CN109385595A - 用于改进热喷涂粘附的协同作用 - Google Patents
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Abstract
一种涂布发动机缸膛的内表面的方法包括清洁该表面以除去碳，导致该表面最大具有30原子％的碳，对该表面进行纹理化处理以实现至少100％的显影界面面积比以及将该表面加热到100摄氏度到200摄氏度之间。然后将热喷涂层粘附到该表面。在一些情况下，需要在热喷涂层上刮擦25+牛顿的力以从该表面除去该热喷涂层。当该涂层涂覆于以下项时，实现最大的粘附强度：1)加热后表面，其具有2)至少100％的Sdr和3)在该表面上的最多20原子％的碳。当这三个标准全部存在时，粘附强度可以是50牛顿或更高，并且在该界面处有冶金扩散/结合的迹象。
Description
技术领域
本公开涉及改进热喷涂层到衬底的粘附。
背景技术
热喷涂是一种涂布工艺，其将由燃烧或电等离子体或电弧加热且通常熔化的材料涂覆到衬底。相对于其它涂布工艺，诸如电镀、溅射以及物理和气相沉积，该工艺能够大面积地快速涂覆相对较厚的涂层。
热喷涂层的耐用性和耐久性似乎几乎完全是涂层材料的特征，并且在较小程度上是涂覆的质量。然而，事实上，已经确定，影响热喷涂层的耐用性和耐久性的最重要因素通常是热喷涂层与衬底之间的结合强度。在热喷涂材料实际磨损之前很长一段时间，不良的结合可能会允许热喷涂层脱落，有时是相对较大的碎片，而强的结合会使热喷涂层呈现作为衬底的整体和不可分离的部分。
已经采取了几种方法来改进热喷涂层与衬底之间的结合。通常，这些涉及调整热喷涂材料的组成并且调整涂覆工艺参数。然而，业内其它方法无法准确地确定应当为何种涂覆工艺参数才能在衬底与喷涂层之间产生非常强的粘附。本公开提供了工艺参数的协同作用，这些工艺参数导致衬底与热喷涂层之间有强的粘附。
发明内容
本公开提供了一种通过提供理想的微表面纹理和清洁度来改进热喷涂层与衬底的粘附的系统方法。另外，提供衬底的预热以使衬底的热膨胀与热喷涂匹配。通过在涂布到缸膛活化表面上之前实施以下规格来产生热喷涂层与衬底的优异粘附强度：表面清洁度低于30原子％的表面碳，并且优选地低于20原子％的表面碳；微表面纹理/粗糙度高于100％的Sdr和约10μm的Ra(或9μm到15μm之间)；并且表面温度在100℃到200℃之间。
在可以与本文公开的其它形式组合或分离的一种形式中，提供了一种涂布发动机缸膛的内表面的方法。该方法包括清洁内表面以除去其上形成的碳，导致内表面具有在内表面上的最多30原子％的碳。该方法还包括对内表面进行纹理化处理直到内表面呈现出至少100％的显影界面面积比(Sdr)。该方法进一步包括将内表面加热到约100到约200摄氏度之间的温度以提供加热后表面。该方法还包括将涂层热喷涂到加热后表面上以将涂层粘附到加热后表面。
在可与本文公开的其它形式组合或分离的另一种形式中，提供了一种包括具有活化表面的金属衬底的表面。活化表面呈现出9μm到15μm之间的平均三维粗糙度(Sa)的范围和至少100％的显影界面积比(Sdr)，并且该活化表面具有小于30原子％的表面碳。热喷涂层粘附到金属衬底的活化表面。
在可与本文公开的其它形式组合或分离的又一种形式中，提供了一种包括具有活化表面的金属衬底以及热喷涂层的表面，该热喷涂层粘附到该金属衬底的活化表面。将热喷涂层粘附到活化表面使得需要在热喷涂层上刮擦至少25牛顿的力以从活化表面除去热喷涂层。
