微球的流，以形成沉积中空微结构层。在喷射期间，流具有大于或等于约900℃至小于或等于约1400℃的最高温度。多个中空微球中的每一个包括第一金属层和第二金属层。第一金属层具有选自由镍、铁、其组合及其合金组成的组中的第一金属，并且第二金属层具有选自由铜、锌、锡、镍、其组合及其合金组成的第二金属。该方法进一步包括烧结沉积中空微结构层，以在标准温度和压力条件下在基底上形成具有小于或等于约200mW/m·K的热导率(K)和小于或等于约100kJ/m³·K的热容量(cv)的绝缘涂层。

根据本文提供的描述，进一步的应用领域将变得显而易见。本概述中的描述和特定实例仅用于说明的目的，而不意图限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于选定实施例的说明目的，而不是所有可能的实施方式，并不意图限制本公开的范围。

图1示出了高速氧火焰(HVOF)热喷涂装置，其可以根据本公开的某些方面用于沉积中空微球以形成绝缘涂层。

图2示出了具有单一金属涂覆层的中空微球的实例。

图3示出了根据本公开的某些方面的具有用于热喷涂工艺的两个不同金属涂覆层的中空微球的另一个实例。

图4示出了根据本公开的某些方面的包括经由热喷涂沉积在基底上的中空微结构的绝缘涂层。

图5示出了复合热障涂层，其包括根据本公开的某些方面的包括经由热喷涂沉积在基底上的中空微结构的绝缘涂层。

贯穿附图的多个视图，对应的参考标记指示对应的零件。

具体实施方式

提供了实例实施例，以使得本公开详尽彻底，并能将范围完全传达给本领域技术人员。阐述了许多特定细节，例如特定组合、部件、装置和方法的实例，以提供对本公开的实施例的透彻理解。对于本领域技术人员将显而易见的是，不需要采用特定细节，实例实施例可以许多不同的形式来体现，并且都不应该被解释为限制本公开的范围。在一些实例实施例中，没有详细描述已知的工艺、已知的装置结构和已知的技术。

本文使用的术语仅仅是用于描述具体实例实施例，而不是限制本发明。如本文所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也可意图包括复数形式。术语“含有”、“包含”、“包括”和“具有”是包含性的，因此指定所述特征、元件、组成、步骤、整体、操作和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。尽管开放式术语“包含”应理解为用于描述和要求保护本文所阐述的各种实施例的非限制性术语，但是在某些方面中，该术语可替代地理解以代替更限制和限制性的术语，例如“由...组成”或“基本上由...组成”。因此，对于引用组成、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤的任何给定实施例，本公开还特定地包括由这种引用的组成、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤的组成或基本上由其组成的实施例。在“由...组成”的情况下，替代实施例排除了任何附加的组成、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤，而在“基本上由...组成”的情况下，实质上影响基本和新颖特征的任何附加组成、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤被排除在这种实施例之外，但是实质上不影响基本和新颖特征的任何组成、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/工艺步骤可以被包括在本实施例中。

本文描述的任何方法步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的具体次序执行，除非特别指定为执行次序。还应理解的是，除非另有说明，否则可采用附加或替代的步骤。

当部件、元件或层被称为“在另一元件或层上”、“接合至”、“连接至”或“耦合至”另一元件或层时，它可以直接其它部件、元件或层上、接合至、连接至或耦合至其它部件、元件或层，或者可存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接耦合至”另一元件或层时，可能不存在中间元件或层。应该以类似的方式解释用于描述元件之间的关系的其它词语(例如，“在...之间”与“直接在...之间”，“相邻”与“直接相邻”等。)。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

