CN107178430B - 具有可变涂层的汽缸孔 - Google Patents

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Abstract

公开一种具有可变涂层的汽缸孔。公开了发动机缸体及其形成方法。所述发动机缸体可以包括主体，所述主体包括具有纵向轴线的至少一个圆柱形发动机缸孔壁，并且包括沿着所述纵向轴线延伸并具有涂层厚度的涂层。所述涂层可具有中间区域、第一端部区域和第二端部区域，并且多个孔隙可分散在涂层厚度以内。中间区域可与所述端部区域中的一者或两者具有不同的平均孔隙率。所述方法可包括：将第一孔隙率涂层喷涂到缸孔的中间纵向区域中；将第二孔隙率涂层喷涂到缸孔的一个或更多个端部区域中。第一孔隙率可大于第二孔隙率，并且可在所述喷涂步骤期间形成所述第一孔隙率和所述第二孔隙率。所述孔隙可以作为润滑剂孔。

Description

具有可变涂层的汽缸孔
关于联邦资助的研究或开发的声明
本发明是根据能源部授予的合作协议DE-EE0006901在政府支持下完成的。政府对本发明享有某些权利。
技术领域
本公开涉及具有可变涂层(例如，可变孔隙率)的汽缸孔。
背景技术
发动机缸体(汽缸体)可以包括容纳内燃发动机的活塞的一个或更多个汽缸孔。发动机缸体可以例如由铸铁或铝铸造而成。铝比铸铁轻，并且可以被选择以减轻车辆的重量并提高燃料经济性。铝制发动机缸体可以包括缸套，诸如铸铁衬套。如果没有缸套，则铝制发动机缸体可以在缸孔表面上包括涂层。铸铁缸套通常使缸体的重量增加，并且可能导致铝制缸体和铸铁缸套之间的热性能不匹配。无缸套的缸体可以接受涂层(例如，等离子体涂覆缸孔工艺)以减少磨损和/或摩擦。
发明内容
在至少一个实施例中，提供一种发动机缸体。所述发动机缸体可以包括主体，所述主体包括具有纵向轴线的至少一个圆柱形发动机缸孔壁，并且包括沿着所述纵向轴线延伸并具有涂层厚度的涂层，所述涂层具有中间区域、第一端部区域和第二端部区域以及分散在涂层厚度以内的多个孔隙，所述中间区域与所述端部区域中的一者或两者具有不同的平均孔隙率。
所述中间区域可比所述端部区域中的一者或两者具有更大的平均孔隙率。在一个实施例中，所述端部区域中的一者沿着所述至少一个发动机缸孔壁的包括所述至少一个发动机缸孔壁的上止点(TDC)位置或下止点(BDC)位置的部分延伸，所述中间区域沿着所述至少一个发动机缸孔壁的位于所述至少一个发动机缸孔壁的TDC位置和BDC位置之间的部分延伸。所述端部区域中的一者或两者可具有0.1％至3％的平均孔隙率。所述中间区域可具有至少5％的平均孔隙率。所述端部区域中的一者或两者和所述中间区域均可具有10μm至300μm的平均孔隙尺寸。在一个实施例中，所述涂层还包括中等孔隙率区域，所述中等孔隙率区域具有在所述中间区域的平均孔隙率和所述端部区域中的一者或两者的平均孔隙率之间的平均孔隙率。
在一个实施例中，所述端部区域中的一者沿着所述至少一个发动机缸孔壁的包括所述至少一个发动机缸孔壁的上止点(TDC)位置或下止点(BDC)位置的部分延伸，所述中间区域沿着所述至少一个发动机缸孔壁的位于所述至少一个发动机缸孔壁的TDC位置和BDC位置之间的部分延伸，所述中等孔隙率区域沿着所述至少一个发动机缸孔壁的位于其中一个端部区域和所述中间区域之间的部分延伸。所述中间区域可在所述至少一个发动机缸孔壁的对应于30度至150度的曲轴角的部分内延伸。所述中间区域可沿着所述至少一个发动机缸孔壁的包括最大活塞速度区域的部分延伸。
在至少一个实施例中，提供一种发动机缸体。所述发动机缸体可包括主体，所述主体包括缸孔壁和覆盖所述缸孔壁的涂层，所述涂层具有厚度和分散在所述厚度以内的孔隙，所述涂层包括第一深度区域和第二深度区域，所述第一深度区域被设置为邻近于所述涂层与所述缸孔壁的界面，所述第二深度区域被设置为邻近于所述涂层的暴露表面，所述第二深度区域比所述第一深度区域具有更大的平均孔隙率。
第一深度区域可以具有0.3％至2％的平均孔隙率，并且第二深度区域可以具有至少5％的平均孔隙率。在一个实施例中，所述涂层包括在涂层厚度以内且设置在第一深度区域和第二深度区域之间的第三深度区域，所述第三深度区域具有在第一深度区域的平均孔隙率和第二深度区域的平均孔隙率之间的平均孔隙率。第一深度区域和第二深度区域可以位于缸孔壁的对应于30度至150度的曲轴角的纵向部分内。
在至少一个实施例中，提供一种方法，所述方法包括：将具有第一平均孔隙率的涂层喷涂到发动机缸孔壁的中间纵向区域上；将具有第二平均孔隙率的涂层喷涂到所述发动机缸孔壁的一个或更多个端部区域上。所述第一平均孔隙率可大于所述第二平均孔隙率，并且在所述喷涂步骤期间形成所述第一平均孔隙率和所述第二平均孔隙率。
