CN108251832B - 沉积微球的一个或多个层以形成热障涂层的方法 - Google Patents

Abstract

在铁合金或镍合金构件的表面上形成热障涂层的方法包括：通过加热和冷却包含铜、铜合金或镍合金的金属前体设置层来将中空微球的层沉积到构件的表面或中空微球的先前沉积的层上。一旦沉积就位，加热中空微球的层以将中空微球彼此烧结并且烧结到铁合金或镍合金构件的表面以形成隔热层。

Description

沉积微球的一个或多个层以形成热障涂层的方法

技术领域

本公开内容的技术领域总体上涉及包括具有中空微球的一个或多个层的隔热层的热障涂层，并且更具体地，涉及制备该热障涂层的方法。

背景技术

热障涂层是设计成应用于在高温下进行操作的金属表面的一类隔热涂层。例如，在某些行业中，如在汽车行业中，新型材料和高级热机械系统的出现以及对排气热管理的关注产生了对能够在长时间段内耐受强热和热负荷的特定金属构件的需求。内燃机和发动机排气系统为汽车内的两大显著系统，其中，由于与空气/燃料混合物的燃烧相关联的温度以及针对燃烧副产物的管理，热障涂层可得到应用。热障涂层理论上非常适用于这些及其他应用，这是因为热障涂层能够有效地限制底层金属的热暴露并防止热量逃逸至周围环境中，这可以延长构件的寿命，并提高系统效率。虽然已经知道了各种热障涂层，但对新型热障涂层及用于将这些涂层应用于简单和复杂部件表面的相关技术的探索正在进行中。

发明内容

根据本公开内容的一个实施方式的在金属构件上形成热障涂层的方法包括若干步骤。第一，将金属前体设置层粘附到铁合金或镍合金构件的表面上。前体设置层为铜、铜合金或镍合金的层。第二，中空微球定位成靠着构件，使得中空微球与金属前体设置层接触。中空微球具有镍、镍合金、铁或铁合金的外层。第三，将金属前体设置层加热到高于前体设置层的液相线温度的温度，以熔融前体设置层，并润湿定位成与构件的表面相邻的中空微球的层。第四，将前体设置层冷却到低于前体设置层的固相线温度的温度，以固化前体设置层，并使中空微球的层接合至构件的表面。第五，将未经金属前体设置层接合的中空微球移离构件。以及第六，加热铁合金或镍合金构件以及接合至构件的表面的中空微球的层，以使中空微球彼此熔结，并熔结至构件的表面，使得在中空微球的层与铁合金或镍合金构件的表面之间形成固态接合部。

中空微球、金属前体设置层以及铁合金或镍合金构件可以被进一步定义。中空微球、可以以各种方式构造以支承其镍、镍合金、铁或铁合金的外层。在一个实施方式中，例如，至少一些中空微球包括外部涂覆有镍、镍合金、铁或铁合金的层的中空玻璃基壁。在另一实施方式中，至少一些中空微球包括外部涂覆有镍、镍合金、铁或铁合金的层的中空聚合物基壁。并且，在又一实施方式中，至少一些中空微球包括外部涂覆有镍、镍合金、铁或铁合金的层的中空陶瓷基壁。此外，铁合金或镍合金构件可为发动机活塞、进气阀、排气阀、发动机缸体、发动机缸盖、排气管或涡轮增压器壳体，等等，并且金属前体设置层可以以在0.1μm到20μm范围内的厚度粘附到合适的位置。

所公开的用于形成热障涂层的方法的若干步骤可以通过特定的优选方式来执行。可以肯定的是，铁合金或镍合金构件以及接合至构件的表面的中空微球的层可以被加热以使这些实体烧结在一起，并由此通过加热微球和构件到低于前体设置层的固相线温度的温度持续一段时间来形成固态接合部，所述一段时间为至少直到金属前体设置层熔入中空微球的外层和铁合金或镍合金构件。例如，如果前体设置层为铜，则金属前体设置层的固相线温度和液相线温度为铜的熔融温度或1085℃。在这一点上，加热金属前体设置层到高于液相线温度包括加热金属前体设置层到高于1085℃，冷却金属前体设置层到低于固相线温度包括冷却金属前体设置层到低于1085℃，并且用于加热铁合金或镍合金构件和中空微球的层以使中空微球彼此烧结并且烧结至构件的表面的选项是加热中空微球的层和构件到在800℃至1085℃的范围内的温度。

