CN109957800B - 带有温度跟随层的热障涂层 - Google Patents

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Abstract

可以将温度跟随层应用到内燃机内的部件的表面。温度跟随层跟随相邻气体(例如，在燃烧室中)的温度变化。可以将温度跟随层直接应用到基底，或者温度跟随层可以是多层热障涂层的外层。多层热障涂层可包括例如绝缘层、粘结到绝缘层的密封层，以及设置在密封层上的多孔温度跟随层。密封层基本上不可渗透并且被构造成密封绝缘层。

Description

带有温度跟随层的热障涂层
技术领域
本公开大体上涉及一种用于保护经受高温气体的部件的热障层，其可以被称为热障涂层(TBC)。
背景技术
内燃机包括多个汽缸、多个活塞、至少一个进气口和至少一个排气口。每个汽缸都包括限定燃烧室的表面。内燃机的一个或多个表面可涂覆有热障涂层或多层热障，以改善内燃机的传热特性并使燃烧室内的热损失最小化。
例如，需要使用此种涂层系统来将热的燃烧气体与冷的水冷发动机组隔开，以避免将热量从燃烧气体传递到冷却水而造成能量损失。另外，在进气循环期间，涂层系统的表面应该快速冷却，以避免在点火之前加热燃料空气混合物，从而避免发生爆震。
发明内容
本公开提供了一种应用于随相邻气体的温度一起变化的部件或其他层的温度跟随顶层。因此，温度跟随层有助于减少热传递损失，而不影响发动机的呼吸能力且不会引起爆震。
在一种形式中，提供了一种热障涂层，其可施加在内燃机内的一个或多个部件的表面。该热障涂层粘结到发动机的部件，以提供低热导率和低热容量绝缘体，该绝缘体被密封为隔绝燃烧气体。在热障涂层具有多层的情况下，温度跟随层设置在多层热障涂层的最外表面上。
热障涂层或多层热障涂层可包括彼此粘合的一层、两层、三层、四层或更多层，例如绝缘层、密封层和温度跟随层。密封层设置在绝缘层与温度跟随层之间。还可以在绝缘层下面提供粘结层，在这种情况下，绝缘层将设置在粘结层与密封层之间。最内层(取决于包括哪些层，该最内层可以是粘结层、绝缘层、密封层或温度跟随层)粘结到部件。
该热障涂层具有低热导率以减少热传递损失并具有低热容量，使得该热障涂层的表面温度跟随燃烧室内的气体温度。因此，热障涂层允许部件的表面温度随气体温度变化。这减少了热传递损失，而不影响发动机的呼吸能力且不增加爆震倾向。进一步，减少了对进入发动机汽缸的冷空气的加热。另外，排气温度升高，从而导致催化剂起燃时间加快且催化剂活性提高。
在可以与本文所述的其他形式结合或分离的一种形式中，提供了一种多层热障涂层，其至少包括绝缘层、密封层和温度跟随层。密封层粘结到绝缘层，密封层基本上不可渗透并且被构造成密封绝缘层。温度跟随层是多孔的，并且设置在密封层上。温度跟随层具有暴露边缘。温度跟随层被构造成跟随与该暴露边缘相邻的气体的温度。
在可以与本文所公开的其他形式结合或分离的另一种形式中，提供了一种部件，其包括基底和设置在基底上的多孔温度跟随层。该温度跟随层具有暴露边缘。该温度跟随层被构造成跟随与该暴露边缘相邻的气体的温度，并且该温度跟随层具有至少90％的孔隙度。
可以提供进一步的附加特征，包括但不限于以下：该温度跟随层具有至少90％的孔隙度；该温度跟随层具有至少98％的孔隙度；该温度跟随层基本上由镍构成；该温度跟随层具有在10至300微米范围内的高度；该温度跟随层具有不超过50微米的高度；该密封层具有在0至50微米或3至50微米范围内的高度；该绝缘层具有在50至500微米范围内的高度；该绝缘层具有不超过250微米的高度；该密封层具有不超过10％的孔隙度；该绝缘层包括陶瓷材料，诸如氧化锆、稳定氧化锆、氧化铝、二氧化硅、稀土铝酸盐、氧化物钙钛矿、氧化物尖晶石和/或钛酸盐；该绝缘层具有在10％至90％范围内的孔隙度；以及该绝缘层包括粘结在一起的多个中空微结构。
可以提供进一步的附加特征，包括但不限于以下：该温度跟随层包括粘结在一起的多个中空微结构；所述多个中空微结构由陶瓷和/或金属形成；每个中空微结构均具有在10至100微米范围内的外径；温度跟随层的至少一部分中空微结构分别具有外壁，该外壁在其中限定开口；开口设置在温度跟随层的外侧上；每个中空微结构均为多孔的；温度跟随层包括多个柱；这些柱分别具有在10至100微米范围内的高度；这些柱具有在高度的1/1000至1/20范围内的宽度；每个柱沿其高度基本上是直的；温度跟随层包括纤维结构；温度跟随层包括形成多个袋室的结构；这些结构沿温度跟随层的外侧限定袋室的开口端；温度跟随层包括开孔蜂窝结构；温度跟随层包括限定气体捕集袋室的结构；其中气体捕集袋室具有开口端；其中气体捕集袋室具有在气体捕集袋室上方形成外壁的部分。
此外，可提供一种包括呈现出表面的金属基底的部件，其中一种形式的热障涂层或者仅仅是温度跟随层粘结到基底的表面。举例来说，该部件可以是阀面或活塞顶。另外，本公开设想了一种包括上面设置有或粘结有任何形式的热障涂层的部件的内燃机，其中该部件被构造成经受燃烧气体。
结合附图阅读以下对实施本公开教导的具体实施方式，上述特征和优点以及本公开教导的其他特征和优点将显而易见。
附图说明
本文所描述的图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1是根据本公开原理的推进系统的一部分的侧视截面示意图，该推进系统具有内燃机的单个汽缸，该汽缸包括设置在多个部件上的热障涂层；
图2是根据本公开原理的设置在图1所示部件上的热障涂层的一个示例的侧视截面示意图；
图3是根据本公开原理的设置在图1所示部件上的热障涂层的另一个示例的侧视截面示意图；
图4是根据本公开原理的设置在图1所示部件上的热障涂层的再一个示例的侧视截面示意图；
图5是根据本公开原理的设置在图1所示部件上的热障涂层的又一个示例的侧视截面示意图；
图6是根据本公开原理的设置在图1所示部件上的热障涂层的又一个示例的侧视截面示意图；
图7是根据本公开原理的设置在图1所示部件上的热障涂层的又一个示例的侧视截面示意图；
图8是根据本公开原理的设置在图1所示部件上的热障涂层的又一个示例的侧视截面示意图；
图9A是根据本公开原理的设置在图1所示部件上的热障涂层的又一个示例的侧视截面示意图；
图9B是根据本公开原理的图9A中所示的热障涂层的最外层的平面示意图；
图10是根据本公开原理的设置在图1所示部件上的热障涂层的又一个示例的侧视截面示意图；
图11是根据本公开原理的设置在图1所示部件上的热障涂层的又一个示例的侧视截面示意图；
图12A是根据本公开原理的设置在图1所示部件上的热障涂层的又一个示例的侧视截面示意图；