尽管本可使用术语第一、第二、第三等来描述各个步骤、元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些步骤、元件、部件、区域、层和/或部分不应该受到这些术语的限制，除非另有说明。这些术语可能仅用于区分一个步骤、元件、部件、区域、层或部分与另一个步骤、元件、部件、区域、层或部分。除非在上下文中明确指出，否则诸如“第一”、“第二”和其它数字术语的术语在本文中使用时并不暗含顺序或次序。因此，在不脱离实例实施例的教导的情况下，下面讨论的第一步骤、元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二步骤、元件、部件、区域、层或部分。

为了便于描述，诸如“之前”、“之后”、“内”、“外”、“之下”、“以下”、“低于”、“之上”、“高于”等的空间或时间相关术语可在本文中使用，以描述如图所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间上或时间上相对的术语可意图涵盖使用或操作中的装置或系统的不同方位。

在整个本公开中，数值表示对范围的近似测量或限制，以涵盖与给定值的微小偏差以及具有约为所提及值的实施例以及具有正好等于所提及值的实施例。除了在详细描述的末尾提供的工作实例以外，无论“约”是否实际出现在数值之前，本说明书(包括所附权利要求书)中的参数(例如，数量或条件)的所有数值应理解为在所有情况下都由术语“约”修改。“约”指示所述数值允许一些轻微的不精确(数值上接近于精确值；大约或相当地接近数值；近似)。如果“约”提供的不精确在本领域中没有以这种普通含义理解，那么本文所使用的“约”至少指示可能由测量和使用这些参数的普通方法引起的变型。例如，“约”可包含小于或等于5％、任选地小于或等于4％、任选地小于或等于3％、任选地小于或等于2％、任选地小于或等于1％、任选地小于或等于0.5％并且在某些方面中任选地小于或等于0.1％的变型。

另外，范围的公开包括公开全部范围内的所有值和进一步划分的范围，包括为范围给定的端点和子范围。

现在将参考附图更全面地描述实例实施例。

在各个方面中，本公开描述了在基底上形成绝缘涂层的方法。在某些方面中，该方法可包括朝向基底热喷涂喷射流。热喷涂是指采用一种工艺，其中前体材料被加热并作为单个颗粒在基底表面上推进，以形成坚固和粘合的涂层。因此，热喷涂依赖于热量和动量来使涂层材料符合并结合至涂覆表面。

在某些方面中，热喷涂工艺具有大于或等于约900℃、任选地大于或等于约1000℃、任选地大于或等于约1100℃并且在某些方面中任选地大于或等于约1200℃的最高温度。在某些方面中，热喷涂工艺具有大于或等于约900℃至小于或等于约1400℃并且在某些变型中任选地大于或等于约1100℃至小于或等于约1200℃的温度。如本领域技术人员将认识的，如下面将进一步描述的，当喷涂材料离开热喷涂装置或喷枪时发生一些冷却，因此期望地，热喷涂装置中的温度足够高以促进中空前体中的至少一种材料的软化或熔化，同时避免可以导致结构塌陷的过热。

对于所有热喷涂工艺，材料被加热、加速并喷射到目标表面。在不同的热喷涂工艺中颗粒速度不同，例如，在高速氧火焰工艺中喷射流的速度是最高的，而在诸如亚音速氧燃料粉末工艺的低速喷涂工艺中速度较低。喷射流是指流具有相对较高的速度并产生射流，而仍期望地避免了在热喷涂期间使用的选定条件下(例如，选定的温度和压力)将促使中空前体塌陷的速度。例如，根据本公开的某些方面使用的喷射流的最大速度小于或等于约400m/s，任选地小于或等于约100m/s，并且在某些方面中任选地小于或等于约10m/s。在某些变型中，喷射流可具有大于约343m/s但小于或等于约400m/s的超音速速度。