可提供另外的附加特征，包括但不限于以下项：清洁该表面的步骤包括除去碳直到内表面在内表面上最多具有20原子％的碳；对内表面进行纹理化处理的步骤包括对内表面进行纹理化处理直到内表面呈现出9μm到15μm之间的平均三维粗糙度(Sa)的范围；通过等离子体处理内表面执行清洁和加热的步骤；清洁、纹理化处理以及加热的步骤包括使用至少一个激光器来完成清洁、纹理化处理以及加热；纹理化步骤包括干燥加工内表面；加热步骤包括感应加热和/或红外加热；清洁和纹理化的步骤包括对内表面进行化学蚀刻；清洁步骤包括在内表面上产生电离的等离子体；清洁步骤进一步包括将二氧化碳涂覆到内表面；清洁步骤包括在内表面上产生DC等离子体；清洁步骤进一步包括将一氧化碳涂覆到内表面；并且纹理化处理、清洁、加热以及热喷涂的步骤导致涂层粘附到内表面使得需要在涂层上刮擦至少25牛顿的力以从内表面除去涂层。
还提供了一种发动机缸体，其限定通过该方法涂布的发动机缸膛。
可以提供表面的另外的进一步的特征，诸如：通过将内表面加热到约100摄氏度到约200摄氏度之间的温度来将热喷涂层粘附到活化表面。活化表面具有小于20原子％的表面碳；将热喷涂层粘附到活化表面使得需要在热喷涂层上刮擦至少25牛顿的力以从活化表面除去热喷涂层；该表面限定发动机缸体中的发动机缸膛的内壁；该金属衬底基本上由铝构成；并且热喷涂层是钢和钢合金中的一种。
从本文所提供的描述中将明白其它方面、优点和应用领域。应当理解的是，该描述和具体示例仅旨在用于说明目的并且不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文所述的附图仅用于说明目的并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1是根据本公开的原理的具有汽缸壁的放大视图的内燃机缸体的示意图；
图2A是根据本公开的原理的沿着图1的线2-2截取的汽缸壁的放大视图，其示意地示出了汽缸壁的微表面纹理；
图2B是根据本发明的原理的图2A的汽缸壁的视图，该汽缸壁上涂覆有热喷涂层；
图3是说明根据本发明的原理的涂布发动机缸膛的内表面的方法的框图；
图4是说明用于呈现出本公开的因素的表面的示例刮擦测试结果的维恩图；并且
图5是以120000倍放大说明根据本公开的原理的图1到2B的内表面的灰度照片，该内表面具有冶金结合到其上的热喷涂层。
具体实施方式
以下描述仅仅具有示例性本质并且不旨在限制本公开或其应用或用途。
参考图1，说明了内燃发动机缸体，并且总体上由附图标记10表示该内燃发动机缸体。发动机缸体10通常包括有内部汽缸壁14的多个汽缸12以及用于螺纹紧固件的多个凸缘16和开口18，以及用于接纳和固定诸如汽缸盖、轴、歧管和盖(全部都未说明)等部件的其它特征。在图1的右侧是汽缸壁14的放大表示。汽缸壁14可以是诸如铝或铝合金发动机缸体10等衬底的表面或者已经安装在发动机缸体10中的铁套筒的表面。在任一种情况下，汽缸壁14的表面光洁度可以是标准机器轮廓，其经机械粗糙化或活化并且优选地限定在约4μm(微米)到25μm(微米)之间的平均二维表面粗糙度(Ra)。
应当明白的是，虽然结合内燃机缸体10的汽缸壁14进行了说明，但是本公开提供了多个益处并且同样且容易地与其它圆柱形表面(如液压汽缸的壁)和平坦表面(诸如暴露于滑动、摩擦力的平坦轴承)一起利用。
现在参考图2A，汽缸壁14的放大横截面示意地说明了汽缸壁14的经处理或制备表面的衬底表面活化和/或微表面纹理20。衬底表面纹理20可以通过各种方法制备，这些方法包括但不限于水射流侵蚀、机械粗糙化、喷砂处理、激光纹理化处理、化学蚀刻以及等离子体蚀刻。
现在参考图2B，汽缸壁14的放大横截面示意地说明了汽缸壁14的微表面纹理20，其上涂覆并粘附有热喷涂层22。通常，在珩磨后，本文所述的用于汽缸壁14的热喷涂层22可以为150μm的量级并且通常在从130μm到175μm的范围内。其它衬底和涂覆可能并且通常将需要具有更大或更小厚度的热喷涂层22。热喷涂层22可以是钢合金、另一种金属或合金、陶瓷或适合于产品使用条件的任何其它热喷涂材料，并且可以通过诸如适用于衬底和所涂覆材料的等离子体、爆炸、焊丝电弧、火焰或HVOF等多种热喷涂工艺中的任何一种来涂覆。
