CN108474097B - 隔热的钢制活塞顶和使用陶瓷涂层的制造方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于柴油发动机的活塞。该活塞包括施加到由钢制成的活塞顶上的热障涂层。首先将一层金属结合材料施加到活塞顶的燃烧表面上，然后是包括金属结合材料和陶瓷材料的混合物的梯度结构，接着是一层陶瓷材料。该陶瓷材料包括氧化铈、氧化铈稳定的氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆和由另一种氧化物稳定的氧化锆中的至少一种。通过热喷涂工艺或HVOF来施加热障涂层。该热障涂层具有基于热障涂层总体积的2％体积至25％体积的孔隙率，小于1毫米的厚度，和小于1.00W/m·K的导热率。

Description

隔热的钢制活塞顶和使用陶瓷涂层的制造方法

相关申请的交叉引用

本美国实用专利申请要求2015年11月20日提交的美国临时专利申请No.62/257,993和2016年11月17日提交的美国实用专利申请No.15/354,001的权益，这些专利申请的全部内容通过引用结合于本文中。

发明背景

1.发明领域

本发明一般涉及用于内燃机的活塞，包括用于柴油机的隔热活塞，及其制造方法。

2.相关技术

现代重型柴油发动机正在排放和燃油经济性立法下被朝向提高的效率推动。为了实现更高的效率，发动机必须在更高的峰值压力下和在更高的温度下运行。在这些增加的需求下，通过燃烧室的热损失成为问题。通常，约4％至6％的可用燃料能量作为通过活塞进入冷却系统的热而损失掉。提高发动机效率的一种方法是通过涡轮复合从热的燃烧气体中提取能量。例如，通过涡轮复合可以从热废气中提取约4％至5％的燃料能量。

提高发动机效率的另一种方法包括，通过使活塞顶绝缘来减少冷却系统的热损失。包括陶瓷材料的绝缘层是使活塞绝缘的一种方式。一种选择包括，将金属结合层施加到活塞的金属主体部分，然后施加陶瓷层。然而，这些层是不连续的，并且陶瓷本质上是多孔的。因此，燃烧气体可以穿过陶瓷并开始氧化在陶瓷/结合层界面处的金属结合层，导致随着时间的推移形成脆弱的边界层和潜在的涂层失效。此外，相邻层之间的热膨胀系数的不匹配以及陶瓷的脆性性质，产生了脱层和剥落的风险。

另一个例子是由氧化钇稳定的氧化锆形成的热喷涂层。当这种材料单独使用时，可能会因为柴油内燃机中的热效应和化学侵蚀而出现不稳定。而且，还发现，厚的陶瓷涂层，例如大于500微米(比如1毫米)厚的陶瓷涂层，易于产生裂纹和失效。

尽管文献中记载了40多年的用于活塞的热涂层研发，但是迄今为止还没有成熟且具有成本效益的已知产品。还发现，用于喷气发动机涡轮机的典型航空涂层不适用于发动机活塞，因为与所施加的热应力的高周期性质相关联的原料和沉积成本。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种活塞，该活塞包括由金属形成的主体部分，该主体部分包括呈现燃烧表面的活塞顶。热障涂层被施加到活塞顶，并且具有从燃烧表面延伸到暴露表面的厚度。热障涂层包括金属结合材料和陶瓷材料的混合物；并且，热障涂层中存在的陶瓷材料的量从燃烧表面到暴露表面增加。

本发明的另一方面提供了一种制造活塞的方法。该方法包括，将热障涂层施加到由金属形成的活塞顶的燃烧表面上。热障涂层具有从燃烧表面延伸到暴露表面的厚度，并且热障涂层包括金属结合材料和陶瓷材料的混合物。将热障涂层施加到燃烧表面上的步骤包括，从燃烧表面到暴露表面，增加陶瓷材料相对于金属结合材料的量。

附图的简要说明

本发明的其它优点将是容易理解的，因为当参考连同附图一起考虑的以下详细描述时，可以更好地理解本发明的其它优点，在附图中：

图1是根据本发明的一个示例性实施例的包含通道(gallery-containing)的柴油发动机活塞的透视截面图，该柴油发动机活塞包括施加到活塞顶的热障涂层；

图1A是施加到图1的活塞顶的热障涂层的一部分的放大视图；

图2是根据本发明的另一示例性实施例的包括施加到活塞顶的热障涂层的无通道(galleryless)的柴油机发动机活塞的透视截面图；

图3示出了根据一示例性实施例的在施加热障涂层之前包括倒角边缘的活塞顶的一部分；

图4是根据一示例性实施例的在施加热障涂层之前包括倒角边缘的活塞顶的一部分的侧视图；

图5公开了热障涂层的示例成分；和

图6是显示了设置在钢制活塞顶上的热障涂层的示例的截面图。

示例性实施例的描述

本发明的一个方面提供了一种活塞20，其具有用于内燃机、例如重型柴油机的热障涂层22。热障涂层22减少了冷却系统的热损失，从而提高了发动机效率。与用于将活塞隔热的其它涂层相比，热障涂层22也更具成本效益且更稳定，并且更不易受化学侵蚀的影响。