使用高速氧火焰喷涂工艺，通过在燃烧室中混合并点燃氧气和燃料(气体或液体)并使高压气体通过喷嘴加速而产生气体流。将微粒引入到该流中，在流中微粒被加热并朝向目标表面加速。在根据本公开的某些方面的一个变型中，形成绝缘涂层的方法在图1中示出，其包括从高速氧燃料(HVOF)装置100朝向基底110喷射包含多个中空微粒或微球102的流。中空微粒在核心中限定可用绝缘材料填充的封闭空隙区域。因此，作为实例，核心中的空隙区域可填充有诸如空气或惰性气体的气体，或者可具有真空条件。在某些方面中，微粒具有至少一个小于约100μm、任选地小于或等于约50μm并且在某些方面中小于或等于约10μm的空间尺寸。

微粒可为具有基本为圆形的微球。只要微粒的中心的至少一部分定义封闭空隙区域，“基本上圆形”包括具有包括类球形、球形、扁球形、圆盘形、圆柱形、盘形、圆顶形、蛋形、椭圆形、球状、卵形等形状的微粒。因此，本文提到的微球可以涵盖任何这些基本上圆形的形状。值得注意的是，虽然前体可为微球，但是在热喷涂工艺之后，微球可能会从类球形或基本圆形变形。

在某些方面中，在热喷涂期间用作前体的微球可具有小于约100微米(μm)、任选地大于或等于约10μm至小于或等于约80μm、任选地大于或等于约20μm至小于或等于约60μm并且在某些变型中任选地大于或等于约30μm至小于或等于约40μm的平均粒径。应认识到，微球具有在这些范围内的平均直径，但是多个微球不一定全部具有相同的直径，因为可采用具有不同直径的微球的混合物来提供期望的孔隙率或填充密度，其可以改变所形成绝缘涂层内的强度。应该进一步注意的是，使用的微球的直径越小，颗粒密度越大，因此由这种颗粒形成的涂层的质量越大。因此，同较小微球相比，相对较大微球形成较轻涂层。

多个微球包含至少一种金属。在某些变型中，金属可选自由镍、铁、其组合及其合金组成的组。在一个变型中，金属为镍或镍合金。在另一个变型中，金属是铁，而微球可包含诸如钢或不锈钢的铁合金。作为非限制性实例，任何合金可含有本领域技术人员所理解的附加元素，例如碳、锰、铬和镍、钼等。

通常，诸如图2中所示的中空微球20可包括限定封闭空隙区域24的结构材料22。结构材料22可选自由金属、玻璃、陶瓷、聚合物及其组合组成的组，只要结构材料24限定具有封闭空隙区域24的中空结构。然后可用诸如镍、铁、镍合金化合物、铁合金化合物等金属的一种或多种导电材料来涂覆中空微球20。因此在结构材料22上形成金属涂层26。在微球20的表面上应用金属可经由诸如电镀、气相沉积、无电镀、火焰喷涂、涂抹等的工艺来进行。微球20可用于热喷涂，但在某些方面中用作用于形成如图3所示的多层中空微球的前体。

在图3中，在根据本公开的某些方面的热喷涂工艺中用作前体的中空微球30可具有多个不同的金属层。在一个变型中，中空微球30具有在中心核心区域中限定空隙区域34的结构材料32。结构材料32可由与以上结构材料22相同的材料形成。包含第一金属的第一金属材料可施加到结构材料32的表面以形成第一金属层或涂层36。第二金属材料可包含可施加在第一金属涂层36上以形成第二金属层或涂层38的第二不同金属。