通过在涂布到缸膛活化表面20上之前实施以下规格来实现热喷涂层22与汽缸壁衬底14的优异粘附强度：1)表面粗糙度/微表面纹理20等于或高于100％的Sdr(下面解释)和约10μm的Ra；2)表面清洁度低于30原子％的表面碳，并且优选地低于20原子％的表面碳；以及3)涂布时表面温度在100℃到200℃的范围内。为了获得最大的粘附强度，以上全部三项都存在。
关于第一因素(微表面纹理)，当制备的衬底壁14的活化表面20上的微表面纹理的百分比等于或超过100％的Sdr时，改进热喷涂层22与汽缸壁14的粘附。Sdr(也称为显影界面面积比(以百分比表示))由以下标准公式计算：
例如，具有两个单位的纹理化处理后表面面积的一个单位的横截面面积的Sdr百分比为100(2-1/1)。Sdr低于100％通常会提供受损的耐用性、耐久性和使用寿命。因此，应当理解的是，当Sdr等于或高于100％时，实现了本公开的最显著的益处。
平均粗糙度称为Sa，其是在整个三维表面上评估的平均表面粗糙度。平均表面粗糙度Sa由以下标准公式计算：
Sa＝∫∫a|Z(x，y)|dxdy
其中x、y和Z是三个正交轴的测量值。Sa的优选范围在9μm到15μm之间，而可行但不太理想的范围在7μm到18μm之间。在一些示例中，约10μm的Sa是优选的。
应当理解的是，Sdr和Sa测量值是三维的，并且通过下面描绘的并且由Sdr和Sa表示的过程实现的微表面纹理可以被认为或被视为是分形，即，表面具有无端图案且在不同刻度上自相似。这种微表面纹理被认为通过在衬底的纹理化处理后表面与热喷涂层之间以多维尺寸或从亚微观到微观的刻度提供连接来增强热喷涂层的粘附。
虽然通常根据常规技术进行，但是认为简要描述为适当地测量前述参数而进行的分析步骤是值得的。首先，除去倾斜和宏观表面曲率(诸如存在于汽缸壁中)(如果有)使得将所得到的测量值平坦化到平面以供分析。接下来，通过直方图映射来限定所关注区域。在第三步骤中，类似于第一步骤，对于选定区域，进一步除去表面的任何曲率。然后恢复缺失点并且施加0.25mm的三维高斯滤波器。利用这些预备步骤并在这些条件下，可以精确地获得上述粗糙度参数。
关于清洁度因素，衬底14的纹理化处理后表面20优选地具有低于30％的表面碳原子百分比，并且更优选地低于20％。在一些情况下，表面碳的原子百分比可以为10％或低于10％。这种低水平的表面碳大大增加了热喷涂层22在衬底壁14的表面轮廓20上的粘附强度。
关于加热因素，优选的是将衬底14的表面温度加热到约100℃到约200℃之间的温度。衬底壁14的加热后表面20允许衬底14的热膨胀更接近地匹配热喷涂层22的热膨胀，这提供了更好的粘附。
当良好的清洁度(低表面碳)、良好的微表面纹理(例如，至少100％的Sdr)以及预热衬底(预热到100℃到200℃)的全部三个因素都存在时，热喷涂层22到衬底壁14的粘附强度比之前观察到的要好。例如，将热喷涂层22粘附到衬底14的活化表面20使得需要在热喷涂层22上刮擦约50牛顿或者至少约50牛顿(50+牛顿)的力以从纹理化或活化表面20除去热喷涂层22。换句话说，在这种刮擦测试中，垂直于表面施加负载并且在表面上刮擦负载。在任何情况下，本公开提供了具有热喷涂层22的表面壁14，该热喷涂层22粘附到活化表面20使得需要在热喷涂层22上刮擦至少25牛顿的力以从活化表面20除去热喷涂层22；并且更优选地，需要至少30牛顿的力以从活化表面20除去热喷涂层22。
现在参考图3，在100处说明并总体上表示一种涂布发动机缸膛的内表面的方法，该内表面诸如具有内部微表面纹理20的发动机缸膛壁14。该方法100包括步骤102：清洁内表面20以除去其上形成的碳，导致内(纹理化)表面20具有在内表面20上的最多30原子％的碳。在一些情况下，可以清洁表面20，使得内表面20在内表面20上最多具有20原子％的碳，或者在内表面20上具有10原子％的碳。