该方法还可以包括：将具有第三平均孔隙率的涂层喷涂到发动机缸孔壁的第三纵向区域上，第三平均孔隙率小于第一平均孔隙率。中间纵向区域可以包括缸孔壁的对应于80度至100度的曲轴角的纵向部分。一个或更多个端部区域可以包括发动机缸孔壁的上止点(TDC)位置或下止点(BDC)位置。在一个实施例中，第一平均孔隙率为至少5％，第二平均孔隙率为0.1％至3％。具有第一平均孔隙率的涂层和具有第二平均孔隙率的涂层可以各自具有10μm至300μm的平均孔隙尺寸，并且可以在所述喷涂步骤期间形成所述平均孔隙尺寸。
在至少一个实施例中，提供一种物体。所述物体可以包括主体，所述主体包括具有纵向轴线的至少一个滑动表面壁。涂层可沿着所述纵向轴线延伸并具有涂层厚度。所述涂层可具有中间区域和端部区域以及分散在所述涂层厚度以内的多个孔隙。所述中间区域可与所述端部区域具有不同的平均孔隙率。
在至少一个实施例中，提供一种用于喷涂涂层的设备。该设备可以包括：喷炬，具有可变的涂层参数；控制器，被配置为改变所述可变的涂层参数，以产生沿着涂层的长度和/或深度具有变化的孔隙率的涂层。
附图说明
图1是发动机缸体的示意性透视图；
图2是根据实施例的汽缸套的透视图；
图3是根据实施例的被涂覆的发动机缸孔的截面；
图4是根据另一实施例的被涂覆的发动机缸孔的截面；
图5是根据实施例的形成具有可变孔隙率涂层的汽缸孔的流程图的示例；
图6是根据实施例的具有相对中等的孔隙率水平的PTWA涂层的截面；
图7是根据实施例的具有相对高的孔隙率水平的PTWA涂层的截面。
具体实施方式
根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，应理解，所公开的实施例仅是本发明的示例，本发明可以以各种和替代的形式实施。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以显示特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。
参照图1，示出了发动机缸体或汽缸体10。发动机缸体10可包括一个或更多个汽缸孔12，汽缸孔12可被构造为容纳内燃发动机的活塞。发动机缸体主体可以由任何合适的材料(诸如，铝、铸铁、镁或它们的合金)形成。在至少一个实施例中，发动机缸体10是无缸套的发动机缸体。在这些实施例中，缸孔12上可具有涂层。在至少一个实施例中，发动机缸体10可包括插入或铸入汽缸孔12中的汽缸套14(诸如图2中所示)。缸套14可以是具有外表面16、内表面18和壁厚20的中空圆筒或管。
如果发动机缸体的母体材料(parent material)是铝，则可将铸铁缸套或涂层设置在汽缸孔中而为汽缸孔提供增加的强度、刚度、耐磨性或其它特性。例如，可在发动机缸体已经(例如，通过铸造)形成之后，将铸铁缸套铸入到发动机缸体或压入到汽缸孔中。在另一个示例中，铝制汽缸孔可以是无缸套的，但可在发动机缸体已经(例如，通过铸造)形成之后对铝制汽缸孔涂覆涂层。在另一个实施例中，发动机缸体的母体材料可以是铝或镁，铝制或镁制缸套可插入或铸入发动机缸孔中。于2015年12月17日提交的第14/972,144号美国申请描述了将铝制缸套铸入铝制发动机缸体中，该申请公开的全部内容通过引用被包含于此。
因此，汽缸孔的缸孔表面可以以各种方式形成并且可以由各种材料形成。例如，缸孔表面可以是铸铁表面(例如，来自铸铁发动机缸体或铸铁缸套)或铝表面(例如，来自无缸套的铝制缸体或铝制缸套)。所公开的可变涂层可以应用于任何合适的缸孔表面，因此，术语“缸孔表面”可以应用于无缸套缸体的表面或者应用于已经(例如，通过过盈配合或通过镶铸)设置在汽缸孔内的汽缸套或套筒的表面。
参照图3，公开了具有可变涂层32的汽缸孔30。虽然示出和描述了汽缸孔，但是本公开可以应用于包括主体的任何物体，该主体包括具有纵向轴线的至少一个滑动表面壁。在施加涂层32之前，可以使缸孔表面34粗糙化。使缸孔表面34粗糙化可以提高涂层32与缸孔30的粘合或结合强度。粗糙化过程可以是机械粗糙化工艺，例如使用具有切削刃的工具、喷砂或水射流。其它粗糙化工艺可包括蚀刻(例如，化学或等离子体)、火花/放电或其它。在所示的实施例中，粗糙化过程可以是多个步骤。在第一步骤中，可以去除缸孔表面34的材料，从而形成突起36(虚线)。在第二步骤中，可以改变突起以形成具有底切40的悬伸突起38。可以使用任何合适的工艺(例如滚轧、切削、铣削、压制、喷砂或其它)来改变突起。
可将涂层32施加到粗糙化的缸孔表面。在一个实施例中，涂层可以是喷涂涂层，例如热喷涂涂层。可用于形成涂层32的热喷涂技术的非限制性示例可包括等离子体喷涂、爆炸喷涂、电弧喷涂(例如，等离子体转移电弧或PTWA)、火焰喷涂、高速氧燃料(HVOF)喷涂、温喷涂或冷喷涂。也可以使用其它涂覆技术，例如气相沉积(例如，PVD或CVD)或化学/电化学技术。在至少一个实施例中，涂层32是通过等离子体转移电弧(PTWA)喷涂形成的涂层。