第一金属涂层36可包含镍、铁、其组合及其合金。在某些方面中，第一金属涂层36包含镍或镍合金。第二金属涂层38可包含铜、锌、锡、镍、其组合及其合金。值得注意的是，尽管第一金属涂层36和第二金属涂层38可含有一种或多种相同的金属，但是每一层/涂层具有不同的组成并因此具有不同的熔点。在某些方面中，第二金属涂层38包含铜或铜合金。在其它方面，第二金属涂层38可包含铜和锌的组合，例如黄铜合金。在某些方面中，黄铜合金的锌以小于或等于约32重量％的量存在(以避免形成不期望的相)，而余量可包括铜和杂质。以这种方式，第一金属涂层36和第二不同金属涂层38具有不同的熔点温度，这对于下面进一步描述的某些热喷涂工艺可以是有利的。更具体地，第一金属层或涂层36可具有比第二金属层或涂层38更高的熔点。因此，在某些变型中，第二金属涂层38可包含铜和镍，其中镍以高达约30重量％存在于组合物中，余量为铜和杂质。在其它方面，第二金属涂层38可包含镍和锡，其中锡以高达约30重量％存在于组合物中，余量为镍和杂质。这种镍-锡合金具有约1130℃的低熔点/低共熔点。在某些其它方面，第二金属涂层38可包含镍和锌，其中锌以高达约40重量％存在于组合物中，余量为镍和杂质。

在某些方面中，第一金属涂层36可具有约1微米的厚度，而第二金属涂层38可具有小于或等于约1微米的厚度。因此，第二金属层或涂层38的厚度小于第一金属层或涂层36的厚度。在第一金属涂层36包含镍且第二金属涂层38包含铜的情况下，铜可以扩散到镍中。从第二金属涂层38扩散到第一金属涂层36中的铜越多，在热喷涂时可以使用的最高温度越低，同时仍保持中空结构(例如，使得第一金属涂层36保持结构完整的中空形状，特别是当结构材料32已经从中空微球30移除时)。然而，如果进行随后的热处理(例如用于烧结)，则在热喷涂工艺之后，发生铜到镍中的大部分扩散。最终的合金组成(Ni-Cu合金)可以潜在地限制最终应用中使用的最高温度(例如，作为发动机中的热障材料)。

再次参照图1，HVOF工艺使用燃烧来生成热量并将速度赋予喷射流。HVOF装置100包括用于燃料流的两个燃料入口120和用于引入含氧流(或其它含氧化剂流)的两个氧化剂入口122。应当注意的是，燃料入口120和氧化剂入口122不限于图3所示的入口或布置的数量。作为非限制性实例，燃料可包含丙烷、丙烯和/或氢气。进一步，虽然未示出，但是也可提供使冷却剂循环的冷却入口和通道。中心入口130接收载气流和其中注入的多个中空微球102。作为非限制性实例，载气可为惰性气体，例如氮气和/或氩气，或者载气可具有与含氧化剂流或燃料流相同的组成。在未示出的某些替代设计中，中心入口130可以被去除或修改，使得中空微球被直接引入燃料流或氧化剂流中。

在HVOF装置100中，含氧流和燃料在混合区域132中结合。将混合流引入其中发生放热燃烧反应的燃烧室134中。载气和中空微球102进入并穿过燃烧室134，在其中载气和中空微球102被加热，然后进入喷嘴136。高温高速喷射流140离开喷嘴136。在某些变型中，喷射流140可为超音速喷涂火焰。根据本公开的某些方面来选择HVOF装置100的操作参数，以促进微球在基底上的软化、粘附和结合，同时最小化内部空隙区域的塌陷或破裂。

例如，在某些方面中，喷射流140(以及在HVOF装置100内)的最高温度被选择为比形成中空微球102的选定金属的熔点低至少约50℃，例如，第一金属层/涂层中的第一金属。因此，在某些方面中，在金属是镍的情况下，最高温度比镍的熔化温度1455℃低至少50℃，使得HVOF工艺和喷射流的最高温度小于约1405℃(或约1400℃)。在某些变型中，在整个工艺中，流(和微球)在喷射期间遇到大于或等于约900℃至小于或等于约1400℃、任选地大于或等于约1000℃至小于或等于约1300℃并且在某些方面中任选地大于或等于约1100℃至小于或等于约1200℃的最高温度。可以调整HVOF中使用的操作温度和压力以允许将诸如这些包含镍或铁微球(例如钢或不锈钢)的各种微球沉积到表面上而不熔融至少一层微球。通过使用HVOF和其它类似的热喷涂技术，中空微球可以快速沉积在表面上。喷涂装置和微球中的温度可以匹配，使得微球不塌陷，但在与目标基底的表面碰撞时形成初始结合。

