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与流程

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。

本发明的背景

1.技术领域

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。

技术实现要素：

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。

本发明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，将会更好地理解本发明的这些和其他优点，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40从内径表面38的顶部边缘沿着气缸套28的长度的一部分延伸，并且热障涂层22设置在凹槽40中。同样在该示例中，凹槽40和热障涂层22的长度为5mm至10mm宽。换句话说，热障涂层22沿着汽缸套28的长度延伸5mm至10mm。在图1的示例性实施例中，热障涂层22也被涂覆到阀面36上。图3是包括热障涂层22的阀面36的放大图。然而，热障涂层22可以涂覆到阀引导件或阀的另一部分或表面，例如轴或后部。

如图4所示，热障涂层22也可以被涂覆到冠部垫圈的气缸开口上的密封环54上；如图5所示，发动机冠部的排气口56；如图6所示，气缸冠部的防火甲板62，；如图7所示，在活塞环64的侧面或工作表面上具有选择性的区域。热障涂层22在涂覆到活塞环64的工作表面上时具有摩擦学性能。

热障涂层22也可以涂覆到内燃机20的其他部件或与内燃机20相关联的部件，例如气门机构，后燃烧室，排气歧管和涡轮增压器的其他部件。热障涂层22通常被涂覆到柴油发动机的直接暴露于燃烧室24的热气体或废气，并因此在发动机20运行时的高温和高压下的部件。部件的主体部分42由金属材料，优选地诸如铁的材料，诸如钢或另一种铁基材料形成。用于形成主体部分26的钢可以是例如aisi4140等级或微合金38mnsivs5。用于形成主体部分26的钢优选地不包括磷酸盐，并且如果在主体部分26的表面上存在任何磷酸盐，则在涂覆热障涂层22之前去除该磷酸盐。

热障涂层22被涂覆到内燃机20的一个或多个部件上或暴露于由内该燃机20产生的废气中，以维持燃烧室24或废气中的热量，并因此提高了热效率。通常根据热图测量的图案将热障涂层22设置在特定位置，以改变部件的热区和冷区。热障涂层22被设计用于暴露于燃烧室24的苛刻条件。例如，热障涂层22可以被涂覆到经受大的和振荡的热循环的柴油发动机20的部件上。此类部件会经历极端的冷启动温度，并且与燃烧气体接触时可能会达到700℃。从每个燃烧事件还存在大约每秒15至20次或更多次的温度循环。此外，每个燃烧循环的压力摆幅高达250至300bar。热障涂层22通常被涂覆在与燃料喷射器，燃料羽流或来自热图测量的图案的位置对准和/或相邻的位置，以便改变沿着主体部分的热区和冷区。

热障涂层22被设计用于暴露于燃烧室的苛刻条件。例如，可以将热障涂层22涂覆到部件20上，以用于经受大的且振荡的热循环的柴油发动机中。这种类型的部件20会经受极端的冷启动温度，并且在与燃烧气体接触时会达到760℃。从每个燃烧事件还存在大约每秒15至20次或更多次的温度循环。此外，每个燃烧循环的压力摆幅高达250至300bar。

根据图8所示的示例性实施例，热障涂层22包括混合层50，顶层51，结合层52和陶瓷层60。将初始结合层52直接涂覆到部件20的金属表面上，随后涂覆混合层50，然后涂覆陶瓷层60，然后涂覆顶层51。图9示出了包括结合层52，混合层50和陶瓷层60的另一实施例。图10示出了包括结合层52，混合层50和陶瓷层60的另一示例性实施例。图11示出了另一实施例，其包括处于涂覆状态的结合层52和混合层50。图12是示出了热障涂层22的各种可能实施例的流程图。

结合层52由金属形成，并且实现了与金属主体部分26的良好粘附。结合层52还具有薄而坚固的粘结表面，以在其上涂覆热障涂层22的其余部分。结合层52可以是与用于形成主体部分26的材料相同或相似或不同的材料，例如含铁材料，例如钢或其他基于铁或铁的材料。结合层52的材料与用于形成主体部分26的铁或其他材料相容。结合层52的材料也可以由铬，镍和/或钴形成。结合层52也可以由铬合金，镍合金和/或钴合金形成。结合层52也可以是高性能的高温合金，例如镍基高温合金或钴基高温合金。例如，金属结合层52可以包括或选自：钴镍铬铝钇(conicraly)、镍铬铝钇(nicraly)、镍铬(nicr)、镍铝(nial)、镍铬铝(nicral)、镍铝锰(nialmo)和镍钛(niti)中的至少一个。根据一个优选实施例，金属结合层52由nicraly或nicral形成。