可以提供用于喷涂涂层32的设备。该设备可以是包括喷炬的热喷涂设备。喷炬可以包括喷炬参数，诸如雾化气体压力、电流、等离子体气体流速、送丝速度和喷炬横移速度。喷炬参数可以是可变的，使得它们在喷炬的操作期间是可调的或可变的。该设备可以包括控制器，其可以被编程或配置为在喷炬的操作期间控制和改变喷炬参数。如下面进一步详细描述的，控制器可以被配置为改变喷炬参数以沿纵向和/或深度方向调节涂层32的孔隙率。控制器可以包括一个或更多个计算机的系统，其可以被配置为通过安装在该系统上的软件、固件、硬件或其组合来执行特定的操作或动作，所述软件、固件、硬件或其组合在操作时使所述系统执行所公开的动作。一个或更多个计算机程序可以被配置为通过包括指令来执行特定的操作或动作，所述指令在由控制器执行时使得所述设备执行所述动作。
涂层32可以是为发动机缸体汽缸孔提供足够的强度、刚度、密度、耐磨性能、摩擦、疲劳强度和/或导热性的任何合适的涂层。在至少一个实施例中，涂层可以是铁或钢涂层。合适的钢成分的非限制性示例可包括从1010至4130钢的任何AISI/SAE钢等级。钢也可以是不锈钢，诸如AISI/SAE 400系列(例如420)中的那些不锈钢。然而，也可以使用其它钢成分。涂层不限于铁或钢，并且可以由其它金属或非金属形成或包括其它金属或非金属。例如，涂层可以是陶瓷涂层、聚合物涂层或无定形碳涂层(例如DLC或类似物)。因此，涂层类型和成分可以根据应用和期望的特性而变化。此外，在汽缸孔30中可以存在多种涂层类型。例如，不同的涂层类型(例如，成分)可以施加于汽缸孔的不同区域(下面更详细地描述)和/或涂层类型可根据整个涂层的深度(例如，逐层)变化。
在汽缸孔内的活塞的冲程期间，摩擦状况可以基于曲柄角(曲轴角)或活塞的位置和/或速度而改变。例如，当活塞处于或接近上止点(TDC)42和/或下止点(BDC)44时，活塞在冲程的最顶部和最底部(例如，在0度和180度的曲柄角附近)的速度可以小或为零。当活塞处于或接近TDC 42或BDC 44时，摩擦状况可以是边界摩擦，其中在活塞和缸孔表面(或当涂覆有涂层时的涂层表面)之间存在粗糙面接触。当活塞在缸孔长度/高度的中间部分(例如，曲柄角在大约35度至145度之间)以相对高的速度移动时，摩擦状况可以是流体动力摩擦，其中几乎不存在粗糙面接触。当活塞在这两个区域之间(例如，曲柄角在大约10度至35度或大约145度至170度之间)朝向或远离TDC 42或BDC 44移动时，活塞速度相对中等并且摩擦状况可以是边界摩擦和流体动力摩擦的混合摩擦(例如，一些粗糙面接触)。当然，本文公开的曲柄角是示例，并且向不同摩擦状况的转变(例如，边界摩擦到混合摩擦)将取决于发动机的转速、发动机结构和其它因素。
因此，润滑特性或要求在汽缸孔30的不同区域中会不同。在至少一个实施例中，涂层32的孔隙率可以沿着缸孔30的高度变化。如本文所使用的，孔隙率可以是指在涂层32沉积期间形成的孔隙或者可在涂层32沉积之后(例如，通过机械地或化学地纹理化)在涂层32中形成的孔隙。涂层32中的孔隙可以用作保持油/润滑剂的储存器，从而在恶劣的工况下提供润滑或改善润滑剂膜厚度。因此，具有不同孔隙率水平的区域可对汽缸孔30的润滑具有不同的影响。在至少一个实施例中，沿着缸孔30的高度可具有至少两个不同的孔隙率水平。可存在相对低孔隙率区域46和相对高孔隙率区域48。在图3所示的实施例中，可以有两个低孔隙率区域46和位于其间的高孔隙率区域48(例如，将区域46分开)。
一个低孔隙率区域46可以在汽缸孔30的包括TDC 42的高度上延伸。区域46可以在TDC 42下方延伸一定量。例如，区域46可以根据活塞的曲柄角覆盖汽缸孔的一定高度。在一个实施例中，区域46可以从TDC 42延伸到对应于高达35度的曲柄角的高度。在另一个实施例中，区域46可以从TDC 42延伸到对应于高达30度、25度、20度、15度或10度的曲柄角的高度。例如，该区域延伸的范围可以是0至35度、0至30度、0至25度、0至20度、0至15度、0至10度或0至5度。
另一低孔隙率区域46可以在汽缸孔30的包括BDC 44的高度上延伸。区域46可以在BDC 44上方延伸一定量。例如，区域46可以根据活塞的曲柄角覆盖汽缸孔的一定高度。在一个实施例中，区域46可以从BDC 44延伸到对应于至多145度的曲柄角的高度。在另一个实施例中，区域46可以从BDC 44延伸到对应于至多150度、155度、160度、165度或170度的曲柄角的高度。例如，该区域延伸的范围可以是145度到180度、150度到180度、155度到180度、160度到180度、165度到180度、170度到180度或175度到180度。
高孔隙率区域48可以设置在低孔隙率区域46之间。在一个实施例中，如图3所示，高孔隙率区域48可以在低孔隙率区域46之间的整个高度上延伸。类似于低孔隙率区域46，高孔隙率区域48可以根据活塞的曲柄角覆盖汽缸孔的一定高度。曲柄角的范围可以是上面针对顶部和底部低孔隙率区域46所公开的那些范围之间的任何范围。例如，高孔隙率区域延伸的曲柄角范围可以是10度到170度、15度到165度、20度到160度、25度至155度、30度至150度或35度至145度，或者高孔隙率区域可以在任何上述范围内的至少一部分上延伸。顶部和底部低孔隙率区域46可以或可以不具有相同的高度。因此，曲柄角范围可以是不对称的，并且可以从上面针对顶部区域46所公开的任何值延伸到针对底部区域46的任何值。例如，高孔隙率区域48可以从15度的曲柄角延伸到160度。