图12B是根据本公开原理的图12A中所示的热障涂层的最外层的平面示意图；
图13A是根据本公开原理的设置在图1所示部件上的热障涂层的又一个示例的侧视截面示意图；
图13B是根据本公开原理的图13A中所示的热障涂层的最外层的平面示意图；
图14A是根据本公开原理的设置在图1所示部件上的热障涂层的又一个示例的侧视截面示意图；
图14B是根据本公开原理的图14A中所示的热障涂层的最外层的平面示意图；
图15A是根据本公开原理的设置在图1所示部件上的热障涂层的又一个示例的侧视截面示意图；
图15B是根据本公开原理的图15A中所示的热障涂层的最外层的平面示意图；
图16A是根据本公开原理的设置在图1所示部件上的热障涂层的又一个示例的侧视截面示意图；以及
图16B是根据本公开原理的图16A中所示的热障涂层的最外层的平面示意图。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将认识到，诸如“以上”、“以下”、“向上”、“向下”、“顶部”、“底部”等术语被描述性地用于附图，并且不表示对如随附权利要求所限定的本公开范围的限制。
参照附图，其中在所有视图中相同的附图标记指代相同的部件，图1示出了包括具有部件12的发动机13的示例性车辆推进系统10的一部分。部件12上施加有本文所公开的类型的热障“涂层”(TBC)14。热障涂层14可以被称为复合热障涂层或多层热障涂层，其形式是具有粘结在一起的多个层。例如，热障涂层14可以是由多个层构成的工程化表面，这将在下面进一步详细描述。
虽然图1的发动机13是适用于本文所公开的热障涂层14的典型示例性应用，但是本公开设计并不限于车辆和/或发动机应用。固定的或移动的机器或制造品，其中部件暴露于热力的，均可受益于本公开设计的使用。
图1例示了限定单个汽缸26的发动机13。然而，本领域的技术人员应认识到，本公开也可以应用于具有多个汽缸26的发动机13的部件12。每个汽缸26限定燃烧室30。发动机13被构造成为车辆的推进系统10提供能量。发动机13可包括但不限于柴油发动机或汽油发动机。
发动机13还包括进气组件36和排气歧管38，进气组件36和排气歧管38分别与燃烧室30流体连通。发动机13包括往复活塞28，其可在汽缸26内可滑动地移动。
燃烧室30被构造成用于燃烧空气/燃料混合物，以为推进系统10提供能量。空气可以穿过进气组件36以进入发动机13的燃烧室30，其中由至少一个进气阀32控制从进气歧管到燃烧室30中的气流。燃料被注入到燃烧室30中以与空气混合，或者通过提供空气/燃料混合物的进气阀32引入。空气/燃料混合物在燃烧室30内被点燃。空气/燃料混合物的燃烧产生废气，该废气离开燃烧室30并被吸入到排气歧管38中。更具体而言，离开燃烧室30的气流(废气流)由至少一个排气阀34控制。
参照图1和图2，热障涂层14可以设置在发动机13的一个或多个部件12(例如活塞28、进气阀32、排气阀34、排气歧管38和/或燃烧圆顶39的内壁等)的面或表面上。热障涂层14粘结到部件12以形成绝缘体，该绝缘体被构造成在发动机13运行期间能够减少热传递损失、提高效率并提高废气温度。热障涂层14被构造成提供低热导率和低热容量。低热导率减少热传递损失，且低热容量使得热障涂层14的表面在温度变化期间能够跟随气体的温度，并且对进入汽缸的冷空气的加热减至最小。
参照图2，每个部件12包括呈现出表面18的基底16，且热障涂层14粘结到基底16的表面18。举例来说，热障涂层14可包括一层、两层、三层、四层或更多层。在图2中，热障涂层14包括三层，例如第一(绝缘)层22、第二(密封)层24和第三(温度跟随)层25。
绝缘层22可包括陶瓷材料，诸如氧化锆、稳定氧化锆、氧化铝、二氧化硅、稀土铝酸盐、氧化物钙钛矿、氧化物尖晶石和钛酸盐。在其他变型中，绝缘层22可由多孔氧化铝形成。在另一些其他变型中，绝缘可包括粘结在一起的多个中空微结构，其参照图4示出并更详细地描述。在一些形式中，绝缘层22具有在10％至90％范围内的孔隙度，并且在其他情况下，绝缘层的孔隙度超过90％，或甚至95％。优选地，绝缘层22的孔隙度为至少80％，并且在一些情况下，绝缘层22的孔隙度优选为至少95％。高孔隙度使相应体积的空气和/或气体包含在其中，从而提供低有效热导率和低有效热容量的期望绝缘性能。绝缘层22优选地由具有低有效热导率(诸如在0.1至5W/mK的范围内)的材料和具有与基底16的热膨胀系数类似的热膨胀系数的材料形成。
绝缘层22可以通过诸如空气等离子喷涂或高速氧燃料等离子喷涂之类的热喷涂技术来施加。在多孔氧化铝绝缘层22的情况下，可以通过阳极氧化来形成绝缘层22。
为了达到期望的热阻隔性能，绝缘层22的厚度可针对特定应用而定制。例如，如果绝缘层22由具有较高热导率的材料构成，则可以使用较大的厚度T2；并且如果绝缘层22由具有较低热导率的材料构成，则可以使用较小的厚度T2。在一些示例中，绝缘层22具有在50至500微米的范围内或在50至1000微米的范围内的厚度T2。在一些变型中，绝缘层22优选地不大于250微米。
绝缘层22被构造成承受至少80巴的压力，且在一些情况下承受至少100巴或至少150巴的压力。另外，关于温度，绝缘层22被构造成承受至少500摄氏度(℃)或至少800℃或甚至至少1100℃的表面温度。热障涂层14的热容量可被构造成确保基底16的表面18不高于300℃。
密封层24设置在绝缘层22上方，使得绝缘层22设置在密封层24与基底16的表面18之间(在图2的示例中)。密封层24是高温薄膜。更具体而言，密封层24包括被构造成承受至少1100℃的温度的材料。在一些形式中，密封层24可以由金属材料形成，诸如不锈钢、镍、铁、镍合金、钴合金、难熔合金或任何其他所需金属。在其他变型中，密封层24可以包括陶瓷材料，和/或密封层24可以基本上由陶瓷材料构成或仅由陶瓷材料或致密玻璃构成。当密封层24包含陶瓷材料时，陶瓷材料可以包括氧化锆、部分稳定的氧化锆、氮化硅、熔融二氧化硅、钛酸钡钕(BNT)、任何其他期望的陶瓷，或者这些或其他陶瓷的组合。
密封层24对燃烧气体是基本上不可渗透的(或具有非常低的渗透性)，使得在密封层24与绝缘层22之间提供密封。例如，密封层24可具有不超过10％的孔隙度。这种密封防止来自燃烧气体的碎渣(诸如未燃烧的碳氢化合物、烟灰、部分反应燃料、液体燃料等)进入绝缘层22的多孔结构。如果允许这些碎渣进入多孔结构，则设置在多孔结构中的空气将最终被碎渣取代，并且绝缘层22的绝缘性能将会降低或消除。
在一个非限制性示例中，密封层24可以通过电镀或气相沉积施加到绝缘层22上。在另一个非限制性示例中，密封层24可以在烧结绝缘层22的同时被施加到绝缘层22上。
