具有熱障涂層的汽缸襯墊的制作方法
【專利摘要】一種汽缸襯墊包括由金屬材料構(gòu)成的本體，該本體圍繞中心軸周向延伸并且具有背對中心軸的外表面。包括隔熱材料的熱障涂層被應(yīng)用于外表面上，所述隔熱材料具有不超過5W/(m·K)的熱導(dǎo)率。通過例如超音速火焰（HVOF）噴涂，等離子噴涂或爆炸噴涂將熱障涂層以100-1000m/s的速度熱應(yīng)用到外表面上。
【專利說明】具有熱障涂層的汽缸襯墊
相關(guān)申請的交叉引用
[0001]本申請要求2011年9月7日提交的第61/531，804號美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用并入此處。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及汽缸襯墊，更具體地說，涉及覆有涂層的汽缸襯墊及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0003]內(nèi)燃機(jī)的汽缸通常包括套筒或襯墊，套筒或襯墊具有圍繞圓柱形區(qū)域的外表面和內(nèi)表面。汽缸襯墊包括本體，本體可以與發(fā)動機(jī)缸體配合以形成汽缸。汽缸襯墊的內(nèi)表面朝向活塞，并且在燃燒循環(huán)和內(nèi)燃機(jī)操作過程中，為活塞環(huán)提供界面或滑動表面。因此，汽缸襯墊的本體通常由硬質(zhì)耐磨材料構(gòu)成。汽缸襯墊還優(yōu)選由能夠承受燃燒循環(huán)中出現(xiàn)的極端條件(包括高溫和高壓)的材料構(gòu)成。汽缸襯墊的外表面上設(shè)有隔熱涂層，以改善內(nèi)燃機(jī)的熱效率。Thorpe等的美國專利4，921，734公開了一種帶有隔熱涂層以改善熱效率的汽缸襯墊的例子。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的一個方面提供一種汽缸襯墊，其包括由金屬材料構(gòu)成的本體，該本體圍繞中心軸周向延伸且在相對端之間縱向延伸。該本體包括背對所述中心軸的外表面。包括隔熱材料的熱障涂層被應(yīng)用于所述外表面上，所述隔熱材料具有不超過4W/(m.K)的熱導(dǎo)率。熱障涂層被通過包括如下步驟的工藝應(yīng)用于外表面上:加熱隔熱材料的多個粉末顆粒以使隔熱材料熔化，所述粉末顆粒具有-140+10 μ m的標(biāo)稱粒徑，以及將熔化的隔熱材料以100-1000m/s的速度輸送到汽缸襯墊的外表面上。
[0005]本發(fā)明的另一方面提供一種制造汽缸襯墊的方法。該方法包括:提供圍繞中心軸周向延伸的本體，所述本體包括背對中心軸的外表面；加熱隔熱材料的多個粉末顆粒以使隔熱材料的粉末顆粒熔化，所述粉末顆粒具有-140+10 μ m的標(biāo)稱粒徑，以及將熔化的隔熱材料以100-1000m/S的速度輸送到汽缸襯墊的外表面上從而在外表面上形成熱障涂層。
[0006]本發(fā)明的隔熱汽缸襯墊提供更好的隔熱，并且根據(jù)比現(xiàn)有技術(shù)的隔熱汽缸襯墊更有效的方法制造。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]結(jié)合下列具體描述以及附圖進(jìn)行考慮，本發(fā)明的其它特點(diǎn)將會更加容易理解，其中:
[0008]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的汽缸襯墊的立體圖；
[0009]圖2是圖1的汽缸襯墊的一部分的剖視圖；
[0010]圖3示出通過超音速火焰(HVOF)噴涂將隔熱材料應(yīng)用到汽缸襯墊的外表面上；[0011]圖4示出通過等離子噴涂將隔熱材料應(yīng)用到汽缸襯墊的外表面上；以及
[0012]圖5示出通過爆炸噴涂將隔熱材料應(yīng)用到汽缸襯墊的外表面上。
【具體實(shí)施方式】
[0013]本發(fā)明的一個方面提供汽缸襯墊20，以便設(shè)置在汽缸體中并容納內(nèi)燃機(jī)活塞。通過例如超音速火焰(HVOF)噴涂，等離子噴涂或爆炸噴涂將由至少一種隔熱材料構(gòu)成的熱障涂層22以至少100m/s的速度應(yīng)用于汽缸襯墊20上。優(yōu)選將連接層34應(yīng)用于汽缸襯墊20以促進(jìn)熱障涂層22的粘合。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的隔熱汽缸襯墊20具有改進(jìn)的隔熱性。
