CN107091155A - 复合热障涂层 - Google Patents

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Abstract

一种复合热障涂层(TBC)，可以施加到内燃发动机中的部件的表面。复合TBC提供低热传导性和低热容量的绝热件，其针对燃烧气体密封。复合TBC包括彼此结合的三个层，即第一(结合)层、第二(绝热)层、和第三(密封)层。绝热层设置在结合层和密封层之间。结合层结合到部件且结合到绝热层。绝热层包括中空微球体，其烧结在一起以形成提供低有效热传导性和低有效热容量的绝热件。密封层是薄膜，其配置为耐高温，设置在发动机中。密封层对气体来说是不可渗透的且提供平滑表面。

Description

复合热障涂层
技术领域
本发明一般地涉及复合热障涂层。
背景技术
内燃发动机包括多个汽缸、多个活塞、至少一个进气口、和至少一个排气口。汽缸每一个包括限定了燃烧室的表面。内燃发动机的一个或多个表面涂有热障涂层，以改善内燃发动机的热传递特点。
发明内容
一种复合热障涂层(TBC)可以施加到内燃发动机中的部件的表面。复合TBC结合到发动机的部件，以提供低热传导性和低热容量绝热件，其针对燃烧气体密封。
复合TBC包括彼此结合的三个层，即第一(结合)层、第二(绝热)层、和第三(密封)层。绝热层设置在结合层和密封层之间。结合层结合到部件且结合到绝热层。
绝热层包括中空微球体，其烧结在一起以形成绝热件，其提供低的有效热传导性和低的有效热容量。
密封层是薄膜，其配置为耐高温，设置在发动机中。密封层对气体来说是不可渗透的且提供平滑表面。
复合TBC具有低的热传导性以降低热传递损失，且具有低的热容量，使得复合TBC的表面温度遵循燃烧室中的气体温度。由此，复合TBC允许部件的表面温度随气体温度涨落。这降低了热传递损失，而不影响发动机的吸排能力且不造成爆震。进一步地，降低了进入发动机汽缸的冷却空气的加热。另外，排气温度被增加，实现更快的催化剂点燃时间并改进催化剂活性。
根据本发明的一个方面，提出一种复合热障涂层，包括：
第一层，配置为结合到基体；
第二层，结合所述第一层；
其中所述第二层包括结合在一起的多个中空微球体；和
第三层，结合所述第二层；
其中所述第三层是不可渗透的，使得第三层对第二层密封。
可选地，其中第一层配置为结合到包括金属的基体；和
其中所述多个中空微球体的每一个包括金属涂层，使得所述多个中空微球体的相邻微球体在相应涂层处结合在一起。
可选地，其中第二层包括微结构层和过渡层；
其中过渡层扩散结合到第一层且过渡层结合到微结构层。
可选地，其中第一层包括基于铜的材料、基于锌的材料和包括铜和锌的合金中的至少一种；
其中所述多个中空微球体的每一个的涂层包括基于镍的材料和基于铁的材料中的至少一种；和
其中过渡层包括基于镍的材料和基于铁的材料中的至少一种，使得过渡层扩散结合到第一层、且过渡层烧结到所述多个微球体的相邻中空微球体的涂层。
可选地，其中涂层包括基于镍的材料、基于铜的材料和包括铜和镍的合金中的至少一种。
可选地，其中第二层具有至少80％的孔隙率。
可选地，其中第二层具有至少95％的孔隙率。
可选地，其中第二层具有100微米到1毫米的厚度。
可选地，其中第二层具有100到500微米的厚度。
可选地，其中第二层具有100到300微米的厚度。
可选地，其中第一层、第二层、和第三层每一个的热膨胀特征兼承受热疲劳。
可选地，其中第三层的厚度不大于20微米。
可选地，其中第三层的厚度不大于5微米。
可选地，其中第三层包括第一屏障层和第二屏障层；
其中第一屏障层结合到第二层、且第二屏障层结合到第一屏障层，使得第一屏障层设置在第二屏障层和第二层之间。
可选地，其中第二和第三层配置为承受高达150bar的压力且配置为承受高达1100摄氏度的表面温度。
可选地，其中所述多个微球体的每一个具有不大于100μm的直径。
可选地，其中所述多个微球体的每一个具有20到100μm的直径。
可选地，其中所述多个微球体的每一个具有20到40μm的直径。
根据本发明的另一个方面，提出一种部件，包括：
基体，具有一表面；和
复合热障涂层，包括：
第一层，结合到基体的表面；
第二层，结合第一层；
其中第二层包括多个中空微球体；和
第三层，结合第二层；