在某些变型中，在第一金属存在于第一层中并且第二金属作为中空微球的第二层的一部分的情况下，HVOF工艺中的最高温度可第一金属的熔点低至少50℃，但是可能接近或超过外涂层上的第二金属的熔点。因此，第二金属和/或第二层软化并且部分或完全地熔化，从而在中空微球沉积在基底110上时增强粘附和结合。因此，在某些变型中，第一金属可为熔点约为1455℃的镍，第二金属可为熔点约为1084℃的铜，以使得喷射流的最高温度可低于镍的熔点但高于铜的熔点。在这种变型中，最大温度可为大于或等于约1110℃至小于或等于约1400℃。例如，当微球击中目标时，喷射流的温度可高于约1084℃的铜的熔点，但是热喷涂期间的最高温度没有达到1455℃(镍的熔点)。值得注意的是，中空微粒在离开喷枪时冷却一些，因此喷枪/热喷涂装置中的较高的最高温度可以高于1100℃，并且当中空微粒接近并接触目标时而冷却。在第二层包含铜和锌的情况下，熔点温度较低。例如，包含铜和约32重量％锌的黄铜合金具有约903℃的熔点，因此可相应地调节以上的热喷涂温度。当微球撞击目标时，喷射流的温度可能接近或高于黄铜合金的约903℃的熔点，但热喷涂过程中喷射流的最高温度仍低于1455℃(镍的熔点)。

喷射流被引导朝向基底110的表面，其中多个中空微结构142沉积在粘合的高孔隙率绝缘涂层144中。基底可由能够承受高温的各种材料形成，包括金属、陶瓷等。在某些方面中，基底包含选自镍、铁、铜、锌、锡、铝、镁、其组合及其合金中的至少一种金属。作为非限制性实例，某些变型中的基底可包括钢、诸如因科镍合金镍超合金的超合金、铝合金和镁合金。

基底110可包含涂层或由促进中空微结构的粘附的材料形成。表面可包含选自铜、锌、锡、镍、铝、其组合及其合金的至少一种金属。该表面可具有金属表面涂层或由包含铜和/或锌和/或其合金的金属形成。包含铜和/或锌的涂层可经由电镀、无电镀、气相沉积、火焰喷涂、涂抹等施涂到任何耐热基底上。在一个变型中，基底110可由含铜材料形成或可包含含铜涂层。作为非限制性实例，在基底110被涂覆的情况下，基底可包含任何种类的耐热材料，包括钢、诸如因科镍合金镍超合金的超合金。

所得热喷涂涂层包含相邻和/或重叠的中空微结构。在热喷涂到基底110上之后，期望地大部分中空微结构142仍然具有完整的封闭空隙区域，例如大于约80％、任选地大于约90％、任选地大于约95％、任选地大于约97％的中空微结构具有完整空隙，并且在一些方面中，在沉积之后在中空微结构内任选地大于约98％的空隙保持完整。在某些变型中，沉积的中空微结构142可具有与引入到HVOF装置100中的前体相同的微球形状，但是它们也可能变形或扭曲成其它形状。

因此，在热喷涂之后，沉积微粒的形状可能发生一些扭曲，但是期望地保持内部的封闭空隙区域，从而增强和保持沉积涂层的绝缘性。照此，如图4所示，经由热喷涂在基底210上形成的绝缘涂层200包含带有完整空隙区域的中空微结构(通过微球的沉积而形成)。具有这种中空微结构的绝缘涂层期望地在标准温度和压力条件下表现出小于或等于约1000mW/m·K、任选地小于或等于约500mW/m·K、任选地小于或等于约250mW/m·K、任选地小于或等于约200mW/m·K、任选地小于或等于约100mW/m·K、任选地小于或等于约50mW/m·K并且在某些变型中任选地小于或等于约20mW/m·K的热导率(K)。标准温度和压力条件为约32°F或0℃以及约1atm或100KPa的绝对压力。