[0014]如圖1和圖2所示，汽缸襯墊20包括由金屬材料構(gòu)成的本體24，本體24圍繞中心軸A周向延伸且在相對端26之間縱向延伸。本體24包括面對中心軸A的內(nèi)表面28，以及與內(nèi)表面28朝向相反并且背對中心軸A的外表面30。內(nèi)表面28具有圓柱形的開口。開口量使得汽缸襯墊20能夠容納活塞，以便在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過程中，活塞能夠在汽缸襯墊20中往復(fù)運(yùn)動并且沿著內(nèi)表面28滑動。
[0015]汽缸襯墊20的外表面30具有直徑D，直徑D延伸越過開口并且穿過中心軸A。在一個實(shí)施例中，直徑D為50cm-200cm。外表面30還具有在相對端26之間連續(xù)延伸的表面區(qū)域。
[0016]構(gòu)成本體24的金屬材料優(yōu)選具有至少20HRC的硬度以及40-50W/ (m.K)的熱導(dǎo)率。該材料能夠承受典型燃燒循環(huán)過程中的極端條件。根據(jù)一個實(shí)施例，該金屬材料包括鋼合金。
[0017]由隔熱材料構(gòu)成的熱障涂層22被應(yīng)用于本體24的外表面30上，并且優(yōu)選覆蓋整個外表面30，圍繞中心軸A在相對端26之間在整個表面區(qū)域上連續(xù)延伸。熱障涂層22具有0.4-4W/ (m.K)，優(yōu)選不超過2W/ `(m.K)的總熱導(dǎo)率。熱障涂層22還具有5-30%的孔隙率。熱障涂層22包括至少一層隔熱材料32，也可以包括多個層32。如圖2所示，熱障涂層22具有垂直于外表面30延伸的厚度t，該厚度優(yōu)選為100-5000微米。
[0018]熱障涂層22的隔熱材料分別具有不超過5W/(m -K)的熱導(dǎo)率。熱障涂層22可以完全由隔熱材料構(gòu)成，或者除了至少一種隔熱材料還包括其它材料。在一個實(shí)施例中，隔熱材料包括陶瓷或金屬，例如氧化鋁，鎳基合金，或不銹鋼。
[0019]在一個優(yōu)選實(shí)施例中，熱障涂層22的一個或多個層32包括，以熱障涂層22的重量百分?jǐn)?shù)計的，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，熱障涂層22包括分別具有不同組成的多個層32。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，熱障涂層22的一個或多個層32包括，以熱障涂層22的重量百分?jǐn)?shù)計的，7.0-9.0%的Y2O3 ;多達(dá)0.7%的SiO2 ;多達(dá)0.2%的TiO2 ;多達(dá)0.2%的Al2O3 ;多達(dá)0.2%的Fe2O3 ；以及余量的ZrO2?？捎糜跇?gòu)成一個或多個層32的其它示例組成包括: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]通過例如超音速火焰(HVOF)噴涂，等離子噴涂或爆炸噴涂，將熱障涂層22以至少100m/s的速度熱應(yīng)用于汽缸襯墊20的外表面30上。將熱障涂層22應(yīng)用于外表面30的工藝首先包括提供隔熱材料的多個粉末顆粒。其中每個粉末顆粒具有-140+10 μ m的標(biāo)稱粒徑，也就是說所有粉末顆粒都能穿過帶有140 μ m開口的篩子，但是所有粉末顆粒都不能穿過帶有10 μ m開口的篩子。接下來，該方法包括將隔熱材料的粉末顆粒加熱到2500-3000°C以使隔熱材料熔化，然后將熔化的隔熱材料粉末以100-1000m/S或者大于1000m/S的速度輸送到汽缸襯墊20的外表面30上。
[0021]在一個優(yōu)選實(shí)施例中，通過指向外表面30的HVOF噴涂將熱障涂層22應(yīng)用于汽缸襯墊20上，如圖3所示。該工藝包括將氣體或液體形式的燃料氧氣混合物36持續(xù)供給或泵入腔38中?；旌衔镌谇恢斜怀掷m(xù)加熱和點(diǎn)燃。然后，將點(diǎn)燃的混合物以240-900KPa的壓力和很高的速度送入噴嘴40中并且以流的形式穿過噴嘴40。隔熱材料的粉末顆粒42和運(yùn)載氣體被注入噴嘴中的流中，并且在與點(diǎn)燃的氧氣流接觸時熔化。通過穿過噴嘴40的出口的噴涂將高速流中的熔化、加壓且加熱的粉末顆粒42輸送到汽缸襯墊20的外表面30上。噴嘴40被管體44包圍，氣隙和冷卻水46位于管體44和噴嘴40之間。將熔化的粉末顆粒42以600-800m/s，優(yōu)選大于1000m/s的速度從噴嘴輸送到汽缸襯墊20的外表面30上以形成熱障涂層22。