热障涂层22通常包括金属结合层52，其量为基于热障涂层22的总体积的5个体积百分比(体积％)至33个体积百分比(体积％)，更优选为10个体积百分比至33个体积百分比，最优选为20个体积百分比至33个体积百分比。金属结合层52以颗粒尺寸为-140目数(mesh)(＜105μm)，优选为-170目数(＜90μm)，更优选为-200目(<74μm)，最优选为-400目(<37μm)的颗粒形式提供。金属结合层52的厚度极限由形成金属结合层52的材料的颗粒大小决定。为了降低热障涂层22分层的风险，常常优选低厚度。结合层52的厚度可以在20至100微米之间，并优选在20至50微米之间。

在涂覆结合层52之前，适当地清洁主体部分26的金属表面，例如通过喷砂，然后通过等离子喷涂、高速含氧燃料(hvof)和/或电弧将结合层52沉积到主体部分26的裸露表面上。注意，要用阻挡涂层22涂覆的表面优选地是裸钢并且没有例如磷酸盐涂层。

涂覆到结合层52上的是陶瓷和金属材料的复合或混合层50。混合层50中的金属材料可以与上面为结合层52指定的候选材料相同，相似或不同。换句话说，为结合层52选择的金属材料的成分可以相同、相似、或不同于热障涂层22的混合层50中所使用的金属材料的成分。

混合层50的陶瓷材料通常是至少一种氧化物，例如二氧化铈、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、通过另一种氧化物稳定的氧化锆，和/或其混合物。陶瓷材料的导热系数很低，例如小于1w/m·k。当在陶瓷材料中使用二氧化铈时，热障涂层22在柴油发动机的高温，高压和其他苛刻条件下更稳定。包括二氧化铈的陶瓷材料的成分还使得热障涂层22比其他陶瓷涂层更不易受到化学侵蚀，当其通过热效应和化学燃烧在柴油机中单独使用时，其可能会不稳定。在这种热和化学条件下，二氧化铈和二氧化铈稳定的氧化锆更加稳定。二氧化铈的热膨胀系数类似于可用于形成主体部分26的钢。二氧化铈在室温下的热膨胀系数在10e-6至11e-6的范围内，而钢在室温下的热膨胀系数室温在11e-6至14e-6范围内。相似的热膨胀系数有助于避免产生应力裂纹的热失配。

在一个实施例中，基于热障涂层22的总体积，陶瓷材料的存在量为70个体积百分比(体积％)至95个体积百分比。在一个实施例中，所使用的陶瓷材料为了形成热障涂层22，基于陶瓷材料的总重量，二氧化铈的含量为90至100个重量百分比(wt％)。在另一个示例实施例中，基于陶瓷材料的总重量，陶瓷材料包括90至100个重量百分比的二氧化铈稳定的氧化锆。基于二氧化铈稳定的氧化锆的总重量，氧化铈稳定的氧化锆优选包含20至25个重量百分比的氧化铈。在另一个示例实施例中，基于陶瓷材料的总重量，陶瓷材料包括90至100个重量百分比的氧化钇或氧化钇稳定的氧化锆。在又一个示例实施方式中，基于陶瓷材料的总重量，陶瓷材料包括总量为90至100个重量百分比的二氧化铈稳定的氧化锆和氧化钇稳定的氧化锆。在另一个示例实施方式中，基于陶瓷材料的总重量，陶瓷材料包括90至100个重量百分比的氧化镁稳定的氧化锆，氧化钙稳定的氧化锆和/或被另一种氧化物稳定的氧化锆。换句话说，基于陶瓷材料的总重量，任何氧化物可以单独或以90至100个重量百分比的量组合使用。如果陶瓷材料不完全由二氧化铈、二氧化铈稳定的氧化锆、氧化钇、氧化钇稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆，和/或由另一种氧化物稳定的氧化锆组成，则陶瓷材料的其余部分通常由其他氧化物和化合物组成，例如氧化铝、氧化钛、氧化铬、氧化硅、锰或钴化合物、氮化硅和/或功能材料(例如颜料或催化剂)。例如，根据一个实施例，将催化剂添加到热障涂层22中以改变燃烧。也可以将颜色化合物添加到热障涂层22中。根据一个示例实施例，热障涂层22是棕褐色，但是可以是其他颜色，例如蓝色或红色。