进一步，具有这种中空微结构的绝缘涂层期望地表现出小于或等于约5000kJ/m³·K、任选地小于或等于约1000kJ/m³·K、任选地小于或等于约500kJ/m³·K、任选地小于或等于约100kJ/m³·K、并且在某些变型中任选地小于或等于约50kJ/m³·K的热容量(cv-体积热容量)。在一个变型中，绝缘涂层表现出小于或等于约100mW/m·K的热导率(K)和小于或等于约100kJ/m³·K的热容量(cv)。

经由热喷涂(例如HVOF)沉积的绝缘涂层200可具有密集填充的中空微结构212。在某些方面，包含经由热喷涂(例如HVOF沉积)沉积的多个中空微结构212的绝缘涂层200具有高开口孔隙率，例如具有大于或等于涂层总体积的约80体积％的净孔隙率。净孔隙率是指总孔隙率体积包括纳米结构内的空隙空间的体积和在纳米结构之间限定的孔隙的体积。在某些变型中，这种净孔隙率大于或等于约85体积％，任选地大于或等于约90体积％，并且在某些变型中任选地大于或等于约95体积％。

在某些变型中，绝缘涂层200的平均厚度可为小于或等于约4000微米(4mm)、任选地小于或等于约2000微米(2mm)、任选地小于或等于约1000微米(1mm)、任选地小于或等于约500微米、任选地小于或等于约400微米、任选地小于或等于约300微米、任选地小于或等于约200微米、任选地小于或等于约100微米、任选地小于或等于约75微米并且在某些变型中任选地小于或等于约50微米。在某些方面中，绝缘涂层200的平均厚度为大于或等于约100微米至小于或等于约4000微米、任选地大于或等于约100微米至小于或等于约500微米、任选地大于或等于约100微米至小于或等于约300微米。在一个变型中，绝缘涂层具有小于或等于约200微米(μm)的厚度。应当注意的是，涂层的期望厚度可取决于其中使用绝缘涂层的应用，使得较厚涂层和/或具有较大质量的涂层可适用于其中较慢的热响应是可接受的应用，而较薄涂层或较轻涂层可在期望较快的热响应的情况下被选择。

在某些方面中，绝缘层200能够承受大于或等于约8MPa、任选地大于或等于约10MPa、任选地大于或等于约15MPa并且在某些方面中大于或等于约20MPa的压力，而不失效。就高温性能而言，某些变型中的绝缘层配置为承受大于或等于约200℃、任选地大于或等于约250℃、任选地大于或等于约300℃、任选地大于或等于约500℃、任选地大于或等于约700℃、任选地大于或等于约1000℃并且任选地大于或等于约1300℃的表面温度，而不失效。例如，热容量可确保其上设置有涂层200的基底210的表面不会升高到约250℃以上。

如本领域技术人员所理解的，绝缘层200实际上可具有多个微结构212，多个微结构212具有不同的组成、尺寸或形状。这种微结构可在热喷涂期间混合在一起，或者作为不同的层(例如，在绝缘涂层内的不同的组成层)相继施加在彼此之上。

再次参照图1，在某些方面中，热喷涂可任选地在环境条件下或在大于或等于约0.5MPa的压力下进行。以这种方式，在围绕喷射流140和临近基底110的区域施加正压的情况下，随着压力的增加，由于中空微球102和/或沉积的中空微结构142的温度变化而引起的体积膨胀和收缩可以被抑制并且被最小化。

