至发动机汽缸孔的涂层的无损附着力测试的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及被涂覆物品的无损测试以便确定涂层至物品的附着力是否足够，并且更具体地涉及简单可靠有成本效率的方式来将这种测试作为在内燃发动机汽缸体内形成的被金属涂覆的汽缸孔的基于生产的过程的一部分来进行。
【背景技术】
[0002]暴露于严苛环境的部件(例如邻近内燃发动机燃烧部位的那些部件)将获益于将其暴露表面涂覆有保护涂层。在一种示例性形式中，铝活塞可以被涂覆有耐擦和耐磨金属涂层(通常基于铁、镍-钨、镍-钴等)或者镍-陶瓷涂层(例如包含碳化硅、氮化硅等的涂层)以便当其抵靠耐磨铝汽缸孔运转时改善其耐磨和耐擦性。这些涂层可以通过多种技术沉积，包括电镀或者无电电镀，而热喷涂涂层具体地可以被施加到汽缸孔以用于类似耐磨和耐擦性。在这样的构造中，汽缸孔上的涂层通常比活塞裙上的涂层(例如5-30微米)厚得多(例如，100至3000微米)。相关地，汽缸孔涂层通常需要后机加工或开槽(或珩磨)，而活塞涂层不需要。这两种方法都已成为内燃发动机部件的重要表面处理技术，并且被许多汽车原始设备制造商(OEM)用于这类发动机的生产版本。
[0003]已经设计了许多众所周知的附着力测试来评估在涂层和底层基体之间的结合强度。这种测试的示例包括:(1)“带”测试，其中胶带被施加到涂层并且之后正交于表面被拉离以便确定涂层是被随带拉离还是附着于基体的倾向性；(2) “弯曲”测试，其中测试样本被弯曲到预定角度(例如90度)以便观察涂层是否在弯曲部位处断裂和结合；(3) “嵌钉拉力”测试，其中使用粘结剂将涂层施加到嵌钉并且测量从基体分离涂层所需的拉应力；(4)“剪力”测试，其中被涂覆表面被粘结在一起并且向其施加剪切应力直到产生失效；(5) “微痕”测试，其中在特定载荷下使用特定工具刻痕涂层，并且产生的刻痕通过工具摩擦测量、声发射探测和显微检查来描述其特征；以及(6) “喷丸”测试，其中空气承载的玻璃珠(例如Si02、A1203或其混合物)流动以特定强度冲击被涂覆零件以便产生显示出至底侧基体的不可接受附着的分层、起泡或类似涂层缺陷。在这些当中，喷丸测试最常用于结合被涂覆部件的基于生产的制造以便评估批量生产零件(例如在组装线等上形成的零件)的重要百分比以便筛选出具有不可接受涂层附着力的零件。在这样的测试中，小珠(例如玻璃、陶瓷等)被添加到高速气体流并且冲击到被涂覆部件的表面上。
[0004]基于生产线的测试是测试统计学上大量(例如，10%或者更多)被涂覆部件的重要方式，以作为沉积参数一致地产生适度的涂层附着力的可信度测量指标。因为诸如上述汽缸孔和活塞的部件随后被包括在显著更大的(且因此更昂贵的)组件中，所以对于OEM特别关键的是降低仅在需要修理或更换组件的组件内构建了重要附加价值之后发现将不满意的部件放置到组件中的可能性。
[0005]因为其重要性，基于生产的测试包括确保其被适当地执行的大量步骤。使用喷丸测试作为示例，这样的步骤可以包括:(1)清洁要被测试的零件以便玻璃珠不被污染；(2)将零件定位在距喷珠喷嘴预定支撑距离(例如4英寸)处；(3)设定用于推进玻璃珠的空气的气体压力(例如，70 psi) ; (4)针对预定时间(例如，4秒)使得所述珠冲击要被测试的零件；(5)从被测试零件清洁玻璃珠；以及(6)回收玻璃珠以便再次使用。除其他缺点外，这种过程的缺点在于:(a)通常不理想的是在人员以及测试和制造设备所暴露的工厂环境内处理空气载带的陶瓷珠；(b)在测试之前和之后零件的预清洁和后清洁是耗时且昂贵的；以及(c)对于处理和推进玻璃珠所用的设备的磨损。