类似于曲柄角，低孔隙率区域46和高孔隙率区域48可以覆盖缸孔表面的与活塞具有一定速度的位置相对应的区域(例如，高度范围)。低孔隙率区域46可对应于相对低(或无)速度的区域，而高孔隙率区域48可对应于相对高(或最大)速度的区域。活塞的速度可以根据发动机的设计或构造而改变。因此，高孔隙率区域或低孔隙率区域的范围可以根据活塞的最大速度的百分比来描述。
在一个实施例中，低孔隙率区域46可覆盖汽缸孔表面的对应于高达最大速度的30％的活塞速度(包括零速度)的区域，例如高达最大速度的25％、20％、15％、10％或5％。如上所述，较低的速度可出现在TDC 42和/或BDC44处或其附近。高孔隙率区域48可以覆盖汽缸孔区域的其余部分。例如，高孔隙率区域48可以覆盖汽缸孔表面的对应于最大速度的至少5％、10％、15％、20％、25％或30％的活塞速度的区域。在另一个实施例中，高孔隙率区域48可以覆盖汽缸孔表面的对应于最大速度的50％至100％或其中的任何子范围(例如最大速度的60％至100％、70％至100％、80％至100％、90％至100％或95％至100％)的活塞速度的区域。
在一个实施例中，低孔隙率区域46的孔隙率(例如，平均孔隙率)可以高达3％。例如，低孔隙率区域46可以具有高达2.5％、2％或1.5％的孔隙率。在一个实施例中，低孔隙率区域46可以具有0.1％至3％或其中的任何子范围(诸如0.5％至3％、0.5％至2.5％、0.5％至2％、1％至2.5％或1％至2％)的孔隙率。如本文所公开的，“孔隙率”可以指表面孔隙率或涂层的由孔隙(例如，在引入润滑剂之前的空白空间或空气)构成的表面的百分比。
高孔隙率区域48的孔隙率可以大于低孔隙率区域46的孔隙率。在一个实施例中，高孔隙率区域48可以具有至少2％的孔隙率(例如，平均孔隙率)，例如至少2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％或5％。在另一个实施例中，高孔隙率区域48可以具有2％至15％或其中的任何子范围(例如2％至12％、2％至10％、2％至8％、3％至10％、3％至8％、4％至10％、4％至8％、5％至10％或5％至8％)的孔隙率。
在低孔隙率区域和高孔隙率区域中的孔隙的尺寸或直径、孔隙深度和/或孔隙分布可以相同或可以不同。在一个实施例中，低孔隙率区域46和高孔隙率区域48的平均孔隙尺寸可以相同或相近。在此实施例中，低孔隙率区域46和高孔隙率区域48的平均孔隙尺寸可以从0.1μm至500μm或其中的任何子范围，诸如0.1μm至250μm、0.1μm至200μm、1μm至500μm、1μm至300μm、1μm至200μm、10μm至300μm、10μm至200μm、20μm至200μm、10μm至150μm或20μm至150μm。
在另一个实施例中，低孔隙率区域46和高孔隙率区域48的平均孔隙尺寸、孔隙深度和/或孔隙分布可以不同。例如，高孔隙率区域48的平均孔隙尺寸可以大于低孔隙率区域46的平均孔隙尺寸，或反之亦然。平均孔隙尺寸可以在上面公开的范围内，但是在该范围内，一个区域的平均孔隙尺寸大于另一个区域的平均孔隙尺寸。每个区域的孔隙率可以是孔隙尺寸和孔隙数量的函数。因此，对于给定的平均孔隙尺寸，较多数量的孔隙将导致较高的孔隙率，反之亦然。如果平均孔隙尺寸在区域之间不同，则孔隙率和孔隙数量之间的关系可能更复杂。例如，高孔隙率区域48可以与低孔隙率区域46具有相同数量的孔隙，但是可以具有较大的孔隙。或者，高孔隙率区域48可以具有较小的孔隙，但是可以具有较多数量的孔隙，达到总体孔隙率仍大于低孔隙率区域46的程度。当然，高孔隙率区域48可以同时具有较大的孔隙和较多的数量。
尽管上面已经描述了汽缸孔30上的涂层32具有两个不同孔隙率的区域，但是可以存在两个以上不同孔隙率的区域，诸如三个、四个、五个或更多个不同的区域。在一些实施例中，代替离散的区域，可以沿着汽缸孔30的高度具有孔隙率梯度。例如，代替离散的低孔隙率区域46和高孔隙率区域48，涂层32的孔隙率可以从TDC 42增加到缸孔高度的中心区域中的峰值，然后朝向BDC 44减小。因此，在TDC 42处或附近可具有相对最小的孔隙率，在缸孔高度的中心区域附近(例如，曲柄角为大约90度，诸如80度至100度)可具有相对最大的孔隙率，在BDC 44处或附近可具有另一相对最小值。孔隙率的变化可以是连续的，并且可以是线性/恒定的增加/减少，或者可以是曲线。孔隙率的变化也可以由具有两个或更多个区域(例如，2至N个区域)的孔隙率的多个小台阶(step)构成。除了或代替区域的孔隙率水平作为梯度或多个台阶而变化，孔隙尺寸也可以以类似的方式改变。