在某些替代方面中，在热喷涂之后，可将沉积微粒冷却至环境条件，然后进一步加工。例如，绝缘涂层200中的中空微结构212可被进一步热处理以促进附加的结合和烧结以增强涂层的坚固性。用于烧结的示例性加热工艺可包括将基底上的微球的沉积层(在第一层中具有第一金属并且在第二层中具有第二金属)加热至低于第二金属的固相线温度的温度。例如，第二金属层可包含Cu或Cu-Zn合金。因此，可以将纯Cu加热至低于1084℃(铜固相线温度)，同时可以将具有低于32重量％Zn的Cu-Zn合金加热至低于约900℃。在一个实例中，烧结可以在诸如氩气的惰性气氛中在约800℃的温度下进行。用于烧结的热处理可以进行大于或等于约1小时、任选地大于或等于约2小时、任选地大于或等于约4小时、任选地大于或等于约6小时并且在某些变型中大于或等于约8小时。在另一变型中，温度可以缓慢升高至高于第二金属(例如Cu)的熔化温度，条件是扩散到第一金属层(例如，Ni)中的第二金属全部扩散，其中包括第一金属和第二金属的合金具有比单独的第二金属更高的熔化温度。

进一步，在沉积之后，可在绝缘涂层200上沉积附加的层，例如陶瓷、镍、钒、钼或其它高温金属。

在某些变型中，基底可由可具有较低耐热性的基底(例如铝)形成，其通常不被加热至高于800℃的温度。在这种应用中，表面涂层可设置在铝的表面上，并且沉积微粒可设置在表面涂层上。沉积微粒可从外侧加热，同时保持铝基底本身冷却。替代地，可使用中间基底，例如具有电镀镍的石墨晶片。将中空微粒沉积在镍晶片上，然后烧结。这些材料可添加到模具中，并且可在其周围铸造铝或其它低温合金。又一个变型是使用中间基底，例如上述的镍晶片。将中空微粒沉积在镍晶片上，然后烧结。低温基底可具有表面涂层作为结合层，例如，铝基底可具有用于结合层的铜和/或锌表面涂层。然后可将具有烧结的中空微粒的晶片烧结到活塞上。该二次烧结温度远远低于中空微粒(例如包含镍)的初始烧结温度。因此，基底可任选地包含含镍或含铁密封层，并且该密封层也可以具有精细的铜涂层或铜镍涂层以促进结合。

在一个变型中，绝缘涂层可集成到如图1所示的热障复合组件250中。热障涂层260设置在基底262上以限定热障复合组件250。在一个非限制性实施例中，作为非限制性实例，基底262可包含任何种类的耐热材料，包括钢、诸如因科镍合金镍超合金的超合金、铝合金和镁合金。

热障涂层260包括多个层(并且可具有比图5所示的层多3层)。任选第一层264(如果使用的话)是设置在基底262的表面上的结合层。第二层270是包含根据本公开的某些方面形成的多个中空微结构的绝缘层。第一层264促进基底262与第二层270的结合。设置在第二层270上的第三层272用作设置在第二层270上的密封层。第三层可为配置为抵抗高温的薄膜，并且用作气体不可渗透且呈现出光滑表面的密封层。

用作结合层的任选第一层264可由包含铜或锌的金属形成，该金属可以经由前述任何技术扩散并与基底262和沉积在其上的第二层270的表面结合。在一个变型中，第一层264可包含黄铜，其为铜锌(Cu-Zn)合金材料。在基底262是铝并且微球包含镍和/或铁的情况下，在一个变型中，可以选择铜和锌以包含在第一层264中。铜和锌在铝、镍和铁中均具有良好的固溶度，而铁和镍在铝中具有极低的固溶度。包含铜锌合金的第一层可以用于铝基底，例如含铝活塞。由钢或因科镍合金(Inconel)形成的基底(例如阀)可以具有用于结合以增强第二层270的结合的任选第一层264，尽管这种结合层对于这些基底来说可能不是必需的。因此，具有铜和/或锌的第一层264在基底262与第二层270之间提供中间结构层，以促进铝基底与镍或铁微结构之间的扩散结合。然而应当认识到，基底262、第一层264和第二层270不限于铝、镍、铁和黄铜，而是可包含其它材料。