其中第三层是不可渗透的，使得第三层对第二层密封。
根据本发明的再一个方面，提出一种内燃发动机，包括:
一部件，配置为经历燃烧气体，所述部件包括：
基体，具有一表面；和
复合热障涂层，包括：
第一层，结合到基体的表面；
第二层，结合第一层；
其中第二层包括多个中空微球体；和
第三层，结合第二层；
其中第三层是不可渗透的，使得第三层对第二层密封。
在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中，能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。
附图说明
图1是车辆的示意图，显示了单汽缸内燃发动机的侧视图，所述内燃发动机具有设置在多个部件上的复合热障涂层。
图2是设置在部件上的复合热障涂层的示意性截面侧视图。
图3是设置在部件上的复合热障涂层的另一实施例的示意性截面侧视图。
图4是中空微球体的示意性截面侧视图，其每一个具有第一和第二金属涂层。
图5是图4的中空微球体的示意性截面侧视图，其中第二金属涂层烧结在一起；
图6是图5的中空微球体的示意性截面侧视图，其中第一和第二金属涂层扩散结合在一起，以形成金属合金。
具体实施方式
本领域技术人员应理解例如“上”、“下”、“向上、“向下”、“顶”、“底”等是用于描述附图，而不代表对本发明范围的限制，本发明的范围通过所附权利要求限定。
参见附图，其中相同的附图标记在附图中表示相同的部件，图1显示了示例性车辆10的一部分。车辆10可以包括具有部件12的发动机13。部件12具有施加至其的本文所公开类型的复合(多层)热障涂层(TBC)14。
尽管图1的车辆10和发动机13是适用于本文公开的复合TBC 14的典型示例性应用，但是本发明的设计并不限于车辆和/或发动机应用。其中部件暴露到热量下的、静止或可动、机器或制造业方面的应用也可以得益于本发明设计的使用。为了说明的一致性，车辆10和发动机13在下文描述为示例性系统，而不限制为将复合TBC 14用于这种实施例。
图1示出了限定单个汽缸26的发动机13。然而，本领域技术人员应理解本发明还可以应用于具有多个汽缸26的发动机13的部件12。每一个汽缸26限定燃烧室30。发动机13配置为提供能量以用于推进车辆10。发动机13可以包括但不限于柴油发动机或汽油发动机。
发动机13进一步包括进气组件36和排气歧管38，其每一个与燃烧室30流体连通。发动机13包括往复运动的活塞28，其在汽缸26中可滑动地运动。
燃烧室30配置为用于燃烧空气/燃料混合物，以提供用于推进车辆10的能量。空气可以通过经过进气组件36而进入发动机13的燃烧室30，其中从进气歧管进入燃烧室30的气流由至少一个进气阀32控制。燃料喷射到燃烧室30中以与空气混合，或被进气阀(一个或多个)32引导，所述进气阀提供空气/燃料混合物。空气/燃料混合物在燃烧室30中被点燃。空气/燃料混合物的燃烧形成排气，其离开燃烧室30且被引入到排气歧管38中。更具体地，流出燃烧室30的气流(排气流)被至少一个排气阀34控制。
参考图1和2，复合TBC 14可以设置在发动机13的一个或多个部件12的面或表面上，即活塞28、进气阀32、排气阀34、排气歧管38的内壁、燃烧腔室39等。复合TBC 14结合到部件12，以形成配置为在发动机13运行期间降低热传递损失、增加效率、且增加排气温度的绝热体。复合TBC 14配置为提供低热传导性和低热容量。如此，低热传导性减少热传递损失，且低热容量意味着在温度涨落期间复合TBC 14的表面遵循气体的温度，且进入汽缸中冷却空气的加热被最小化。
参见图2，每一个部件12包括提供表面18的基体16，且复合TBC 14结合到基体16的表面18。复合TBC 14可以包括三个层，即第一(结合)层20，第二(绝热)层22，和第三(密封)层24。然而，取决于所提供的材料，应理解，在一些实施例中，TBC 14可以不包括第一结合层20，因为绝热层22的外部部分可以配置为直接结合到基体16。例如，当第一结合层20包括镍(Ni)且基体16包括铁(Fe)时，可以不需要第一层20。然而，如在下文详细描述的，复合TBC14可以包括不止三个层。