图4中示出了具有涂层32的汽缸孔30的另一示例。类似于图3所示的实施例，图4所示的涂层也具有相对低孔隙率的区域46和相对高孔隙率的区域48。此外，图4所示的涂层还可以具有中等孔隙率区域50，其可以具有在低孔隙率区域的孔隙率水平和高孔隙率区域48的孔隙率水平之间的孔隙率水平。在图4所示的示例中，类似于图3，可以具有两个低孔隙率区域46和单个高孔隙率区域48。然而，可以具有两个中等孔隙率区域50，它们沿着缸孔30的高度位于或设置在低孔隙率区域和高孔隙率区域之间。因此，从TDC 42到BDC 44，区域的顺序可以如下：低-中等-高-中等-低。
在一个实施例中，图4中的低孔隙率区域46和高孔隙率区域48可具有与上面针对图3所描述的孔隙率值相同或相似的孔隙率值。然而，图4中的低孔隙率区域和高孔隙率区域可以具有不同的值，例如，该范围可以变窄以为中等孔隙率区域50提供孔隙率水平间隙。在一个实施例中，中等孔隙率区域50的孔隙率(例如，平均孔隙率)可以是从2％至7％或其中的任何子范围，诸如2％至6％、3％至7％、3％至5％、4％至7％或4％至6％。类似于图3的描述，低、中等和高孔隙率区域中孔隙的尺寸或直径可以相同或可以不同。平均孔隙尺寸可以与上述那些相同或相似。在低孔隙率区域46、中等孔隙率区域50和高孔隙率区域48的平均孔隙尺寸不同的实施例中，中等孔隙率区域50的平均孔隙尺寸可以在高孔隙率区域48的平均孔隙尺寸和低孔隙率区域46的平均孔隙尺寸之间。类似于上文，中等孔隙率区域50的孔隙率可以是孔隙尺寸和/或孔隙数量的函数。例如，孔隙数量可以与低孔隙率区域和高孔隙率区域相同，但是孔隙尺寸可以是中间值。或者，孔隙尺寸可以全部相同，但中等孔隙率区域可以具有中间数量的孔隙。当然，也可以存在导致中等的总体孔隙率的孔隙尺寸和孔隙数量的其它组合。
在图4所示的实施例中，高孔隙率区域48可以在汽缸孔高度的中心或中间部分上延伸。例如，高孔隙率区域48可以在汽缸孔的对应于90度的曲柄角的高度上延伸。在一个实施例中，高孔隙率区域48可以在汽缸孔的对应于60度至120度或其中的任何子范围(例如70度至110度或80度至100度)的曲柄角的高度上延伸，或者在上述范围中的至少一部分上延伸。低孔隙率区域46可以在与图3中所描述的相同或相似的曲柄角范围上延伸。相应地，中等孔隙率区域50的曲柄角范围可以在低孔隙率范围和高孔隙率范围之间。
类似于上文，可以根据汽缸孔的对应于活塞速度的区域或高度来描述低、中等和高孔隙率区域。相应地，低孔隙率区域46可以覆盖汽缸孔表面的对应于相对低的活塞速度(例如，包括零)的区域，高孔隙率区域48可以覆盖汽缸孔表面的对应于相对高的活塞速度(例如，包括最大速度)的区域，中等孔隙率区域50可以覆盖汽缸孔表面的对应于低速度区域的活塞速度和高速度区域的活塞速度之间的活塞速度(例如，不包括零或最大值)的区域。
在一个实施例中，低孔隙率区域46可以覆盖汽缸孔表面的对应于高达最大速度的30％的活塞速度(包括零速度)的区域，例如高达最大速度的25％、20％、15％、10％或5％。如上所述，较低速度可以出现在TDC 42和/或BDC 44处或其附近。中等孔隙率区域50可以覆盖汽缸孔表面的对应于最大速度的5％至80％或其中的任何子范围的活塞速度的区域。例如，中等孔隙率区域50可以覆盖对应于最大速度的10％至80％、15％至80％、20％至80％、30％至80％、40％至80％、30％至70％、30％至60％、20％至50％或10％至50％的区域或其它的区域。在一个实施例中，高孔隙率区域48可覆盖汽缸孔表面的对应于最大速度的至少30％、40％、50％、60％、70％或80％的活塞速度(包括最大值)的区域。在另一个实施例中，高孔隙率区域48可以覆盖汽缸孔表面的对应于最大速度的50％至100％或其中的任何子范围(例如最大速度的60％至100％、70％至100％、80％至100％、90％至100％或95％至100％)的活塞速度的区域。在一个实施例中，中等孔隙率区域50的最大速度的百分比可以在低孔隙率区域的范围和高孔隙率区域的范围之间和/或形成低孔隙率区域的范围和高孔隙率区域的范围的其余部分。
涂层32可以是单层或可以由多层形成。例如，如果使用热喷涂方法(例如，PTWA)施加涂层32，则可以将多个层喷涂到缸孔表面上以将涂层32积累至其最终厚度。热喷涂可以通过旋转喷嘴或通过围绕固定喷嘴旋转缸孔表面来施加。因此，在形成涂层32时，喷嘴和/或缸孔表面每旋转一周可以沉积新层。如上所述，孔隙率水平(例如，低孔隙率区域、中等孔隙率区域或高孔隙率区域)可以是表面孔隙率水平。然而，孔隙率也可以根据涂层32的深度而变化。
在一个实施例中，涂层32可具有25μm至500μm(例如25μm至250μm、50μm至500μm、50μm至250μm、25μm至100μm或25μm至75μm)的珩磨厚度。已经发现，涂层32的孔隙率可以影响涂层32与缸孔表面(例如，铝制缸孔或缸套)的粘合或结合。通常，涂层32与缸孔表面的粘合可以随着孔隙率的降低而增加。因此，在至少一个实施例中，涂层32在涂层32和缸孔表面之间的界面处的平均孔隙率可以小于涂层32在涂层32的表面处(例如，接触活塞的暴露表面)的平均孔隙率。
