涡轮增压器隔热罩热障涂层的制作方法

在内燃机(ICE)的燃烧循环期间，空气/燃料混合物被提供给ICE的汽缸。空气/燃料混合物被压缩和/或点燃，并且燃烧以提供输出转矩。许多柴油和汽油ICE使用增压装置，例如废气涡轮驱动的涡轮增压器，用于在气流进入发动机的进气歧管之前压缩气流以增加功率和效率。具体地说，涡轮增压器是一种离心式气体压缩机，与采用周围的大气压力所获得的量相比，它可以将更多的空气(即氧气)压入ICE的燃烧室。被压入ICE的额外的含氧空气的量提高了发动机的容积效率，使其在给定的循环中燃烧更多的燃料，并且因此产生更多的功率。

典型的涡轮增压器采用在废气驱动的涡轮机叶轮和空气压缩机叶轮之间传递旋转运动的中心轴。这样的轴通常由一个或多个轴承支撑，该一个或多个轴承位于废气涡轮机壳体和空气压缩机壳体之间的轴承壳体中。在废气涡轮机壳体和空气压缩机壳体之间可以使用隔热罩，以改善涡轮增压器的热管理。隔热罩通常由金属材料(例如钢)构成，其延展性和柔韧性在操作期间对隔热罩提供高的耐久性，特别是当用于车辆应用时。

技术实现要素：

一个或多个实施例提供了具有热障涂层(TBC)的涡轮增压器隔热罩。涡轮增压器隔热罩可包括前表面，该前表面具有能够接纳涡轮增压器轴的孔。TBC可以包括施加于涡轮增压器隔热罩的粘合涂层、与粘合涂层接触的界面层和与界面层接触的陶瓷面涂层。作为操作中的部分，通过粘合涂层材料的进一步氧化，可以在粘合涂层和面涂层界面上生长热生长氧化物(TGO)层。TBC可以施加于金属涡轮增压器隔热罩。金属涡轮增压器隔热罩可以包括不锈钢。TBC的粘合涂层可以包含镍、至少约4％的铝以及任选地至多约36％的铬。

在一些实施例中，一个或多个界面层和陶瓷面涂层中的一个或多个可以包括氧化铝、氧化钛、尖晶石、氧化钇稳定的氧化锆、锆酸钆及其组合。在一些实施例中，界面层和陶瓷面涂层中的一个或多个不含氧化钇稳定的氧化锆和锆酸钆。界面层可以包括来自陶瓷层的陶瓷材料和来自粘合涂层的粘合涂层材料的混合物。在一些实施例中，粘合涂层可具有至少约15μm的厚度。在一些实施例中，粘合涂层和界面层可以具有至少约50μm的组合厚度。在一些实施例中，界面层可具有至少约10μm的厚度。在一些实施例中，陶瓷面涂层可具有至少约150μm的厚度。在一些实施例中，TBC可具有至少约100μm的总厚度。

尽管本文中的许多实施例是针对用于涡轮增压器隔热罩的TBC描述的，但是本文中的实施例广泛地适用于利用隔热罩的所有热管理应用。

从示例性实施例的以下详细描述和附图，示例性实施例的其他目的、优点和创新特征将变得更加显而易见。

附图说明

图1示出了根据一个或多个实施例的具有涡轮增压器的发动机的示意性透视图；

图2示出了根据一个或多个实施例的涡轮增压器的示意性剖面图；

图3示出了根据一个或多个实施例的涡轮增压器的示意性特写剖面图。

图4A示出了根据一个或多个实施例的涡轮增压器隔热罩的透视图。

图4B示出了根据一个或多个实施例的涡轮增压器隔热罩的透视图。

图5示出了根据一个或多个实施例的热障涂层的热导率数据。

具体实施方式

这里描述了本公开的实施例。然而，应该理解的是，所公开的实施例仅仅是示例，而其他实施例可以采取多种的和替代的形式。附图并不一定是成比例的；一些特征可能被放大或最小化，以显示特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任何一个附图所示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中所示出的特征组合，以产生没有明确示出或描述的实施例。所示出的特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改对于特定的应用或实现可能是期望的。