密封层24被构造成具有足够的弹性，从而在暴露于燃烧气体、热疲劳或碎渣时能抵抗破裂或裂化。进一步，密封层24被构造成具有足够的弹性，从而能够承受下方的绝缘层22的膨胀和/或收缩。
在一些形式中，密封层24是薄的，其厚度T3不大于20微米(μm)并且在一些情况下不大于5μm。然而，假设温度跟随层25设置在密封层24的外部并被构造成跟随气体的温度，由于密封层24不需要跟随气体的温度，因此密封层24的厚度T3可以高达50μm。因此，举例来说，T3可以在3至50μm的范围内。较厚的密封层24，诸如接近50微米，增加了其结构完整性和坚固性并且降低了其渗透性。另外，较厚的密封层24降低了成本和制造复杂性。
温度跟随层25设置在密封层24上并粘结到密封层24。温度跟随层25是多孔的并被构造成跟随相邻气体(诸如燃烧室30内的气体)的温度或温度变化。因此，温度跟随层25具有未被另一层覆盖的暴露边缘52，使得温度跟随层25暴露于相邻气体中。温度跟随层25优选地具有非常低的热容量，从而允许其跟随相邻气体的温度变化。温度跟随层25的温度变化行为使得热效率能够提高，同时减轻发动机爆震和降低的容积效率损失的倾向。
可以通过提供具有高孔隙度的温度跟随层25来实现极低的热容量。例如，温度跟随层25优选具有至少90％的孔隙度。在一些形式中，温度跟随层25可具有至少93％的孔隙度，或甚至至少98％的孔隙度。在一些情况下，温度跟随层25甚至可以具有99％的孔隙度，或至少99％的孔隙度。
温度跟随层25可以具有各种不同的形式，下面将参照图5-16B更详细地描述这些形式的一些示例。各种不同的材料可以用于温度跟随层25，这部分地取决于其构造。例如，温度跟随层25可以由可经受超过1000℃的温度并且耐氧化的金属形成，诸如由镍、钴或铁，或它们的合金形成。优选地，温度跟随层25由抗氧化的镍铬、钴铬、铁铬、镍铬铝、钴铬铝或铁铬铝合金形成。也可以选择基于锆、铌、钼、钽和/或钨的难熔合金，但由于它们具有高成本而不太理想。温度跟随层25也可以由陶瓷形成，诸如由氧化锆、稳定氧化锆、氧化铝、稀土铝酸盐、碳化硅、氮化硅、铝硅酸盐和/或莫来石形成。在一些示例中，温度跟随层25可以是催化的并且被构造成燃烧掉燃烧产物材料。
在一个示例中，温度跟随层25优选地具有不大于50微米的高度T4。在其他示例中，温度跟随层可以具有在10至300微米范围内的高度T4。
现在参照图3，再次示出了图1的部件(此处标记为12’)，其中热障涂层14’的另一种变型设置在该部件上。同样，部件12’包括呈现出表面18’的基底16’，并且热障涂层14’粘结到基底16’的表面18’。在该示例中，热障涂层14’仅包括一层：温度跟随层25’。温度跟随层25’粘结到基底16’的表面18’上。温度跟随层25’可以具有以上关于温度跟随层25所述或以下在图5-16B中所述的任何构造或特性。例如，温度跟随层25’具有未被另一层覆盖的暴露边缘52’，使得温度跟随层25’暴露于相邻气体中。
现在参照图4，再次示出了图1的部件(此处标记为12”)，其中热障涂层14”的另一种变型设置在该部件上。同样，部件12”包括呈现出表面18”的基底16”，并且热障涂层14”粘结到基底16”的表面18”。在该示例中，热障涂层14”包括四层：基础粘结层20、绝缘层22”、密封层24”以及温度跟随层25”。
温度跟随层25”可以具有以上关于参照图2所示并所述的温度跟随层25所述或以下在图5-16B中所述的任何构造或特性。例如，温度跟随层25”具有未被另一层覆盖的暴露边缘52”，使得温度跟随层25”暴露于相邻气体中。同样，密封层24”可以具有以上关于参照图2所示和所述的密封层24所述的任何构造。
在图4的变型中，绝缘层22”包括多个中空微结构40，这些中空微结构40粘结或烧结在一起以形成具有极高孔隙度的层。优选地，绝缘层22”的孔隙度为至少80％。更优选地，绝缘层22”的孔隙度为至少90％，或者甚至95％。高孔隙度使相应体积的空气和/或气体包含在其中，从而提供低有效热导率和低有效热容量的期望绝缘性能。
在一个示例中，中空微结构40可以由中空聚合物、金属、玻璃和/或陶瓷中心45构成，中心45在形状上可以是球形、椭圆形或卵形或者可以以这些形状开始。因此，在一些示例中，微结构40是圆形的。至少一个金属涂层44可以设置在每个中空中心45的外表面上；在一些情况下，可以用第二金属涂层涂覆第一金属涂层。金属涂层44可以单独地或组合地包括镍(Ni)、铁等。金属涂层44可以通过电镀、火焰喷涂、涂漆、无电镀、气相沉积等设置在微结构40的外表面上。
应当理解，在金属涂覆的微结构40的粘结或烧结期间，由聚合物、金属以及玻璃构成的中空中心45具有小于金属涂层44的熔化温度，因此中空中心45可以熔化或者以其他方式分解而成为金属涂层44本身的一部分，或者熔化并变成中空微结构40内的块状材料。然而，当中空中心45的熔化温度高于金属涂层44的材料的熔化温度时，诸如当中空中心45由陶瓷材料形成时，中空中心45则保持完整并且不会分解或被吸收。
在中空中心45由聚合物、金属以及玻璃形成的示例中，中空中心45可以根据中空中心45的材料特性和施加到微结构40上的烧结温度而熔化。因此，当中空中心45的熔化发生时，金属涂层44不再是“涂层”，而是成为微结构40的内壁。
在其中微结构40是如图4所示的圆形或椭圆形的示例中，举例来说，中空微结构40可以具有介于5与100μm之间、介于20与100μm之间或介于20-40μm之间的直径D1。应当理解，微结构40无需具有相同的直径，这是因为直径的混合可以被构造成提供期望的开口孔隙度(例如填充密度)以便向绝缘层22”提供期望的强度。
多个中空微结构40可以在一定的烧结温度、压力及成型时间下模制或烧结，直到在形成绝缘层22”的相邻中空微结构40的涂层44之间形成粘结为止。烧结温度可以接近金属涂层44的熔化温度。然而，在中空中心45由陶瓷材料构成的情况下，烧结温度将不低于金属涂覆中心45的熔化温度。
粘结层20被构造成粘结到基底16”的表面18”和绝缘层22”上，使得绝缘层22”附接到基底16”上。在一个非限制性示例中，粘结层20被构造成扩散到基底16”的表面18”中并且扩散到绝缘层22”中以在它们之间形成粘结。