与表面孔隙率区域类似，沿着涂层的厚度可以存在两个或更多个离散的孔隙率区域，或者沿着厚度可以具有梯度或不断变化的孔隙率。涂层32在其与缸孔表面的界面处的孔隙率可以高达2％，例如0.1％至2％、0.3％至2％、0.5％至2％、0.1％至1.5％、0.1％至1％、0.5％至2％或0.5％至1.5％。涂层32在其表面处的孔隙率如上所述，并且可以根据涂层沿汽缸孔30的高度的位置而变化。因此，涂层32沿着汽缸孔30的高度和深度两者的孔隙率可以存在变化。
沿着涂层厚度的孔隙率变化可以由具有两个或更多个区域(例如，2至N个区域)的孔隙率的多个小台阶构成。在一个实施例中，所述区域可以对应于涂覆涂层时该涂层单层的厚度。例如，如果沉积五层PTWA并且每层具有10μm的厚度，则总的涂层厚度可以为50μm。可以在每个、一些或所有层沉积期间调节孔隙率。例如，孔隙率可以在每个后续层中增加，使得孔隙率从所述界面到涂层32的表面连续增加。或者，一些层可以形成为具有相同的孔隙率，使得从所述界面到涂层的表面存在孔隙率台阶。
除了涂层32中的孔隙率和/或孔隙尺寸根据汽缸孔的高度和/或深度变化之外，其它特性也可以存在变化。在一个实施例中，涂层的显微硬度可以根据汽缸孔内的高度而变化。例如，显微硬度可以与孔隙率以类似的方式变化，使得在发动机缸孔内存在具有不同显微硬度的区域或部分。因此，低、高和/或中等孔隙率区域也可具有不同的显微硬度水平。与孔隙率类似，可以存在两个、三个、四个或更多个不同的显微硬度区域。显微硬度可以以逐步的方式变化，或者可以是连续的或基本上连续的(例如，许多非常小的离散变化)。类似于孔隙率，显微硬度可以通过调整涂层沉积工艺的参数(例如喷炬参数)而改变。
在一个实施例中，涂层32在具有较低孔隙率的区域中的显微硬度可以比涂层32在具有较高孔隙率的区域中的显微硬度更大。例如，在一些实施例中，较低孔隙率区域46也可以是高显微硬度区域。包括并邻近TDC 42和BDC 44的区域可以比活塞以相对高的速度(例如，大约90度的曲柄角)移动的区域具有更高的显微硬度。高显微硬度区域中的显微硬度可以是150HV至600HV或其中的任何子范围。例如，高显微硬度区域中的显微硬度可以为200HV至500HV、200HV至400HV、250HV至500HV或250HV至400HV。在一些实施例中，整个涂层的显微硬度可以在上述范围内，然而，高显微硬度区域可以具有该范围内的较大的显微硬度。
参照图3至图5，描述了形成所公开的可变孔隙率涂层的方法。图5示出了用于形成具有可变孔隙率的汽缸孔涂层的方法的流程图100。然而，如上所述，该方法可应用于在包括具有纵向轴线的至少一个滑动表面壁的任何物体主体上形成具有可变孔隙率的涂层。在步骤102中，可以制备缸孔表面以接受涂层。如上所述，缸孔表面可以是铸造发动机缸孔或缸套(镶铸或过盈配合)。表面制备可以包括粗糙化和/或冲洗所述表面以改善涂层的粘合/结合。
在步骤104中，可以开始涂层的沉积。如上所述，涂层可以以任何合适的方式被施加，例如喷涂。在一个示例中，可以通过热喷涂(例如PTWA喷涂)来施加涂层。可以通过将涂层旋转喷涂到缸孔表面上来施加涂层。可以旋转喷嘴、缸孔表面或两者以施加涂层。如上所述，涂层在其与缸孔表面的界面处的部分可具有低孔隙率以促进结合/粘合。因此，涂层的初始层沿着汽缸孔涂层的整个高度可以是相同的。然而，在其他实施例中，初始涂层孔隙率可以基于高度而变化。
在步骤106中，可以(例如，通过控制器)调整沉积参数，以在涂层中产生不同水平的孔隙率。可以在施加涂层时进行调整，或者可以暂停施加以调整所述参数。可以调整所述参数以形成上述涂层结构。例如，可以调整所述参数以在涂层表面的所公开的位置处形成低、中等和/或高孔隙率区域。还可以调整所述参数以形成作为涂层深度的函数的孔隙率变化，如上所述。待调整的参数可基于沉积的类型和所使用的具体设备而变化。在使用PTWA喷涂的示例中，可以调整喷炬或其他操作参数以改变孔隙率。例如，已经发现可以调整诸如雾化气体压力、电流、等离子体气体流速、送丝速度和喷炬横移速度的参数以增加或减小涂层的孔隙率。调整这些参数可以改变金属颗粒的尺寸、温度和速度，并因此改变涂层的微观结构和/或组成以有利于更高或更低的孔隙率水平。
在步骤108中，可以使用调整后的沉积参数来施加涂层的另外的层。虽然步骤104、106和108被示为单独的步骤，但是在实践中两个或所有的三个步骤可以组合成单个步骤。可以在沉积过程期间调整所述参数，从而形成在不同高度/厚度具有变化的孔隙率的层。此外，如果在整个涂层内存在多个层，则这些层可以具有相同或不同的厚度。例如，每个层可以具有相同的厚度，诸如5μm、10μm、15μm或20μm，或者在整个涂层内可以具有两个或更多个不同的层厚度。