在加热铁合金或镍合金构件和中空微球以使中空微球彼此烧结并且烧结至构件的表面之前，中空微球的附加层可以沉积在第一初始沉积层的顶部。为了沉积中空微球的第二层，形成热障涂层的方法还可以包括将第二金属前体设置层粘附到接合至铁合金或镍合金构件的表面的中空微球的层上。金属前体设置层再次可以为铜、铜合金或镍合金的层。接下来，中空微球定位成靠着构件，使得中空微球与覆盖在接合至构件的表面的中空微球的层上面的第二金属前体设置层接触。中空微球具有镍、镍合金、铁或铁合金的外层。第二金属前体设置层随后被加热至高于其液相线温度的温度，以熔融第二金属前体设置层，并润湿定位成与接合至构件的表面的中空微球的层相邻的中空微球的第二层，随后，冷却第二金属前体设置层到低于其固相线温度的温度，以固化第二金属前体设置层，并将中空微球的第二层接合至中空微球的层(其接合至构件的表面)。最终将未接合至第二金属前体设置层的任何中空微球移离构件。

中空微球的多于一个的附加层可以沉积在第一初始沉积层的顶部。实际上，上述关于沉积中空微球的第二层的另外步骤可以根据需要而重复多次，以将中空微球的附加层依次沉积在中空微球的第二层的顶部。一旦沉积中空微球的所有层，对铁合金或镍合金构件和中空微球的层进行加热以使中空微球彼此烧结并烧结至铁合金或镍合金构件的表面包括使所有依次施加的中空微球的层烧结在一起，并烧结至铁合金或镍合金构件的表面。

根据本公开内容的另一实施方式的在金属构件上形成热障涂层的方法包括若干步骤。第一，将中空微球的一个或多个层沉积到铁合金或镍合金构件的表面上。所述一个或多个层中的每一层的中空微球都具有镍、镍合金、铁或铁合金的外层，并且中空微球的所述一个或多个层中的每一层通过铜、铜合金或镍合金的金属前体设置层接合至铁合金或镍合金构件的表面或先前沉积的中空微球的层。第二，加热中空微球的所述一个或多个层以及铁合金或镍合金构件，以使中空微球彼此烧结，并且使其烧结至构件的表面，从而产生隔热层。以及第三，将不透气的密封层施加在隔热层上，以在铁合金或镍合金构件的表面上形成热障涂层。

将中空微球的第一层沉积到铁合金或镍合金构件的表面上可以包括：使金属前体设置层粘附到铁合金或镍合金构件的表面上，然后，将中空微球放置成与金属前体设置层接触，加热金属前体设置层到高于其液相线温度的温度以熔融金属前体设置层并润湿中空微球的层，冷却金属前体设置层到低于其固相线温度的温度以固化金属前体设置层并使中空微球的层接合到构件的表面上，以及将未接合至金属前体设置层的中空微球移离构件。只有中空微球的该第一层可以被沉积，或可替选地，中空微球的附加层可以沉积在第一层的顶部上。

类似地，将中空微球的每一附加层沉积到铁合金或镍合金构件的表面上可以包括：使另一金属前体设置层粘附到中空微球的先前沉积的层上，将中空微球放置成与另一金属前体设置层接触，加热另一金属前体设置层到高于其液相线温度的温度以熔融另一金属前体设置层并润湿定位成与中空微球的先前沉积的层相邻的中空微球的另一层，冷却另一金属前体设置层到低于其固相线温度的温度以固化另一金属前体设置层并使中空微球的另一层接合到中空微球的先前沉积的层上，以及将未接合至另一金属前体设置层的中空微球移离构件。

中空微球、由所沉积的中空微球的层形成的隔热层以及不透气的密封层可以被进一步限定。例如，中空微球的所述一个或多个层中的每一层中的中空微球可以包括(1)外部涂覆有镍、镍合金、铁或铁合金的层的玻璃基壁，(2)外部涂覆有镍、镍合金、铁或铁合金的层的聚合物基壁，或(3)外部涂覆有镍、镍合金、铁或铁合金的层的陶瓷基壁。此外，关于隔热层，其厚度可以在5μm到5mm的范围内，这取决于中空微球的大小以及沉积到构件的表面上的中空微球的层的数量。施加在隔热层上的不透气的密封层可以包含镍、不锈钢、镍基超级合金、钒、钼或钛。

在形成热障涂层的方法的一些实现方式中，将中空微球的每一层接合到铁合金或镍合金构件的表面或中空微球的先前施加的层的金属前体设置层包括铜。铜的液相线温度和固相线温度是相同的——即，1085℃。因此，当金属前体设置层的每一层包括铜时，用于加热铁合金或镍合金构件和中空微球的所述一个或多个层以使中空微球彼此烧结并烧结到铁合金或镍合金构件的表面上的选项是加热构件和中空微球的所述一个或多个层到在800℃至1085℃的范围内的温度。