可以控制混合层50的材料选择和比例，以实现与主体部分26的良好粘结并调节热障涂层22的期望的热特性。与陶瓷材料混合的金属材料还用于保护陶瓷材料(天然多孔的)免受来自热燃烧气体的热和腐蚀攻击，否则这些热气体会渗透并损害混合层50的完整性，而使其从主体部位26层离。根据一个优选的实施方案，混合层50是按重量比为50:50的nicraly或nicral金属与二氧化铈稳定的氧化锆(20个重量百分比的二氧化铈，80个重量百分比的氧化锆)的混合物。热障涂层22的隔热作用保护了主体部分26，但是过高的浓度会导致主体部分26将热量保留在表面上，而不是随燃烧室的热瞬态而循环，其可能暴露于燃烧室。通过增加金属含量，陶瓷材料的孔被填充并被保护免受侵蚀，并且热障涂层22变得更加热动态，并且其在燃烧室表面的温度能够与燃烧室的温度一起摆动或循环得更紧密，其直接暴露于燃烧室环境中。混合层50的厚度/薄度也可以在热障涂层22的热性能中起作用，其中较厚的涂层更隔热并且较薄的涂层在其热性能方面更动态。根据示例实施例，混合层50的厚度是200微米或更小，或者100微米或更小，并且优选地20到50微米。

根据一个实施例，混合层50中的陶瓷与金属材料的比例为50:50的重量比。混合物中或多或少的陶瓷将分别增加和减少热障涂层22的隔热和保持性能。本领域技术人员将理解，可以调节比例和厚度以调整混合层50以实现所需的热性能。例如，在当前情况下，期望热障涂层22充分地使金属主体部分26免受由于暴露于内燃机特别是柴油机的燃烧室的环境引起的热和氧化损害。另一方面，当前情况下的热障涂层22也被调整为在其热特性方面足够动态，以使得热障涂层22能够与燃烧循环的瞬态温度波动同步地循环。此外，这些竞争特性将在热障涂层22中实现，该热障涂层应足够坚固以承受热燃烧气体的腐蚀侵蚀，这在很大程度上是通过在混合层中混合金属和陶瓷50来满足的。陶瓷的孔被金属渗透，并且热的腐蚀性气体无法渗透到没有金属的情况下所能达到的程度，否则会导致陶瓷损坏。这并不需要陶瓷的孔被100％填充，而是需要足够的金属来阻止热气穿过表面进入混合层50的陶瓷。如果将50:50的陶瓷/金属混合层50的混合层50切开，人们会期望看到陶瓷材料的20％或更多的孔包含金属材料，并且从该表面延伸到热障涂层的底部的开孔很少。金属/陶瓷比例的增加将增加横截面中所见金属的比例，从而增加孔隙率。

根据替代实施例，陶瓷和金属的混合层50可以被用作梯度结构，由此与靠近金属结合层52的陶瓷相比，金属的浓度更高，并且随着向外延伸陶瓷浓度增加，直至到达外表面，在该外表面上混合层50可以基本上全部是陶瓷。例如，可以通过从100％的金属逐渐或稳定地过渡到100％的陶瓷材料来形成梯度结构。或者，在混合层50的外表面上，可以同时存在金属和陶瓷材料。梯度结构的过渡函数可以是线性，指数，抛物线，高斯，二项式，也可以遵循将组分平均与位置相关的另一个方程式。混合层50的梯度结构有助于减轻由于热失配而产生的应力，并减少了在陶瓷和金属材料的界面处形成连续的弱氧化物边界层的趋势。该梯度结构在某些应用中对于从钢或另一种金属到陶瓷的过渡可能是更相容的，并且如果给定应用需要的话，可以产生更坚固的热障涂层22。对于具有梯度结构的混合层50，可以预期如上所述的类似的动态温度曲线。

具有梯度结构的混合层50的最外表面可以被抛光以露出陶瓷和金属，并且在涂覆之后进行精加工以获得期望的粗糙度。例如，在喷涂之后具有梯度结构的混合层50的表面粗糙度可以是ra10-15微米的表面粗糙度，但是可以被抛光至小于ra15微米的表面粗糙度，例如3微米或更小，更优选1微米或更小。

如上所述，混合层50的最上部和/或最上部表面通常完全由陶瓷形成，但是可以同时包含金属和陶瓷。而且，完全由陶瓷材料形成的附加陶瓷层60可以位于混合层50的顶部，如图1、3、9和10所示。陶瓷层60可以是最外层，因此呈现热障涂层22的最外露表面，或者可以位于金属顶层51下方。该可选的陶瓷层60可以具有20至80微米的厚度。用于形成陶瓷层60的陶瓷材料可以与混合层50的陶瓷相同或不同。

