提供改进的热喷涂粘附性的表面纹理的制作方法

本发明涉及改进热喷涂层对基材的粘附性，更具体地涉及提供热喷涂层与基材的改进附着性的表面纹理。

背景技术：

本节中的说明仅提供与本公开相关的背景信息，并且可以构成或可以不构成现有技术。

热喷涂是一种涂覆方法，其将通过燃烧加热并通常熔化的材料或电等离子体或电弧施加到基材。该方法相对于其他涂覆方法(诸如电镀、溅射以及物理和气相沉积)能够在大面积上快速涂覆相对厚的涂层。

热喷涂层的坚固性和耐久性似乎几乎是涂层材料的专有特征，其次是施加质量。然而，已经确定，事实上，通常影响热喷涂层的坚固性和耐久性的最重要的因素是热喷涂层和基材之间的结合强度。在热喷涂材料实际上已经磨损之前很长时间，不良结合可能会使热喷涂层脱落(有时相当大的碎片)，而强结合使得热喷涂层成为整体并成为基材不可分离的部件。

已经运用了几种方法来改善热喷涂层和基材之间的结合。通常，这些包括调节热喷涂材料的组成和调整工艺参数，诸如基材温度、施加能量(以及因此施加的速度和温度)以及环境条件。本发明涉及改善热喷涂层与基材的粘附性的另一种方法。

技术实现要素：

本发明提供改进的基材表面纹理，即粗糙度，其显著改善热喷涂层的粘附性。表面纹理由两个计量参数限定，本发明包括特定范围的平均三维粗糙度(sa)和显影的界面面积比(sdr)。该表面纹理通过诸如水射流蚀刻、机械粗化、激光毛化、化学蚀刻以及等离子体蚀刻的方法实现。表面纹理对于内燃机、液压缸以及类似部件的汽缸壁是特别有利的，热喷涂层(诸如钢或陶瓷)被粘附到其上并且暴露于滑动或摩擦磨损。

因此，本发明的一个方面是提供基材表面，以改善热喷涂层的粘附性。

本发明的另一方面是向基材表面提供纹理，以改善热喷涂层的粘附性。

本发明的另一方面是提供由两个计量参数限定的基材表面纹理，以改善热喷涂层的粘附性。

本发明的另一方面是提供由平均粗糙度(sa)和显影的界面面积比(sdr)限定的基材表面纹理，以改善热喷涂层的粘附性。

本发明的另一方面是提供由特定范围的平均粗糙度(sa)和显影的界面面积比(sdr)限定的基材表面纹理，以改善热喷涂层的粘附性。

本发明的另一方面是提供由两个计量参数来限定的基材表面纹理，通过水射流蚀刻、机械粗化、激光毛化、化学蚀刻以及等离子体蚀刻来改善热喷涂层的粘附性。

本发明的另一方面是提供由平均粗糙度(sa)和显影的界面面积比(sdr)限定的基材表面纹理，通过水射流蚀刻、机械粗化、激光毛化、化学蚀刻以及等离子体蚀刻来改善热喷涂层的粘附性。

本发明的另一方面是提供由两个计量参数限定的基材表面纹理，以改善热喷涂层对内燃机汽缸壁的粘附性。

本发明的另一方面是提供由平均粗糙度(sa)和显影的界面面积比(sdr)限定的基材表面纹理，以改善热喷涂层对内燃机和类似部件的汽缸壁的粘附性。

本发明的另一方面是提供由特定范围的平均粗糙度(sa)和显影的界面面积比(sdr)限定的基材表面纹理，以改善热喷涂层对内燃机汽缸壁的粘附性。

根据本文提供的描述，其他方面，优点和适用范围将变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

这里描述的附图仅用于说明的目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1是具有汽缸壁的放大图的内燃机缸体的示意图；

图2a是沿图1的线2-2截取的汽缸壁的放大视图，示意性示出汽缸壁的表面纹理；

图2b是图2a的其上施加热喷涂层的汽缸壁的视图；以及

图3是垂直(y)轴代表呈现热喷涂层粘附性并且水平(x)轴代表sdr纹理百分比的定性曲线。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。