附图说明

图1是示出了根据本公开内容的一个实施方式的形成在铁合金或镍合金构件上并覆盖铁合金或镍合金构件的热障涂层的理想截面图；

图2是示出了根据本公开内容的另一实施方式的形成在铁合金或镍合金构件上并覆盖铁合金或镍合金构件的热障涂层的理想截面图；

图3是示出了在使用图6至图8所示的金属前体设置层在中空微球的层的沉积期间定位在铁合金或镍合金构件上的中空微球中之一的截面图；

图4示出了在热障涂层形成在构件的表面上之前的铁合金或镍合金构件；

图5示出了具有粘附到构件的表面的金属前体设置层的铁合金或镍合金构件；

图6示出了定位在铁合金或镍合金构件上使得中空微球与金属前体设置层接触的中空微球；

图7示出了处于熔融状态并润湿定位成与铁合金或镍合金构件的表面相邻的中空微球的层的金属前体设置层；

图8示出了处于固化状态并在未接合中空微球已经从构件移离后将中空微球的层接合到铁合金或镍合金构件的表面上的金属前体设置层；

图9示出了根据本公开内容的一个实施方式的其中已经使中空微球彼此烧结并且烧结至铁合金或镍合金构件的表面以形成固态接合部的来自图8的中空微球的层；

图10示出了处于固化状态并将中空微球的第一层接合到铁合金或镍合金构件的表面上的第一金属前体设置层以及另外地处于固化状态并将中空微球的第二层接合到先前施加的中空微球的第一层上的第二金属前体设置层，其中所有未接合的中空微球已经从构件移离；

图11示出了根据本公开内容的一个实施方式的来自图10的中空微球的层，其中中空微球已经彼此烧结并且通过固态接合部烧结至铁合金或镍合金构件的表面；以及

图12为铜-锌相图，其中，左侧y轴为用摄氏度(℃)表示的温度，上x轴为重量百分比锌，并且下x轴为原子百分比锌。

具体实施方式

热障涂层可用于许多应用中，在这些应用中，需要对底层金属进行保护使其免受高温的影响和/或需要进行隔热以避免到周围环境的热损失。在本公开内容中，描述了一种热障涂层，其包括由中空微球的一个或多个层组成的隔热层，其中使中空微球的所述一个或多个层彼此烧结，并烧结至铁合金或镍合金构件的表面。中空微球和铁合金或镍合金构件的表面通过如下被烧结：其通过最初将中空微球的每个层接合在适当的位置的金属前体设置层的熔解产生的固态接合部被以冶金的方式接合在一起。由于与聚集体中的中空微球相关联的相对高的空隙体积，因此，隔热层呈现低的热导率和低的热容量，这在允许热障涂层的表面温度响应于其所暴露的热环境的变化而快速波动或摆动的同时，妨碍热量传递通过隔热层，并因此妨碍热量传递通过整个热障涂层。

图1至图2以理想化方式示出了根据本公开内容的包括隔热层12的热障涂层10。现在参照图1，整个热障涂层10形成在铁合金或镍合金构件16的表面14上并覆盖该表面。隔热层12包括中空微球20的一个或多个层18。这些层18的每一层都具有跨其约单个微球的长度和宽度的厚度22。该厚度22可以在或可以不在一定程度上变化，这取决于微球20相对于彼此的大小的变化。如在此图1所示，隔热层12可以为中空微球20的单层18。或者，在另一实施方式中，隔热层12可以由依次上下堆叠的中空微球20的多层18组成。中空微球20的多达五十层18可以堆叠在一起以形成隔热层12。热障涂层10还包括施加在隔热层12上的不透气的密封层24。

铁合金或镍合金构件16可以是经受侵蚀性热环境的各种对象中的任何一种，包括但不限于活塞、进气阀或排气阀、排气歧管、发动机缸体、发动机缸盖、排气管、涡轮增压器壳体或燃气轮机或航空发动机部件叶片，这仅作为几个具体示例。在汽车的情况下，铁合金或镍合金构件16典型地是车辆部件，其中覆盖表面14的热障涂层10暴露于燃烧气体产品，该燃烧气体产品可以具有高达1800℃的温度，其取决于发动机类型(例如，汽油、柴油等)和可燃空气/燃料混合物的组成(例如，浓、稀或者化学计量)。当然，除了汽车应用之外，热障涂层10可以应用于设计用于其他应用的多种构件。可以构成构件16的常见铁合金和镍合金的几个示例是430F、304和303不锈钢、M2和M50高速钢、铸铁(例如柴油机头)、铬镍铁合金(即，镍铬基超级合金家族)、哈司特镍合金(镍基超级合金家族)、以及其他超级合金。

