具有热障涂层的汽缸衬垫的制作方法
【专利摘要】一种汽缸衬垫包括由金属材料构成的本体，该本体围绕中心轴周向延伸并且具有背对中心轴的外表面。包括隔热材料的热障涂层被应用于外表面上，所述隔热材料具有不超过5W/(m·K)的热导率。通过例如超音速火焰（HVOF）喷涂，等离子喷涂或爆炸喷涂将热障涂层以100-1000m/s的速度热应用到外表面上。
【专利说明】具有热障涂层的汽缸衬垫
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求2011年9月7日提交的第61/531，804号美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入此处。
【技术领域】
[0002]本发明涉及汽缸衬垫，更具体地说，涉及覆有涂层的汽缸衬垫及其制备方法。
【背景技术】
[0003]内燃机的汽缸通常包括套筒或衬垫，套筒或衬垫具有围绕圆柱形区域的外表面和内表面。汽缸衬垫包括本体，本体可以与发动机缸体配合以形成汽缸。汽缸衬垫的内表面朝向活塞，并且在燃烧循环和内燃机操作过程中，为活塞环提供界面或滑动表面。因此，汽缸衬垫的本体通常由硬质耐磨材料构成。汽缸衬垫还优选由能够承受燃烧循环中出现的极端条件(包括高温和高压)的材料构成。汽缸衬垫的外表面上设有隔热涂层，以改善内燃机的热效率。Thorpe等的美国专利4，921，734公开了一种带有隔热涂层以改善热效率的汽缸衬垫的例子。
【发明内容】
[0004]本发明的一个方面提供一种汽缸衬垫，其包括由金属材料构成的本体，该本体围绕中心轴周向延伸且在相对端之间纵向延伸。该本体包括背对所述中心轴的外表面。包括隔热材料的热障涂层被应用于所述外表面上，所述隔热材料具有不超过4W/(m.K)的热导率。热障涂层被通过包括如下步骤的工艺应用于外表面上:加热隔热材料的多个粉末颗粒以使隔热材料熔化，所述粉末颗粒具有-140+10 μ m的标称粒径，以及将熔化的隔热材料以100-1000m/s的速度输送到汽缸衬垫的外表面上。
[0005]本发明的另一方面提供一种制造汽缸衬垫的方法。该方法包括:提供围绕中心轴周向延伸的本体，所述本体包括背对中心轴的外表面；加热隔热材料的多个粉末颗粒以使隔热材料的粉末颗粒熔化，所述粉末颗粒具有-140+10 μ m的标称粒径，以及将熔化的隔热材料以100-1000m/S的速度输送到汽缸衬垫的外表面上从而在外表面上形成热障涂层。
[0006]本发明的隔热汽缸衬垫提供更好的隔热，并且根据比现有技术的隔热汽缸衬垫更有效的方法制造。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]结合下列具体描述以及附图进行考虑，本发明的其它特点将会更加容易理解，其中:
[0008]图1是根据本发明一个实施例的汽缸衬垫的立体图；
[0009]图2是图1的汽缸衬垫的一部分的剖视图；
[0010]图3示出通过超音速火焰(HVOF)喷涂将隔热材料应用到汽缸衬垫的外表面上；[0011]图4示出通过等离子喷涂将隔热材料应用到汽缸衬垫的外表面上；以及
[0012]图5示出通过爆炸喷涂将隔热材料应用到汽缸衬垫的外表面上。
【具体实施方式】
[0013]本发明的一个方面提供汽缸衬垫20，以便设置在汽缸体中并容纳内燃机活塞。通过例如超音速火焰(HVOF)喷涂，等离子喷涂或爆炸喷涂将由至少一种隔热材料构成的热障涂层22以至少100m/s的速度应用于汽缸衬垫20上。优选将连接层34应用于汽缸衬垫20以促进热障涂层22的粘合。与现有技术相比，本发明的隔热汽缸衬垫20具有改进的隔热性。