图1中示出了根据一个示例性实施例的包括热障涂层22的活塞20的示例。该示例性活塞20设计用于重型柴油发动机中，但是，热障涂层22也可以应用于其它类型的活塞以及暴露于内燃机燃烧室的其它部件。在该示例性实施例中，活塞20包括由金属材料(特别是钢)形成的主体部分26。用于形成主体部分26的钢可以是，例如AISI4140级或微合金38MnSiVS5。用于形成主体部分26的钢不包含磷酸盐，并且，如果在主体部分26的表面上存在任何磷酸盐，则在施加热障涂层22之前去除该磷酸盐。主体部分26围绕中心轴线A延伸，并且沿着中心轴线A从上端28纵向地延伸到下端30。活塞主体部分26还包括从上端28朝向下端30围绕中心轴线A周向地延伸的活塞顶32。在图1的实施例中，活塞顶32连接到主体部分26的其余部分，在这种情况下通过焊接来连接。

活塞20的活塞顶32在上端28处限定燃烧表面34，该燃烧表面34直接暴露于热气体，并且因此在内燃机中使用活塞20期间暴露于高温和高压。在该示例性实施例中，燃烧表面34包括从平坦的外缘延伸的燃烧碗，燃烧表面34包括位于中心轴线A的顶点。活塞20的活塞顶32还限定了至少一个环槽36，其位于外径表面并且围绕中心轴线A周向地延伸，用于接收至少一个环(未示出)。通常，活塞20包括两个或三个环槽36。多个环台(ring land)38邻近各环槽36设置，并将环槽36彼此间隔开并且与燃烧表面34间隔开。

在图1的示例中，活塞28包括冷却通道24，冷却通道24在活塞顶32与主体部分26的其余部分之间围绕中心轴线A周向地延伸。在该实施例中，活塞顶32包括与中心轴线A间隔开的上肋42，并且主体部分26的相邻部分包括与中心轴线A间隔开的下肋44。上肋42焊接到下肋44上以形成冷却通道24。在这种情况下，肋42,44被摩擦焊接在一起，但是肋42,44也可以使用其它的方法连接。冷却通道24可以包含冷却流体，以在内燃机中使用活塞20期间从热的活塞顶32中散热。此外，冷却流体或油可以被喷射到冷却通道24中或沿着活塞顶32的内表面喷射，以在内燃机中使用期间降低活塞顶24的温度。

如图1所示，活塞20的主体部分26还包括一对销凸台46，它们围绕中心轴线A彼此间隔开并且从活塞顶32悬垂到下端30。各销凸台46限定了销孔48，用于接收活塞销(wristpin)，该活塞销可用于将活塞20连接到连杆。主体部分26还包括一对裙部54，它们将销凸台46围绕中心轴线A彼此间隔开，并且从活塞顶32悬垂到下端30。

根据图2中所示的另一示例性实施例，活塞20的主体部分26是无通道的活塞。该无通道的活塞20包括呈现上燃烧表面34的活塞顶32，上燃烧表面34直接暴露于包含在内燃机缸膛内的燃烧室的燃烧气体。在该示例性实施例中，燃烧表面34包括位于中心轴线A处的顶点。环槽36和环台38从燃烧表面34悬垂下来，并且沿着活塞20的外径周向地延伸。无通道的活塞20还包括销凸台46，它们围绕中心轴线A彼此间隔开并且从活塞顶32悬垂到下端30。各销凸台46限定销孔48，用于接收可用来将活塞20连接到连杆的活塞销。主体部分26还包括裙部54，裙部54将销凸台46围绕中心轴线A彼此间隔开，并且从活塞顶32悬垂到下端30。无通道的活塞20的整个主体部分26通常被锻造或铸造成一个整体。

图2所示活塞20的活塞顶内表面35形成在活塞顶32的下侧上，与燃烧表面34直接相对，并且处于环槽36的径向内侧。活塞顶内表面35是位于燃烧碗的直接相对侧(或称“正对面”)的表面。活塞顶内表面35在此被限定为当从底部直接观察活塞20时可见的表面，不包括任何销孔48。从活塞20的下侧看，活塞顶内表面35也是敞开地暴露的，并且它不受密封的或封闭的冷却通道的限制。

换句话说，当从底部观察活塞20时，自身呈现的表面是上活塞顶32的活塞顶内表面35，而不是例如冷却通道的底板。由于活塞20是“无通道的”，因此直接暴露于活塞顶内表面35的空腔底部未被覆盖并且是从下方开放的。与传统的通道式活塞不同，无通道的活塞20缺少通常用于在活塞顶内表面35正下方的区域或空间中捕集一定量的冷却油的底板或平台(ledges)。本活塞20的活塞顶内表面35是有意地且完全地开放的，并且其暴露被最大化。