中空微球20的一个或多个层18中的每一个包括在长度和宽度方向上展开以覆盖铁合金或镍合金构件16的表面14的指定区域的微球20。中空微球20的每个层18的厚度22可以取决于该层18中包括的单独微球20的直径而在5μm至250μm的范围内，或者更窄地在20μm至40μm的范围内，并且因此隔热层12的总体厚度可以在5μm至5mm的范围内。微球20彼此烧结以及通过固态接合部26烧结至铁合金或镍合金构件16的表面14。特别地，中空微球20可以被直接烧结到铁合金或镍合金构件16的表面14，这是微球20的层18定位成与所述表面14直接相邻的情况，或者它们可以通过烧结的中空微球20的其他中间层18间接烧结到表面14。

代表中空微球20和铁合金或镍合金构件16的烧结状态的固态接合部26源自金属前体设置层熔入到微球20自身中以及熔入到铁合金或镍合金构件16中。前体设置层可以包括铜、铜合金或镍合金(下面更详细地描述)。如此，合金28将微球20互连并且熔渗到铁合金或镍合金构件16中距表面14高达1mm的距离30。当仅围绕微球20布置时，合金系统28包括镍和最多50重量％的铜以及诸如锌和/或锡的其他潜在元素，并且可以另外包括来自接合部26的延伸到构件16中距离30的部分中的铁合金或镍合金构件16的元素。因此固态接合部26包括两个部分，其在构成上可以是相同的或者可以彼此不同同时仍然是不间断合金系统的一部分。

不透气的密封层24是覆盖并密封隔热层12而不暴露于热气体的高熔融温度薄膜层。密封层24具有典型地在1μm至20μm或更窄地从1μm至5μm的范围内的厚度32，并且提供热障涂层10的外表面34。外表面34可以是平滑的。在某些情况下，具有光滑的外表面34可能是理想的，以防止在热障涂层10上产生湍流气流，同时有助于确保密封层24的传热系数保持尽可能低。密封层24的材料被选择为使得层24可以容忍苛刻的热条件，但是仍然具有足够的弹性以抵抗断裂或破裂并且承受相对于下面的隔热层12的热膨胀/收缩。适用于密封层24的材料的一些值得注意的示例包括镍、不锈钢、镍基超级合金(例如铬镍铁合金、哈司特镍合金等)、钒、钼和钛。优选地，密封层24通过任何已知的薄膜沉积技术(包括例如电镀和物理或化学气相沉积)施加到隔热层12。

在图4至图11中示出了形成热障涂层10的方法，并且下面进一步详细描述。所公开的方法要求使用金属前体设置层40将中空微球38的一个或多个层36(图8和图10)沉积到铁合金或镍合金构件16的表面14上，以将每个层36接合铁合金或镍合金构件16的表面14(第一沉积层)或中空微球38的先前沉积的层36(每个附加的沉积层)。中空微球38包括镍、镍合金、铁或铁合金的外层。一旦沉积，中空微球38的层36和铁合金或镍合金构件16被加热，以将中空微球38彼此烧结，并且烧结到铁合金或镍合金构件16的表面14上，从而产生隔热层12。烧结过程使前体设置层40熔化到中空微球38的外层和铁合金或镍合金构件16中以形成固态接合部26。最终，在形成隔热层12之后，将不透气的密封层24施加在隔热层12上以形成热障涂层10。

在图4至图11所示的方法中使用的每个中空微球38的代表性描述示出在图3中。可以看出，中空微球38包括基壁44，基壁44外部涂覆有镍、镍合金、铁或铁合金的外层46。在优选的实施方式中，外层46包括镍或哈氏合金(例如，哈氏合金B、B2、C、C4、C276、F、G或G2)。基壁44优选包含玻璃、诸如丙烯腈共聚物(例如苯乙烯-丙烯腈共聚物)的聚合物、或诸如Al₂O₃-SiO₂的陶瓷(如市售产品Fillite中所包含的，其可从Tolsa USA公司(里诺，内华达州)购得)、以及没有具体提到的其他材料。外层46可以通过电镀、火焰喷涂、喷涂、无电电镀、物理或化学气相沉积或一些其他合适的技术从外部涂覆到基壁44上。基壁44可以具有范围从5μm至200μm或更窄地范围从20μm至60μm的内径48，并且还可以具有范围从0.1μm至5μm或更窄地范围从0.5μm到2μm的厚度50。镍、镍合金、铁或铁合金的外层46的厚度52可以在0.1μm至5μm的范围内，或者更窄地在0.5μm至2μm的范围内。考虑基壁44的尺寸和厚度以及周围外层46的厚度52，每个中空微球38可以具有在5μm至210μm范围内的直径58，或者更窄地在30μm到60μm的范围内。