根据一个实施例，热障涂层22包括结合层52，混合层50，设置在混合层50上的陶瓷层60，以及由设置在陶瓷层60上的由金属形成的顶层51。顶层51被修光处理至表面粗糙度ra不大于3微米，或者不大于1微米，或更小。如图8所示，可以研磨顶层51，直到一些陶瓷层60暴露出来或突出穿过顶层51。或者，可以使顶层51光滑以提供连续的最外表面，从而没有陶瓷层60通过顶层51暴露。

根据另一示例实施例，如图9和10所示，热障涂层22包括结合层52，混合层50和完全由设置在混合层50上的陶瓷材料形成的陶瓷层60，其中陶瓷层60是热障涂层22的最外露层。在这种情况下，将陶瓷层60加工成不大于200微米，优选不大于100微米，最优选20-80微米的厚度。陶瓷层60也被处理或修光处理化至不大于5微米，不大于3微米或更小的表面粗糙度ra。在图9中，陶瓷层60沿表面被修光处理至不同程度，使得陶瓷层60的厚度在某些部分大于其他部分，或者可以在某些区域完成陶瓷层60的去除。陶瓷层60的表面粗糙度和厚度可以根据陶瓷层60被修光处理或加工多少来调节。在图10中，陶瓷层60被修光处理至更均匀的厚度。

根据另一个示例实施例，热障涂层22包括结合层52，混合层50，使得混合层50是热障涂层22的最外层，如图11所示。在处理或修光处理之前，混合层50显示为处于喷涂状态。然而，可以对混合层50进行修光处理或处理以达到期望的厚度和表面粗糙度。同样，金属顶层51可以直接涂覆在混合层50上。

当热障涂层22包括顶层51时，它通常是最外层。顶层51由金属形成，并且被涂覆在混合的陶瓷/金属层50和/或陶瓷层60上以填充孔并密封陶瓷的表面。然后通常对顶层51进行抛光以获得所需的粗糙度。基于顶层51的总重量，顶层51通常由100质量百分比的金属形成。顶层51可以与结合层52相同或相似，也可以不同的材料。例如，用于形成顶层51的材料可以是铁质材料，例如钢或另一种铁基材料。顶层51的材料也可以是铬，镍和/或钴。顶层51还可以包括铬合金，镍合金和/或钴合金。顶层51也可以是高性能的高温合金，例如镍基高温合金或钴基高温合金。例如，金属顶层51可以包括选自：conicraly、nicraly、nicr、nial、nicral、nialmo和niti组成的组的合金中的至少一种或由其组成。根据优选实施例，金属顶层51由nicraly或nicral，铬和/或铬合金形成。顶层51通常通过等离子体，hvof和/或电弧喷涂沉积在混合层50上。该顶层51可以用作陶瓷材料的保护层。

如上所述，顶层51可选地被抛光到一定程度，以使下面的陶瓷材料的一些尖端通过金属顶层51暴露出来。取决于研磨量和顶层51的初始厚度，可以是顶层51的区域，在该区域中下面的陶瓷材料的尖端穿过或陶瓷尖端可以在整个顶层51上均匀地穿过。顶层51可以被磨光至表面粗糙度ra为3微米的或更少，甚至1微米或更小。3微米或更小的表面粗糙度ra提供了非常光滑且高度抛光的表面，可以在燃烧循环中有益于燃料羽流的流动和引导，并进一步防止积碳。顶层51的厚度通常在10至100微米的范围内，这取决于在修光处理过程中除去了多少材料，以及是否希望使陶瓷材料的尖端暴露并显示出来。根据一个实施例，在顶层51之下没有暴露出混合层50或陶瓷层60，从而顶层51提供了光滑连续的暴露表面。根据另一个实施例，一些混合层50或一些陶瓷层60通过顶层51暴露。

所得到的最外面的最终表面可以由顶层51组成，或者可以通过研磨操作露出一些下面的陶瓷材料，使得在最外面的最终表面上存在陶瓷和金属的混合物。在本实施例的后一种情况下，最终表面将具有大部分金属材料，并且陶瓷的尖端或斑点分散并出现在本来连续的顶层51中，尤其是在与其他区域相比磨损更大的地方最终的表面。从视觉上看，人们会看到一个基本上是金属的最终表面，在某些区域中陶瓷的斑点均匀分布或分布较重。这可以使表面具有斑驳的外观，而在不连续的金属顶层51中出现陶瓷斑点。