[0022]在另一優(yōu)選實(shí)施例中，通過指向外表面30的等離子噴涂將熱障涂層22應(yīng)用于汽缸襯墊20上，如圖4所示。該工藝首先包括由等離子噴槍43提供等離子流48，其中，等離子流48由溫度為10000-15000K的氣體構(gòu)成。等離子流48由一對噴嘴(陽極)50和一個電極(陰極)52提供。高強(qiáng)度電弧54在一個噴嘴50和電極52之間形成。構(gòu)成等離子流48的等離子氣體包括氬氣，氫氣，氮?dú)夂秃庵械囊环N或多種。噴嘴50和電極52都包含冷卻水56。通過粉末顆粒42隨著運(yùn)載氣體注入等離子流48，隔熱材料的粉末顆粒42被熔化。一旦與等離子流48接觸，熔化的粉末顆粒42轉(zhuǎn)變成隔熱材料的液滴。然后，等離子噴霧將液滴以100-300m/s的速度輸送到汽缸襯墊20的外表面30上。
[0023]在又一實(shí)施例中，通過指向外表面30的爆炸噴槍58將熱障涂層22應(yīng)用于汽缸襯墊20上，如圖5所示。該工藝包括將燃料60，氮?dú)?2和氧氣64的混合物輸送到爆炸噴槍58的槍管68中。隔熱材料的粉末顆粒42被熔化且隨著燃料氧氣混合物送入槍管68中。然后，混合物被火花塞70點(diǎn)燃以將熔化的隔熱材料顆粒42推出槍管68并且以600-900m/s的速度推到外表面30上。`
[0024]根據(jù)一個優(yōu)選實(shí)施例，如圖2所不,連接層34設(shè)置在本體24的外表面30和熱障涂層22之間以改善熱障涂層22和外表面30之間的粘合。連接層34也可以例如通過超音速火焰(HVOF)噴涂，等離子噴涂，或爆炸噴涂以至少100m/S的速度熱應(yīng)用于汽缸襯墊20的外表面30上。
[0025]連接層34通常包括鉻，鋁和釔。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，連接層34由MCrAH構(gòu)成，其中M為Co，Ni, Fe,或Co和Ni的混合物。連接層34的示例組成包括NiCrAlY，CoCrAlY,NiCrAlY 以及 CoNiCrAH。
[0026]熱障涂層22通過將能量(尤其是熱量)保持在汽缸襯墊20的中心開口中，從而使汽缸襯墊20隔熱。熱障涂層22阻止熱量從汽缸襯墊20的圓柱形開口中散失，熱量散失通常因圍繞汽缸襯墊20的冷卻系統(tǒng)而增強(qiáng)。保持在汽缸襯墊20內(nèi)部的圓柱形開口中的熱量是可用于改善發(fā)動機(jī)運(yùn)行效率的附加能源。在一個實(shí)施例中，隔熱的汽缸襯墊20使得從圓柱形開口中流向內(nèi)燃機(jī)周圍水套中的熱量最小化。本發(fā)明的隔熱汽缸襯墊20可以改善內(nèi)燃機(jī)的熱效率。
[0027]顯然，根據(jù)上述教導(dǎo)，本發(fā)明的各種修改和變化都是可能的，并且在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)，本 發(fā)明也可通過除了具體描述以外的方式實(shí)現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種汽缸襯墊，其特征在于，包括: 由金屬材料構(gòu)成的本體，所述本體圍繞中心軸周向延伸且在相對端之間縱向延伸， 所述本體包括背對所述中心軸的外表面， 包括隔熱材料的熱障涂層，所述熱障涂層應(yīng)用于所述本體的所述外表面， 所述隔熱材料具有不超過5W/(m.K)的熱導(dǎo)率， 所述熱障涂層通過包括如下步驟的工藝應(yīng)用于所述外表面: 加熱所述隔熱材料的多個粉末顆粒以使所述隔熱材料熔化，所述粉末顆粒具有-140+10 μ m的標(biāo)稱粒徑，以及 將所述熔化的隔熱材料以lOO-lOOOm/s的速度輸送到所述汽缸襯墊的所述外表面上。
2.如權(quán)利要求1所述的汽缸襯墊，其特征在于，所述熱障涂層包括多個層，其中至少一個所述層包括至少70.0wt%的ZrO2。
