CN108707853A - 增强气缸孔机械特性的激光重熔 - Google Patents

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Abstract

提供一种发动机缸体、汽车结构以及涂覆发动机气缸的发动机气缸孔的内表面的方法。该方法包括提供内孔基底，该内孔基底限定发动机气缸孔的内表面，且该内孔基底由第一材料形成。该方法进一步包括将热喷涂层设置到发动机气缸孔的内表面上。热喷涂层由第二材料形成，该第二材料不同于第一材料。该方法还包括在执行将热喷涂层设置到发动机气缸孔的内表面上的步骤之后利用激光器来熔融热喷涂层的至少一部分。汽车结构和发动机缸体具有基底和激光器重熔部段，该基底由热喷涂层覆盖，且这些激光器重熔部段将该涂层锚固于基底。

Description

增强气缸孔机械特性的激光重熔
技术领域
本发明涉及具有沉积在基底上的热喷涂层的发动机缸体和汽车部件以及用于涂覆发动机气缸孔的内表面基底的方法。
背景技术
热喷涂是这样一种涂覆工艺，该涂覆工艺将通过燃烧或者电气等离子体或电弧而加热且通常熔融的材料施加于诸如发动机的气缸孔的基底。相对于诸如电镀、溅射以及物理和气相沉积的其它涂覆工艺，该工艺能够将相对较厚涂层施加在较大面积之上。
通常，影响热喷涂层的坚固性和耐久性的最为显著因素是热喷涂层和表面之间的粘结部强度。早在热喷涂材料已实际磨损之前，不良粘结部就可能导致热喷涂层有时以相对较大片、开裂或剥落，而强固粘结部导致热喷涂层是下层表面的一体且不可缺少的部件。在热喷涂层和孔的内表面之间实现良好粘结部是制造商面对的其中一个挑战。
此外，即使一开始实现可接受的粘结部，热喷涂层仍需能够在许多发动机循环上维持可工作条件。然而，发动机缸体和气缸孔的内表面自身的基础材料可随着时间挠曲、尤其是在气缸的打开端部处并且在高温条件下。在这些条件下，热喷涂层可能开裂或破裂，这也会缩短气缸上热喷涂层的寿命。
发明内容
本发明提供一种汽车结构，例如发动机缸体的气缸孔，其具有热喷涂层和多个激光器重熔部段，该热喷涂层沉积在基底上，且该多个激光器重熔部段提供基底和热喷涂层之间的锚固和强度。还公开用于施加热喷涂层和激光器重熔部段的相关联方法。界面材料可设置在基底和热喷涂层之间，以提供激光器重熔部段和基底之间的改进粘附。
在可与这里公开的其它形式组合或分开的一种形式中，提供产生汽车发动机的发动机气缸孔的方法。该方法包括提供内孔基底，该内孔基底限定发动机气缸孔的内表面，其中，内孔基底由第一材料形成。该方法进一步包括将热喷涂层设置到发动机气缸孔的内表面上，以使得内表面上的活塞行进通路的基本上整体由热喷涂层覆盖。热喷涂层由第二材料形成，该第二材料不同于第一材料。该方法还包括在执行将热喷涂层设置到发动机气缸孔的内表面上的步骤之后利用激光器来熔融热喷涂层的至少一部分。
在可与这里公开的其它形式组合或分开的另一形式中，提供发动机缸体，该发动机缸体包括基部缸体，该基部缸体包括多个气缸，每个气缸均限定具有内表面的气缸孔。热喷涂层设置在每个气缸孔的内表面上，以使得每个内表面上的活塞行进通路的基本上整体由热喷涂层覆盖。热喷涂层具有多个激光器重熔部段，该多个激光器重熔部段提供热喷涂层与每个气缸孔的内表面的锚固。
在可与这里公开的其它形式组合或分开的又一形式中，提供用在汽车应用中的结构。该结构包括金属基底和热喷涂层，该金属基底基本上由第一材料构成，且该热喷涂层设置在金属基底上。热喷涂层基本上由第二材料形成，该第二材料不同于第一材料。热喷涂层具有多个激光器重熔部段，该多个激光器重熔部段提供热喷涂层与金属基底的锚固。
还可提供附加的特征，包括但不限于以下：其中利用激光器熔融热喷涂层的至少一部分的步骤包括熔融热喷涂层的多个部段，以形成多个激光器重熔部段，同时允许热喷涂层的至少一部分保持未被激光器熔融；每个激光器重熔部段形成热喷涂层和基底之间的扩散粘结部；每个激光器重熔部段具有热影响区域，该热影响区域与基底形成粘结部；基部缸体由第一材料形成，且热喷涂层由不同于第一材料的第二材料形成；界面材料在基底和热喷涂层之间设置到基底上；界面材料由第三材料形成，该第三材料与第一材料和第二材料中的每一个均不同；第三材料具有比第一材料和第二材料中的每一个更低的熔点；第一材料基本上由铝构成；第二材料基本上由钢构成；第三材料基本上由以下的至少一种构成：锌、铜、镍和锡；以及其中，每个激光器重熔部段均设置成邻近于热喷涂层的保持未被激光器熔融的一部分。
