CN105277484A - 至发动机汽缸孔的涂层的无损附着力测试 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及至发动机机体的汽缸孔的涂层的附着力测试。附着力测试流体从同时旋转的喷嘴被分配出，使得流体绕被涂覆汽缸孔限定的基本内周边冲击。参考被涂覆发动机机体的性能被用于为一个或更多个生产型发动机机体提供参数。这允许快速评估这种生产型发动机机体的大型样品。分配流体的喷嘴被构造成通过喷嘴在孔内的旋转运动同时以高压/高速流体提供对汽缸孔的完整周边的覆盖。通过使生产型发动机机体在测试期间保持静止进一步提高了测试效率。
Description
技术领域
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
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。
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SiO2、A12O3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。
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。
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。
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（即，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
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。
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。
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。
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。
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。
本申请还提供了以下技术方案。
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，通过被置于所述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所述周边冲击，所述汽缸孔在所述第二高速流体冲击期间保持基本静止，所述流体喷射喷嘴被构造成递送基本类似于所述失效强度的第二冲击强度。
方案2. 根据方案1所述的方法，还包括获得对已经承受所述第二冲击强度的所述基于生产的被涂覆汽缸孔上的涂层的损坏指示。
方案3. 根据方案2所述的方法，其中所述损坏指示选自由脱粘、层裂、点蚀和分层构成的组。
方案4. 根据方案3所述的方法，其中所述脱粘包括层片脱粘、现有裂纹引起的脱粘和空隙引起的脱粘。
方案5. 根据方案2所述的方法，还包括将其涂层显示出所述损坏指示的那些发动机机体分离于其涂层不显示出所述损坏指示的那些发动机机体。
方案6. 根据方案1所述的方法，其中所述第一高速流体和所述第二高速流体包括基本相同的构成材料。
方案7. 根据方案6所述的方法，其中一旦离开所述喷嘴，所述第一高速流体和所述第二高速流体中的至少一个被加压到至少大约10,000磅/平面英寸。
方案8. 根据方案7所述的方法，其中所述流体是液体。
方案9. 根据方案8所述的方法，其中所述流体包括水。
方案10. 根据方案9所述的方法，其中所述流体还包括抗腐蚀剂。
方案11. 根据方案7所述的方法，其中所述流体是气体。
方案12. 根据方案11所述的方法，其中所述流体选自由空气、氮及其组合构成的组。
方案13. 根据方案7所述的方法，其中所述流体还包括添加到其内的磨料介质。
方案14. 根据方案13所述的方法，其中所述磨料介质包括多个珠。
方案15. 根据方案7所述的方法，其中所述流体是干冰晶体流。
方案16. 根据方案1所述的方法，其中所述汽缸孔包括基本由铝基合金制成的材料。
方案17. 根据方案16所述的方法，其中所述涂层是选自由铁和铁合金构成的组的金属。