3.如權(quán)利要求2所述的汽缸襯墊，其特征在于，至少一個所述層包括以該層的重量百分比計的8.0wt%的Y2O3和余量的Zr02。
4.如權(quán)利要求1所述的汽缸襯墊，其特征在于，輸送步驟包括將所述隔熱材料噴涂到所述汽缸襯墊的所述外表面上。
5.如權(quán)利要求1所述的汽缸襯墊，其特征在于，加熱步驟包括將所述粉末顆粒加熱到2500-3000 O。
6.如權(quán)利要求1所述的汽缸襯墊，其特征在于，所述外表面具有圍繞所述中心軸在所述相對端之間連續(xù)延伸的表面區(qū)域，并且所述熱障涂層覆蓋所述表面區(qū)域。
7.如權(quán)利要求1所述的汽缸襯墊，其特征在于，將所述熱障涂層應(yīng)用于所述外表面的工藝包括超音速火焰(HVOF)噴涂。
8.如權(quán)利要求7所述的汽缸襯墊，其特征在于，所述工藝進(jìn)一步包括如下步驟: 在腔中持續(xù)燃燒燃料氧氣混合物， 輸送所述點(diǎn)燃的混合物的流通過噴嘴， 將熔化的粉末顆粒注入所述流，以及 輸送步驟包括將包括所述熔化的粉末顆粒的所述流以600-1000m/s的速度通過所述噴嘴的出口噴涂到所述汽缸襯墊的所述外表面上。
9.如權(quán)利要求1所述的汽缸襯墊，其特征在于，將所述熱障涂層應(yīng)用于所述外表面的工藝包括等離子噴涂。
10.如權(quán)利要求9所述的汽缸襯墊，其特征在于，所述工藝進(jìn)一步包括如下步驟: 由等離子噴槍噴射等離子流， 所述等離子流由溫度為10000-15000K的氣體構(gòu)成， 將所述熔化的粉末顆粒注入所述等離子流以形成所述隔熱材料的多個液滴，以及輸送步驟包括將包括所述熔化的隔熱材料的液滴的所述等離子流以100-300m/s的速度噴涂到所述汽缸襯墊的所述外表面上。
11.如權(quán)利要求1所述的汽缸襯墊，其特征在于，將所述熱障涂層應(yīng)用于所述外表面的工藝包括爆炸噴涂。
12.如權(quán)利要求11所述的汽缸襯墊，其特征在于，所述工藝進(jìn)一步包括如下步驟: 將燃料氧氣混合物輸送到爆炸噴槍的槍管中，使所述熔化的絕緣材料的粉末顆粒隨著所述燃料氧氣混合物輸送到所述槍管中，以及輸送步驟包括點(diǎn)燃所述燃料氧氣混合物以將所述熔化的隔熱材料以550-900m/s的速度通過所述槍管的出口推送到所述汽缸襯墊的所述外表面上。
13.一種制造汽缸襯墊的方法，其特征在于，包括如下步驟: 提供圍繞中心軸周向延伸的本體，所述本體包括背對所述中心軸的外表面， 加熱隔熱材料的多個粉末顆粒以使隔熱材料熔化，所述粉末顆粒具有-140+10μπ!的標(biāo)稱粒徑，以及 將熔化的隔熱材料以lOO-lOOOm/s的速度輸送到汽缸襯墊的外表面上從而在外表面上形成熱障涂層。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，輸送步驟包括用隔熱材料覆蓋外表面。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括如下步驟: 在腔中持續(xù)燃燒燃料氧氣混合物， 輸送點(diǎn)燃的混合物的流通過噴嘴， 加熱步驟包括將熔化的粉末顆粒注入流中，以及 輸送步驟包括將流和熔化的隔熱材料以600-1000m/s的速度通過噴嘴的出口噴涂到汽缸襯墊的外表面上。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括如下步驟:` 由等離子噴槍提供溫度為10000-15000K的氣體和液體構(gòu)成的等離子流， 加熱步驟包括將隔熱材料的粉末顆粒注入等離子流以使隔熱材料熔化并形成隔熱材料的液滴，以及 輸送步驟包括將包括隔熱材料的液滴的等離子流以100-300m/s的速度噴涂到汽缸襯墊的外表面上。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括如下步驟: 將燃料氧氣混合物輸送到爆炸噴槍的槍管中， 加熱步驟包括使絕緣材料的粉末顆粒隨著燃料氧氣混合物輸送到槍管中，以及輸送步驟包括點(diǎn)燃燃料氧氣混合物以將熔化的隔熱材料以500-900m/s的速度通過槍管的出口推送到外表面上。
【文檔編號】C23C4/12GK103890220SQ201280050957
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月7日
【發(fā)明者】羅伯特·魯文·阿哈羅諾夫 申請人:費(fèi)德羅-莫格爾公司