第三层272用作设置在绝缘第二层270上的密封层。密封第三层272可为高温薄膜，其可配置为承受至少1100℃的温度。第三层272可具有小于或等于约20微米、任选地小于或等于约5微米、任选地小于或等于约1微米的厚度。第三层272对诸如燃烧气体的气体来说是不可渗透的。以这种方式，第三层272用作第二层270上的密封。这种密封防止诸如未燃烧的碳氢化合物、烟灰、部分反应的燃料、液体燃料等的燃烧气体的碎屑进入在第二层270中的中空微结构之间限定的开口和孔隙中。最小化这种碎屑防止孔隙内的气体被可能导致绝缘性降低或消除的碎屑移动。第三层272可具有光滑外表面，其可以防止空气流动时产生湍流空气流。进一步，带有光滑表面的第三层272可以防止传热系数的增加。在一个非限制性实例中，第三层可经由电镀、气相沉积或其它应用技术施加到第二层270(在热喷涂和冷却之后)。在一个变型中，第三层272包含耐热或耐腐蚀材料。在一个变型中，第三层272可包含钼或钒。第三层272配置为具有足够的弹性，以便在暴露于燃烧气体、热疲劳或碎屑期间抵抗断裂或开裂。进一步，第三层272配置为具有足够的弹性，以便承受下面的绝缘第二层270的任何膨胀和/或收缩。第三层272可包括多个层。

热障复合组件250可以用于各种应用中，例如内燃机内的部件上的热障。作为非限制性实例，热障复合组件250可设置在发动机的一个或多个部件的面或表面上，例如在活塞、进气阀、排气阀、排气歧管的内壁和燃烧圆顶上。热障复合组件250理想地具有低热导率以减少热传递损失和低热容量，使得热障复合组件250的表面温度跟随燃烧室中的气体温度。因此，热障复合组件250允许部件的表面温度随着气体温度而摆动。这减少了热传递损失，而不会影响发动机的换气能力，也不会造成爆震。进一步，进入发动机气缸的冷空气的加热减少。此外，排气温度升高，导致更快的催化剂起燃时间和改善的催化剂活性。

尽管本文描述的方法和材料特别适用于制造汽车或其它车辆的部件，但是它们也可用于各种其它行业和应用，作为非限制性实例，包括航空部件、消费品、办公设备和家具、建筑、工业设备和机械、农用设备或重型机械。可以包涵根据本公开的某些方面制备的部件的车辆的非限制性实例包括汽车、火车、重型移动设备、拖拉机、公共汽车、摩托车、船舶、移动房屋、宿营车、飞机(有人和无人)以及坦克。

本文所述的方法和绝缘涂层提供了低导电率、低热容量的热障涂层。这种热障涂层可以改善内燃机的燃料消耗和排放，增加操作温度，同时减少后处理预热时间，并且改善废热回收。沉积方法提供了将微球沉积在复杂零件的轮廓和各种表面上的能力，否则这是不可能的。与由固化的结合剂基体中提供的微球或烧结的微球形成的绝缘涂层相比，通过这种热喷涂方法形成的绝缘涂层仅表现出相对较低的收缩性。进一步，与施加微球的其它方法相比，通过热喷涂方法形成的绝缘涂层被认为具有增加的与下面基体的粘附水平。

已经出于示例和描述的目的提供了对实施例的上述描述。其目的不是穷尽的或者限制本公开。具体实施例的各个元件或特征通常不限于该具体实施例，而是在适用的情况下是可互换的并且可以在选定实施例中使用，即使没有特别示出或描述。同样的情况也可以许多方式改变。这种变型不被认为是背离本公开，并且所有这种修改旨在被包括在本公开的范围内。