方案18. 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：
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；
使所述高速流体冲击基本类似于所述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，通过被置于所述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所述周边冲击，所述汽缸孔在所述高速流体冲击期间保持基本静止，所述流体喷射喷嘴被构造成递送基本类似于所述失效强度的冲击强度；并且
获知对已经承受所述冲击强度的所述基于生产的被涂覆汽缸孔上的涂层的损坏指示。
方案19. 根据方案18所述的方法，其中所述汽缸孔包括基本由铸铝合金制成的材料。
方案20. 一种被施加到发动机机体的至少一个汽缸孔的热喷涂涂层的附着力测试的方法，所述方法包括：
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；
使所述高速流体冲击基本类似于所述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，通过被置于所述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所述周边冲击，所述汽缸孔在所述高速流体冲击期间保持基本静止，所述流体喷射喷嘴被构造成递送基本类似于所述失效强度的冲击强度；
获得对已经承受所述冲击强度的所述基于生产的被涂覆汽缸孔上的涂层的损坏指示；以及
将其涂层显示出所述损坏指示的那些发动机机体分离于其涂层不显示出所述损坏指示的那些发动机机体。
方案21. 根据方案20所述的方法，其中所述汽缸孔包括基本由铸铝合金制成的材料。
附图说明
当结合附图阅读时能够最佳地理解本发明的优选实施例的下述具体描述，附图中使用同样的附图标记指代同样的结构并且其中图中的各种部件不必要成比例绘制：
图1示出根据现有技术的用于活塞涂层的基于水的线性可动测试装置的透视图；
图2示出根据本发明一方面的用于汽缸壁涂层的可旋转运动的测试装置的平面图；
图3示出沿图2的截面3-3截取的立视图；以及
图4示出图2和图3的喷嘴的细节，其包括流体沉积背离水平面的任选角度偏差；
图5A示出包括两种不同密封构造的递送高压流体的喷嘴的简化立视剖视图；以及
图5B示出沿图5A的截面5B-5B截取的平面图。
具体实施方式
首先参考图1，示出了根据现有技术的被涂覆活塞测试装置。其中，带有具有电镀保护涂层6的外表面4的活塞2承受来自喷嘴18的水的超声射流16，该喷嘴18沿着竖直轴线Y可线性运动30。活塞2被嵌套在固定物20中，该固定物20进而被安装在心轴22上以用于实现活塞2沿箭头24所示方向绕竖直轴线Y的旋转。可以借助于马达26导致喷嘴18绕水平Z轴线以高速（例如，大约1000 rpm）旋转，喷嘴18和马达26均被上下线性运动30的中空轴28承载。来自泵（未示出）的加压水穿过轴28的中空中心32被馈送到喷嘴18。通常，超声水射流16将在距活塞的竖直中心线一定偏移量处冲击到活塞2的外表面4上从而形成锐角冲击角度（通常大约45度）。高压泵能够以非常高的压力（例如，高达大约55,000 psi）提供一个（或更多个）超声水射流，以便有助于从构成喷嘴18的一个或更多个小孔口34喷射；不过喷嘴18不能够在X-Z平面绕限定其行进路径的基本竖直Y轴线旋转妨碍了对被施加涂层6的全面的外周测试。
接下来参考图2至图5A和图5B，示出了根据本发明一个方面的用于进行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装置。本发明优选地被用作总体上内燃发动机的且具体的汽缸体内形成的壁或孔的基于生产线的制造的一部分。此外，其尤其适用于基于珠的测试系统，其中（无论是玻璃、陶瓷还是相关材料的）珠作为冲击到被涂覆表面上的流体的一部分被喷射。通过使得流体喷射喷嘴（具有或不具有珠）绕由壁或孔限定的整个周边表面旋转，本发明的方法避免了在测试期间必须要使得较大（且因此更笨重）的被涂覆部件运动。而且，通过适当地密封和相关抑制流体的设计，减少或消除了从喷嘴的可能有害的高压流体泄漏。