现在参照图4，形成热障涂层10的方法包括提供铁合金或镍合金构件16，其表面14准备用于形成热障涂层10。表面14可以是宽的并覆盖全部或基本全部的铁合金或镍合金构件16，或者它可以仅是构件16的目标部分。另外，表面14可以具有简单或复杂的轮廓。例如，如上所述，表面14可以是：在内燃机内工作的活塞的任何表面；循环以分别打开和关闭内燃机的气缸盖中的进气口和排气口的进气阀或排气阀的任何表面；诸如燃烧圆顶区域的气缸盖的任何表面；排气歧管的任何表面；包括限定发动机气缸的表面的发动机缸体的任何表面；将来自排气歧管的由内燃机产生的排气引导通过车辆尾管的排气管的任何表面；涡轮增压器壳体的任何表面；或燃气涡轮机或航空发动机部件叶片的任何表面。可以被热障涂层10覆盖的这些和其他构件的最常见的表面是定期暴露于热燃烧气体产品的那些表面。

使用金属前体设置层40将中空微球38的初始或第一层36沉积到铁合金或镍合金构件16的表面14上。如图5所示，通过任何合适的技术将金属前体设置层40粘附到铁合金或镍合金构件16的表面14上。金属前体设置层40可以是(1)铜，(2)铜合金或(3)镍合金。铜合金优选地包含至少70重量％的铜，并且还可以包含其他合金组分，例如锌、锡或锌与锡的组合。镍合金优选地包括至少70重量％的镍，并且可以进一步包括其他合金成分，例如锌、锡、铜或者上述合金成分中的任意两种或全部三种的组合。铜和镍合金中的每一种可以包括没有具体列出的其他次要合金成分。

金属前体设置层40优选为铜或铜锌合金。当包括铜时，金属前体设置层40构成“商业纯铜”，例如任何非合金铜等级C10100至C13000，其通常包括至少99.9重量％的铜以及标称量的工业接受的杂质。当包括铜-锌合金时，金属前体设置层40构成二元铜-锌合金系统，连同标称量的工业上接受的杂质，使得其相行为由图12所示的相图表示。金属前体设置层40的这些特定示例可以通过电镀或物理或化学气相沉积粘附到铁合金或镍合金构件16的表面14上，并且可以具有0.1μm至20μm范围内——或者更窄地0.5μm至5μm的范围内——的厚度42，同时优选地不大于所使用的中空微球38的平均直径的一半。当金属前体层40包括上述任何其他铜合金或镍合金时，相同的粘附技术和厚度也是适用的。

在将金属前体设置层40粘附到适当的位置之后，将中空微球38的一部分定位成靠着铁合金或镍合金构件16，使得中空微球38接触前体设置层40，如图6所示。定位成靠着铁合金或镍合金构件16的中空微球38的量可以足以设置中空微球38的聚集体，其厚度比定位成靠着铁合金或镍合金构件16的单个微球38的平均直径厚数倍——例如厚两倍至数千倍。铁合金或镍合金构件16的表面14加上上面的金属前体设置层40可以具有足以将中空微球38保持在适当位置的轮廓，例如在此图6所示的凹陷表面轮廓。中空微球38也可以靠着铁合金或镍合金构件16被适当地支承。这种支承措施可以包括将构件16放置在比构件16自身稍大的模腔或其他类似结构中，使得中空微球38可以被装载并且保持在围绕构件16的空间中。作为另一选项，铁合金或镍合金构件16可以作为批处理操作的一部分与多个其他部件一起浸没在中空微球38的浴中。

然后将金属前体设置层40加热到高于其液相线温度的温度，以熔融金属前体设置层40，如图7所示。前体设置层40的液相线温度取决于层40的组成。例如，在图12所示的铜-锌相图中，液相线温度由附图标记60表示。可以看出，如果金属前体设置层40是铜，则设置层40的液相线温度60等于铜的熔点或1085℃。并且如果金属前体设置层40是铜-锌合金，则随着合金中锌的重量百分比的增加，设置层40的液相线温度60逐渐下降。可以肯定的是，图12所示的相图指示包含30重量％锌和余量铜的铜-锌合金具有约950℃的液相线温度。当金属前体设置层40处于熔融或液化状态时，其润湿定位成与铁合金或镍合金构件16的表面14相邻的中空微球38的层36。中空微球38的这种润湿在中空微球38和铁合金或镍合金构件16的表面14之间建立轻的粘附。为了充分润湿中空微球38的层36，可以将前体设置层40保持在熔融状态持续几秒到几分钟的时间段。