在步骤110中，可以根据指定的发动机缸孔尺寸将成品涂层珩磨至最终缸孔直径。在一些实施例中，可以在珩磨之前执行可选的机械加工操作(例如镗削、切削等)，以便减少珩磨期间的原料去除量。通常，珩磨工艺包括将具有磨料颗粒的旋转工具插入到汽缸孔中以将材料去除而达到受控直径。在图3和图4所示的实施例中，涂层32最初可以沉积到厚度52，如虚线所示。珩磨过程可以去除涂层32的材料并且提供具有最终缸孔直径的高度圆柱形缸孔壁54。如本文所述，出于孔隙率目的的涂层表面可以是由珩磨过程产生的表面，而不是沉积后的初始表面(例如，是缸孔壁54，而不是初始厚度52)。
在珩磨步骤之后，可以在步骤112中执行可选的珩磨后机加工。该步骤可以包括附加的传统机加工过程以完成汽缸孔。另外，步骤112可以包括机加工工艺以在涂层32的表面中开设或产生附加的孔隙。例如，可以有另外的冲洗步骤，例如高压冲洗(例如，用水或其它流体)、刷涂步骤或干冰喷射步骤。
参照图6和图7，示出了具有不同孔隙率的PTWA涂层的两个示例的截面。图6示出了具有6.73％的相对中等或中度的孔隙率的PTWA涂层。图7示出了具有8.65％的相对高的孔隙率的PTWA涂层。因此，图6和图7中的涂层可以分别用作如上所述的中等孔隙率区域和高孔隙率区域。如图所示，孔隙分布在涂层内并遍布整个涂层，包括在与汽缸壁(例如，缸套或铸造态缸体)的界面处、在涂层的主体中以及在涂层的表面处/附近。
已经发现，所公开的具有可变涂层的汽缸孔可以改善汽缸的润滑以及减少摩擦和磨损。如上所述，当活塞处于或接近TDC 42或BDC 44时，摩擦状况可以是边界摩擦，其中在活塞和缸孔表面(或当涂覆有涂层时的涂层表面)之间存在粗糙面接触。这种摩擦状况可能不需要大量的润滑来填充活塞和缸孔/涂层表面之间的小间隙。因此，在发生边界摩擦的区域(例如，在零活塞速度和低活塞速度及相应的曲柄角处)中，涂层可以具有相对低的孔隙率。
当活塞在缸孔长度/高度的中间部分中以相对高的速度移动时，摩擦条件可以是流体动力摩擦，其中在活塞和缸孔/涂层表面之间几乎没有粗糙面接触并且在活塞和缸孔/涂层表面之间存在大间隙。这种摩擦状况可能需要较大量的润滑以填充活塞和缸孔/涂层表面之间的较大间隙。因此，在发生流体动力摩擦的区域(例如，在最大和接近最大活塞速度及相应的曲柄角处)中，涂层可以具有相对高的孔隙率。
当活塞在这两个区域之间朝向或远离TDC 42或BDC 44移动时，活塞速度相对中等，摩擦状况可以是边界摩擦和流体动力摩擦的混合摩擦(例如，一些粗糙面接触)。这种摩擦状况可能需要中等量的润滑以填充活塞和缸孔/涂层表面之间的适中间隙。因此，在发生混合摩擦的区域(例如，在中等活塞速度和相应的曲柄角处)中，涂层可以具有相对中等的孔隙率。
除了摩擦状况之外，活塞速度还根据汽缸孔中的活塞位置而变化。在TDC和BDC处，速度为零或基本为零并且在接近TDC/BDC的曲柄角处相对较低。该速度随着活塞朝向汽缸中间/中心移动而增加，并且可以在中间/中心处或其附近(例如，在或大约在90度的曲柄角处)达到最大值。摩擦力可以根据速度而改变，通常随着速度增加而增加。因此，已经发现，在最大速度区域处的汽缸孔涂层中提供增加的孔隙率水平可以改善润滑并减少摩擦。如上所述，孔隙率可以沿着缸孔的高度变化以对应于摩擦状况、活塞速度和/或曲柄角，以便在每个区域中提供一定量的润滑。可以存在两个或更多个(例如，两个、三个、四个、五个或更多)不同孔隙率的区域，或者可以连续地或以非常小的离散台阶调节孔隙率。
虽然以上描述了示例性实施例，但并不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。更确切地，说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且可以理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。此外，各个实施的实施例的特征可以组合以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (21)

1.一种发动机缸体，包括：
主体，包括具有缸孔表面并沿着主体的纵向轴线延伸的至少一个圆柱形发动机缸孔壁，并且包括施加到缸孔表面并沿着所述纵向轴线延伸的涂层，所述涂层具有涂层表面以及在涂层表面和缸孔表面之间延伸的涂层厚度，所述涂层具有第一端部区域和第二端部区域以及沿着主体的纵向轴线在第一端部区域和第二端部区域之间延伸的中间区域以及分散在所述涂层厚度以内并位于第一端部区域和第二端部区域以及中间区域的涂层表面中的多个孔隙，中间区域的涂层表面与所述端部区域中的一者或两者的涂层表面具有不同的平均表面孔隙率，
其中，所述中间区域的涂层表面具有至少5％的平均表面孔隙率，所述端部区域中的一者或两者的涂层表面具有0.1％至3％的平均表面孔隙率。