呈发动机机体100的汽缸孔102形状的参考零件首先被使用以便确定热喷涂保护涂层106是否充分地附着到汽缸孔102的壁108以满足随后基于生产的发动机机体100版本的预期使用要求。不同于诸如图1的活塞2的外部暴露部件的测试和评估（其中分层是最显著的-且有时是唯一的-失效机制），本发明人已经观察到被热喷涂涂覆的汽缸孔102包括许多其他问题，包括层片脱粘、现有裂纹引起的脱粘以及空隙引起的脱粘以及在涂层和基体之间的脱粘（其中相应地在重叠的层片、空隙和裂纹之间的界面是以不同于基于电镀涂层的方式脱粘的开始部位）。而且，诸如被用在活塞2上的电镀涂层通常比用在汽缸孔102上的热喷涂涂层（即上述100-3000微米的变化范围）薄得多（例如，具有上述5-30微米的变化范围）。失效被定义为具有显著部分的涂层裂纹、断裂和/或从基体移除。虽然这些脱粘类型没有明显地作为被涂覆活塞2中观察到的基于分层的失效机制，不过它们对成品汽缸孔102的影响会是非常显著的。为了考虑到这些不同的失效机制，本发明的特征在于能够在汽缸孔的中间以先前附着力测试装置不可能的方式以完整的360度样式旋转喷射喷嘴110。
具体参考图4，在一种形式中，这样的旋转能够被传递到喷嘴110而不一定要旋转向喷嘴110提供加压流体112的加压轴向流体导管114的相邻端部。具体地，在喷嘴110和马达115之间的齿轮联接111建立了向喷嘴110传递旋转的必要手段。马达115将旋转运动传递到被固定到齿轮111B的附接轴116；适当的选择马达115速度或者齿轮111A和111B之间的齿轮比能够允许喷嘴头110A以所需速度旋转，该所需速度在优选形式中可以是在大约1至大约100转/每分钟（RPM）之间。本领域技术人员将意识到，能够存在提供至喷嘴110的一个零件（具体地，头110A）的选择性旋转联接而留下另一同心设置的零件（具体地，联接110H）的其他方式，并且所有这样的手段均被认为落入本发明范围内。
对应于发动机机体100的参考零件在受控条件下被制备以便提供具有可计量且足够附着力水平的所需涂层106。这个参考建立的标准之后能够被用于设定作为其将高压（例如在大约10,000 psi至55,000
psi之间）附着力测试流体（在本文也被称为测试流体或更简单地流体）112递送至壁108上的涂层106的内周边的一部分的通过其基本整个完整的360度旋转R的通过喷嘴110的附着力测试流体的强度。重要地，参考零件以与随后生产型零件基本相同的方式（并且使用基本相同的流体附着力测试装置）被定位，以便确保在两者中保持相同的边界条件和相关参数。为了提高稳固性，喷射喷嘴110能够由陶瓷、金属和复合材料的组合制成。以此方式，避免了由于密封问题造成的水压损失。具体地，用于旋转功能的高压密封设计也是重要标准。
具体参考图5A和图5B，喷嘴110由外壳（或头）110A、将流体流动方向从轴向方向变换成径向向外方向的流体通路110B、出口孔口110C（其可以如所示被形成为单独的插入件的一部分）、孔口密封110D（在孔口110C被形成为单独的插入件的构造中）和金属密封110E构成，该金属密封110E形成在头110A和联接110H之间的屏障，该联接110H配合加压轴向流体导管114从而将高压测试流体经由喷嘴110递送到被涂覆的汽缸孔102。在一种形式（未示出）中，联接110H可以被整体形成为导管114的一部分；在图4中二者均不配合于齿轮联接111A和111B，并且由此在递送流体112和涂层106的附着力测试的剩余期间保持静止。大量（例如，四个）销110J被固定在头110A内并且用作轴承表面以便允许在联接110H和头110A之间的相对旋转。由销110J提供的轴承表面允许在非旋转联接110H和齿轮驱动的旋转头110A的相面对的相邻表面之间具有足够程度的滑动接触。具体参考图5A，能够看出，齿轮111A以径向间距脱离于导管114以便强调前者的旋转不被传递到后者。
因为通过喷嘴110递送的测试流体112具有极高的压力，并且进一步因为喷嘴110需要大约旋转由被涂覆汽缸孔102的内表面限定的完整的360度弧度，所以喷嘴110的泄漏控制变成重要问题以便维持精确的测试条件。密封110E能够在高温（具体地，高达700摄氏度）下承受高达55,000 psi的压力，且同时仍允许在头110A和联接110H/导管114之间的相对旋转。这样，其为结合本发明使用的流体112的类型提供了充分的泄漏保护。当前密封110E递送高压能力的一种方式是借助其形状和材料选择，这有助于高的弹性回复性质和非常低的泄漏速率。例如，密封110E可以由镍镀钢或者镍基材料制成以实现增强的抗侵蚀性和高弹性模数。