本文提供了具有热障涂层(TBC)的涡轮增压器隔热罩，其向涡轮增压器ICE提供增强的热管理。具有TBC的隔热罩提高了发动机和涡轮增压器的效率，并可用于涡轮增压器隔热罩之外的应用。

参考附图，其中相同的附图标记在所有多个附图中对应于相同或相似的部件，图1示出了内燃发动机10。发动机10包括其中布置有多个汽缸14的汽缸体12。如图所示，发动机10还包括汽缸盖16。发动机10可以是火花点火或压缩点火设计。为了简单起见，发动机10被示出为直列四缸配置。然而，应当理解，本教导适用于任何数量的活塞-汽缸配置和各种往复式发动机构造，包括但不限于V-发动机、直列式发动机和水平对置发动机，以及顶置凸轮和缸体内凸轮配置。每个汽缸14包括配置为在其中往复运动的活塞18。燃烧室20形成在汽缸14内，汽缸14位于汽缸盖16的底面与活塞18的顶部之间。如本领域技术人员所知，燃烧室20配置为接收燃料-空气混合物，用于随后在其中燃烧。

发动机10还包括配置为在汽缸体12内旋转的曲轴22。由于燃料-空气混合物在燃烧室20中燃烧的结果，曲轴22通过活塞18旋转。空气-燃料混合物在特定的燃烧室20内燃烧之后，特定活塞18的往复运动用于从相应的汽缸14排出燃烧后气体24。发动机10还包括流体泵26。流体泵26配置为供应润滑流体28，例如发动机油。因此，流体泵26可以将润滑流体28供应到多个轴承，例如曲轴22的轴承。流体泵26可以由发动机10直接驱动，也可以由电动马达(未示出)驱动。

发动机10另外还包括进气系统30，其配置为将气流31从环境引导至汽缸14。进气系统30包括进气管道32、涡轮增压器34和进气歧管36。虽然未示出，但进气系统30还可以包括位于涡轮增压器34的上游的空气过滤器，用于从气流31中去除外来的颗粒和其他空载碎屑。进气管32配置为将气流31从环境引导到涡轮增压器34，并且涡轮增压器配置为压缩(即加压)接收的气流31，并将压缩的气流排放到进气歧管36。进气歧管36又将先前压缩的气流31分配到汽缸14，用于与一定量的燃料混合并随后燃烧所得到的燃料-空气混合物。

如图2所示，为了清楚起见以简化形式表示的涡轮增压器34包括布置在涡轮机壳体48内的涡轮机叶轮46、布置在压缩机壳体54内的压缩机叶轮52以及穿过轴承壳体62并且可操作地连接到涡轮机叶轮46和压缩机叶轮52的轴38。轴38包括第一端部40和第二端部42，并且例如可以是钢的。如图2所示，并且在图3中更详细地示出的，在轴承壳体62与涡轮机叶轮46之间的位置处围绕轴38设置有隔热罩80。隔热罩80可以在一个或多个位置处与涡轮机壳体48和轴承壳体中的一个或多个靠近或邻近。

涡轮机叶轮46靠近第一端40安装在轴38上，并且配置为通过从汽缸14排放的燃烧后废气24围绕轴线43与轴38一起旋转。涡轮机叶轮46布置在涡轮机壳体48内部，涡轮机壳体48包括蜗壳或涡管50。涡管50接收燃烧后废气24并将废气引导至涡轮机叶轮46。涡管50可被配置为实现涡轮增压器34的特定性能特征，例如效率和响应。在操作中，涡轮机叶轮46捕获来自燃烧后废气24的动能，并且涡轮机壳体48内的气体24的容积限制将热能转换为额外的动能。隔热罩80通过防止热损失并最大化热能至额外的动能的转化而提高涡轮机叶轮46的效率。涡轮增压器34可以可选地包括废气门致动器(未示出)，该废气门致动器将过量的燃烧后废气24从涡轮机叶轮46转移开，以便限制涡轮机叶轮46的旋转速度。