[0014]如图1和图2所示，汽缸衬垫20包括由金属材料构成的本体24，本体24围绕中心轴A周向延伸且在相对端26之间纵向延伸。本体24包括面对中心轴A的内表面28，以及与内表面28朝向相反并且背对中心轴A的外表面30。内表面28具有圆柱形的开口。开口量使得汽缸衬垫20能够容纳活塞，以便在内燃机运行过程中，活塞能够在汽缸衬垫20中往复运动并且沿着内表面28滑动。
[0015]汽缸衬垫20的外表面30具有直径D，直径D延伸越过开口并且穿过中心轴A。在一个实施例中，直径D为50cm-200cm。外表面30还具有在相对端26之间连续延伸的表面区域。
[0016]构成本体24的金属材料优选具有至少20HRC的硬度以及40-50W/ (m.K)的热导率。该材料能够承受典型燃烧循环过程中的极端条件。根据一个实施例，该金属材料包括钢合金。
[0017]由隔热材料构成的热障涂层22被应用于本体24的外表面30上，并且优选覆盖整个外表面30，围绕中心轴A在相对端26之间在整个表面区域上连续延伸。热障涂层22具有0.4-4W/ (m.K)，优选不超过2W/ `(m.K)的总热导率。热障涂层22还具有5-30%的孔隙率。热障涂层22包括至少一层隔热材料32，也可以包括多个层32。如图2所示，热障涂层22具有垂直于外表面30延伸的厚度t，该厚度优选为100-5000微米。
[0018]热障涂层22的隔热材料分别具有不超过5W/(m -K)的热导率。热障涂层22可以完全由隔热材料构成，或者除了至少一种隔热材料还包括其它材料。在一个实施例中，隔热材料包括陶瓷或金属，例如氧化铝，镍基合金，或不锈钢。
[0019]在一个优选实施例中，热障涂层22的一个或多个层32包括，以热障涂层22的重量百分数计的，至少70%的ZrO2 ;或至少80%的ZrO2 ;或至少90%的ZrO2 ;或至少95%的ZrO2。通常，热障涂层22包括分别具有不同组成的多个层32。在一个优选实施例中，热障涂层22的一个或多个层32包括，以热障涂层22的重量百分数计的，7.0-9.0%的Y2O3 ;多达0.7%的SiO2 ;多达0.2%的TiO2 ;多达0.2%的Al2O3 ;多达0.2%的Fe2O3 ；以及余量的ZrO2。可用于构成一个或多个层32的其它示例组成包括:8.0%的Y2O3以及余量的ZrO2 ；20.0%的Y2O3以及余量的 ZrO2 ；24.0% 的 CeO2 以及余量的 ZrO2 ；Zr02-2 5 602-2Y203 ；CaTi03 ;以及 Al2O30
[0020]通过例如超音速火焰(HVOF)喷涂，等离子喷涂或爆炸喷涂，将热障涂层22以至少100m/s的速度热应用于汽缸衬垫20的外表面30上。将热障涂层22应用于外表面30的工艺首先包括提供隔热材料的多个粉末颗粒。其中每个粉末颗粒具有-140+10 μ m的标称粒径，也就是说所有粉末颗粒都能穿过带有140 μ m开口的筛子，但是所有粉末颗粒都不能穿过带有10 μ m开口的筛子。接下来，该方法包括将隔热材料的粉末颗粒加热到2500-3000°C以使隔热材料熔化，然后将熔化的隔热材料粉末以100-1000m/S或者大于1000m/S的速度输送到汽缸衬垫20的外表面30上。
[0021]在一个优选实施例中，通过指向外表面30的HVOF喷涂将热障涂层22应用于汽缸衬垫20上，如图3所示。该工艺包括将气体或液体形式的燃料氧气混合物36持续供给或泵入腔38中。混合物在腔中被持续加热和点燃。然后，将点燃的混合物以240-900KPa的压力和很高的速度送入喷嘴40中并且以流的形式穿过喷嘴40。隔热材料的粉末颗粒42和运载气体被注入喷嘴中的流中，并且在与点燃的氧气流接触时熔化。通过穿过喷嘴40的出口的喷涂将高速流中的熔化、加压且加热的粉末颗粒42输送到汽缸衬垫20的外表面30上。喷嘴40被管体44包围，气隙和冷却水46位于管体44和喷嘴40之间。将熔化的粉末颗粒42以600-800m/s，优选大于1000m/s的速度从喷嘴输送到汽缸衬垫20的外表面30上以形成热障涂层22。