两种不同构造可以被用于将密封110E放置在头110A和联接110H之间，包括沉孔模式110F（如中心线右侧所示）和沟槽模式110G（如中心线左侧所示）。沉孔模式110F比沟槽模式110G的制造稍简单；不过沟槽模式110G更好地保持并保护密封110E。这样，可以通过成本和压力环境考量来决定选择使用哪种模式。虽然密封110E目前被显示为是C形，不过本领域技术人员将意识到也可以使用其他密封构造（例如E形环、O形环、U形环或者电线环）。
喷嘴110可以包括单个孔口110C，或者绕头110A的外周间隔开的多个孔口。除了调节水射流压力（如上所述可以是从大约10,000 psi至大约55,000 psi）之外，喷嘴110的角度可以被竖直地调节以使其以距水平面高达大约15度的角度Ɵ冲击涂层106；这样的成角度可以通过针对每个孔口110C相对于头110A使用螺纹、摩擦配合或其他手动倾斜调节来预设定角度Ɵ从而被实现。此外（并且取决于被评估的汽缸孔108的尺寸），喷嘴110排放和流体联接的壁/孔108之间的间距是大约1至2英寸。在一种形式中，喷嘴110内限定的孔口110C具有大约0.009英寸的直径；取决于这种孔口的数量（在一种形式中高达四个）；这样的尺寸、数量和压力使得在被涂覆汽缸孔102附着力测试期间能够存在大约1.2至大约2.0加仑/分钟之间的液体流动。优选地，孔口110C的设置（其如上文所述可以是绕头110A在外周间隔开的一种形式）在喷嘴110头内保持静止，使得在头110A的运动期间它们相对于彼此保持其位置；与每个孔口110C均被制成独立运动的情况相比，这样的方法将使得系统更简单并且更不易于泄漏。这在测试热喷涂涂层106时特别重要，其中其失效机制对高速/高压测试流体112的反应不同于覆盖图1的活塞2的电镀涂层6的失效机制。
在一种形式中，从喷嘴110分配的流体112的速度可以是液体（例如水）的超声（即，大于大约1088英尺/秒）射流。此外，这样的液体可以包括抗腐蚀添加剂。在基于珠的流动被用于加强或以其他方式限定流体附着力测试装置的情况下，所述珠可以被混合在加压流体中。在另一形式（如下文更具体讨论）中，流体可以是气体介质（例如干冰等）。不管流体112的类型如何并且不管使用/不使用珠，从喷嘴110到涂层106上的被分配射流的冲击强度可以以受控方式增加直到发生涂层106的起泡或脱粘；这种强度在此被称为"失效强度"，其能够被测量以使得当在对应于发动机机体100的一个或更多个生产型零件上重复时，其提供这种零件何时是可接受的（即涂层106的附着力是适度的从而满足零件的性能要求的情况）且其何时不可接受的指示。这样，所述参考和生产零件中所用的条件尽可能接近一样。测试系统（其在一种形式中可以是被形成为用于制造发动机机体100的生产线（未示出）的一部分的台站或相关模块）能够被制成配合于生产线内的阶段门，以使其涂层由于流体112冲击而脱粘的那些零件分离于那些没有脱粘的零件；这样的被分离的不合格零件之后可以接受重复涂覆过程或者在这样的重复涂覆不可行的情况下被淘汰。
明显地，与每个涂层106和基体/孔壁108组合相关联的参数（包括材料成分、结构、厚度等）能够导致不同失效强度，并且由此将对高压流体112产生不同响应。既便如此，一旦控制失效强度开始的变量已知且能够被重复（例如通过使用可编程控制器（未示出）），则其之后能够被用作筛选在相同条件下被评估的生产型零件上的涂层的附着力的基础。
如上所述，除了纯水之外的流体112可以被用作喷射介质；这样的替代性材料可以包括基于矿物的以及半合成和合成的材料以及水基溶液。半合成和合成的流体通过在水基质中悬浮乳化油而结合了油的最佳性质和水的最佳性质。重要地，这些性质中的一个包括防锈，而另一个是增加了宽的水硬度范围的容差（本质上有助于将pH稳定性维持在大约9至10之间）。额外优点可以包括与许多金属配合的能力以及抵抗热分解并提高环境安全性。
虽然水是良好的热导体，不过其与一些含铁金属零件接触会促进生锈。这样，流体112可以是水基的不过也包括降低其腐蚀性的处理系统。这样的处理可以包括中和过滤器或者化学供给系统，后者添加碱性化学物，前者添加钙。在一种形式中，这样的处理系统可以包括填充有碳酸钙（石灰石）碎片、大理石碎片、氧化镁或者其他碱性材料的槽（未示出）。酸性中和过滤器也能够在压力槽的下游被使用。以此方式，原料水流动通过槽并且在其接触介质时，其pH增加以便弱化水对暴露于流体112的零件的腐蚀影响。重要的是注意到，这样的过程将增加水的硬度；由此，需要针对彼此权衡侵蚀控制和硬度的使用。也能够通过在压力槽之前使用化学供给泵来喷射氢氧化钠或者纯碱溶液来处理侵蚀性。这种处理系统是简单的且廉价的并且其不增加水硬度。因为该单元被安装在压力槽前，所以不存在有时使用中和过滤器会发生的水压减小。二者中，纯碱优于氢氧化钠，因为其对操作而言更安全。