又一些方面、优点以及可应用领域从这里提供的描述中变得显而易见。应理解的是，描述和特定示例仅仅旨在说明的目的并且并不旨在限制本发明发的范围。
附图说明
这里描述的附图仅仅用于说明的目的并且并不旨在以任何方式限制本发明的范围。此外，附图在这里在本质上是适宜性的并且无需按比例绘制或者代表所示出元件之间的距离或关系。
图1是根据本发明原理的内燃机缸体的示意立体图，该内燃机缸体具有多个气缸孔，且该附图具有气缸孔的气缸孔壁基底的放大视图；
图2是根据本发明原理的沿着图1的剖线2-2剖取的图1中示出的气缸孔壁基底的一部分的放大示意剖视图；
图3A是根据本发明原理的图1中示出的其中一个气缸孔的侧视图，以示出气缸孔壁基底；
图3B是根据本发明原理的图1中示出的其中一个气缸孔的侧视图，以示出气缸孔壁基底的另一变型；
图4是根据本发明原理的图1的其中一个气缸孔的剖视图，以示出设置在气缸孔中的活塞；
图5是根据本发明原理的图1中示出的气缸孔壁基底的一部分的另一变型的放大示意剖视图，这还可理解成是沿着图1的剖线2-2剖取的；
图6是根据本发明原理的图1中示出的气缸孔壁基底的一部分的又一变型的放大示意剖视图，这还可理解成是沿着图1的剖线2-2剖取的；并且
图7是说明根据本发明原理提供的产生汽车发动机的发动机气缸孔的方法的框图。
具体实施方式
以下描述在本质上仅仅是示例性的并且并不旨在限制本发明、应用或使用。
参照图1，说明内燃机缸体，且该内燃机缸体总地由附图标记10指代。发动机缸体10通常包括多个气缸12和诸如汽缸盖、轴、歧管和罩盖(所有均未说明)的用于接纳和固定部件的其它特征件，这些气缸具有内部气缸孔14、多个凸缘16以及用于带螺纹紧固件的开口18。
图1的右侧示出气缸孔14的放大图示。气缸孔14包括基底，该基底可以是铝发动机缸体10的内表面或者诸如铁套筒的套筒的表面，该套筒已安装在气缸孔14中。因此，气缸孔14具有内表面基底或壁19。在任一情形中，如果期望的话，气缸孔14的内表面基底19的表面光洁度可以是机械地粗糙化或激活的机加工轮廓。
应意识到的是，虽然结合内燃机10的气缸孔14进行说明(这是尤为有益地)，但本发明提供益处并且等同地且容易地与汽车结构的其它圆柱形表面一起使用，这些圆柱形表面例如是液压气缸的壁和诸如暴露于滑动摩擦力的平面轴承之类的平坦表面。
现参照图2，气缸孔14的一部分的放大剖视图示意地说明气缸孔14的内表面基底19的激活表面的表面纹理20。在该情形中，说明燕尾状表面纹理20，单应理解的是，也可使用其它表面纹理，或者可省略表面纹理，而不会落在本发明的范围和精神以外。在一些示例中，借助示例，表面纹理20可具有约50至约250μm的深度。
参照图2和3A，在该变型中，热喷涂层26形成在每个气缸孔14的内表面基底19上，其中，热喷涂层26粘附于内表面基底19(包括粘附于表面轮廓20)。图3A是气缸孔14的内部在热喷涂层26的表面上的视图。通常，热喷涂层26在珩磨之后可在约150μm的量级上，并且通常在从约130μm至约175μm的范围内。然而，一些应用可需要具有更大或更小厚度的热喷涂层26。热喷涂层26可由钢或钢合金、其它金属或合金、陶瓷或适合于产品的维护条件的任何其它热喷材料形成，并且可由诸如等离子、爆震、丝电弧、火焰或适合于所施加的基底和材料的HVOF的多种热喷工艺的任何一种来施加。
多个激光器重熔部段28通过激光机形成在热喷涂层26中。在热喷涂层26已施加于内表面基底19之后，形成激光器重熔部段28。激光器重熔部段28设置成用于改进热喷涂层26与每个气缸孔14的内表面基底19的锚固。激光器重熔部段28可增大热喷涂层26中的轴向和环箍强度以及耐磨性。此外，有益的油保持凹穴或通道30可借助激光器重熔部段28形成在热喷涂层26的表面上。