绝热层22包括多个中空微球体40，其烧结在一起以形成具有非常高的孔隙率的层。优选地，绝热层22的孔隙率至少是80％。更优选，绝热层22的孔隙率至少是95％。高孔隙率提供要被包含在其中的空气和/或气体的相应空间，由此提供具有低有效热传导性和低有效热容量的期望绝热性能。绝热层22的厚度T2为100微米(μm)到1毫米(mm)。更优选，绝热层22的厚度T2为100到500μm。更优选地，绝热层22的厚度T2为100到300μm。绝热层22配置为承受至少80bar的压力。更优选，绝热层22配置为承受至少100bar的压力。更优选地，绝热层22配置为承受至少150bar的压力。另外，对于温度，绝热层22配置为承受至少300摄氏度(℃)的表面温度。更优选，绝热层22配置为承受至少500℃的温度。更优选地，绝热层22配置为承受至少1100℃的温度。TBC 14的热容量可以配置为确保基体16表面不达到500℃以上。
中空微球体40可以包括中空聚合物、金属、玻璃、和/或陶瓷球体45。中空球体45涂有金属，例如镍或铁合金。在一个非限制性实施例中，中空微球体40包括金属，例如镍、镍合金化合物等。至少一个金属涂层44可以设置在每一个球体45的外表面上。金属涂层44可以包括镍(Ni)。金属涂层44可以经由电镀、火焰喷涂、涂漆、化学镀、汽相沉积等设置在微球体40的外表面上。应理解，在被金属涂层的微球体的结合或烧结期间，对于包括聚合物、金属和玻璃(其具有的熔化温度小于金属涂层44熔化温度)的中空球体45，中空微球体45可以熔化或者碎裂以成为金属涂层44本身的一部分，或熔化且转变为中空微球体40中的一块材料。然而，在中空球体45的熔化温度大于金属涂层44的材料熔化温度时，例如在中空球体45用陶瓷材料形成时，中空球体45保持完整且不碎裂或被吸收。金属涂层44可以包括镍、铁等。中空微球体40可以具有5到100μm的直径D1。更优选，微球体40可以具有20到100μm的直径D1。更优选地，微球体40可以具有20-40μm的直径D1。应理解，微球体不是必须具有相同直径，因为不同直径的混合可以配置为提供期望的开孔孔隙率，即封装密度，以为绝热层提供期望量的强度。多个中空微球体40可以在压力下、以烧结温度模制或烧结，并经过一模制时间，直到在相邻中空微球体40的涂层44之间形成结合，从而形成绝热层22。烧结温度可以接近金属涂层44的熔化温度。然而，在中空球体45包括陶瓷材料的情况下，烧结温度不低于经金属涂层的球体45的熔化温度。
在另一实施例中，如图4-6所示，绝热层22可以由中空微球体40形成，所述中空微球体40最初包括两个金属涂层44A、44B。首先参见图4，中空微球体40最初包括第一(内)金属涂层44A，其被第二(外)金属涂层44B涂覆。内金属涂层44A包括镍(Ni)，其随后涂有包括铜(Cu或Cu-Zn)的外金属涂层44B。Cu或Cu-Zn的外金属涂层44B经由电镀、火焰喷涂、涂漆、化学镀、汽相沉积等而被施加到内金属涂层44A，以形成外金属涂层44B。外金属涂层44B的厚度应该比内金属涂层44A的厚度薄。进一步地，外金属涂层44B的金属(即Cu或Cu-Zn)材料的重量可以不比内金属涂层44A的金属(即Ni)重量大太多。如此，第二金属涂层44B的Cu材料的重量不比内金属涂层44A的Ni的重量大太多。优选地，对于最大温度来说，外金属涂层44B的Cu材料的重量小于内金属涂层44A的重量。重要的是维持低量的Cu，因为太多Cu将降低所形成的合金材料的熔化温度。
参考图2和3，经涂层的微球体40布置在期望层中，具有期望厚度T2。参见图5，微球体40被加热到大约等于或高于外金属涂层44B的熔化温度的温度。如此，温度足以使得第二涂层熔融或熔化。接下来，参见图6，温度降低到低于固相线(solidus)。温度保持低于固相线一段时间，但是处于足够温度，使得在外金属涂层44B的铜(Cu或Cu-Zn)和第一金属涂层44A的镍(Ni)之间发生扩散。如此，相应内和外金属涂层44A、44B之间发生固态扩散，以形成合金金属涂层44C。由此，所形成的绝热层22包括围绕中空微球体40的镍-铜(Ni-Cu或Ni-Cu-Zn)合金层44C。在内和外金属涂层44A、44B之间发生的扩散是施加到微球体40的温度和时间的函数。另外，扩散结合可以在增加的压力下实现，以便让每一个微球体中的压力与大气等同。