[0022]在另一优选实施例中，通过指向外表面30的等离子喷涂将热障涂层22应用于汽缸衬垫20上，如图4所示。该工艺首先包括由等离子喷枪43提供等离子流48，其中，等离子流48由温度为10000-15000K的气体构成。等离子流48由一对喷嘴(阳极)50和一个电极(阴极)52提供。高强度电弧54在一个喷嘴50和电极52之间形成。构成等离子流48的等离子气体包括氩气，氢气，氮气和氦气中的一种或多种。喷嘴50和电极52都包含冷却水56。通过粉末颗粒42随着运载气体注入等离子流48，隔热材料的粉末颗粒42被熔化。一旦与等离子流48接触，熔化的粉末颗粒42转变成隔热材料的液滴。然后，等离子喷雾将液滴以100-300m/s的速度输送到汽缸衬垫20的外表面30上。
[0023]在又一实施例中，通过指向外表面30的爆炸喷枪58将热障涂层22应用于汽缸衬垫20上，如图5所示。该工艺包括将燃料60，氮气62和氧气64的混合物输送到爆炸喷枪58的枪管68中。隔热材料的粉末颗粒42被熔化且随着燃料氧气混合物送入枪管68中。然后，混合物被火花塞70点燃以将熔化的隔热材料颗粒42推出枪管68并且以600-900m/s的速度推到外表面30上。`
[0024]根据一个优选实施例，如图2所不,连接层34设置在本体24的外表面30和热障涂层22之间以改善热障涂层22和外表面30之间的粘合。连接层34也可以例如通过超音速火焰(HVOF)喷涂，等离子喷涂，或爆炸喷涂以至少100m/S的速度热应用于汽缸衬垫20的外表面30上。
[0025]连接层34通常包括铬，铝和钇。在一个优选实施例中，连接层34由MCrAH构成，其中M为Co，Ni, Fe,或Co和Ni的混合物。连接层34的示例组成包括NiCrAlY，CoCrAlY,NiCrAlY 以及 CoNiCrAH。
[0026]热障涂层22通过将能量(尤其是热量)保持在汽缸衬垫20的中心开口中，从而使汽缸衬垫20隔热。热障涂层22阻止热量从汽缸衬垫20的圆柱形开口中散失，热量散失通常因围绕汽缸衬垫20的冷却系统而增强。保持在汽缸衬垫20内部的圆柱形开口中的热量是可用于改善发动机运行效率的附加能源。在一个实施例中，隔热的汽缸衬垫20使得从圆柱形开口中流向内燃机周围水套中的热量最小化。本发明的隔热汽缸衬垫20可以改善内燃机的热效率。
[0027]显然，根据上述教导，本发明的各种修改和变化都是可能的，并且在所附权利要求范围内，本 发明也可通过除了具体描述以外的方式实现。
【权利要求】
1.一种汽缸衬垫，其特征在于，包括: 由金属材料构成的本体，所述本体围绕中心轴周向延伸且在相对端之间纵向延伸， 所述本体包括背对所述中心轴的外表面， 包括隔热材料的热障涂层，所述热障涂层应用于所述本体的所述外表面， 所述隔热材料具有不超过5W/(m.K)的热导率， 所述热障涂层通过包括如下步骤的工艺应用于所述外表面: 加热所述隔热材料的多个粉末颗粒以使所述隔热材料熔化，所述粉末颗粒具有-140+10 μ m的标称粒径，以及 将所述熔化的隔热材料以lOO-lOOOm/s的速度输送到所述汽缸衬垫的所述外表面上。
2.如权利要求1所述的汽缸衬垫，其特征在于，所述热障涂层包括多个层，其中至少一个所述层包括至少70.0wt%的ZrO2。
3.如权利要求2所述的汽缸衬垫，其特征在于，至少一个所述层包括以该层的重量百分比计的8.0wt%的Y2O3和余量的Zr02。
4.如权利要求1所述的汽缸衬垫，其特征在于，输送步骤包括将所述隔热材料喷涂到所述汽缸衬垫的所述外表面上。
5.如权利要求1所述的汽缸衬垫，其特征在于，加热步骤包括将所述粉末颗粒加热到2500-3000 O。