一旦中空微球38的层36被充分润湿，金属前体设置层40被冷却到低于其固相线温度的温度，以使金属前体设置层40从其先前的熔融或液化状态固化，如图8所示。像液相线温度一样，前体设置层40的固相线温度取决于层40的组成。再次参照图12所示的铜-锌相图，固相线温度由附图标记62表示。就此而言，如果金属前体设置层40是铜，则设置层40的固相线温度62等于铜的熔融温度或1085℃，因此与液相线温度相同。而如果金属前体设置层40是铜锌合金，则随着合金中锌的重量百分比的增加，设置层40的固相线温度62逐渐下降。可以肯定的是，图12所示的相图指示包含30重量％锌和余量铜的铜-锌合金具有约920℃的固相线温度。当金属前体设置层40从其熔融或液化状态冷却到固化状态时，其将中空微球38的层36接合到铁合金或镍合金构件16的表面14。存在于中空微球38的接合层36的顶部上的中空微球38的其余部分因此没有通过金属前体设置层40接合到构件16。

在金属前体设置层40固化之后，额外的未接合的中空微球38被从铁合金或镍合金构件16移离。可以通过将未接合的中空微球38倾倒离开表面14、摇动铁合金或镍合金构件16、从支承中空微球38的一部分靠着构件16的模具腔或浴室移除构件16、或用于将未接合的中空微球38与构件16分离的任何其他合适的技术来移离未接合的中空微球38。将未接合的中空微球38移离铁合金或镍合金构件16留下了中空微球38的层36，其接合到构件16的表面14。该剩余的接合层36在图8中示出。并且，类似于最终变成的中空微球20的层18，中空微球38的接合层36跨其长度和宽度上具有近似于单个微球38的厚度64，尽管这种厚度64可以根据微球38的尺寸的变化而变化也是如此；也就是说，接合层36在任何点处的厚度64约等于该位置处的中空微球38的直径58。

因此，在中空微球38的一部分的存在下，金属前体设置层40的熔融和固化起到将中空微球38的层36沉积到铁合金或镍合金构件16的表面14上的作用。在沉积中空微球38的层36之后，加热铁合金或镍合金构件16和中空微球38的层36以使中空微球38彼此烧结并且烧结至构件16的表面14，如图9所示。这可以包括将中空微球38的层36和构件16加热到低于金属前体设置层40(现在固化)的固相线温度的温度持续一段时间，至少直到金属前体设置层40通过固态颗粒扩散的方式整合并熔入中空微球38的外层46和铁合金或镍合金构件16中。例如，当金属前体设置层40为铜时，中空微球38的层36和构件16优选被加热到在800℃至1085℃的温度范围内持续从30分钟到24小时的时间段。在全部铜已经熔化之后，与该特定加热过程相关联的温度不再需要保持低于金属前体设置层40的固相线温度62。

由前体设置层40熔入到中空微球38的外层46和铁合金或镍合金构件16中发生的烧结将这些实体熔合在一起并形成图1所示和以上所讨论的固态接合部26。有若干种方式来实现这种烧结。例如，在一个实施方式中，中空微球38的层36以及构件16可以在烘箱或炉子中加热而不存在任何其他材料。可替选地，在另一实施方式中，陶瓷颗粒的层可以设置在中空微球38的层36的顶部上，以将层36支承靠着铁合金或镍合金构件16。除了陶瓷颗粒之外的其他支承材料也可以设置在中空微球38的层36上，只要所选择的支承材料能够承受必要的烧结温度而不与中空微球38反应或以其他方式干扰前体设置层40熔入中空微球38的外层46即可。

以上关于图4至图9的讨论集中于将中空微球38的单层36沉积到铁合金或镍合金构件16的表面14上，然后烧结该层36以向隔热层12提供通过固态接合部26熔合在一起的中空微球20的单层18，如图1所示。该方法的变型可以容易地实现，以提供具有通过固态接合部26熔合在一起的中空微球20的多个堆叠层18的隔热层12，如图2所示。可以肯定的是，如下面将要简要讨论的，在中空微球38的第一层36沉积到铁合金或镍合金构件16的表面14上之后，但在烧结之前，为了在第一层36的顶部上沉积中空微球38的相应数量的附加层36，可以重复图5至图8中所示的处理步骤。然后，在中空微球38的所有附加层36已经被沉积之后，通过图9中所示的处理步骤，将该组层36加热并烧结在一起。以产生隔热层12。