应当理解，所涂覆的各个层并非完全光滑，并且是本领域技术人员通过等离子喷涂涂覆涂料时所期望的典型特征。粗糙度会通过将燃料截留在热障涂层22表面的空腔中而影响燃烧。通常期望避免涂覆的表面比本文描述的实例更粗糙。在等离子喷涂之后立即，热障涂层22优选具有小于15μm的表面粗糙度ra和不大于110μm的表面粗糙度rz。然而，热障涂层22可以是修光处理的。如果将hvof或电弧工艺用于沉积，则同样如此。由于相邻沉积物的重叠，该材料以splats形式涂覆并构建以产生分层效果，但涂覆时既不光滑也不一定均匀。通常会有一系列的峰和谷(从微观上看)，并且材料的混合，因为随后涂覆的材料可能会停留在先前涂覆的材料的谷中，而先前材料的峰可能会出现。穿过一层随后涂覆的材料进行投影。当执行后续的研磨操作以使表面光滑时，混合效果会增强，其中一些上层材料被剥离掉，并且一些下层材料(尤其是峰)出现在被研磨的表面。

热障涂层22的总厚度可以在50至350微米或50至700微米的范围内，但优选为200微米或更小，或150微米或更小或甚至小于100微米。例如，整个涂层(结合层52，混合层50和顶层51)的厚度为250微米或更小，其中结合层52的厚度为20至50微米，混合层50具有厚度为20至50微米，顶层51的厚度为50至100微米。如果在混合层50和顶层51之间存在陶瓷层，则陶瓷层的厚度可以为20至100微米。如上所述，根据一个实施例，热障涂层22仅包括结合层52和混合层50，其总厚度为700微米或更小。

通常，热障涂层22的整个厚度的5％至25％由结合层52形成，并且热障涂层22的约30％至90％可以由混合层50构成。存在陶瓷层时，约5至50％的厚度可以由陶瓷层构成。

如上所述，示例实施例的热障涂层22包括具有被顶层51填充的孔的光滑表面，因此能够提供与未涂层表面相似的燃料涡旋特性。由于孔被填充，所以不期望热障涂层22吸收燃料或润滑剂。

由于等离子喷涂产生的封闭的喷溅网络，预计顶层51的水平喷溅图案不会吸收热的燃烧气体。薄的基于陶瓷的混合层50使主体部分26隔热，但是遵循燃烧的瞬态温度，并且顶层51防止由于金属化学作用引起的热氧化。因此保护了金属主体部分26免受热和氧化损伤，同时产生了效率益处。

当热障涂层22包括结合层52和混合层50，但不包括金属的顶层51时，该实施例的热障涂层22的总厚度最大为700微米，优选地不大于400微米，例如50-400微米，更优选不大于200微米，或不大于150微米。通常将这种两层结构等离子喷涂到主体部分26的表面上。可以涂覆主体部分26的复杂几何形状，例如具有波浪形特征的表面。

根据一个实施例，在对表面进行喷砂处理之后，将热障涂层22的结合层52涂覆到主体部分26上。优选地，在涂覆结合层52之前，不将磷酸盐涂层或其他材料涂覆至主体部分26的表面。优选地，结合层52通过等离子喷涂涂覆至50至100微米的平均厚度，也可以使用本文讨论的其他方法之一涂覆。该实施例的结合层52的材料可以与以上关于第一示例实施例所描述的那些相同。通常，结合层52由铬，镍，钴或其合金或镍基超合金或钴基超合金形成。优选地，结合层52由nicraly或nicral形成。

混合层50可以通常通过等离子喷涂直接涂覆在结合层52上。在热障涂层22中没有尖锐的界面，因此避免了热应力集中。该实施例的混合层50可以包括与以上关于第一示例实施例所讨论的相同的陶瓷材料和金属材料。例如，金属可以是用于形成结合层52的相同材料，例如铬、镍、钴、它们的合金、镍基高温合金或钴基高温合金。陶瓷可以是至少一种氧化物，例如二氧化铈、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、被另一种氧化物稳定的氧化锆，和/或其混合物。混合层50的组成可以改变以调节热性能。基于混合层50的总重量，混合层50可以从10个质量百分比变化至90个质量百分比，其余部分由金属材料形成，例如用于形成上述结合层52的金属材料之一。在该实施例中，可以将混合层50用作上述的梯度结构。通常，混合层50的最上部完全由陶瓷材料形成。可选地，如上所述，可以将陶瓷层涂覆到混合层50上。