与具有密封的或封闭的冷却通道的相当的活塞相比，活塞20的活塞顶内表面35也具有更大的总表面积(沿着该表面轮廓的三维面积)和更大的投影表面积(在平面图中看去是平面的二维面积)。沿活塞20下侧的这个开放区域提供直接够到油喷溅的途径或从曲轴箱内直接地喷溅到活塞顶内表面35上的途径，从而允许整个活塞顶内表面35可以被来自曲轴箱内的油直接地溅到，同时还允许油在活塞销周围自由地飞溅，并且进一步显著地降低活塞20的重量。因此，尽管没有典型的封闭或部分封闭的冷却通道，但是，无通道的活塞20的大体开放式构造允许对活塞顶内表面35的最佳冷却和对销孔48内的活塞销的润滑，而同时减少油在燃烧碗附近的表面上的停留时间，这是一定量的油保持在该表面上的时间。活塞顶内表面35的二维和三维表面积通常是最大化的，从而可以改善通过油喷溅或从曲轴箱向上喷射到暴露表面上造成的冷却，从而导致活塞20的优异的冷却。

如图1所示，热障涂层22被涂覆到燃烧表面34上和活塞20的至少一个环台38上，以减少到燃烧室的热量损失，从而提高发动机的效率。在该示例性实施例中，热障涂层22被涂覆到与所述燃烧表面34直接相邻的最上面的环台38上。除了活塞20之外，热障涂层22还可以施加到活塞20的其它部分上，并且可选地涂覆到暴露于燃烧室的其它部件，比如衬套表面、阀门和汽缸盖。热障涂层22通常被设置在与喷油嘴、燃料羽流(fuel plumes)或来自热图测量结果的图案(patterns)的位置对准和/或相邻的位置，以便改变沿着活塞顶32的热区域和冷区域。

热障涂层22被设计用于暴露于燃烧室的苛刻条件下。例如，热障涂层22可以被应用于经受大的振荡热循环的柴油发动机活塞。这种活塞经历极冷的启动温度，并且在与燃烧气体接触时可高达700℃的温度。每次燃烧事件的温度循环为每秒大约15到20次，或者更多。此外，每次燃烧循环都会出现高达250至300巴的压力波动。

热障涂层22的一部分由陶瓷材料50形成，该陶瓷材料特别是至少一种氧化物，例如氧化铈，氧化铈稳定的氧化锆，氧化钇稳定的氧化锆，氧化钙稳定的氧化锆，氧化镁稳定的氧化锆，由另一种氧化物稳定的氧化锆，和/或它们的混合物。陶瓷材料50具有低的导热率，例如小于1W/m·K。当氧化铈用于陶瓷材料50中时，热障涂层22在柴油发动机的高温、高压和其它苛刻条件下更稳定。陶瓷材料50的包含氧化铈的成分也使得热障涂层22比其它陶瓷涂层更不易受化学侵蚀，当单独使用时，其可能在燃烧柴油的发动机中因热效应和化学侵蚀而变得不稳定。在这样的热和化学条件下，氧化铈和氧化铈稳定的氧化锆在这样的热和化学条件下更稳定。氧化铈的热膨胀系数与用于形成活塞主体部分26的钢材料的热膨胀系数相似。氧化铈在室温下的热膨胀系数为10E-6至11E-6，钢在室温下的热膨胀系数为11E-6至14E-6，相似的热膨胀系数有助于避免热失配，这种热失配会产生应力裂纹。

通常，热障涂层22包括陶瓷材料50，其量为基于热障涂层22的总体积的70％体积(体积百分比)至95％体积。在一个实施例中，用于形成热障涂层22的陶瓷材料50包括基于陶瓷材料总重量的90至100％重量的氧化铈。在另一个示例性实施例中，陶瓷材料50包含氧化铈稳定的氧化锆，其量为基于陶瓷材料50总重量的90至100％重量。在另一个示例性实施例中，陶瓷材料50包含氧化钇稳定的氧化锆，其量为基于陶瓷材料50总重量的90至100％重量。在又一个示例性实施例中，陶瓷材料50包含氧化铈稳定的氧化锆和氧化钇稳定的氧化锆，其总量为基于陶瓷材料50总重量的90至100％重量。在另一个示例性实施例中，陶瓷材料50包含氧化镁稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆和/或由另一种氧化物稳定的氧化锆，其量为基于陶瓷材料50总重量的90至100％重量。换句话说，其中的任何氧化物可以单独地使用或者以基于陶瓷材料50总重量的90至100％重量的量组合使用。在陶瓷材料50不是完全地由氧化铈、氧化铈稳定的氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆和/或另一种氧化物稳定的氧化锆组成的情况下，陶瓷材料50的剩余部分通常由其它氧化物和化合物组成，例如氧化铝，氧化钛，氧化铬，氧化硅，锰或钴化合物，氮化硅，和/或功能材料如颜料或催化剂。例如，根据一个实施例，将催化剂添加到热障涂层22中以使燃烧改性。还可以将彩色化合物加入热障涂层22。根据一个示例性实施例，热障涂层22是棕褐色的，但也可以是其它颜色，比如为蓝色或红色。