在图10至图11中示出了如何形成具有中空微球20的多个堆叠层18的隔热层12的示例。首先，如上面关于图4至图9所述，中空微球38的第一层36沉积在铁合金或镍合金构件16的表面14上。该第一层通过附图标记36′在图10中被更具体地标识。接下来，如图10所示，以与上述相同的方式将中空微球38的第二层36″沉积到中空微球38的第一层361上。更具体地，第二层36″的沉积包括：将第二金属前体设置层40粘附到中空微球38的第一层36′上；将中空微球38的一部分定位在铁合金或镍合金构件16上，使得中空微球38接触覆盖第一层36′的第二金属前体设置层40；加热和冷却第二金属前体设置层40以分别熔融并固化设置层40，从而将中空微球38的第二层36″接合到中空微球38的第一层36′；以及最后将非接合的中空微球38移离铁合金或镍合金构件16。这些处理步骤可以根据需要重复多次，以将中空微球38的附加层36依次添加和堆叠到第二层36″上，直到达到中空微球38的所需数量的层36。

然后如上所述加热中空微球38的多层36和铁合金或镍合金构件16，以将各层36中的中空微球38相互烧结并烧结到构件16上，从而将这些实体熔合在一起并形成固态接合部26，如图11所示。也就是说，中空微球38的多层36和构件16可以被加热到低于前体设置层40的固相线温度的温度持续一段时间，至少直到前体设置层40通过固态颗粒扩散的方式整合并熔入到中空微球38的外层46以及铁合金或镍合金构件16。并且，像之前一样，有几种方式来实现烧结，包括在烘箱或炉子中加热微球38的层36以及构件16，有或没有在中空微球38的层36上设置一层陶瓷颗粒或一些其他合适的材料作为支承机构。

不管隔热层12是否包括中空微球20的单层18还是中空微球20的多层18，不透气的密封层24被施加在隔热层12上以完成在铁合金或镍合金构件16上形成热障涂层10。如上所述，密封层24的厚度通常为1μm至20μm，并且优选地包含镍、不锈钢、镍基超级合金(例如铬镍铁合金、哈司特镍合金等)、钒、钼或钛。可以通过包括电镀和物理或化学气相沉积的各种薄膜沉积技术将这样的材料施加到隔热层12上。密封层24也可以与隔热层12分别地进行薄膜沉积，然后接下来被放置在隔热层12上并加热以将其固定。另外，密封层24可以单独地进行薄膜沉积，然后在烧结之前被放置在中空微球38的一个或多个层36上。以这种方式，加热中空微球38的一个或多个层36以及铁合金或镍合金构件16以将这些实体烧结在一起还用于加热密封层并将其固定到下面的隔热层12。不透气的密封层24可以是单个薄膜沉积层，或者可以是具有相同或不同组成的多个薄膜沉积层的组合。

以上对优选示例性实施方式和具体示例的描述本质上仅仅是描述性的；它们并不旨在限制所附权利要求的范围。除非在说明书中另有明确和清晰的陈述，否则所附权利要求中使用的每个术语都应该具有其普通和惯用的含义。

Claims (10)

1.一种在金属构件上形成热障涂层的方法，所述方法包括：

将金属前体设置层粘附到铁合金或镍合金构件的表面上，所述金属前体设置层为铜、铜合金或镍合金；

将中空微球相对于所述铁合金或镍合金构件定位，使得所述中空微球接触所述金属前体设置层，所述中空微球具有镍、镍合金、铁或铁合金的外层；

加热所述金属前体设置层到高于所述金属前体设置层的液相线温度的温度，以熔融所述金属前体设置层，并润湿定位成与所述铁合金或镍合金构件的表面相邻的中空微球的层；

冷却所述金属前体设置层到低于所述金属前体设置层的固相线温度的温度，以固化所述金属前体设置层，并将中空微球的所述层接合至所述铁合金或镍合金构件的所述表面；

将未被所述金属前体设置层接合的中空微球移离所述铁合金或镍合金构件；以及

加热所述铁合金或镍合金构件以及接合到所述铁合金或镍合金构件的所述表面的中空微球的所述层，以使所述中空微球彼此烧结并且烧结到所述铁合金或镍合金构件的所述表面，使得在中空微球的所述层与所述铁合金或镍合金构件的所述表面之间形成固态接合部。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在加热所述铁合金或镍合金构件以及中空微球的所述层以使所述中空微球彼此烧结并且烧结到所述铁合金或镍合金构件的所述表面之前，所述方法还包括：