激光器重熔部段28说明为圆形的并且具有交错图案的点激光器重熔部段(参见图3A)，但应理解的是，激光器重熔部段28可具有任何图案或者可形成在热喷涂层26的整体之上。例如，激光器重熔部段28可制造成单根线，该单根线通过使得激光器光束以任何期望图案沿着热喷涂层26移动而形成。在所说明的示例中，激光器重熔部段28由未被激光器影响且未被熔融的未熔融部分32分开。换言之，每个激光器重熔部段28均设置成邻近于热喷涂层26的保持未被激光器熔融的一部分32。借助示例，激光器重熔部段28的点尺寸可比1mm小得多，例如是50μm。
图3B示出激光器重熔部段28A的另一变型。激光器重熔部段28A说明为激光器重熔部段28A的格形网络，这形成与基底19的显著锚固量。激光器重熔部段28A可制造成多根线，该多根线通过使得激光器光束以十字形图案或者以任何其它图案沿着热喷涂层26移动而形成，以形成激光器重熔部段28A的连接网络。在所说明的示例中，激光器重熔部段28A由未被激光器影响且未被熔融的未熔融部分32A分开，该未熔融部分形成菱形未熔融区域。未熔融部分32A可替代地具有任何其它形状，例如圆形形状。
在图2和3A-3B的示例中，热喷涂层26的激光器重熔部段28、28A与内表面基底19形成扩散粘结部34。借助示例，每个扩散粘结部均可具有在约100μm量级上的深度t。激光器重熔部段28可例如使用激光器光束形成，从而产生扩散粘结部34，其在热喷涂层26和气缸孔14的内表面基底19之间的两侧上具有原子共享。激光器重熔可在热喷涂层26和内表面基底19之间的粘结部区域34处产生最小扩散、开裂和热影响区域。激光器重熔部段28(或28A)可例如通过引起内表面基底19的抵抗变形的增大高温蠕变强度、增大拉伸和屈服强度、由于较高弹性模量的增大刚度以及较小热膨胀来向气缸孔14增加强度，以控制气缸孔14在操作期间的尺寸和形状。
借助示例，发动机缸体10、包括气缸孔14的内表面基底19可由基本上由铝构成的铝合金形成。借助示例，热喷涂层26可由基本上由钢构成的钢或钢合金形成。
现参照图4，每个气缸12均具有设置在其中的活塞36，该活塞构造成借助发动机曲柄轴(未示出)在气缸12内移动。一个气缸12的一个发动机燃烧循环可包括四个冲程：进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程以及排气冲程。在进气冲程期间，活塞36下降至最底部位置，且空气和燃料可提供给气缸12。最底部位置可称为下死点(BDC)位置，其中，活塞36最接近气缸12的打开端部38。在压缩冲程期间，曲柄轴驱动活塞36朝向最顶部位置，由此压缩气缸12内的空气/燃料混合物。最顶部位置可称为上死点(TDC)位置。在发动机燃烧循环期间，活塞36沿着气缸孔14的内表面基底19在BDC和TDC之间行进长度d，以限定活塞行进通路。如上所述，油可沿着活塞行进通路润滑活塞36并且经过由激光器重熔部段28形成的油凹穴30。每个内表面基底19上活塞行进通路的基本上整体均由热喷涂层26覆盖。
现参照图5，说明激光器重熔部段的另一变型，且这些激光器重熔部段大体以128指示。剩余特征、包括活塞孔14、内壁基底19以及热喷涂层26可与上文已参照图1-4描述的相同。图5是气缸12的剖视图，该气缸类似于图2的气缸。
小热影响区域(HAZ)140可围绕激光器重熔部段128的每个。(上文描述的激光器重熔部段28还可具有未示出的小热影响区域(HAZ))。在该变型中，虽然激光器重熔部段128自身并不接触内表面基底19，但热影响区域(HAZ)140可接触内表面基底19，以在热影响区域(HAZ)140和内表面基底19之间形成诸如原子粘结部的粘结部142。因此，热影响区域(HAZ)140通过与内表面基底19形成粘结部142来将热喷涂层26锚固于气缸孔14的内表面基底19。
热影响区域(HAZ)140可允许热喷涂层26和铝基底19之间的更多原子润湿(类似于铜焊)，且并非是如图2中所说明的激光器重熔连结部34那样的明显扩散区域。例如，在图2中，激光器重熔通过扩散粘结在热喷涂层26和铝基底19之间产生粘合，其中，在粘结部34处的材料之间形成新的化合物或者发生混合。在图5的示例中，来自激光器的热影响区域(HAZ)140仅仅产出足够的热量以产生类似于铜焊的润湿效应，其中，实现原子粘结而不会产生明显的扩散区域。