6.如权利要求1所述的汽缸衬垫，其特征在于，所述外表面具有围绕所述中心轴在所述相对端之间连续延伸的表面区域，并且所述热障涂层覆盖所述表面区域。
7.如权利要求1所述的汽缸衬垫，其特征在于，将所述热障涂层应用于所述外表面的工艺包括超音速火焰(HVOF)喷涂。
8.如权利要求7所述的汽缸衬垫，其特征在于，所述工艺进一步包括如下步骤: 在腔中持续燃烧燃料氧气混合物， 输送所述点燃的混合物的流通过喷嘴， 将熔化的粉末颗粒注入所述流，以及 输送步骤包括将包括所述熔化的粉末颗粒的所述流以600-1000m/s的速度通过所述喷嘴的出口喷涂到所述汽缸衬垫的所述外表面上。
9.如权利要求1所述的汽缸衬垫，其特征在于，将所述热障涂层应用于所述外表面的工艺包括等离子喷涂。
10.如权利要求9所述的汽缸衬垫，其特征在于，所述工艺进一步包括如下步骤: 由等离子喷枪喷射等离子流， 所述等离子流由温度为10000-15000K的气体构成， 将所述熔化的粉末颗粒注入所述等离子流以形成所述隔热材料的多个液滴，以及输送步骤包括将包括所述熔化的隔热材料的液滴的所述等离子流以100-300m/s的速度喷涂到所述汽缸衬垫的所述外表面上。
11.如权利要求1所述的汽缸衬垫，其特征在于，将所述热障涂层应用于所述外表面的工艺包括爆炸喷涂。
12.如权利要求11所述的汽缸衬垫，其特征在于，所述工艺进一步包括如下步骤: 将燃料氧气混合物输送到爆炸喷枪的枪管中，使所述熔化的绝缘材料的粉末颗粒随着所述燃料氧气混合物输送到所述枪管中，以及输送步骤包括点燃所述燃料氧气混合物以将所述熔化的隔热材料以550-900m/s的速度通过所述枪管的出口推送到所述汽缸衬垫的所述外表面上。
13.一种制造汽缸衬垫的方法，其特征在于，包括如下步骤: 提供围绕中心轴周向延伸的本体，所述本体包括背对所述中心轴的外表面， 加热隔热材料的多个粉末颗粒以使隔热材料熔化，所述粉末颗粒具有-140+10μπ!的标称粒径，以及 将熔化的隔热材料以lOO-lOOOm/s的速度输送到汽缸衬垫的外表面上从而在外表面上形成热障涂层。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，输送步骤包括用隔热材料覆盖外表面。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤: 在腔中持续燃烧燃料氧气混合物， 输送点燃的混合物的流通过喷嘴， 加热步骤包括将熔化的粉末颗粒注入流中，以及 输送步骤包括将流和熔化的隔热材料以600-1000m/s的速度通过喷嘴的出口喷涂到汽缸衬垫的外表面上。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤:` 由等离子喷枪提供温度为10000-15000K的气体和液体构成的等离子流， 加热步骤包括将隔热材料的粉末颗粒注入等离子流以使隔热材料熔化并形成隔热材料的液滴，以及 输送步骤包括将包括隔热材料的液滴的等离子流以100-300m/s的速度喷涂到汽缸衬垫的外表面上。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤: 将燃料氧气混合物输送到爆炸喷枪的枪管中， 加热步骤包括使绝缘材料的粉末颗粒随着燃料氧气混合物输送到枪管中，以及输送步骤包括点燃燃料氧气混合物以将熔化的隔热材料以500-900m/s的速度通过枪管的出口推送到外表面上。
【文档编号】C23C4/12GK103890220SQ201280050957
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年9月7日 优先权日:2011年9月7日
【发明者】罗伯特·鲁文·阿哈罗诺夫 申请人:费德罗-莫格尔公司