在一个非限制性示例中，基底16”包括铝，绝缘层22”包括镀镍微结构40，并且粘结层20包括铜和/或黄铜(铜锌(Cu-ZN)合金材料)。铜和/或黄铜产生最佳的粘结强度、最佳的热膨胀特性、热处理工艺、抗疲劳性等。另外，铜和/或黄铜在铝、镍和铁中具有良好的固溶度，而铁和镍在铝中具有非常低的固溶度。因此，具有铜和/或黄铜组合的粘结层20提供了中间结构层，该中间结构层能够促进相邻的铝基底16”与相邻的镍或铁绝缘层22”之间的扩散粘结。然而，应当理解，基底16”、绝缘层22”和粘结层20并不限于铝、镍和黄铜，而是可以包括其他材料。例如，在另一个变型中，绝缘层22”基本上由镍构成，并且基底16”包括铁或基本上由铁构成。
粘结层20的一侧可以横跨基底16”的表面18”设置，使得粘结层20设置在基底16”与绝缘层22”之间。可以在粘结温度下以至少最小的施加时间将压缩力施加到绝缘层22”和基底16”上。粘结层20的材料的熔化温度小于基底16”和绝缘层22”的材料中的每一个的熔化温度。在另一个示例中，粘结层20的材料的熔化温度介于基底16”与绝缘层22”的材料中的每一个的熔化温度之间。进一步，所需的粘结温度可以小于基底16”的材料和绝缘层22”的材料的熔化温度，但是要足够高以能促进在基底16”的金属材料与粘结层20的金属材料之间以及在粘结层20的金属材料与绝缘层22”的金属材料之间发生扩散粘结。
应当理解，在将粘结层20粘结到基底16”的表面18”之前，可以将粘结层20粘结到绝缘层22”的内表面上。另外，粘结层20不限于通过固态扩散粘结到基底16”的表面18”和/或绝缘层22”上，因为也可以使用其他粘接方法，诸如通过润湿、钎焊及其组合。应当理解，可以应用任何所需数量的粘结层20，从而提供期望的特性，只要粘结层20作为整体粘结到绝缘层22”和基底16”上即可。
绝缘层22”还可以包括多于一层。例如，绝缘层22”可以包括如图所示的微结构40，以及设置在微结构40与粘结层20之间的过渡层(未示出)。举例来说，过渡层可以包括镍或铁，并且被构造成类似于粘结层20的薄金属层。在一些示例中，过渡层的金属材料和用于微结构40的涂层可以相同，以促进过渡层与微结构40之间的粘结。这样，当微结构40和过渡层被加热到足以将微结构40烧结到过渡层上的温度时，与内边缘19相邻的微结构40会粘结到过渡层上。如果包括的话，那么过渡层将为微结构40提供支撑结构或骨架，从而赋予绝缘层22”强度和刚性。在向过渡层和粘结层20施加热量足够长的时间后，在粘结层20与基底16”之间以及在粘结层20与绝缘层22”的过渡层之间将发生金属扩散。过渡层为粘结层20提供更大的表面积接触，以促进大面积的扩散粘结。
此外，密封层24”还可以包括多于一层以提供期望的性能，例如耐超高温性和耐腐蚀性。
现在参照图5，示出了热障涂层114的一种变型，其具有设置在密封层124上的温度跟随层125。可以使用热障涂层114代替上述热障涂层14、14’、14”中的一个，并且应当理解，密封层124可以如上文参照图2或图4所述的那样进行构造。类似地，温度跟随层125可以包含以上关于上文参照图2-4所示和所述的温度跟随层25、25’、25”所述的任何特征。因此，即使温度跟随层125设置在图5中的密封层124上，应当理解，温度跟随层125可以替代地直接设置在表面18’或基底16’上，如图3所示。图5中未示出绝缘层22、22”和粘结层20，但是应当理解，具有上述任何变型的绝缘层22、22”和粘结层20也可以包括在图5的热障涂层114中。
温度跟随层125包括粘结或烧结在一起的单层圆形微结构140；然而，可以替代地包括多于一层的微结构140。微结构140是中空微壳，并且可以与以上关于图4的绝缘层22”描述的微结构40相同或相似，包括如上所述进行构造。例如，中空微结构140可以由陶瓷和/或金属形成，并且每个中空微结构140可以具有在10至100微米范围内的外径。将以上所述微结构40的描述结合于此并应用于微结构140。
现在参照图6，示出了热障涂层214的另一种变型，其具有设置在密封层224上的温度跟随层225。可以使用热障涂层214代替上述热障涂层14、14’、14”中的一个，并且密封层224可以如上文参照图2或图4所述的那样进行构造。类似地，温度跟随层225可以包含以上关于上文参照图2-4所示和所述的温度跟随层25、25’、25”所述的任何特征。因此，即使在图6中温度跟随层225设置在密封层224上，应当理解，温度跟随层225可以替代地直接设置在表面18’或基底16’上，如图3所示。图6中未示出绝缘层22、22”和粘结层20，但是应当理解，具有上述任何变型的绝缘层22、22”和粘结层20也可以包括在图6的热障涂层214中。
温度跟随层225包括粘结或烧结在一起的单层圆形微结构240；然而，如果需要，可以包括多于一层。微结构240可以类似于以上关于图4的绝缘层22”或图5的温度跟随层125描述的微结构40或微结构140。因此，将上文描述的微结构40和微结构140的描述、示例和特征结合于此并且应用于微结构240。
在图6中，每个微结构240都具有沿着温度跟随层225的外边缘252的开口250。在一个示例中，开口250可以通过沿着外边缘252打磨或抛光以沿着外边缘252打开每个微结构240来形成。
现在参照图7，示出了热障涂层314的又一种变型，其具有设置在密封层324上的温度跟随层325。可以使用热障涂层314代替上述热障涂层14、14’、14”中的一个，并且密封层324可以如上文参照图2或图4所述的那样进行构造。类似地，温度跟随层325可以包含以上关于上文参照图2-4所示和所述的温度跟随层25、25’、25”所述的任何特征。因此，即使在图7中温度跟随层325设置在密封层324上，应当理解，温度跟随层325可以替代地直接设置在表面18’或基底16’上，如图3所示。图7中未示出绝缘层22、22”和粘结层20，但是应当理解，具有上述任何变型的绝缘层22、22”和粘结层20也可以包括在图7的热障涂层314中。
温度跟随层325包括粘结或烧结在一起并具有各种尺寸或直径E1、E2的中空圆形微结构340的多个层354，这是因为直径E1、E2的混合可以被构造成提供期望的开口孔隙度(例如包装密度)以便为温度跟随层325提供期望的强度。微结构340可以类似于以上关于图4的绝缘层22”或图5-6的温度跟随层125、225描述的微结构40或微结构140、240。因此，将上文描述的微结构40和微结构140、240的描述、示例和特征结合于此并且应用于微结构340。
现在参照图8，示出了热障涂层414的又一种变型，其具有设置在密封层424上的温度跟随层425。可以使用热障涂层414代替上述热障涂层14、14’、14”中的一个，并且密封层424可以如上文参照图2或图4所述的那样进行构造。类似地，温度跟随层425可以包含以上关于上文参照图2-4所示和所述的温度跟随层25、25’、25”所述的任何特征。因此，即使在图8中温度跟随层425设置在密封层424上，应当理解，温度跟随层425可以替代地直接设置在表面18’或基底16’上，如图3所示。图8中未示出绝缘层22、22”和粘结层20，但是应当理解，具有上述任何变型的绝缘层22、22”和粘结层20也可以包括在图8的热障涂层414中。