现参照图6，气缸12的另一变型包括气缸孔214，该气缸孔具有内表面基底219和带有激光器重熔部段228的热喷涂层226。并未因不同而描述的任何特征可类似于上文参照图1-5中任一个所描述的特征。图6是气缸12的剖视图，该气缸类似于图2和5的气缸。内表面基底219可具有表面轮廓220，该表面轮廓比上文在图2和5中示出的燕尾状表面轮廓20较为简单。
气缸12具有界面材料244，该界面材料设置在每个气缸孔214的内表面基底219和热喷涂层226之间。界面材料244由如下材料形成：该材料不同于用于形成基底219的材料并且不同于用于形成热喷涂层226的材料。
界面材料244用于增强形成在热喷涂层226和基底219之间、尤其是在激光器重熔部段228处的粘结部242。例如，界面材料244可类似于用在焊接或铜焊中的助焊材料通过产生熔融区域而便于形成粘结部242。为此，界面材料244可例如由如下材料形成：该材料具有比用于基底219和热喷涂层226的材料两者均低的熔点。在一些形式中，界面材料244可由如下材料形成：该材料基本上由锌、铜、镍、锡或其组合构成。界面材料244可通过浸渍、通过热喷涂或者以任何其它合适的方式水性地施加。
热影响区域(HAZ)240可存在于每个激光器重熔部分228周围并且类似于如上所述的热影响区域(HAZ)140起作用。例如，热影响区域(HAZ)240可有助于进一步借助界面材料244在热喷涂层226和基底219之间形成粘结部242。
虽然热影响区域(HAZ)140、240仅仅在图5和6中示出，但应理解的是，小热影响区域(HAZ)也会存在于图2的变型中，且此种热影响区域(HAZ)也会产生图2中形成在内表面基底19和热喷涂层26之间的粘结部。
现参照图7，说明产生汽车发动机的发动机气缸孔(例如上文描述的发动机气缸孔14、214)的方法，且该方法总地以300指示。方法300包括提供内孔基底的步骤302，该内孔基底限定发动机气缸孔的内表面，其中，内孔基底由第一材料形成。例如，如上所述，气缸孔14、214可设置成具有由铝合金制成的基底19、219。
方法300进一步包括将热喷涂层26、226设置到发动机气缸孔14、214的内表面19、219上的步骤304，以使得内表面19、219上的活塞行进通路的基本上整体由热喷涂层26、226覆盖。热喷涂层26、226由第二材料形成，该第二材料不同于第一材料。例如，如上文所解释的是，热喷涂层26、226可由钢合金形成。
方法300接下来包括在执行将热喷涂层设置到发动机气缸孔的内表面上的步骤304之后利用激光器来熔融热喷涂层的至少一部分的步骤306。步骤306可包括熔融热喷涂层的多个部段以形成多个激光器重熔部段28、128、228，由此允许热喷涂层的至少一部分保持未被激光器熔融。
熔融步骤306可导致在每个激光器重熔部段处在热喷涂层和内孔基底之间形成扩散粘结部；或者在另一变型中，熔融步骤306可导致在每个激光器重熔部段128的热影响区域140和内孔基底19之间形成粘结部。
在一些变型中，方法300可进一步包括将界面材料、例如图6中示出的界面材料244沉积到内孔基底219和热喷涂层226之间的内孔基底219上。界面材料244会较佳地由如下材料形成：该材料不同于内孔基底219和热喷涂层226两者的材料。例如，第三材料可具有比喷涂层226和基底219的材料更低的熔点，并且第三材料可基本上由锌、铜、镍或锡或其组合构成。
方法300可进一步包括附加的可选步骤，例如激活基底19、219以实现后续施加的热喷涂层26、226和基底19、219之间的更佳粘合。例如，激活可包括使用工具来移除材料而将凹槽机加工到内表面基底19、219中或者从该内表面基底中移除材料，以产生基础表面轮廓。方法300能可选地包括例如在机加工基底19、219之后对气缸孔14、214进行冲洗。
方法300还可包括如下可选的步骤：执行辅助粗糙化程序、例如水喷射或其它机械操作，以完成沿着基底19、219的长度的表面轮廓20、220。然而，应注意的是，激光器重熔和/或界面材料244的使用可减轻对此类深度激活程序的一些必要性，因为激光器重熔和界面材料244提供热喷涂层26、226与基底19、219的更佳锚固。因此，在其它变型中，可消除一些或所有表面激活程序。