根据一个实施例，其中陶瓷材料50包含氧化铈稳定的氧化锆，陶瓷材料50包含基于陶瓷材料50中氧化铈稳定的氧化锆的总量的20％重量至25％重量的氧化铈和75％重量至80％重量的氧化锆。或者，陶瓷材料50可包括最多3％重量的氧化钇，并且氧化锆的量相应地减少。在该实施例中，氧化铈稳定的氧化锆以标称粒度为11微米-125微米的颗粒形式提供。优选地，90％重量的氧化铈稳定的氧化锆颗粒具有小于90微米的标称粒度，50％重量的氧化铈稳定的氧化锆颗粒具有小于50微米的标称粒度，并且10％重量的氧化铈稳定的氧化锆颗粒的标称粒度小于25微米。

根据另一示例性实施例，其中陶瓷材料50包含氧化钇稳定的氧化锆，陶瓷材料50包含基于在陶瓷材料50中氧化钇稳定的氧化锆的量的7％重量至9％重量的氧化钇和91％重量至93％重量的氧化锆。在该实施例中，氧化钇稳定的氧化锆以标称粒度为11微米至125微米的颗粒形式提供。优选地，90％重量的氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有小于109微米的粒度，50％重量的氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有小于59微米的粒度，10％重量的氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有小于28微米的粒度。

根据另一示例性实施例，其中陶瓷材料50包含氧化铈稳定的氧化锆和氧化钇稳定的氧化锆的混合物，陶瓷材料50包含基于陶瓷材料50中存在的混合物总量的5％重量至95％重量的氧化铈稳定的氧化锆和5％重量至95％重量的氧化钇稳定的氧化锆。在该实施例中，氧化铈稳定的氧化锆以标称粒度为11微米-125微米的颗粒形式提供。优选地，90％重量的氧化铈稳定的氧化锆颗粒的具有小于90微米的粒度，50％重量的氧化铈稳定的氧化锆颗粒具有小于50微米的粒度，10％重量的氧化铈稳定的氧化锆颗粒具有小于25微米的粒度。氧化钇稳定的氧化锆还以标称粒度为11微米至125微米的颗粒形式提供。优选地，90％重量的氧化钇颗粒的粒度小于109微米，50％重量的氧化钇稳定的氧化锆颗粒的粒度小于59微米，10％重量的氧化钇稳定的氧化锆颗粒的粒度小于28微米。当陶瓷材料50包含氧化铈稳定的氧化锆和氧化钇稳定的氧化锆的混合物时，在总共100％重量的混合物中，通过将5％重量至95％重量的氧化铈稳定的氧化锆添加到余量的氧化钇稳定的氧化锆中，来形成陶瓷材料。

根据又一个示例性实施例，其中陶瓷材料50包括氧化钙稳定的氧化锆，陶瓷材料50包括4.5％重量至5.5％重量的氧化钙，和91.5％重量的氧化锆，余量由陶瓷材料50中的其它氧化物组成。在该实施例中，氧化钙稳定的氧化锆以标称粒度范围为11微米至90微米的颗粒形式提供。优选地，氧化钙稳定的氧化锆颗粒含有最大7％重量且粒度大于45微米的颗粒，最多65％重量的颗粒小于45微米。

根据又一示例性实施例，其中陶瓷材料50包含氧化镁稳定的氧化锆，陶瓷材料50包含15％重量至30％重量的氧化镁，余量由氧化锆组成。在该实施例中，氧化镁稳定的氧化锆以标称粒度为11微米至90微米的颗粒形式提供。优选地，15％重量的氧化镁稳定的氧化锆颗粒具有小于88微米的粒度。

其它氧化物或氧化物的混合物可用来稳定陶瓷材料50。该其它氧化物或氧化物的混合物的量通常为5％重量至38％重量，并且稳定的陶瓷材料50的标称粒度范围是1微米至125微米。

通常，控制陶瓷材料50的孔隙率，以降低热障涂层22的导热率。当使用热喷涂方法来施加热障涂层22时，陶瓷材料56的孔隙率通常为基于陶瓷材料50总体积的小于25％体积(即，体积百分比)，例如2％体积至25％体积，优选5％体积至15％体积，更优选为8％体积至10％体积。然而，如果使用真空方法来施加热障涂层22，那么孔隙率通常为基于陶瓷材料50总体积的小于5％体积。整个热障涂层22的孔隙率通常为基于热障涂层22的总体积的大于5％体积至25％体积，优选5％体积至15％体积，最优选8％体积至10％体积。热障涂层22的孔隙通常集中在陶瓷区域中。热障涂层22的孔隙率有助于降低热障涂层22的导热率。

热障涂层22也以梯度结构51来施加，以避免不连续的金属/陶瓷界面。换句话说，梯度结构51避免了界限分明的界面。因此，热障涂层22在使用期间不太可能剥离。通过首先将金属结合材料52施加到活塞主体部分26，然后是金属结合材料52和陶瓷材料50的混合物，然后是陶瓷材料50，这样来形成热障涂层22的梯度结构51。