混合层50可具有50至350微米的厚度，使得总厚度小于700微米，例如在100至450微米之间，优选的总厚度为约200微米或更小。在该实施例中，没有在混合层50的顶部上涂覆其他金属或陶瓷涂层，使得热障涂层22为两层结构。混合层50的喷涂粗糙度ra约为10-15微米，但是如果需要，可以如上所述研磨混合层50的最外表面以使表面光滑以具有3微米或更小的ra。

混合层50的优选的示例组成是按体积比为50:50的nicraly或nicral与二氧化铈稳定的氧化锆(20个质量百分比的二氧化铈，80个质量百分比的氧化锆)的混合物。结合层52也优选是nicraly或nicral超合金。而且，热障涂层20的优选的总厚度为约200微米，结合层52的厚度为50至100微米，并且剩余的长度为混合层50。

热障涂层22具有许多优点，包括对金属主体部分26的良好的热保护。热障涂层22具有低的热导率，以减少通过热障涂层22的热流。通常，厚度小于1mm的热障涂层22的热导率小于1.00w/mk，优选小于0.5w/mk，最优选不大于0.23w/mk。热障涂层22的比热容取决于所使用的特定组成，但是在40至700℃之间的温度下，通常在480j/kg.k至610j/kg.k的范围内。热障涂层22是通过陶瓷材料50的孔隙率来实现的。由于热障涂层22的组成和低导热性，相对于对比涂层，可以减小热障涂层22的厚度，这降低了形成绝缘涂层22裂缝或剥落的风险。同时达到与较大厚度的对比涂层相同的隔热水平。注意，没有期望热障涂层22的有利的低导热率。当热障涂层22的陶瓷材料50包括二氧化铈稳定的氧化锆时，热导率特别低。

已经进行了各种评估和测试以评估热障涂层22的特性和性能。例如，热成像被用作快速(<1s)方式来估计金属体上的热障涂层22的冷却速度。热障涂层22也已被证明具有非常强的能随燃烧循环温度循环的能力。评估热障涂层22的动态循环能力的一种方式是测量当暴露于加热/冷却循环时主体部分26的涂覆表面冷却(热衰减)的速率。

根据示例实施例，在金属样品上进行热障涂层22的测试，其中金属样品由aisi4140形成，其结合层52由nicraly形成，混合层50由50:50的重量百分比的混合nicraly和氧化铈稳定化的氧化锆形成，以及由100重量百分比的氧化铈稳定化的氧化锆形成的陶瓷材料51作为最终的露出层。为了比较目的，测试了铝基板上的对比涂层。测试了总涂层厚度在70微米至390微米之间。另外，对具有两层热障涂层22的aisi4140样品进行测试，该两层热障涂层22包含nicraly结合层52，该混合层50由按重量计50:50的nicraly和二氧化铈稳定的氧化锆层形成的混合层50，使得总涂层厚度不超过200微米。

一种方法是将样品的涂层表面暴露于热源，移走热源并监测表面随时间函数的温度下降。热源可以是闪光灯，并且可以使用前视红外(flir)摄像机进行热成像，以测量灯泡循环后随时间函数的温度值变化。在这种情况下，指示灯闪烁，然后在冷却时以60hz记录帧。

该测试包括评估金属样品上的热障涂层22的平均热衰变时间，结果如图13所示。对热衰变的评估包括确定涂层表面下降到其起始温度的一半的速度。使用相同的灯闪光循环和样品，将涂层表面加热至约100℃，并关闭灯。使用热成像，测量从样品的外径到样品的中心轴的一条线上的平均涂层表面的温度。图13比较了在灯闪烁后热障涂层变型下降到一半并将热能传递到涂层表面所花费的时间。

涂层样品的以上温度循环曲线表明，涂层主体部分26的平均热衰减时间可以被调节为接近内燃机的燃烧循环期间所观察到的燃烧气体的平均衰减时间。。热障涂层22因此保护金属主体部分26免受腐蚀和热损害，同时提供了非常热的动态表面，该表面能够随着燃烧的快速温度升高和降低而摆动。

当热障涂层22包括梯度结构时的另一个优点是，由于梯度结构50和用于形成主体部分26的金属的组成，热障涂层22的结合强度增加了。当根据astmc633进行测试时，厚度为0.38mm的热障涂层22的粘合强度通常至少为2000psi。