另外，当中空微球体40用陶瓷形成，且被加热以促进相邻微球体40之间的结合时，内金属涂层44A沉积于其上的球体45可以熔化。在中空球体45用聚合物、金属和玻璃形成的情况下，中空球体45可以根据中空球体45的材料性能和施加到微球体40的烧结温度而熔化。因此，在发生中空球体45的熔化时，内金属涂层44A不再是“涂层”，而相反将成为微球体40的内壁46。
参考图2，结合层20配置为结合到基体16的表面18和绝热层22，使得绝热层22附接到基体16。在一个非限制性实施例中，结合层20配置为扩散进入基体16的表面18且进入绝热层22，以在它们之间形成结合。在一个非限制性实施例中，基体16包括铝，绝热层22包括经镍涂层的微球体40，且结合层20包括黄铜，即铜-锌(Cu-ZN)合金材料。Cu-Zn含量被确定为形成适宜的结合强度、适宜的热膨胀特点、热处理过程、抗疲劳性等。铜和锌在铝、镍和铁中具有良好的固体溶解度，而铁和镍在铝中具有非常低的固体溶解度。由此，具有铜和锌组合的结合层20提供中间结构层，其促进相邻的铝基体16和相邻的镍或铁绝热层22之间的扩散结合。但是，应理解，基体16、绝热层22、和结合层20不被限制为铝、镍和黄铜，而是可以包括其他材料。
结合层20的一侧可以跨过基体16的表面18设置，使得结合层20设置在基体16和绝热层22之间。挤压力可以以结合温度施加到绝热层22和基体16，并经过至少最小施加时间。结合层20的材料的熔化温度小于基体16和绝热层22材料每一个的熔化温度。在另一实施例中，结合层20的材料的熔化温度在基体16和绝热层22的材料每一个的熔化温度之间。进一步地，所需的结合温度可以小于绝热层22的材料和基体16的材料的熔化温度，但仍足够高以促进基体16的金属材料和结合层20的金属材料之间以及基体16的金属材料和绝热层22的金属材料之间发生扩散结合。
参考图2，应理解结合层20可以在将结合层20结合到基体16的表面18之前结合到绝热层22的内表面。
另外，结合层20并不限于通过固态扩散结合到基体16的表面18和/或绝热层22，因为还可以使用其他粘接方法，例如通过浸润(wetting)、钎焊及其组合。
现在参见图3，绝热层22可以包括多于一个的层。更具体地，绝热层22可以包括微结构层22A和过渡层22B。微结构层22A是包括如上所述的结合在一起的多个中空微球体40的层。过渡层22B可以包括镍或铁。更具体地，过渡层22B的金属材料和用于微结构层22A的微球体40的涂层是相同的，以促进层22A、22B之间的结合。如此，在微结构层22A和过渡层22B被加热到足以将微球体层(即绝热层22)烧结到金属材料(即镍，铁，等)的过渡层22B的温度时，在微结构层22A的周边上的微球体40结合到过渡层22B。微结构层22A形成为具有100μm到1mm的厚度T2。更优选，微结构层22A的厚度T2为100到500μm。更优选地，微结构层22A的厚度T2为100到300μm。微结构层22A配置为承受至少150bar的压力且承受1100℃的表面温度。
过渡层22B在接触点46处结合到各微球体40的涂层44。过渡层22B为微球体层22A提供支撑结构或主干，由此为绝热层22赋予强度和刚度。如此，绝热层22的强度和刚度是过渡层22B的厚度的函数。另外，过渡层22B结合到与微结构层22A相对的结合层20，使得结合层20设置在基体16和绝热层22的过渡层22B之间。如此，过渡层22B设置为与结合层20成面对接触关系。在将热量施加到过渡层和结合层并经过足够量的时间时，在结合层20和基体16之间以及在结合层20和绝热层22的过渡层22B之间发生金属扩散。与不使用过渡层22B时相比，过渡层22B为结合层20提供更大表面面积的接触、用于促进更大面积的扩散结合，且微结构层22A的微球体40直接扩散结合到结合层20(如如图2所示)。
应理解，可以施加期望数量的结合层20，提供期望特点，只要结合层20连结到绝热层22和基体16即可。
再次参见图2，密封层24设置在绝热层22上方，使得绝热层22设置在密封层24和结合层20之间。密封层24为高温薄膜。更具体地，密封层24包括配置为承受至少1100℃温度的材料。密封层24配置为薄层，即具有不大于20μm的厚度T3。更优选，密封层24配置为具有不大于5μm的厚度T3。密封层24对燃烧气体来说是不可透过的，使得在密封层24和绝热层22之间提供密封。这种密封防止来自燃烧气体的碎屑(例如未燃烧的碳氢化合物、煤烟、部分反应的燃料、液体燃料等)进入通过中空微球体40限定的多孔结构。如果这种碎屑被允许进入多孔结构，则在多孔结构中的空气将最终被碎屑取代，且绝热层22的绝热性能将减小或消失。