金属结合材料52的成分可以与用于形成活塞主体部分26的粉末(例如钢粉末)相同。或者，金属结合材料52可包括高性能的超合金，例如用于喷气式涡轮机涂层的那些。根据示例性实施例，金属结合材料52包括选自下列项组成的组中的至少一种合金或由其构成：CoNiCrAlY,NiCrAlY,NiCr,NiAl,NiCrAl,NiAlMo和NiTi。热障涂层22通常包括金属结合材料52，其量为基于热障涂层22总体积的5％体积至33％体积，更优选为10％体积至33％体积，最优选为20％体积至33％体积。金属结合材料52以粒度为-140目(<105微米)，优选-170目(<90微米)，更优选-200目(<74微米)，最优选-400目(<37微米)的颗粒形式提供。根据一个示例性实施例，金属结合材料52的厚度范围为从30微米到1毫米。金属结合材料52的厚度极限由金属结合材料52的粒度决定。通常，优选采用低厚度来降低热障涂层22的脱层风险。

梯度结构51通过从100％金属结合材料52逐渐过渡至100％陶瓷材料50而形成。热障涂层22包括施加到主体部分26的金属结合材料52，随后增加陶瓷材料50的量和减少金属结合材料52的量。梯度结构51的过渡函数可以是线性的，指数的，抛物线的，高斯的，二项式的，或者可以遵循将成分平均值与位置相关联的另一方程式。

热障涂层22的最上部分完全由陶瓷材料50形成。梯度结构51有助于减轻通过热失配积聚的应力，并减轻在陶瓷材料50和金属结合材料52的界面处形成连续的弱的氧化物边界层的趋势。

根据一个实施例，如图1A所示，直接施加到活塞20的燃烧表面34和/或环台38上的热障涂层22的最下部分由金属结合材料52组成。通常，热障涂层22的整个厚度的5％至20％由100％金属结合材料52形成。另外，热障涂层22的最上部分可以由陶瓷材料50组成。例如，热障涂层22的整个厚度的5％至50％可以由100％的陶瓷材料50形成。热障涂层22的从100％金属结合材料52连续过渡到100％陶瓷材料50的梯度结构51位于它们之间。通常，热障涂层22的整个厚度的30％至90％由梯度结构51形成。在图5中公开了热障涂层22的包含氧化铈稳定的氧化锆(CSZ)、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)和金属结合材料(图中简写为“结合材料”)的示例成分。也可以是，热障涂层22的整个厚度的10％至90％由金属结合材料52的层形成，热障涂层22的厚度的高达80％由梯度结构51形成，并且热障涂层22的整个厚度的10％至90％由陶瓷材料50的层形成。图6是截面视图，显示了设置在活塞顶32上的热障涂层22的示例。

以其原始被喷涂的形式，热障涂层22通常具有小于15微米的表面粗糙度Ra，和不大于≤110微米的表面粗糙度Rz。可以使热障涂层22平滑化。可以将至少一个附加金属层，金属结合材料52的至少一个附加层，或者至少一个其它层，施加到热障涂层22的最外表面上。当施加一个或多个附加层时，由附加材料形成的最外表面也可以具有小于15微米的表面粗糙度Ra，和不大于≤110微米的表面粗糙度Rz。粗糙度可通过将燃料捕获在涂层表面的空腔中来影响燃烧。通常希望的是，避免涂覆的表面比本文所述的示例更粗糙。

热障涂层22具有低的导热率，以减少通过热障涂层22的热流。通常，厚度小于1毫米的热障涂层22的导热率小于1.00W/m·K，优选小于0.5W/m·K，最优选的是不大于0.23W/m·K。热障涂层22的比热容取决于所使用的具体成分，但通常在40至700℃的温度下为480J/kg·K到610J/kg·K。热障涂层22的低导热率是通过陶瓷材料50的相对高的孔隙率实现的。由于热障涂层22的成分和低导热率，就可以减小热障涂层22的厚度，这就降低了裂纹或剥落的风险，同时相对于更大厚度的可比涂层而言实现了相同的隔热水平。应注意到，热障涂层22的有利的低导热率是没有被预料到的。当热障涂层22的陶瓷材料50包含氧化铈稳定的氧化锆时，导热率特别低。

由于存在于热障涂层22中的梯度结构51和用于形成活塞20主体的金属的成分，热障涂层22的结合强度也得以增加。当根据ASTMC633测试时，具有0.38毫米厚度的热障涂层22的结合强度通常为至少2000psi。

具有梯度结构51的热障涂层22可以跟具有两个层结构的可比涂层相比，该可比涂层通常不如具有梯度结构51的热障涂层22成功。该可比涂层包括施加到金属基底上的金属结合层，接着是具有通过涂层的不连续界面的陶瓷层，在这种情况下，燃烧气体可以穿过多孔陶瓷层，并且可以在陶瓷结合层的界面处开始氧化结合层。氧化导致形成弱边界层，这损害了涂层的性能。