矿物基流体，例如非常类似于非洗涤剂机油（例如SAE 10和20 油）的矿物油，也可以被使用，不过最好避免具有洗涤剂和其他添加剂的多重量（multi-weight）机油，因为添加剂会对黄铜和青铜存在侵蚀铜的问题，而机床通常在其轴承和螺杆螺母中具有黄铜和青铜。
而且如上所述，流体112不需要是液体。在一种形式中，干冰能够被使用，其中通过喷射过程携带液体二氧化碳（CO2）并使其膨胀从而产生雪状物质，该物质被压缩以便制造硬的干冰靶丸，之后该靶丸被允许膨胀；这进而通过足以导致至固体的相变的温度降低来实现。这些固体晶体通过外部喷嘴（未示出，不过大体类似于喷嘴110）或者以心轴直通递送方式被重新定向。之后它们通过压缩空气枪（类似于商业上可获得的喷射系统空气枪）以超声速度被推进。一旦冲击，则干冰的极冷温度（即，大约-80摄氏度）产生微小的热震动，这会破坏在涂层106和基体之间的结合并且破坏薄弱的涂层本身（其带有预先存在的空隙或裂纹、薄弱结合以及层片等）。高压空气流从表面去除污垢，同时干冰靶丸蒸发（升华）。使用干冰的附着力测试方法相对于使用砂、玻璃珠或其他磨料具有显著优点。例如，干冰避免使用会污染汽缸孔108的固体颗粒。此外，其通过不留下需要被处理的废料而减少了环境污染。这样，这两个优点均有助于减少生产停机时间和清洗。在本文中，使用干冰晶体（尽管它们本质是固体）被看作是高速流体，因为大量这种晶体在高压空气流的驱动动力下冲击到涂层106上趋向于模拟出本文描述的其他流体的分层、起泡或相关附着力破坏效果。
空气或其他气体（例如，氮）也能够被用作流体112的喷射介质。压缩空气通过管和软管从空气压缩机供应且从类似于喷嘴110的被适当构造的喷嘴被排放。以加压钢瓶供应的液体氮能够以类似方式被使用。当然，参数将需要被调整以便确保足够的流体112压力用于涂层脱粘。类似地，对喷嘴110的改型（例如使得喷嘴变窄、减少其支撑距离或者延长喷射时间）有助于产生所需的大脱粘动力以便导致去除或损坏涂层106。
汽缸孔108由适于铸造轻质发动机机体的材料制成；这样的材料在一种形式中是铁基材料，而在另一种形式中是具有适当合金成分的铝基材料，具体地铝-硅合金，例如合金319、合金356及其相应变体。适当的合金选择在如下方面是重要的，即试图匹配涂覆有保护涂层的孔或衬套的CTE有助于管理涂层的内部应力（拉伸部分）（这进而能够导致改进的附着力和相关机械特性）。重要地，因为CTE不匹配对于活塞而言与对应汽缸孔而言是不同的，所以来自一个部件的涂层附着力测量不能被扩展到另一个；这进而将影响任意“合格/不合格”附着力测试标准和参数。因此，适当地理解部件专用的涂层附着力及其最终机械特性将被看作是重要的区别特征。这样，由一个部件得出的结论不能被盲目地扩展到其他部件，即使当这样的部件处于相同操作环境下（例如活塞和活塞往复运动所抵靠的汽缸孔或衬套）也是如此。
在一种优选形式中，在不需要预清洁和后清洁被涂覆零件100的情况下执行根据本发明一方面的测试。以此方式，这有助于确定在涂层106和汽缸孔108基体之间是否存在足够附着力以使得该过程能够被用作基于生产的质量保证工具从而确定制造的部件是被接受还是被拒绝。在另一优选形式中，能够在不需要如上讨论的回收珠的情况下执行测试。也如上所述，虽然可以使用陶瓷或其他研磨珠，不过随后的发动机机体100清洗操作将变得显著更昂贵以确保不存在会以其他方式导致发动机失效的硬质颗粒污染。在又一优选形式中，冲击在被涂覆物品上的流体112避免了与汽缸孔102基体108和涂层106的化学反应以便降低腐蚀或其他有害影响的可能性。
虽然之后将结合测试在基于铸铁的缸径发动机或基于铸铝的缸径发动机（带有或不带有铁基衬套）上的金属涂层描述和示出本发明，不过将理解的是其也等同地应用到其他基体和其他涂层，并且所述过程中实现的步骤和原理可应用到广泛的材料和形状。
应该注意的是，如“优选”、“大体”和“通常”的术语在本文不被用于限制所主张发明的范围或暗示某些特征对于所主张发明的结构或功能是关键的、实质性的或甚至重要的。而是，这些术语仅旨在强调在本发明的具体实施例中可以或可以不使用的替代性或额外特征。
为了描述和定义本发明的目的，注意的是，术语“基本”和“近似”及其变体在本文被用于表示固有的不确定程度，这可以归因于任何定量比较、值、测量或其他表征。术语“基本”也在本文被用于表示定量表征可以从所陈述的参考值改变而不导致所讨论主题的基本功能变化的程度。