如图2中进一步示出的，压缩机叶轮52靠近第二端42安装在轴38上。因为轴38是涡轮机叶轮46和压缩机叶轮52共用的，所以从燃烧后废气24转移到涡轮机叶轮46的动能将旋转传递到共用的轴38，并且旋转被进一步传送到压缩机叶轮52。燃烧后废气24的可变流量和作用力影响可以由压缩机叶轮52施加到气流31的增压压力的量，并且随后影响在发动机10的整个工作范围内能够输送到汽缸14的氧的量。压缩机叶轮52布置在压缩机壳体54内，压缩机壳体54包括蜗壳或涡管56。涡管56接收气流31并将气流引导至压缩机叶轮52。涡管56可被配置为实现特定的性能特征，例如涡轮增压器34的峰值气流和效率。压缩机叶轮52配置为压缩从环境接收的气流31用于最终输送到汽缸14。在压缩机叶轮52的压缩期间，气流31的温度升高，从而损害发动机10的效率和性能。在喷射到汽缸14期间，较低的气流31温度是优选的，因为较高的氧气密度和燃料-空气的体积比增加了发动机10的容积效率。较低的气流31温度还减少或消除了预期的火花点火之前的燃料预爆炸(即“发动机爆震”)。因此，涡轮增压发动机通常包括位于压缩机壳体54和进气歧管36之间的中间冷却器(未示出)，用于在喷射到汽缸14中之前冷却压缩空气流31。隔热罩80通过在压缩之前防止或限制从涡轮机叶轮46、涡轮机壳体48和/或燃烧后废气到气流31的热传递而提高压缩机叶轮52的效率。防止或限制向气流31的热传递也减少了作用到中间冷却器上的操作负担，并且进一步提高了整个发动机10的效率。

继续参考图2和图3，轴38通过轴承系统58支撑，例如如混合轴颈轴承系统或滚珠轴承系统，用于绕轴线43旋转。轴承系统58设置在轴承壳体62的孔60内，并配置为控制轴38的径向运动和振动。如图所示，轴承系统58可以包括一个或多个轴承，例如第一轴承58-1和第二轴承58-2。虽然本文所公开的概念的范围和新颖性不限于特定类型的轴承系统，但是本文所述的隔热罩和附属涂层可以给润滑的轴承系统带来额外的益处，这将在下面进行解释。如图2和图3中所示，为了举例的目的，第一轴承58-1和第二轴承58-2通过供应润滑流体28而被润滑和冷却。润滑流体28可经由流体泵26加压并供应到轴承壳体62。轴承壳体62可由坚固的材料铸造而成，例如铁，以便在涡轮增压器34的操作期间在升高的温度和负载下为孔60提供尺寸稳定性。第一轴承58-1和第二轴承58-2可以由相对软的金属形成，例如黄铜或青铜，使得来自轴38与轴承之间，以及外壳62和轴承之间的任何接触的大部分磨损将由轴承承担。

在涡轮增压器34的操作期间，来自流体泵26的加压的润滑流体28被输送到轴承壳体62，并且被引导到轴承系统58以润滑轴承58-1、58-2，并减少轴承58-1、58-2与轴38之间，以及轴承58-2和壳体62之间的直接接触。减少这种接触延长了轴承的使用寿命，减少了涡轮增压器34中的摩擦损失，降低了噪音、振动和不平稳性(NVH)，并增强了涡轮增压器在其操作期间的响应。轴承壳体62包括用于从流体泵26供应到轴承壳体的润滑流体28的排放容积70。排放容积70是结合到轴承壳体62中的内部容器，并且可以具有铸态形状。继续参考图1，在轴承系统58的润滑和排放容积70内的油收集之后，排放通道72从轴承壳体62中移除油。同样如图1所示，排放通道72与流体泵26流体连通，以便将油从排放容积70返回到泵。供应通道74将来自流体泵26的油引导至轴承壳体62，由此在涡轮增压器34的操作期间建立通过轴承壳体的润滑油的连续循环。从涡轮机壳体48和涡轮机叶轮46浸入轴38和邻近部件(例如，轴承壳体62、轴承系统58)的热量可能不利地将温度升高到足以分解或焦化剩余的润滑液体28的温度。例如，在发动机停机之后，润滑流体28尤其容易焦化。焦化的润滑流体28可以积聚在和/或塞住轴承系统58、流体泵26和排放容积70中的一个或多个，使得随后的润滑流体28流动润滑并且冷却被抑制或阻止，并且最终降低涡轮增压器34和发动机10的性能。本文提供的隔热罩可以减少或防止润滑流体28焦化。