但是，具有梯度结构51的热障涂层22可提供许多优点。热障涂层22被施加到燃烧表面34并且可选地施加到活塞20的环台38，以减少通过活塞20的热流。相对于在燃烧表面34或环台38上没有热障涂层22的相同活塞而言，热流减少至少50％。通过减少通过活塞20的热流，更多的热量就保留在发动机产生的排气中，从而提高发动机效率和性能。

已经发现，本发明的热障涂层22很好地粘结到钢制活塞主体部分26上。然而，为了额外的机械锚固，活塞20的涂覆有热障涂层22的表面通常没有半径小于0.1毫米的任何边缘或特征。换句话说，活塞20的涂覆有热障涂层22的表面优选地没有任何尖锐的边缘或转角。

根据一个示例性实施例，活塞20包括在燃烧表面34与最上面的环台38之间沿着活塞顶32的外径表面机加工的断开的边缘或倒角56，如图3和4所示。倒角56允许热障涂层22在燃烧表面34的边缘上蠕变并径向地锁定到活塞20的活塞顶32。或者，可沿着活塞顶32的燃烧表面34和/或环台38机加工至少一个凹坑、凹槽或圆边。这些特征有助于避免热喷涂层22中的应力集中，并避免可能导致涂层失效的尖角或边缘。机加工的凹坑或凹槽也将涂层22机械锁定就位，这再次降低了脱层失效的可能性。

本发明的另一方面提供一种制造涂覆的活塞20的方法，该涂覆的活塞20用于内燃机，例如柴油发电机中。通常由钢制成的活塞主体部分26可以根据各种不同的方法制造，例如锻造或铸造。该方法还可包括，将活塞顶32焊接到活塞主体部分26的下部。如上所述，活塞20可包括各种不同的设计。在将热障涂层22施加到主体部分26上之前，必须去除位于将要涂覆热障涂层22的表面上的任何磷酸盐或其它材料。

该方法接下来包括，将热障涂层22施加到活塞20上。热障涂层22可以施加到活塞20的整个燃烧表面34，或仅施加到燃烧表面34的一部分。陶瓷材料50和金属结合材料52以颗粒或粉末的形式提供。所述的颗粒可以是空心的球，喷雾干燥的，喷雾干燥并烧结的，溶胶-凝胶的，熔融的和/或压碎的。除了燃烧表面34之外，或者作为替代，可以将热障涂层22施加到环台38上或环台38的一部分上。在该示例性实施例中，该方法包括，通过热或动力学方法施加金属结合材料52和陶瓷材料50。根据一个实施例，使用热喷涂技术，例如等离子喷涂，火焰喷涂或电弧喷涂来形成热障涂层22。高速氧-燃料(HVOF)喷涂是动力学方法的优选示例，其能够给出更致密的涂层。也可以采用将热障涂层22施加到活塞28的其它方法。例如，热障涂层22可以通过真空方法施加，例如物理气相沉积或化学气相沉积。根据一个实施例，HVOF用于将金属结合材料52的致密层施加到活塞顶32，并且使用诸如等离子喷涂的热喷涂技术来施加梯度结构51和陶瓷材料50的层。而且，梯度结构51可以通过在施加等离子喷涂涂层的同时改变双粉末进料器的进料率(feed rates)来进行。

示例性方法开始于以基于被喷涂材料总重量的100％重量的量喷射金属结合材料52，并且以0％重量的量喷射陶瓷材料50。在整个喷涂过程中，被添加到成分中的陶瓷材料50的量增加，同时金属结合材料52的量减少。因此，热障涂层22的成分从活塞主体部分26处的100％金属结合材料52逐渐地变化到在暴露表面58处的100％陶瓷材料50。通常使用多个粉末进料器来施加热障涂层22，并且可以调节它们的进料率以实现梯度结构51。在热喷涂工艺期间来实现热障涂层22的梯度结构51。

热障涂层22可以施加到整个燃烧表面34和环台38或其一部分上。在施加热障涂层22的步骤期间，可以掩蔽主体部分26的未涂覆区域。掩模可以是在被涂覆区域附近施加的可重复使用和去除的材料。掩模也可用于在热障涂层22中引入图形。另外，在施加热障涂层22之后，对涂层边缘进行共混处理，并且减少尖锐转角或边缘以避免高应力区域。

如图1A所示，热障涂层22具有从燃烧表面34延伸到暴露表面58的厚度t。根据示例性实施例，热障涂层22被施加的总厚度不大于1毫米，或不大于0.7毫米，优选不大于0.5毫米，最优选不大于0.380毫米。该总厚度t优选地包括热障涂层22的总厚度，并且也包括施加到热障涂层22的最上表面的任何附加层或密封剂层。但是，当使用附加层时，厚度t可能更大。厚度t可以在活塞20的整个表面上是均匀的，但通常厚度t沿着活塞20的表面变化。在活塞20的某些区域中，例如在等离子枪的荫蔽(shadow)所在的位置，热障涂层22的厚度t可以低至0.020毫米至0.030毫米。在活塞20的其它区域中，例如在燃烧表面34的顶点或与燃料喷射器对齐和/或邻近的区域，热障涂层22的厚度t增加。例如，该方法可包括，通过固定活塞主体部分26防止旋转，在一条直线上使用扫描枪，和改变喷射的速度，而将活塞主体部分26相对于燃料羽流对准在特定位置；或者，可使用其它技术来施加热障涂层22，以便在活塞体部分26的不同区域上调节热障涂层22的厚度t。