2.根据权利要求1所述的发动机缸体，其中，所述端部区域中的一者沿着所述至少一个发动机缸孔壁的包括所述至少一个发动机缸孔壁的上止点(TDC)位置或下止点(BDC)位置的部分延伸，所述中间区域沿着所述至少一个发动机缸孔壁的位于所述至少一个发动机缸孔壁的TDC位置和BDC位置之间的部分延伸。
3.根据权利要求1所述的发动机缸体，其中，所述端部区域中的一者或两者的涂层表面和所述中间区域的涂层表面均具有10μm至300μm的平均孔隙尺寸。
4.根据权利要求1所述的发动机缸体，其中，所述涂层还包括中等表面孔隙率区域，所述中等表面孔隙率区域具有在所述中间区域的平均表面孔隙率和所述端部区域中的一者或两者的平均表面孔隙率之间的平均表面孔隙率。
5.根据权利要求4所述的发动机缸体，其中，所述端部区域中的一者沿着所述至少一个发动机缸孔壁的包括所述至少一个发动机缸孔壁的上止点(TDC)位置或下止点(BDC)位置的部分延伸，所述中间区域沿着所述至少一个发动机缸孔壁的位于所述至少一个发动机缸孔壁的TDC位置和BDC位置之间的部分延伸，所述中等表面孔隙率区域沿着所述至少一个发动机缸孔壁的位于其中一个端部区域和所述中间区域之间的部分延伸。
6.根据权利要求1所述的发动机缸体，其中，所述中间区域在所述至少一个发动机缸孔壁的对应于30度至150度的曲轴角的部分内沿所述纵向轴线延伸。
7.根据权利要求1所述的发动机缸体，其中，所述中间区域沿着所述至少一个发动机缸孔壁的所述纵向轴线的包括最大活塞速度区域的部分延伸。
8.一种发动机缸体，包括：
主体，包括缸孔壁和覆盖所述缸孔壁的涂层，所述涂层具有厚度和分散在所述厚度以内的孔隙，所述涂层包括第一深度区域和第二深度区域，所述第一深度区域被设置为邻近于所述涂层与所述缸孔壁的界面，所述第二深度区域被设置为邻近于所述涂层的暴露表面，所述第二深度区域比所述第一深度区域具有更大的平均孔隙率，所述涂层还包括第三深度区域，所述第三深度区域在所述涂层厚度以内设置在所述第一深度区域和所述第二深度区域之间，并且所述第三深度区域具有在所述第一深度区域和所述第二深度区域的平均孔隙率之间的平均孔隙率。
9.根据权利要求8所述的发动机缸体，其中，所述涂层是喷涂涂层。
10.根据权利要求8所述的发动机缸体，其中，所述涂层是铁或钢涂层。
11.根据权利要求8所述的发动机缸体，其中，第一深度区域、第二深度区域和第三深度区域沿着缸孔壁的包括最大活塞速度区域的部分延伸。
12.根据权利要求8所述的发动机缸体，其中，第一深度区域具有0.3％至2％的平均孔隙率，并且第二深度区域具有至少5％的平均孔隙率。
13.根据权利要求8所述的发动机缸体，其中，第一深度区域、第二深度区域和第三深度区域位于缸孔壁的对应于30度至150度的曲轴角的纵向部分内。
14.根据权利要求8所述的发动机缸体，其中，第一深度区域、第二深度区域和第三深度区域分别具有第一厚度、第二厚度和第三厚度，并且第一厚度、第二厚度和第三厚度相同。
15.根据权利要求8所述的发动机缸体，其中，第一深度区域、第二深度区域和第三深度区域分别具有第一显微硬度、第二显微硬度和第三显微硬度。
16.根据权利要求15所述的发动机缸体，其中，第一显微硬度大于第二显微硬度。
17.根据权利要求16所述的发动机缸体，其中，第一显微硬度在150HV至600HV的范围内。
18.根据权利要求16所述的发动机缸体，其中，第一显微硬度在250HV至400HV的范围内。
19.一种喷涂涂层的方法，包括：
将具有第一平均孔隙率的涂层喷涂到发动机缸孔壁的中间纵向区域上；和
将具有第二平均孔隙率的涂层喷涂到所述发动机缸孔壁的一个或更多个端部区域上，
其中，所述第一平均孔隙率大于所述第二平均孔隙率，并且在所述喷涂步骤期间形成所述第一平均孔隙率和所述第二平均孔隙率，
其中，所述第一平均孔隙率为至少5％，所述第二平均孔隙率为0.1％至3％。
20.一种发动机缸体，包括：
主体，包括具有纵向轴线的至少一个滑动表面壁，并且包括沿着所述纵向轴线延伸并具有涂层厚度的涂层，所述涂层具有中间区域和端部区域以及分散在所述涂层厚度以内的多个孔隙，所述中间区域与所述端部区域具有不同的平均孔隙率，其中，所述中间区域具有至少5％的平均孔隙率，所述端部区域具有0.1％至3％的平均孔隙率。
21.一种用于喷涂涂层的设备，包括：
喷炬，具有可变的涂层参数；
控制器，被配置为改变所述可变的涂层参数，以产生沿着涂层的长度和/或深度具有变化的孔隙率的涂层，
其中，所述涂层包括第一深度区域和第二深度区域，所述第一深度区域被设置为邻近于所述涂层的非暴露表面，所述第二深度区域被设置为邻近于所述涂层的暴露表面，所述第二深度区域比所述第一深度区域具有更大的平均孔隙率，所述涂层还包括第三深度区域，所述第三深度区域设置在所述第一深度区域和所述第二深度区域之间，并且所述第三深度区域具有在所述第一深度区域和所述第二深度区域的平均孔隙率之间的平均孔隙率。
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