可以将具有混合层50的热障涂层22与具有两层结构的对比涂层进行比较，该对比涂层通常不如具有混合层50的热障涂层22成功。对比涂层包括涂覆到金属基底上的金属结合层，然后是具有贯穿涂层的离散界面的陶瓷层。在这种情况下，燃烧气体可以穿过多孔陶瓷层并且可以开始氧化陶瓷/结合层界面处的结合层。氧化导致形成弱的边界层，这损害了涂层的性能。

已经发现，相对于没有热障涂层22的相同样品，涂覆有热障涂层22的金属样品的热流降低至少50％。通过减少流过金属体部分26的热，更多的热量可以保留在发动机产生的废气中，从而提高了发动机的效率和性能。

已经发现本申请的热障涂层22很好地粘附到主体部分26上。但是，为了进行额外的机械锚固，热障涂层22所涂覆到的主体部分26的表面通常没有任何边缘或具有半径小于0.1毫米的特征。换句话说，优选地，主体部分26的热障涂层22的表面没有任何尖锐的边缘或拐角。

根据一个示例实施例，主体部分26可包括沿主体部分26的外表面加工的折断的边缘或倒角。该倒角允许热障涂层22在该表面的边缘上蠕变并径向锁定在主体上。可选地，可以沿着主体部分26的表面和/或边缘加工至少一个凹穴、凹陷或圆形边缘。这些特征有助于避免应力集中在热喷涂涂层22中并且避免尖锐可能导致涂层失效的拐角或边缘。机加工的凹穴或凹陷还将机械热障涂层22机械地锁定在适当的位置，再次降低了分层失败的可能性。

通常，热障涂层22仅涂覆到暴露于燃烧室的部件的一部分。例如，暴露于燃烧室的部件的整个表面可以被涂覆。可替代地，仅暴露于燃烧室的部件的表面的一部分被涂覆。热障涂层22也可被涂覆以选择暴露于燃烧室的表面的位置，这取决于燃烧室的条件和表面相对于其他部件的位置。在示例性实施例中，当活塞26位于上止点时，热障涂层22仅被涂覆到气缸套28的内径表面的与活塞26的顶部44相对的部分。沿内径表面没有位于任何其他位置，也没有位于气缸套28的任何接触表面上。

本发明的另一方面提供了一种制造用于内燃机例如柴油机的涂覆部件的方法。可以根据各种不同的方法来制造通常由钢或另一种基于铁或铁的材料形成的主体部分26，例如锻造或铸造。该方法还可包括将部件的各部分焊接在一起。如上所述，主体部分26可以包括各种不同的设计。在将热障涂层22涂覆到主体部分26上之前，必须去除位于涂覆热障涂层22的表面上的任何磷酸盐或其他材料。

该方法接下来包括将热障涂层22涂覆到主体部分26上。热障涂层22可以被涂覆到主体部分26的整个表面，或者仅被涂覆到表面的一部分。陶瓷材料50和金属结合材料52以颗粒或粉末的形式提供。颗粒可以是空心球，喷雾干燥，喷雾干燥和烧结，溶胶-凝胶，熔融和/或压碎。在示例实施例中，该方法包括通过热或动力学方法涂覆金属结合材料52和陶瓷材料50。根据一个实施例，一种热喷涂技术，例如等离子喷涂，火焰喷涂或电弧喷涂，被用来形成热障涂层22。高速氧-燃料(highvelocityoxy-fuelhvof)喷涂是产生更致密涂层的动力学方法的首选示例。也可以使用将热障涂层22涂覆到主体部分26上的其他方法。例如，可以通过诸如物理气相沉积或化学气相沉积的真空方法来涂覆热障涂层22。根据一个实施例，hvof用于将金属结合材料52的致密层涂覆到主体部分26，并且热喷涂技术(例如等离子喷涂)用于涂覆混合层50。而且，可以在涂覆等离子喷涂涂层的同时通过改变双粉末给料器的进料速度来涂覆混合层50。

基于被喷涂材料的总重量，该示例性方法开始于以100重量百分比的量喷涂用于形成结合层52的金属和以0重量用于百分比的量的陶瓷形成混合层50。一旦形成结合层52，该方法包括喷涂陶瓷和金属的混合物以形成混合层50。为了形成梯度结构，在整个喷涂过程中，可以向组合物中添加越来越多的陶瓷材料，同时减少了金属粘结材料的数量。因此，热障涂层22的组成从主体部分26处的100％金属结合材料52逐渐改变为最外表面(可能是也可能不是暴露表面)上的100％陶瓷材料50。通常使用多个粉末进料器来涂覆热障涂层22，并调节它们的进料速率以实现所需的结构。当混合层50包括梯度结构时，在热喷涂过程中实现梯度结构。为了形成第一示例实施例的热障涂层22，该方法包括典型地通过等离子体，hvof和/或电弧喷涂将顶层51涂覆在混合层50上。