温度跟随层425包括粘结或烧结在一起的中空圆形微结构440的多个层454(在这种情况下，两层454)。微结构440可以类似于以上关于图4的绝缘层22”或图5-7的温度跟随层125、225、325描述的微结构40或微结构140、240、340。因此，将上文描述的微结构40和微结构140、240、340的描述、示例和特征结合于此并且应用于微结构440。图8的微结构440是多孔的，如由沿着每个微结构440的周边458的小开口456表示。多孔微结构440可以在微结构440内比固体微结构捕获更多的气体，从而允许温度跟随层425的微结构440承担气体的温度。
现在参照图9A-9B，示出了热障涂层514的又一变型，其具有设置在密封层524上的温度跟随层525。可以使用热障涂层514代替上述热障涂层14、14’、14”中的一个，且密封层524可以如上文参照图2或图4描述的那样进行构造。类似地，温度跟随层525可以包含以上关于上文参照图2-4所示和所述的温度跟随层25、25’、25”所述的任何特征。因此，即使在图9A中温度跟随层525设置在密封层524上，应当理解，温度跟随层525可以替代地直接设置在表面18’或基底16’上，如图3所示。图9A-9B中未示出绝缘层22、22”和粘结层20，但是应当理解，具有上述任何变型的绝缘层22、22”和粘结层20也可以包括在图9A-9B的热障涂层514中。
温度跟随层525包括开孔蜂窝结构。在这种情况下，蜂窝结构形成多个附接在一起的中空六边形。
现在参照图10，示出了热障涂层614的又一变型，其具有设置在密封层624上的温度跟随层625。可以使用热障涂层614代替上述热障涂层14、14’、14”中的一个，且密封层624可以如上文参照图2或图4描述的那样进行构造。类似地，温度跟随层625可以包含以上关于上文参照图2-4所示和所述的温度跟随层25、25’、25”所述的任何特征。因此，即使在图10中温度跟随层625设置在密封层624上，应当理解，温度跟随层325可以替代地直接设置在表面18’或基底16’上，如图3所示。图10中未示出绝缘层22、22”和粘结层20，但是应当理解，具有上述任何变型的绝缘层22、22”和粘结层20也可以包括在图10的热障涂层614中。
温度跟随层625包括从温度跟随层625的内侧662延伸到温度跟随层625的外侧652的多个须状物或柱660。每个柱660可以称为微柱或纳米柱，因为柱660可以具有小于1微米的宽度。例如，柱660中的每一个可以具有在10至100微米范围内的高度h和在高度h的1/1000至1/20范围内(诸如10nm至5μm)的宽度w。在图10的示例中，每个柱660沿其高度h基本上是直的，但是在替代方案中，柱660可以具有不是直的构造，诸如波状或交织构造。举例来说，柱660可由氧化锌或氧化铁形成。
现在参照图11，示出了热障涂层714的又一变型，其具有设置在密封层724上的温度跟随层725。可以使用热障涂层714代替上述热障涂层14、14’、14”中的一个，且密封层724可以如上文参照图2或图4描述的那样进行构造。类似地，温度跟随层725可以包含以上关于上文参照图2-4所示和所述的温度跟随层25、25’、25”所述的任何特征。因此，即使在图11中温度跟随层725设置在密封层724上，应当理解，温度跟随层725可以替代地直接设置在表面18’或基底16’上，如图3所示。图11中未示出绝缘层22、22”和粘结层20，但是应当理解，具有上述任何变型的绝缘层22、22”和粘结层20也可以包括在图11的热障涂层714中。
温度跟随层725具有纤维结构。在特定的所示示例中，纤维结构包括从温度跟随层725的内侧762延伸并交织到纤维结构中的多个柱760。如同以上参照图10描述的柱660，每个柱760可以称为微柱或纳米柱，因为柱760可以具有小于1微米的宽度。例如，柱760中的每一个可以具有在10至100微米范围内的高度h和在高度h的1/1000至1/20范围内(诸如10nm至5μm)的宽度w。举例来说，柱760可由氧化锌或氧化铁形成。
现在参照图12A-12B，示出了热障涂层814的又一变型，其具有设置在密封层824上的温度跟随层825。可以使用热障涂层814代替上述热障涂层14、14’、14”中的一个，且密封层824可以如上文参照图2或4描述的那样进行构造。类似地，温度跟随层825可以包含以上关于上文参照图2-4所示和所述的温度跟随层25、25’、25”所述的任何特征。因此，即使在图12A中温度跟随层825设置在密封层824上，应当理解，温度跟随层825可以替代地直接设置在表面18’或基底16’上，如图3所示。图12A-12B中未示出绝缘层22、22”和粘结层20，但是应当理解，具有上述任何变型的绝缘层22、22”和粘结层20也可以包括在图12A-12B的热障涂层814中。
温度跟随层825包括形成多个袋室866的结构864。在这种情况下，结构864沿着温度跟随层825的外侧852限定袋室866的开口端868。在该示例中，袋室866是气体捕集袋室866。结构864具有在气体捕集袋室866上方形成外壁870的部分。因此，结构864形成单向流动气体捕集袋室866，其中外壁870捕集进入袋室866的气体。
现在参照图13A-13B，示出了热障涂层914的又一变型，其具有设置在密封层924上的温度跟随层925。可以使用热障涂层914代替上述热障涂层14、14’、14”中的一个，且密封层924可以如上文参照图2或图4描述的那样进行构造。类似地，温度跟随层925可以包含以上关于上文参照图2-4所示和所述的温度跟随层25、25’、25”所述的任何特征。因此，即使在图13A中温度跟随层925设置在密封层924上，应当理解，温度跟随层925可以替代地直接设置在表面18’或基底16’上，如图3所示。图13A-13B中未示出绝缘层22、22”和粘结层20，但是应当理解，具有上述任何变型的绝缘层22、22”和粘结层20也可以包括在图13A-13B的热障涂层914中。
温度跟随层925是包括形成多个袋室966的结构964的另一变型。在这种情况下，结构964沿着温度跟随层925的外侧952限定袋室966的开口端968。在该示例中，袋室966是气体捕集袋室966，其中结构964有助于将气体捕集在袋室966内。