该方法100进一步包括步骤104：对内表面20进行纹理化处理直到内表面20呈现出等于或大于100％的显影界面面积比Sdr。在一些情况下，纹理化步骤104可以包括对内表面20进行纹理化处理直到内表面20呈现出9μm到15μm之间或者约10μm的平均三维粗糙度Ra的范围。
方法100还包括步骤106：将内表面20加热到约100：到约200摄氏度之间的温度以在涂覆喷涂层22之前提供加热后表面20，使得该表面20的热膨胀与热喷涂22的热膨胀匹配。
该方法100然后包括步骤108：将涂层22热喷涂到加热后表面20上以将涂层22粘附到加热后表面20，如上文所解释。
处理表面20的步骤102、104、106可以多种不同方式完成。例如，清洁102和纹理化104的步骤可以通过等离子体处理表面20来执行。或者，清洁102、纹理化104以及加热106的步骤中的每一个包括使用至少一个激光器来完成清洁、纹理化和加热。在纹理化步骤104中施加纹理化的另一个替代方案是通过干燥加工表面20来进行。加热步骤106可以包括感应加热和/或红外加热。在另一个示例中，清洁102和纹理化104的步骤包括对内表面20进行化学蚀刻。
在又一示例中，清洁步骤102包括在内表面20上产生电离的等离子体。例如，可以将电离的等离子体溅射到表面20上。作为示例，电离的等离子体可以单独或与二氧化碳结合施加。
在再一示例中，清洁步骤102包括在内表面20上产生DC等离子体。例如，可以将DC等离子体溅射到表面20上。作为示例，DC等离子体可以单独或与一氧化碳结合施加。
如上文所解释，将表面20纹理化处理、清洁和加热到上述规格导致涂层22到表面20具有优异的粘附强度。因此，纹理化102、清洁104、加热106以及热喷涂108的步骤导致涂层22粘附到内表面20使得需要在涂层22上刮擦至少25牛顿的力以从内表面20除去涂层22。在一些示例中，需要在涂层22上刮擦至少30牛顿的力，同时在垂直方向上施加力以从表面20除去涂层22。
例如，现在参考图4，说明了示出如本文所述的清洁、纹理以及加热中的每一种的效果的维恩图。每个圆202、204、206表示衬底表面的清洁、纹理化以及加热中的一种。例如，圆圈202表示最多具有20原子％碳的清洁表面；圆圈204表示对表面进行纹理化处理使得表面具有至少100％的Sdr；而圆圈206表示将表面加热到约100摄氏度到约200摄氏度之间的温度。区域203表示清洁圆圈202的区域，其中仅执行清洁且纹理化没有超出初始活化且不进行加热。区域205表示纹理化圆204的区域，其中仅执行纹理化而不进行清洁且不进行加热。区域207表示加热圆圈206的区域，其中仅执行加热且纹理化没有超出初始活化且不进行清洁。区域208是圆圈202、204、206中的每一个的相交点，其中执行全部三个清洁、纹理化和加热。区域209是加热圆圈206与纹理化圆圈204相交但是不执行清洁的位置。区域210是清洁圆圈292与纹理化圆圈204相交但是不执行加热的位置。
如通过施加垂直于表面20的力而在涂层22上刮擦工具来测量，如果仅在表面20上执行清洁(以使表面原子百分比达到最大20原子％的碳)，如在圆圈202的区域203中所示，则测试表明需要17.5牛顿的力来从活化表面20除去涂层22。如果在表面20上单独使用纹理化(以使表面20具有至少100％的Sdr)，如在圆圈204的区域205中所示，则测试表明需要15牛顿的力来从活化表面20除去涂层22。如果在表面20上执行纹理化和清洁，如在区域210中所示(圆圈202与204的相交处)，则测试表明需要25牛顿的力来从活化表面20除去涂层22。如果在表面20上执行纹理化和加热，如在区域209中所示(圆圈204与206的相交处)，则测试表明需要10牛顿的力来从活化表面20除去涂层22。最值得注意的是，如果在表面20上执行全部三个清洁、纹理化以及加热，如在区域208中所示(全部三个圆圈202、204、206的相交处)，则测试表明需要至少50牛顿(50+牛顿)的力来从活化表面20除去涂层22。