(a)将第二金属前体设置层粘附到接合至所述铁合金或镍合金构件的所述表面的中空微球的所述层上，所述第二金属前体设置层为铜、铜合金或镍合金；

(b)将中空微球相对于所述铁合金或镍合金构件定位，使得所述中空微球接触覆盖在接合至所述铁合金或镍合金构件的所述表面的中空微球的所述层上的所述第二金属前体设置层，所述中空微球具有镍、镍合金、铁或铁合金的外层；

(c)加热所述第二金属前体设置层到高于所述第二金属前体设置层的液相线温度的温度，以熔融所述第二金属前体设置层，并润湿定位成与接合至所述铁合金或镍合金构件的所述表面的中空微球的所述层相邻的中空微球的第二层；

(d)冷却所述第二金属前体设置层到低于所述第二金属前体设置层的固相线温度的温度，以固化所述第二金属前体设置层，并将中空微球的所述第二层接合到接合至所述铁合金或镍合金构件的所述表面的中空微球的所述层；以及

(e)将未被所述第二金属前体设置层接合的中空微球移离所述铁合金或镍合金构件。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

重复步骤(a)至(e)以在中空微球的所述第二层的顶部上依次沉积另外的中空微球层。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属前体设置层是铜，并且其中，加热所述金属前体设置层到高于所述液相线温度包括加热所述金属前体设置层到高于1085℃，其中，冷却所述金属前体设置层到低于所述固相线温度包括：冷却所述金属前体设置层冷却到低于1085℃，并且其中，加热所述铁合金或镍合金构件和中空微球的所述层以将所述中空微球彼此烧结并且烧结到所述铁合金或镍合金构件的所述表面包括：加热中空微球的所述层和所述铁合金或镍合金构件到800℃至1085℃的范围内的温度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铁合金或镍合金构件是发动机活塞、进气阀、排气阀、发动机缸体、发动机缸盖、排气管或涡轮增压器壳体。

6.一种在金属构件上形成热障涂层的方法，所述方法包括：

将中空微球的一个或多个层沉积到铁合金或镍合金构件的表面上，中空微球的所述一个或多个层中的每一层的中空微球具有镍、镍合金、铁或铁合金的外层，并且其中，中空微球的所述一个或多个层的每一层通过铜、铜合金或镍合金的金属前体设置层接合到所述铁合金或镍合金构件的所述表面或中空微球的先前沉积的层；

加热中空微球的所述一个或多个层和所述铁合金或镍合金构件以将所述中空微球彼此烧结并且烧结到所述铁合金或镍合金构件的所述表面以由此产生隔热层；以及

在所述隔热层上施加不透气的密封层，以在所述铁合金或镍合金构件的所述表面上形成热障涂层。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，将中空微球的第一层沉积到所述铁合金或镍合金构件的表面上包括：

将金属前体设置层粘附到所述铁合金或镍合金构件的所述表面上；

将中空微球布置成与金属前体设置层接触；

加热所述金属前体设置层到高于前体设置层的液相线温度的温度，以熔融所述前体设置层，并润湿中空微球的层；

冷却所述前体设置层到低于所述前体设置层的固相线温度的温度，以固化所述前体设置层，并将中空微球的所述层接合至所述铁合金或镍合金构件的所述表面；以及

将未被所述金属前体设置层接合的中空微球移离所述铁合金或镍合金构件。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，沉积中空微球的每个另外层包括：

将另一金属前体设置层粘附到中空微球的先前沉积的层上；

将中空微球布置成与所述另一金属前体设置层接触；

加热所述另一金属前体设置层到高于所述另一金属前体设置层的液相线温度的温度，以熔融所述另一金属前体设置层，并润湿定位成与中空微球的所述先前沉积的层相邻的中空微球的另一层；

冷却所述另一金属前体设置层到低于所述另一金属前体设置层的固相线温度的温度，以固化所述另一金属前体设置层，并将中空微球的所述另一层接合至中空微球的所述先前沉积的层；以及

将未被所述另一金属前体设置层接合的中空微球移离所述铁合金或镍合金构件。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，中空微球的所述一个或多个层中的每一层的中空微球包括：(1)外部涂覆有镍、镍合金、铁或铁合金的层的玻璃基壁，(2)外部涂覆有镍、镍合金、铁或铁合金的层的聚合物基壁，或(3)外部涂覆有镍、镍合金、铁或铁合金的层的陶瓷基壁。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，将中空微球的每个层接合到所述铁合金或镍合金构件的所述表面或中空微球的先前施加的层的所述金属前体设置层包含铜，并且其中，加热所述铁合金或镍合金构件和中空微球的所述一个或多个层以将所述中空微球彼此烧结并且烧结到所述铁合金或镍合金构件的表面包括：

加热所述铁合金或镍合金构件和中空微球的所述一个或多个层到在800℃至1085℃的范围内的温度。

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