密封层24可以配置为提供平滑的外表面42。具有平滑密封层24是重要的，以防止在空气流过密封层24的外表面42时形成湍流气流。进一步地，让密封层24具有平滑表面可防止增加的热传递系数。在一个非限制性的例子中，密封层24可以经由电镀或汽相沉积施加到绝热层22。在另一非限制性例子中，密封层24可以在烧结绝热层22的同时施加到绝热层22。
密封层24配置为具有足够的弹性，以便在暴露至燃烧气体、热疲劳或碎屑期间抵抗压裂或破碎。进一步地，密封层24配置为具有足够弹性，以便承受下层绝热层22的膨胀和/或收缩。
再次参见图3，密封层24可以包括多于一个的层。更具体地，密封层24可以包括第一屏障层24A和第二屏障层24B。第一屏障层24A可以设置在绝热层22上，且第二屏障层22B可以设置在第一屏障层24A上，使得第一屏障层24A设置在第二屏障层24B和绝热层22之间。第二屏障层24B可以配置为提供平滑的外表面42。第一屏障层24A和第二屏障层24B可以在彼此上成层，以提供期望性能，例如耐超高温性能、耐蚀性。在一个非限制性的例子中，第二屏障层24B提供耐蚀性和耐超高温性能，而第一屏障层24A提供对下层绝热层22的密封性，以防止碎屑进入下层绝热层22的微球体40之间限定的空间。应理解，可以施加期望数量的密封层24，提供期望特点，只要密封层24对下层绝热层22密封、防止碎屑或气体进入微球体40之间限定的开发空间即可。另外，不管部件的屏障层的数量如何，密封层24的厚度T3优选不大于20μm。更优选地，密封层24的厚度T3配置为厚度T3不大于5μm。
进一步地，结合层、绝热层和密封层20、22、24每一个配置为具有兼容的热膨胀特征系数，以承受热疲劳。
应理解，复合TBC 14可以施加到内燃发动机内的部件之外的部件。更具体地，复合TBC 14可以施加到宇宙飞船、火箭、注射模具等的部件。
尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年2月17日提交的美国临时专利申请No.62/296,354、2016年3月24日提交的美国临时专利申请62/312,882的优先权，其通过引用全部合并于此。

Claims (10)

1.一种复合热障涂层，包括：
第一层，配置为结合到基体；
第二层，结合所述第一层；
其中所述第二层包括结合在一起的多个中空微球体；和
第三层，结合所述第二层；
其中所述第三层是不可渗透的，使得第三层对第二层密封。
2.如权利要求1所述的复合热障涂层，其中第一层配置为结合到包括金属的基体；和
其中所述多个中空微球体的每一个包括金属涂层，使得所述多个中空微球体的相邻微球体在相应涂层处结合在一起。
3.如权利要求2所述的复合热障涂层，其中第二层包括微结构层和过渡层；
其中过渡层扩散结合到第一层且过渡层结合到微结构层。
4.如权利要求3所述的复合热障涂层，其中第一层包括基于铜的材料、基于锌的材料和包括铜和锌的合金中的至少一种；
其中所述多个中空微球体的每一个的涂层包括基于镍的材料和基于铁的材料中的至少一种；和
其中过渡层包括基于镍的材料和基于铁的材料中的至少一种，使得过渡层扩散结合到第一层、且过渡层烧结到所述多个微球体的相邻中空微球体的涂层。
5.如权利要求2所述的复合热障涂层，其中涂层包括基于镍的材料、基于铜的材料和包括铜和镍的合金中的至少一种。
6.如权利要求1所述的复合热障涂层，其中第二层具有至少80％的孔隙率。
7.如权利要求6所述的复合热障涂层，其中第二层具有至少95％的孔隙率。
8.如权利要求1所述的复合热障涂层，其中第三层的厚度不大于20微米。
9.如权利要求8所述的复合热障涂层，其中第三层的厚度不大于5微米。
10.如权利要求9所述的复合热障涂层，其中第三层包括第一屏障层和第二屏障层；
其中第一屏障层结合到第二层、且第二屏障层结合到第一屏障层，使得第一屏障层设置在第二屏障层和第二层之间。
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