此外，可以将具有相同或不同成分的多于一层(例如5-10层)的热障涂层22施加到活塞20上。此外，除了热障涂层22之外，还可以将具有其它成分的涂层施加到活塞20上。

根据一个示例性实施例，在热障涂层22上施加附加的金属层，例如电镀镍层，以提供密封来对抗燃料吸收，防止热生长氧化物，并防止陶瓷材料50的化学降解。该附加的金属层的厚度优选为1至50微米，如果存在附加的金属层，则可以增加热障涂层22的孔隙率。或者，可以在热障涂层22的陶瓷材料50之上施加金属结合材料52的附加层。

在施加热障涂层22之前，将活塞顶32的表面在溶剂中进行清洗，以去除污染物。接下来，该方法典型地包括，去除半径小于0.1毫米的任何边缘或特征。该方法还可以包括，形成断开的边缘或倒角56，或者另一有助于将热障涂层22机械锁定到活塞主体部分26并减小活塞活塞顶32中的应力上升的特征。这些特征可以通过机加工形成，例如通过车削、铣削或任何其它适当的方式。该方法还可以包括，在施加热障涂层22之前对活塞主体部分26的表面进行喷砂处理，以改善热障涂层22的粘附力。

在将热障涂层22施加到活塞主体部分26上之后，可以对涂覆的活塞20进行研磨，以去除表面粗糙并获得光滑的表面。该方法还可包括在热障涂层22的表面上形成标记，以便在市场中使用活塞20时，识别涂覆的活塞20。形成标记的步骤通常涉及用激光重熔热障涂层22。根据其它实施例，在热障涂层22上施加石墨、热涂料或聚合物的附加层，如果使用聚合物涂层，则聚合物在活塞20于发动机中使用期间烧掉。该方法可以包括额外的组装步骤，例如清洗和干燥，添加防锈剂以及包装。涂覆的活塞28的任何后处理必须与热障涂层22相容。

显然，鉴于以上教导，本发明的许多修改和变化是可能的，并且可以与特定描述不同地实施。

Claims (18)

1.一种活塞，包括：由金属形成的主体部分；

所述主体部分包括呈现燃烧表面的活塞顶；

热障涂层，其被施加到所述活塞顶并具有从所述燃烧表面延伸到暴露表面的厚度；

其中，

所述热障涂层包括：

直接施加到所述活塞顶的所述燃烧表面上的金属结合材料的层；

直接施加到所述金属结合材料的层上的梯度结构，其中所述梯度结构包括所述金属结合材料和陶瓷材料的混合物，所述梯度结构中存在的所述陶瓷材料的量从所述燃烧表面朝向所述暴露表面连续地增加；以及

直接施加到所述梯度结构上并延伸到所述暴露表面的所述陶瓷材料的层；

所述热障涂层具有小于0.5W/m·K的导热率。

2.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述陶瓷材料的孔隙率为基于所述陶瓷材料的总体积的2％体积至25％体积。

3.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述热障涂层的所述厚度小于1毫米。

4.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述热障涂层的所述陶瓷材料包括下列中的至少一种：氧化铈，氧化铈稳定的锆，氧化钇稳定的氧化锆，氧化钙稳定的氧化锆，氧化镁稳定的氧化锆，和由其他氧化物稳定的氧化锆。

5.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述陶瓷材料由氧化铈稳定的氧化锆组成。

6.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述热障涂层的所述厚度的5％至20％由所述金属结合材料的层组成；

所述热障涂层的所述厚度的5％至50％由所述陶瓷材料的所述层构成。

7.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述金属结合材料包括选自下列组的至少一种合金：CoNiCrAlY，NiCrAlY，NiCr，NiAl，NiCrAl，NiAlMo，和NiTi。

8.根据权利要求1所述的活塞，其中，施加所述热障涂层的所述活塞顶的所述燃烧表面没有任何半径小于0.1毫米的特征。

9.根据权利要求1所述的活塞，其中，施加到所述燃烧表面上的所述热障涂层具有根据ASTMC633测试为至少2000psi的结合强度。

10.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述热障涂层施加到所述燃烧表面的第一部分上，并且未施加到所述燃烧表面的第二部分上，并且所述热障涂层沿着所述第一部分具有不大于0.380毫米的厚度。

11.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述主体部分由钢形成，所述主体部分不包括磷酸盐，并且在施加所述热障涂层的所述活塞顶的所述燃烧表面上不存在磷酸盐；