[0006]测试至活塞的涂层附着力的有效方式被公开于本发明受让人所拥有的且其全部被并入本文以供参考的美国专利5，454，260 (以下被称为‘260专利)中。尽管如此，困难的是扩展‘260专利的被涂覆活塞的涂层附着力测试以便使其可用于测试随同的汽缸壁。这在汽缸壁具有特定几何特征的情况下是特别有问题的，其中需要测试沿整个内部外周表面沉积的涂层的完整性。具体地，虽然‘260专利的喷水喷嘴和活塞能够相对于彼此线性运动(并且各个喷水孔口绕公共喷射轴线旋转)，但是没有讨论确保对汽缸壁的周边测试所需的旋转运动。事实上，在‘260专利中所用的方法使用工件(S卩，活塞)绕大体平行于(且水平偏离于)喷嘴的线性运动轴线的竖直轴线的旋转运动。适应不可旋转喷嘴的这种工件运动不适用于大型的总体非轴线对称的部件，例如铸造发动机机体。这样，需要一种有成本效率且可靠的质量保证方法来测试涂层是否良好地附着到由发动机机体内的汽缸孔形成的壁。
【发明内容】
[0007]本发明包括使得流体(在本文也被称为测试流体)冲击已经被施加到汽缸孔的涂层以便测试涂层的附着力和相关耐用性。在优选形式中，流体对汽缸孔上的涂层是无腐蚀性的。在本文中，术语“汽缸孔”被理解成扩展到衬套或相关插入件、一层涂层或者甚至母体件(即不存在涂层或衬套)的壁被用于限定孔的壁的那些发动机构造。生产型发动机机体由铝合金铸件或铁铸件制成。
[0008]具体地，本发明包括通过将具有最小可接受附着强度的涂层沉积到参考基体上来制备参考标准。一个或更多个参考流体射流从一个或更多个对应喷嘴指向参考涂层上的至少一个部位，并且射流的冲击强度改变直到获知失效强度；在本文中，这样的失效可以对应于涂层从基体脱粘。在优选形式中，通过测试具有最小可接受附着水平的样品，射流(其优选地以超音速排放流体)的冲击强度被设定成预定"失效强度"；以此方式，被证实没有刮痕、脱粘等情况的被涂覆零件被认为已经通过测试，而当被射流冲击时涂层脱粘的那些零件未通过测试。
[0009]根据本发明的一个方面，公开了被施加到内燃发动机汽缸孔的涂层的附着力测试的方法。该方法包括:制备参考被涂覆汽缸孔以便确定导致被施加到汽缸孔的涂层失效的冲击流体的强度；将该强度关联于涂层的最小可接受附着强度；并且之后使得高速流体旋转地冲击基于生产的被涂覆汽缸孔的基本整个周边。由此，获知对已经承受第二冲击强度的基于生产的被涂覆汽缸孔上的涂层的损坏指示。这样的损坏指示(其可以包括一个或更多个脱粘、层裂、点蚀和分层)之后可以被用于将那些其涂层显示出损坏指示的发动机机体分离于其涂层没有显示出损坏指示的发动机机体。重要地，通过使包含孔的发动机机体至少在高度流体冲击期间保持基本静止，避免了与机体运动有关的困难。
[0010]根据本发明的又一方面，被施加到发动机机体的至少一个汽缸孔的涂层的附着力测试的方法包括:确定来自带有限定最小可接受附着强度的涂层的参考被涂覆汽缸孔的高速测试流体的失效强度；以及使得高速流体冲击基本类似于参考被涂覆汽缸孔的基于生产的被涂覆汽缸孔的基本整个周边。通过被置于基于生产的被涂覆汽缸孔内的流体喷射喷嘴的旋转运动产生周边冲击，而孔(以及其作为一部分的发动机机体)在高速流体冲击期间保持基本静止。喷嘴被构造成递送基本类似于失效强度的流体喷射冲击强度。由此，获知对已经承受冲击强度的基于生产的被涂覆汽缸孔上的涂层的损坏指示。
[0011]根据本发明的又一方面，公开了被施加到发动机机体的至少一个汽缸孔的涂层的附着力测试的方法。该方法包括确定来自其中涂层限定最小可接受附着强度的参考被涂覆汽缸孔的高速测试流体的失效强度。此外，该方法包括使得高速流体冲击基本类似于参考被涂覆汽缸孔的基于生产的被涂覆汽缸孔的基本整个周边。通过被置于基于生产的被涂覆汽缸孔内的流体喷射喷嘴的旋转运动产生周边冲击，而孔和发动机机体在高速流体冲击期间保持基本静止。通过喷嘴递送的流体具有基本类似于失效强度的冲击强度。由此，获知对已经承受冲击强度的基于生产的被涂覆汽缸孔上的涂层的损坏指示，之后，那些涂层显示出损坏指示的发动机机体被分离于那些不显示出损坏指示的发动机机体。
[0012]本申请还提供了以下技术方案。
[0013]方案1.一种被施加到发动机机体的至少一个汽缸孔的涂层的附着力测试的方法，所述方法包括:
制备带有限定最小可接受附着强度的涂层的参考被涂覆汽缸孔；
使第一高速流体冲击所述参考的至少一部分并且改变所述第一冲击强度直到获知基本对应于对所述参考上的所述涂层的损坏的失效强度；
测量所述失效强度；以及
使第二高速流体冲击基于生产的被涂覆汽缸孔的基本整个周边，