激光器的使用可产生等离子体、蒸发一些材料和/或产生材料的新金属混合物。虽然在室温下执行，激光器熔融/重熔的实际点下的温度可例如是2000摄氏度，或者在高于用于基底和热喷涂层的材料(例如，铝和钢)的熔点的任何温度下。因此，借助示例，激光器可在基底19和热喷涂层26之间的局域化粘结部34处或者在粘结部142处引起金属间混合。
可使用各种不同类型的激光器光束，例如高斯激光器光束，脉冲或连续的光束，以及适合于在不蒸发材料的情形下产生粘结部的具有任何期望功率或形状的光束。
该描述在本质上仅仅是示例性的，且变型旨在落在本发明的范围内。这里示出的示例能以各种方式组合，而不会落在本发明的精神和范围以外。这些变型并不被认为偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种产生汽车发动机的发动机气缸孔的方法，所述方法包括：
提供内孔基底，所述内孔基底限定所述发动机气缸孔的内表面，且所述内孔基底由第一材料形成；
将热喷涂层设置到所述发动机气缸孔的所述内表面上，以使得所述内表面上的活塞行进通路的基本上整体由所述热喷涂层覆盖，所述热喷涂层由第二材料形成，所述第二材料不同于所述第一材料；以及
在执行将所述热喷涂层设置到所述发动机气缸孔的所述内表面上的步骤之后利用激光器来熔融所述热喷涂层的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，利用所述激光器熔融所述热喷涂层的至少一部分的步骤包括熔融所述热喷涂层的多个部段，以形成多个激光器重熔部段，同时允许所述热喷涂层的至少一部分保持未被所述激光器熔融。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，利用所述激光器熔融所述热喷涂层的至少一部分的步骤包括在每个激光器重熔部段处在所述热喷涂层和所述内孔基底之间形成扩散粘结部。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，利用所述激光器熔融所述热喷涂层的至少一部分的步骤包括在每个激光器重熔部段的热影响区域(HAZ)和所述内孔基底之间形成原子粘结部，而不会在所述热喷涂层和所述内孔基底之间形成明显的扩散粘结部。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括在所述内孔基底和所述热喷涂层之间将界面材料沉积到所述内孔基底上，所述界面材料由第三材料形成，所述第三材料不同于所述第一材料和所述第二材料中的每一个，其中，所述第三材料具有比所述第一材料和所述第二材料中的每一个更低的熔点。
6.一种发动机缸体，包括：
基部缸体，所述基部缸体包括多个气缸，每个气缸限定具有内表面的气缸孔；
热喷涂层，所述热喷涂层设置在每个气缸孔的所述内表面上，以使得每个内表面上的活塞行进通路的基本上整体由所述热喷涂层覆盖，且所述热喷涂层具有多个激光器重熔部段，以提供所述热喷涂层与每个气缸孔的所述内表面的锚固，且所述基部缸体由第一材料形成，且所述热喷涂层由不同于所述第一材料的第二材料形成，其中，每个激光器重熔部段设置成邻近于所述热喷涂层的保持未被激光器熔融的一部分。
7.根据权利要求6所述的发动机缸体，进一步包括设置在每个气缸孔的所述内表面和所述热喷涂层之间的界面材料，所述界面材料由第三材料形成，所述第三材料不同于所述第一材料和所述第二材料中的每一个，其中，所述第三材料具有比所述第一材料和所述第二材料中的每一个更低的熔点。
8.一种用在汽车应用中的结构，所述结构包括：
金属基底，所述金属基底基本上由第一材料构成；
热喷涂层，所述热喷涂层设置在所述金属基底上，且所述热喷涂层基本上由不同于所述第一材料的第二材料构成，且所述热喷涂层具有多个激光器重熔部段，以提供所述热喷涂层与所述金属基底的锚固。
9.根据权利要求8所述的结构，其中，所述热喷涂层的每个激光器重熔部段与所述金属基底形成扩散粘结部。
10.根据权利要求9所述的结构，进一步包括界面材料，所述界面材料设置在所述金属基底和所述热喷涂层之间，且所述界面材料由第三材料形成，所述第三材料具有比所述第一材料和所述第二材料中的每一个更低的熔点。
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