图4A-B示出了隔热罩80的两个实施例的透视图，这些图示用于总体上描述隔热罩80的几何形状，并且不被解释为限制。通常，隔热罩80包括具有孔85的前表面83。孔85通常相对于前表面83位于中心，尽管通常由附属涡轮增压器34部件的几何形状决定的其他位置也是可行的。孔85允许轴38穿过前表面83的平面并到达压缩机叶轮52和涡轮机叶轮46。前表面83因此从轴38径向地向外延伸。相对于轴38，前表面83的垂直、凸面和凹面取向是可行的。隔热罩80可以可选地包括次壁82和外唇缘81。次壁82可以相对于前表面83垂直或成一定角度。如图4A所示，外唇缘81可以包括完整的周向唇缘，或者可以包括一个或多个离散的凸片。图4B将外唇缘81示出为完整的周向唇缘81'以及从其径向向外延伸的多个离散凸片81”的组合。无论是单独使用还是组合使用，周向唇缘81'和一个或多个离散的凸片81”可相对于轴38以垂直、凸起或凹入的方向径向向外延伸。图4A示出了相对于轴38处于垂直取向的外唇缘81。图4B示出了相对于轴38处于垂直取向的周向唇缘81'以及相对于轴38和涡轮机叶轮46处于凹入取向的一个或多个离散的凸片81”。例如，一个或多个离散的凸片81”或外唇缘81的这种凹入取向通常可以在涡轮机壳体48和轴承壳体62中的一个或多个之间提供摩擦锁定。隔热罩80可以用作下述组合物的基板。在许多实施例中，隔热罩80是金属基板。

本文提供了包括热障涂层(TBC)的隔热罩80，其向涡轮增压器34和发动机10提供增强的热管理。增强的热管理可以包括如下中的一个或多个：涡轮增压器34的涡轮机部分(例如涡轮机叶轮46和涡轮机壳体48)增加的热量保持，传递到涡轮增压器34的压缩机部分(例如压缩机叶轮52和压缩机壳体54)的热量的减少或消除，传递到涡轮增压器34的轴承部分(例如轴承系统58和轴承壳体62)的热量的减少或消除，以及减少的涡轮增压器内的油的焦化。TBC可以应用于隔热罩的所有表面。为了节省成本、重量和/或空间，可选地，TBC可以选择性地施加到防热罩的一部分表面，例如隔热罩80的前表面86。包括TBC的隔热罩80通过限制或防止来自涡轮机壳体48的热损失来增加涡轮机叶轮46的效率。包含TBC的隔热罩80通过在压缩机叶轮52产生压缩之前防止或限制从涡轮机叶轮46、涡轮机壳体48和/或燃烧后废气到气流31的热传递而提高压缩机叶轮52的效率。防止或限制向气流31的热传递也减少了作用到中间冷却器上的操作负担，并且进一步提高了整个发动机10的效率。

TBC通常包括三层：粘合涂层、界面层和陶瓷层。粘合涂层可以直接施加到隔热罩80上。TBC可具有至少约100μm的总厚度。TBC可以具有高达约500μm或者高于500μm的总厚度。例如，TBC的厚度可以基于TBC的热导率和/或涡轮增压器34内的空间限制来确定。