参考图1，示出了内燃机缸体，并且总体上用附图标记10表示。发动机缸体10通常包括多个汽缸12，汽缸12具有内汽缸壁14、用于螺纹紧固件的多个凸缘16和开口18以及用于接收和固定诸如汽缸盖、轴、歧管和罩的部件(均未示出)的其他特征部。在图1的右侧是汽缸壁14的放大视图。汽缸壁14可以是基材表面，诸如铝发动机缸体10或已经安装在发动机缸体10中的铁套筒的表面。在任一情况下，汽缸壁14的表面光洁度可以是机械粗化或活化的标准机器轮廓，并且优选地限定平均二维表面粗糙度(ra)在约4至25μm(微米)之间。

应当理解，尽管结合内燃机10的汽缸壁14进行了说明，但是特别有益的是，本发明提供了有益效果，并且同样和较易与其他圆柱形表面(诸如液压缸壁)和平面表面(诸如暴露于滑动、摩擦力的平面轴承)共同使用。

现在参考图2a，汽缸壁14的放大横截面示意性地示出了汽缸壁14的处理或制备的表面的基材表面纹理20。基材表面纹理20可以通过多种方法制备，包括但不限于水射流蚀刻、机械粗化、喷砂、激光毛化、化学蚀刻以及等离子体蚀刻。

现在参考图2b，汽缸壁14的放大横截面示意性地示出了汽缸壁14的表面纹理20，其中施加并粘附有热喷涂层22。通常，本文所述的汽缸壁14的热喷涂层22珩磨后可以在150μm量级上，并且通常在130μm至175μm的范围内。其他基材和应用可以并且通常将需要具有较大较小厚度的热喷涂层22。热喷涂层22可以是钢合金、其他金属或合金、陶瓷或适合于产品的使用条件的任何其他热喷涂材料，并且可以通过许多热喷涂工艺中的任何一种来施加，诸如适用于基材和施加的材料的等离子体、爆燃、电弧、火焰或超音速火焰喷涂(hvof)。

现在参考图3，定性曲线示出了热喷涂层的粘附性作为sdr的函数，即所制备的基材表面的纹理百分比。sdr，也称为显影的界面面积比，以百分比计，用标准方程式计算：

sdr＝(纹理化表面的面积-横截面积)/横截面积

例如，具有纹理化表面的两个单位面积的单位横截面面积的sdr百分比为100(2-1/1)。而图2显示了sdr和粘附强度之间的基本线性关系，实验和寿命测试已经确定，sdr低于100％的粘附性通常提供了折中的坚固性、耐久性，并因此影响使用寿命。因此，尽管极限是有些任意的，但是应当理解，当sdr等于或大于100％时，实现本发明的最显著益处。

限定本发明的第二数值因子是sa，在整个三维表面上评估平均表面粗糙度。平均表面粗糙度sa用标准方程式计算：

sa＝∫∫a|z(x，y)|dxdy

其中x、y和z是三个正交轴的测量值。sa的优选范围为9至15μm，而可操作但不太理想的范围为7至18μm。

应当理解，这些测量都是三维的，并且由下面描述的并由sdr和sa表示的方法实现的表面纹理可以被认为或被看作是分形的，即，具有在不同尺度上自相似的不断图形的表面。认为这种表面纹理通过在基材的纹理化表面和从亚微观到微观的多尺寸大小或尺度的热喷涂之间提供连接来增强热喷涂层的粘附性。

虽然通常根据常规技术进行，但是认为有必要简要描述为适当地测量上述参数而进行的分析步骤。首先，移除倾斜和宏观表面曲率(诸如与汽缸壁一起存在)(如果有的话)，以便将测量结果变平到平面进行分析。接下来，兴趣区域由直方图映射限定。在第三步骤中，类似于第一步骤，对于所选区域，进一步去除表面的任何曲率。然后恢复一个缺失点，并应用一个.25mm的三维高斯滤波器。通过这些初步步骤，在这些条件下，可以准确地获得上述粗糙度参数。

本发明的描述本质上仅仅是示例性的，并且不脱离本发明要点的变化旨在在本发明的范围内。这些变化不看作偏离本发明的精神和范围。