现在参照图14A-14B，示出了热障涂层1014的又一变型，其具有设置在密封层1024上的温度跟随层1025。可以使用热障涂层1014代替上述热障涂层14、14’、14”中的一个，且密封层1024可以如上文参照图2或图4描述的那样进行构造。类似地，温度跟随层1025可以包含以上关于上文参照图2-4所示和所述的温度跟随层25、25’、25”所述的任何特征。因此，即使在图14A中温度跟随层1025设置在密封层1024上，应当理解，温度跟随层1025可以替代地直接设置在表面18’或基底16’上，如图3所示。图14A-14B中未示出绝缘层22、22”和粘结层20，但是应当理解，具有上述任何变型的绝缘层22、22”和粘结层20也可以包括在图14A-14B的热障涂层1014中。
温度跟随层1025包括形成多个袋室1066的结构1064。在这种情况下，结构1064沿着温度跟随层1025的外侧1052限定袋室1066的开口端1068。在该示例中，袋室1066是气体捕集袋室1066。结构1064被构造成具有台式构造，该台式构造具有附接到密封层1024(或图3的示例中的基底16’)且附接到沿着外边缘1052设置的台面1074的弯曲基部1072。
现在参照图15A-15B，示出了热障涂层1114的又一变型，其具有设置在密封层1124上的温度跟随层1125。可以使用热障涂层1114代替上述热障涂层14、14’、14”中的一个，且密封层1124可以如上文参照图2或图4描述的那样进行构造。类似地，温度跟随层1125可以包含以上关于上文参照图2-4所示和所述的温度跟随层25、25’、25”所述的任何特征。因此，即使在图15A中温度跟随层1125设置在密封层1124上，应当理解，温度跟随层1125可以替代地直接设置在表面18’或基底16’上，如图3所示。图15A-15B中未示出绝缘层22、22”和粘结层20，但是应当理解，具有上述任何变型的绝缘层22、22”和粘结层20也可以包括在图15A-15B的热障涂层1114中。
温度跟随层1125包括形成多个袋室1166的结构1164。在这种情况下，结构1164沿着温度跟随层1125的外侧1152限定袋室1166的开口端1168。在该示例中，袋室1166是气体捕集袋室1166。如果需要，结构1164可以由小于1微米厚的细纳米线形成。
现在参照图16A-16B，示出了热障涂层1314的又一变型，其具有设置在密封层1324上的温度跟随层1325。可以使用热障涂层1314代替上述热障涂层14、14’、14”中的一个，且密封层1324可以如上文参照图2或图4描述的那样进行构造。类似地，温度跟随层1325可以包含以上关于上文参照图2-4所示和所述的温度跟随层25、25’、25”所述的任何特征。因此，即使在图16A中温度跟随层1325设置在密封层1324上，应当理解，温度跟随层1325可以替代地直接设置在表面18’或基底16’上，如图3所示。图16A-16B中未示出绝缘层22、22”和粘结层20，但是应当理解，具有上述任何变型的绝缘层22、22”和粘结层20也可以包括在图16A-16B的热障涂层1314中。
温度跟随层1325包括形成多个袋室1366的结构1364。在这种情况下，结构1364沿着温度跟随层1325的外侧1352限定袋室1366的开口端1368。在该示例中，袋室1366是气体捕集袋室1366。结构1364具有在一些气体捕集袋室1366上方形成弯曲外壁1370的部分。
存在各种不同的方式来形成温度跟随层25、25’、25”、125、225、325、425、525、625、725、825、925、1025、1125、1325(在该说明书期间统称为25*)，诸如通过微加工、电子放电加工、蚀刻、扩展单元技术和其他各种金属加工技术。如果由成形金属制成，则随后可通过烧结、钎焊、焊接或其他粘结技术将温度跟随层25*粘结到密封层24、24”。在一些形式中，温度跟随层25*甚至可以由密封层24、24”的顶表面形成。此外，复杂的蜂窝架构可以通过与电铸结合的光刻来实现。例如，可以通过光刻将诸如图15A-15B中所示的复杂结构的负极应用到密封层24、24”，然后可以例如由镍来电铸正极结构。在替代方案中，三维纳米光刻或投影微立体光刻可用于形成复杂结构，诸如图12A-13B和15A-15B中所示的那些。另一合适的方法是3D打印聚合物结构并且经由在聚合物上进行原子层沉积、化学气相沉积或电沉积来沉积金属或陶瓷，然后经由化学或等离子体蚀刻去除聚合物。替代地，蚀刻方法可以用于将结构蚀刻到熔融的二氧化硅中，或蚀刻到硅中，硅随后可以氧化成二氧化硅。生长方法可用于制造纳米柱或微柱660、760，诸如图10-11和图15A-15B中所示的那些。如果需要，温度跟随层25*还可以喷涂到密封层24、24”上。可以使用用于形成温度跟随层25*的任何其他期望方法。
粘结层20、绝缘层22、22”、密封层24、24”、124、224、324、424、524、624、724、824、924、1024、1124、1324、温度跟随层25*以及基底16、16’、16”中的每一个可以具有兼容的热膨胀特性系数以承受热疲劳。
应当理解，关于本文所述的热障涂层14、14’、14”中的一个所描述的变型、示例和特征中的任一个可应用于本文所述的其他热障涂层14、14’、14”中的一个。
热障涂层14、14’、14”可以以任何合适的方式形成，该方式可包括诸如通过烧结来加热绝缘层22、22”、粘结层20、密封层24、24”以及温度跟随层25*。
应当理解，本文所述的热障涂层14、14’、14”可应用于除了存在于内燃机内的部件。更具体而言，热障涂层14、14’、14”可应用于空间飞行器、火箭、注射模具等的部件。
具体实施方式和附图或图是对本公开的支持和描述，但本公开的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于执行所要求保护的本公开的一些示例，但是存在用于实践所附权利要求中限定的本公开的各种替代设计和示例。此外，附图中所示的示例或在本说明书中提及的各示例的特性不一定被理解为彼此独立的示例。相反，在一个示例中描述的特性中的每一个可以与来自其他示例的其他期望特性中的一个或多个组合，从而形成未以文字或通过参照附图描述的其他示例。因此，这种其他示例落在所附权利要求的范围的框架内。

Claims (9)

1.一种用于发动机部件的多层热障涂层，包括：
绝缘层；
粘结到所述绝缘层的密封层，所述密封层基本上不可渗透并且被构造成密封所述绝缘层；以及