隔热罩80可以包括各种材料，例如钢和不锈钢(例如308SS奥氏体)。粘合涂层是镍基金属材料，并且可以包含至少约4％的铝、至少约5％的铝、至少约6％的铝、至少约7％的铝或至少约8％的铝。除非另有说明，百分比是指重量百分比。粘合涂层可包含约4％的铝至约9％的铝，约4.5％的铝至约8.5％的铝，或者约5％的铝至约8％的铝。在具体的实施例中，粘合涂层包含约5％的铝。粘合涂层可以进一步包含铬。粘合涂层可以包含约10％的铬至约36％的铬、约15％的铬至约30％的铬、约15.5％的铬至约25.5％的铬或约15％的铬至约25％的铬。在一些实施例中，粘合涂层可包含高达约36％的铬、高达约30％的铬、高达约25.5％的铬或高达约25％的铬。粘合涂层可以进一步包含镍。粘合涂层可以包含约4％的镍至约10％的镍、约5.5％的镍至约8.5％的镍或约7％的镍。在一些实施例中，粘合涂层包含如上所述的一定量的铝、任选地如上所述的一定量的铬，并且余量包含镍。可以相对于粘合涂层的热膨胀系数，基于隔热罩80的热膨胀系数来选择隔热罩80的材料。例如，308SS具有17.3×10^-6K^-1的热膨胀系数，并且包含15％的铬、5％的铝、余量为镍的粘合涂层的热膨胀系数为18×10^-6K^-1。

例如，可以通过电子束-物理气相沉积(EB-PVD)和热喷涂工艺技术来沉积TBC。例如，可以通过高速氧燃料(HVOF)喷涂或等离子体喷涂(PS)来沉积粘合涂层。粘合涂层可以在沉积阶段期间任选地包括有机物。包含铝和铬中的一种或多种(特别是本文公开的那些)的镍基粘合涂层材料可以使用粉末或丝线原料用于喷射沉积过程。由于铝和/或铬的高焓，原料材料被注入到高温加压火焰或等离子体中，然后通过与周围大气的放热反应立即转变成熔融粒子。这些高温熔融粒子撞击基板(例如隔热罩)，并以高猝灭速率(例如10^6K/s)快速固化。通过随后与热粒子碰撞而使涂层积聚，这些热粒子允许在短时间内通过扩散而与之前沉积的层形成冶金结合。粘合涂层可以具有高抗氧化性、高粗糙度和高孔隙率(例如，约4％至约8％的孔隙率)。粘合涂层可具有至少约15μm、至少约20μm、至少约25μm或至少约30μm的厚度。粘合涂层可具有高达约150μm或者大于约150μm的厚度。

将界面层施加到粘合涂层上，最后将陶瓷层施加到界面层上。陶瓷层包含低热导率陶瓷。合适的低热导率可以定义为小于约2kWm^-1K^-1。合适的陶瓷材料可以包括氧化钇稳定的氧化锆(YSZ，例如Y2O3-ZrO2)，氧化铝(例如Al2O3)，氧化钛(例如TiO2)，锆酸钆(例如Gd2Zr2O7)和尖晶石(MgAl2O4)。特别地，陶瓷可包含氧化钛、尖晶石或氧化铝。已经发现热喷涂氧化铝固有地含有微观结构缺陷，包括孔隙、多孔性(例如层间和球状)和微裂纹，这些通常被认为是不希望的。然而，对于本文公开的应用，这种微观结构缺陷将氧化铝的热导率从约3kWm^-1K^-1降低到可接受的水平。因此，可以利用氧化铝的有利特性(例如重量)而不损害热性能。

在一些实施例中，陶瓷层中不含氧化钇稳定的氧化锆和锆酸钆。陶瓷层可以具有高的表面粗糙度。例如，陶瓷层可以具有至少约9μm的平均表面粗糙度(Ra)。附加地或可选地，陶瓷层可具有至少约50μm的平均粗糙深度(Rz)。例如，陶瓷层可以通过EB-PVD或PS沉积。合适的沉积方法是对沉积的陶瓷赋予低热导率和高应变耐受性的方法。陶瓷层可具有至少约150μm的厚度。陶瓷层可以具有高达约500μm或者大于约500μm的厚度。