热障涂层22可被涂覆到整个主体部分26或其一部分。主体部分26的未涂覆区域可以在涂覆热障涂层22的步骤期间被掩蔽。该掩膜可以是可重复使用的并且去除材料，其被涂覆在被涂覆区域附近。掩膜也可用于在热障涂层中引入图形22。另外，在涂覆热障涂层22之后，将涂层边缘混合，并减小尖角或边缘以避免高应力区域。

如图8所示，热障涂层22具有从主体部分26延伸到暴露表面58的厚度t。根据示例实施例，热障涂层22被涂覆至总厚度t不大于1.0mm，优选不大于200微米。厚度t在主体部分26的整个表面上可以是均匀的，但是通常厚度t在表面上是变化的。在沿着主体部分26的某些区域中，例如在来自等离子枪的阴影所在的区域中，热障涂层22的厚度t可以较低。在其他区域中，例如与燃料喷射器成一直线和/或相邻的区域，热障涂层22的厚度t增加。例如，该方法可以包括以下步骤：通过使用扫描枪成一直线固定主体部分26以防止旋转，从而将主体部分26相对于燃料羽流对准在特定的位置，并使用成排的扫描枪，并改变喷雾的速度或其他方法。在主体部分26的不同区域上涂覆热障涂层22以调节热障涂层22的厚度t。

另外，可以将具有相同或不同组成的一层以上的热障涂层22涂覆到主体部分26上。此外，除了热障涂层22之外，还可以将具有其他组成的涂层涂覆到主体部分26上。

在涂覆热障涂层22之前，主体部分26的表面在溶剂中洗涤以去除污染物。接下来，该方法通常包括去除半径小于0.1毫米的任何边缘或特征。该方法还可包括在主体部分26中形成折断的边缘或倒角56，或有助于将热障涂层22机械锁定到主体部分26并减小应力上升的另一特征。这些特征可通过机加工形成，例如通过车削，铣削或任何其他合适的方式。该方法还可包括在涂覆热障涂层22之前的主体部分26的喷砂表面，以改善热障涂层22的粘附性。

在将热障涂层22涂覆到主体部分26上之后，可以对涂覆的部件进行研磨以去除粗糙并获得光滑的表面。该方法还可以包括当在市场上使用该部件时，在该热障涂层22的表面上形成标记以用于识别该涂覆的部件。形成标记的步骤通常包括用激光重新熔化热障涂层22。根据其他实施例，在热障涂层22上涂覆石墨，导热漆或聚合物的附加层。如果使用聚合物涂层，则在发动机中使用部件期间，聚合物会燃烧掉。该方法可以包括附加的组装步骤，例如洗涤和干燥，添加防锈剂以及包装。涂层部件的任何后处理必须与热障涂层22兼容。

当暴露于燃烧气体和内燃机的循环时，所得的整体热障涂层22为铁成分提供热障，并且与较厚的陶瓷涂层相比，其能够更好地随进气和燃烧气体的温度而更好地循环。金属顶层51密封了涂层22的其余部分，以抵抗腐蚀性燃料环境的侵蚀，该腐蚀有时会渗透并损害热障涂层。顶层51的涂覆技术(例如，等离子喷涂)被认为在遮挡该顶层51和混合层50免受热腐蚀环境的侵蚀方面特别有效。所涂覆的金属顶层51具有金属材料的水平散布的紧密网络，其抵抗燃料的吸收，因为它们不存在金属顶层51的垂直边界，例如如果通过电极位置涂覆顶层51而存在的话，更容易被燃烧气体和燃料吸收和侵蚀。研磨的顶层51的光滑度呈现出与未涂覆的部件相当的表面，并且允许该部件在燃料羽流管理中的性能达到未涂覆的部件的水平，并且比单独的陶瓷涂覆的部件好得多。

显然，根据以上教导，本发明的许多修改和变型是可能的，并且可以在所附权利要求的范围内以不同于具体描述的方式来实践。特别地，所有权利要求和所有实施例的所有特征可以彼此组合，只要它们彼此不矛盾即可。