所述活塞顶从所述主体部分的上端向下端围绕中心轴线周向地延伸；

所述活塞顶的所述燃烧表面包括从外缘延伸的燃烧碗，所述燃烧碗包括在所述中心轴线处的顶点；所述活塞顶包括位于外径表面并围绕所述中心轴线周向地延伸的环槽；

所述活塞顶包括环台，其使所述环槽彼此间隔开并且与所述燃烧表面间隔开；

施加所述热障涂层的所述活塞顶的所述燃烧表面没有任何半径小于0.1毫米的特征，或者，所述活塞顶包括从所述燃烧表面延伸到位于所述燃烧表面附近的所述环台之一的倒角；

所述主体部分包括一对销凸台，所述一对销凸台围绕所述中心轴线彼此间隔开并且从所述活塞顶悬垂到所述下端，各所述销凸台限定销孔；

所述主体部分包括一对裙部，所述一对裙部将所述销凸台围绕所述中心轴线彼此间隔开并从所述活塞顶悬垂到所述下端；

所述热障涂层被施加到至少一个所述环台，包括直接相邻于所述燃烧表面定位的环台；

所述热障涂层的所述陶瓷材料包括下列中的至少一种：氧化铈，氧化铈稳定的氧化锆，氧化钇稳定的氧化锆，氧化钙稳定的氧化锆，氧化镁稳定的氧化锆，和由其他氧化物稳定的氧化锆；所述陶瓷材料具有基于所述陶瓷材料总体积的2％体积至15％体积的孔隙率；

所述热障涂层包括基于所述热障涂层总体积的70％体积至95％体积的量的所述陶瓷材料；

所述金属结合材料包括选自下列组的至少一种合金：CoNiCrAlY，NiCrAlY，NiCr，NiAl，NiCrAl，NiAlMo，和NiTi；

所述热障涂层包括基于所述热障涂层总体积的5％体积到33％体积的量的所述金属结合材料；

所述热障涂层包括直接施加到所述活塞顶的所述燃烧表面上的所述金属结合材料的层，并且所述热障涂层的所述厚度的5％至20％由所述金属结合材料的层构成；

所述热障涂层包括直接施加到所述金属结合材料的所述层上的梯度结构，所述热障涂层的所述厚度的30％至90％由所述梯度结构构成，所述梯度结构包括所述金属结合材料和所述陶瓷材料的所述混合物，所述梯度结构中存在的所述陶瓷材料的量从第一层朝向所述暴露表面连续地增加；

所述热障涂层包括直接施加到所述梯度结构上并延伸到所述暴露表面的所述陶瓷材料的层，所述热障涂层的所述厚度的5％至50％由所述陶瓷材料的所述层构成；

所述热障涂层的所述厚度不大于0.7毫米；

所述热障涂层的所述暴露表面具有小于15微米的表面粗糙度Ra，和不大于110微米的表面粗糙度Rz；

所述热障涂层在40至700℃的温度下具有480J/kg·K到610J/kg·K的比热；

施加到所述燃烧表面上的所述热障涂层具有根据ASTMC633测试为至少2000psi的结合强度。

12.一种制造活塞的方法，包括：

将热障涂层施加到由金属形成的活塞顶的燃烧表面上，所述热障涂层具有从所述燃烧表面延伸到暴露表面的厚度；和

将所述热障涂层施加到所述燃烧表面上的所述步骤包括，从所述燃烧表面到所述暴露表面增加陶瓷材料相对于金属结合材料的量；

其中，

所述热障涂层包括：

直接施加到所述活塞顶的所述燃烧表面上的所述金属结合材料的层；

直接施加到所述金属结合材料的层上的梯度结构，其中所述梯度结构包括所述金属结合材料和所述陶瓷材料的混合物，所述梯度结构中存在的所述陶瓷材料的量从所述燃烧表面朝向所述暴露表面连续地增加；以及

直接施加到所述梯度结构上并延伸到所述暴露表面的所述陶瓷材料的层；

所述热障涂层具有小于0.5W/m·K的导热率。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，通过热喷涂技术施加所述热障涂层。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述热障涂层的至少一部分通过高速氧-燃料(HVOF)喷涂施加。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述陶瓷材料在施加到所述燃烧表面之前以颗粒的形式提供，并且所述陶瓷材料的颗粒具有11微米至125微米的标称粒度；所述金属结合材料在施加到所述燃烧表面之前以颗粒的形式提供，并且所述金属结合材料的颗粒具有小于105微米的标称粒度。

16.根据权利要求12的方法，其中，所述热障涂层具有基于所述热障涂层总体积的2％体积至25％体积的孔隙率。

17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述热障涂层的厚度小于1毫米。

18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述热障涂层的所述陶瓷材料包括下列中的至少一种：氧化铈，氧化铈稳定的氧化锆，氧化钇稳定的氧化锆，氧化钙稳定的氧化锆，氧化镁稳定的氧化锆，和由其他氧化物稳定的氧化锆。

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