设置在所述密封层上的多孔温度跟随层，所述密封层设置在所述绝缘层和所述多孔温度跟随层之间，所述多孔温度跟随层具有暴露边缘，所述多孔温度跟随层被构造成跟随与所述暴露边缘相邻的气体的温度，所述多层热障涂层被构造成提供低热导率和低热容量，低热导率减少热传递损失，且所述多孔温度跟随层提供低热容量，低热容量使得所述多层热障涂层的表面在温度变化期间能够跟随气体的温度，并且对进入发动机部件的冷空气的加热减至最小。
2.根据权利要求1所述的多层热障涂层，所述多孔温度跟随层具有至少90％的孔隙度。
3.根据权利要求1所述的多层热障涂层，所述多孔温度跟随层基本上由镍构成。
4.根据权利要求1所述的多层热障涂层，所述多孔温度跟随层具有不大于50微米的高度，所述密封层具有不大于50微米的高度，并且所述绝缘层具有不大于250微米的高度，所述密封层具有不超过10％的孔隙度，其中，所述绝缘层包括选自由以下组成的组的陶瓷材料：氧化锆、稳定氧化锆、氧化铝、二氧化硅、稀土铝酸盐、氧化物钙钛矿、氧化物尖晶石以及钛酸盐。
5.根据权利要求1所述的多层热障涂层，所述绝缘层包括粘结在一起的多个中空圆形微结构。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的多层热障涂层，所述多孔温度跟随层包括粘结在一起的多个中空圆形微结构，所述多个中空圆形微结构由陶瓷和金属中的至少一种形成，每个中空圆形微结构具有在10至100微米范围内的外径。
7.根据权利要求6所述的多层热障涂层，所述中空圆形微结构的至少一部分各自具有外壁，所述外壁在其中限定开口，所述开口设置在所述多孔温度跟随层的外侧上。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的多层热障涂层，所述多孔温度跟随层包括以下中的至少一个：
具有在10至100微米范围内的高度的多个柱，每个柱具有在所述高度的1/1000至1/20范围内的宽度，每个柱沿其高度基本上是直的；
纤维结构；
形成多个第一袋室的多个第一袋室形成结构，所述多个第一袋室形成结构沿着所述多孔温度跟随层的外侧限定所述第一袋室的开口端；
开孔蜂窝结构；
限定气体捕集第二袋室的多个第二袋室形成结构，其中所述气体捕集第二袋室具有开口端；以及
限定气体捕集第三袋室的多个第三袋室形成结构，其中所述气体捕集第三袋室具有开口端，所述第三袋室形成结构具有在所述气体捕集第三袋室上方形成外壁的部分。
9.一种发动机部件，包括：
基底；以及
设置在所述基底上的根据权利要求1至8中任一项所述的多层热障涂层。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021046548A1 (en) * 2019-09-06 2021-03-11 The University Of Connecticut Thermal barrier coatings for internal combustion engines
CN113294261B (zh) * 2021-06-29 2022-08-23 潍柴动力股份有限公司 缸盖、涂层制备装置及涂层制备方法
CN113634717B (zh) * 2021-08-16 2023-03-28 江西樟树市福铃内燃机配件有限公司 一种内燃机配件的铸造工艺
US11667005B1 (en) * 2022-04-27 2023-06-06 Caterpillar Inc. Method of making piston using polishing removal of thermal barrier coating (TBC) material

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101421579A (zh) * 2006-03-03 2009-04-29 理查德·弗伯格 多孔层
US7563504B2 (en) * 1998-03-27 2009-07-21 Siemens Energy, Inc. Utilization of discontinuous fibers for improving properties of high temperature insulation of ceramic matrix composites
CN105556001A (zh) * 2013-09-20 2016-05-04 Hrl实验室有限责任公司 具有低热容量和低热导率的热阻挡材料和涂层
CN107091155A (zh) * 2016-02-17 2017-08-25 通用汽车环球科技运作有限责任公司 复合热障涂层

Family Cites Families (60)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3047938A (en) 1958-03-31 1962-08-07 Gen Motors Corp High temperature bond and method of forming same
US3528809A (en) 1965-04-15 1970-09-15 Canadian Patents Dev Hollow article production
US3769770A (en) 1969-01-23 1973-11-06 Sanders Nuclear Corp Thermal super insulation
GB2056502B (en) 1979-08-21 1983-11-02 Rolls Royce Metal coated glass particles for flame spraying
FR2507729B1 (fr) 1981-06-12 1986-08-22 Snecma Joint susceptible d'etre use par abrasion et son procede de realisation
DE3640586A1 (de) 1986-11-27 1988-06-09 Norddeutsche Affinerie Verfahren zur herstellung von hohlkugeln oder deren verbunden mit wandungen erhoehter festigkeit
JPH02305970A (ja) 1989-05-22 1990-12-19 Hitachi Chem Co Ltd 金属中空微小球体の製造法