界面层包括来自陶瓷层的陶瓷材料和来自粘合涂层的材料的混合物。例如，界面层可以包含约50％/50％的粘合涂层材料/陶瓷的掺合物。界面层可以包含约10％/90％至90％/10％的粘合涂层材料/陶瓷的掺合物。在其中陶瓷为YSZ、锆酸钆或尖晶石的一个实施例中，界面层可包含约40％/60％至约60％/40％粘合涂层材料/陶瓷掺合物。在一些实施例中，界面层可以包含多个不同组成的共混层。在其中界面层包含多个共混层的实施例中，每个共混层中的陶瓷材料的浓度相对于其他共混层可随着与陶瓷面涂层的接近度增加而增加。附加地或可选地，在其中界面层包含多个共混层的实施例中，每个共混层中的粘合涂层材料的浓度相对于其他共混层可随着与粘合涂层的接近度增加而增加。在一些实施例中，界面层中不含氧化钇稳定的氧化锆和锆酸钆。

在其中陶瓷是氧化铝或氧化钛的一个实施例中，界面层可以包括多个界面子部分。在具有三个界面子部分的一个实施例中，界面子部分1可以包含约90％/10％至约70％/30％的粘合涂料/陶瓷掺合物，界面子部分2可以包含约40％/60％至约60％/40％的粘合涂层材料/陶瓷掺合物，并且界面子部分3可以包含约10％/90％至约70％/30％粘合涂层材料/陶瓷掺合物。粘合涂层和陶瓷层之间较大的热膨胀差异可能需要更多的界面子部分。界面层可以至少为约10μm。界面子部分可以至少为约10μm。在一些实施例中，陶瓷层可以包含少量的粘合涂层材料，例如小于约5％的粘合涂层材料。

本文提供的涡轮增压器隔热罩TBC在各种条件(包括物理变形和热冲击)下表现出优异的粘合和隔热能力。这样的特征对于使用具有涡轮增压器隔热罩的所公开的TBC是有利的，其中以前仅使用金属隔热罩。特别地，本文提供的TBC表现出依赖于温度的热导率。特别是，随着温度的升高，TBC表现出降低的热导率。此外，陶瓷组合物同时可提供增强的隔热能力和重量减轻的优点。

示例1：

使用F4焊炬和8mm喷嘴，使用气氛等离子喷涂将TBC施加至308SS隔热罩。沉积之前的粘合涂层包括15.5-21.5％的铬、4-8％的铝、4％的有机物和余量的镍。有机物在沉积期间被消耗。工艺条件包括：进料速率＝15.0rpm～30g/min，氩气＝47.5slpm，电流＝550amps，氢气＝6.0slpm，并且间隔距离＝100mm。界面层包含粘合涂层材料和YSZ(10-75μm的粒径)的50％/50％的共混物。工艺条件包括：进料速率＝17.0rpm～30g/min，氩气＝47.5slpm，电流＝550amps，氢气＝6.0slpm，并且间隔距离＝100mm。陶瓷层包含YSZ和粘合涂层材料的95％/5％混合物。工艺条件包括：进料速率＝19.0rpm～30g/min，氩气＝47.5slpm，电流＝550amps，氢气＝6.0slpm，并且间隔距离＝100mm。

以上述条件进行两次试验。TBC的总厚度为344.39μm和338.41，平均样品Ra值为9.18μm，平均样品Rz值为51.03。样品经受住了极端的热冲击试验(在980℃下加热30分钟，随后进行水淬)，在10倍放大倍数下观察时没有任何明显的剥落或裂纹。这表明了优异的粘合性。根据ASTM B489测试规范，将隔热罩基板弯曲至90度后，没有观察到材料的剥落或分层，进一步表明了优异的粘合性。图5示出了两个TBC试验之一的热导率数据。可以看出，随着温度升高，TBC显示出降低的热导率。

虽然以上描述了示例性实施例，但是这些实施例并不意图描述权利要求所包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且应该理解，可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如之前所描述的，各个实施例的特征可以被组合以形成可能没有明确描述或示出的本发明的另外的实施例。虽然各种实施例可能已被描述为提供优点或相对于一个或多个所需特性而优于其他实施例或现有技术实施方案，但是本领域的普通技术人员认识到，一个或多个特征或特性可被折衷以实现取决于所需的具体的应用和实现的整体系统属性。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、适销性、外观，包装、尺寸、适用性、重量，可制造性、易于组装等。如此，相对于一个或多个特性被描述为不如其他实施例或现有技术实施方式合意的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可能是期望的。