在已经具体地且参考特定实施例描述本发明的情况下，无论如何显而易见的是在不背离所附权利要求所限定的本发明范围的情况下可以存在改进和变型。具体地，可以想到的是，本发明的范围不必限于优选方面和示例性实施例，而是应该由所附权利要求限定。
Claims (10)
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，通过被置于所述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所述周边冲击，所述汽缸孔在所述第二高速流体冲击期间保持基本静止，所述流体喷射喷嘴被构造成递送基本类似于所述失效强度的第二冲击强度。
2. 根据权利要求1所述的方法，还包括获得对已经承受所述第二冲击强度的所述基于生产的被涂覆汽缸孔上的涂层的损坏指示。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述损坏指示选自由脱粘、层裂、点蚀和分层构成的组。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中所述脱粘包括层片脱粘、现有裂纹引起的脱粘和空隙引起的脱粘。
5. 根据权利要求2所述的方法，还包括将其涂层显示出所述损坏指示的那些发动机机体分离于其涂层不显示出所述损坏指示的那些发动机机体。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中所述第一高速流体和所述第二高速流体包括基本相同的构成材料。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中一旦离开所述喷嘴，所述第一高速流体和所述第二高速流体中的至少一个被加压到至少大约10,000磅/平面英寸。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中所述流体是液体。
9. 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：
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；
使所述高速流体冲击基本类似于所述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，通过被置于所述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所述周边冲击，所述汽缸孔在所述高速流体冲击期间保持基本静止，所述流体喷射喷嘴被构造成递送基本类似于所述失效强度的冲击强度；并且
获知对已经承受所述冲击强度的所述基于生产的被涂覆汽缸孔上的涂层的损坏指示。
10. 一种被施加到发动机机体的至少一个汽缸孔的热喷涂涂层的附着力测试的方法，所述方法包括：
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；
使所述高速流体冲击基本类似于所述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，通过被置于所述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所述周边冲击，所述汽缸孔在所述高速流体冲击期间保持基本静止，所述流体喷射喷嘴被构造成递送基本类似于所述失效强度的冲击强度；
获得对已经承受所述冲击强度的所述基于生产的被涂覆汽缸孔上的涂层的损坏指示；以及
将其涂层显示出所述损坏指示的那些发动机机体分离于其涂层不显示出所述损坏指示的那些发动机机体。
Applications Claiming Priority (2)
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| US14/335,974 US20160018315A1 (en) | 2014-07-21 | 2014-07-21 | Non-destructive adhesion testing of coating to engine cylinder bore |
| US14/335974 | 2014-07-21 |
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Application publication date: 20160127 |
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