另外，当表面14如本文所述进行微纹理化处理、清洁以及加热时，在涂层22与表面14之间观察到冶金结合/扩散的迹象。例如，参考图5，说明了金属铝衬底14，其具有冶金结合到其上的热喷涂层22。图5以120,000倍放大，其中左下角所说明的刻度s具有10nm的长度。金属衬底14在右侧说明，而热喷涂层22在左侧。涂层22和与底14之间的中间层区域23具有由来自热喷涂层22的铁与来自衬底14的铝的组合形成的晶体微结构。这表明热喷涂层22与衬底14冶金结合以形成中间层23。
显而易见的是，在不脱离如所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可进行许多修改和改变。更具体地，虽然本公开的一些方面在本文中被表示为优选的或特别有利的，但是预期本发明不必限于本发明的这些优选方面。
Claims (10)
1.一种涂布发动机缸膛的内表面的方法，所述方法包括：
清洁所述内表面以除去其上形成的碳，导致所述内表面具有在所述内表面上的最多30原子％的碳；
对所述内表面进行纹理化处理直到所述内表面呈现出至少100％的显影界面面积比；
将所述内表面加热到约100摄氏度到约200摄氏度之间的温度以提供加热后表面；以及
将涂层热喷涂到所述加热后表面上以将所述涂层粘附到所述加热后表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中清洁所述表面的步骤包括除去碳直到所述内表面具有在所述内表面上的最多20原子％的碳，并且其中对所述内表面进行纹理化处理的步骤包括对所述内表面进行纹理化处理直到所述内表面呈现出约9μm到约15μm之间的平均三维粗糙度的范围。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过等离子体处理所述内表面来执行清洁和加热的步骤。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中清洁、纹理化处理以及加热的步骤包括使用至少一个激光器来完成所述清洁、纹理化处理以及加热。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中纹理化处理、清洁、加热以及热喷涂的步骤导致所述涂层粘附到所述内表面，使得需要在所述涂层上刮擦至少25牛顿的力以从所述内表面除去所述涂层，所述方法进一步包括在所述内表面与所述热喷涂层之间形成冶金结合。
6.一种发动机缸体，其限定通过根据前述权利要求中任一项所述的方法涂布的发动机缸膛。
7.一种表面，包括：
具有活化表面的金属衬底，所述活化表面呈现出约9μm到约15μm之间的平均三维粗糙度的范围和至少100％的显影界面积比，所述活化表面具有小于30原子％的表面碳；以及
热喷涂层，其粘附到所述金属衬底的所述活化表面。
8.根据权利要求7所述的表面，其中通过将所述内表面加热到约100摄氏度到约200摄氏度之间的温度来将所述热喷涂层粘附到所述活化表面。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的表面，所述活化表面具有小于20原子％的表面碳，其中所述热喷涂层粘附到所述活化表面，使得需要在所述热喷涂层上刮擦至少25牛顿的力以从所述活化表面除去所述热喷涂层，所述热喷涂层冶金结合到所述金属衬底，所述表面限定发动机缸体中的发动机缸膛的内壁，所述金属衬底基本上由铝构成，并且所述热喷涂层是钢和钢合金中的一种。
10.根据权利要求7、权利要求8或权利要求9所述的表面，其中所述热喷涂层冶金结合到所述金属衬底。
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