US5305726A (en) 1992-09-30 1994-04-26 United Technologies Corporation Ceramic composite coating material
US5492870A (en) 1994-04-13 1996-02-20 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Hollow ceramic microspheres by sol-gel dehydration with improved control over size and morphology
US6210791B1 (en) 1995-11-30 2001-04-03 General Electric Company Article with a diffuse reflective barrier coating and a low-emissity coating thereon, and its preparation
US6082719A (en) 1998-05-12 2000-07-04 Trw Inc. Spacecraft antenna vibration control damper
US6162310A (en) 1998-08-05 2000-12-19 Tseng; Shao-Chien Method for producing porous sponge like metal of which the shapes and sizes of pores are controllable
US6071628A (en) 1999-03-31 2000-06-06 Lockheed Martin Energy Systems, Inc. Thermal barrier coating for alloy systems
US6245390B1 (en) 1999-09-10 2001-06-12 Viatcheslav Baranovski High-velocity thermal spray apparatus and method of forming materials
CZ302242B6 (cs) 2000-01-25 2011-01-05 Glatt Systemtechnik Dresden Gmbh Zpusob výroby odlehcených konstrukcních prvku
DE10018501C1 (de) 2000-04-14 2001-04-05 Glatt Systemtechnik Dresden Metallische miniaturisierte hohle Formkörper und Verfahren zur Herstellung derartiger Formkörper
US6939603B2 (en) 2001-03-22 2005-09-06 Siemens Westinghouse Power Corporation Thermal barrier coating having subsurface inclusions for improved thermal shock resistance
JP2003113737A (ja) 2001-07-31 2003-04-18 Aisan Ind Co Ltd シリンダヘッド
US6887530B2 (en) 2002-06-07 2005-05-03 Sulzer Metco (Canada) Inc. Thermal spray compositions for abradable seals
US20040115470A1 (en) * 2002-12-12 2004-06-17 Ackerman John Frederick Thermal barrier coating protected by infiltrated alumina and method for preparing same
US6916529B2 (en) 2003-01-09 2005-07-12 General Electric Company High temperature, oxidation-resistant abradable coatings containing microballoons and method for applying same
US7666807B2 (en) 2004-09-21 2010-02-23 Savannah River Nuclear Solutions, Llc Hollow porous-wall glass microspheres for hydrogen storage
US20060065330A1 (en) 2004-09-29 2006-03-30 Cooper Khershed P Porous metallic product and method for making same
US8197613B2 (en) 2005-06-14 2012-06-12 Material Interface, Inc. Nanoparticle surface treatment
US20070209317A1 (en) 2006-03-10 2007-09-13 Jensen Gary L Thermal transfer barrier building members
JP5629463B2 (ja) 2007-08-09 2014-11-19 株式会社豊田中央研究所 内燃機関
JP5082987B2 (ja) 2008-03-31 2012-11-28 株式会社豊田中央研究所 内燃機関
EP2233600B1 (en) * 2009-03-26 2020-04-29 Ansaldo Energia Switzerland AG Method for the protection of a thermal barrier coating system and a method for the renewal of such a protection
US8371256B2 (en) 2009-05-27 2013-02-12 GM Global Technology Operations LLC Internal combustion engine utilizing dual compression and dual expansion processes
US8646421B2 (en) 2009-10-23 2014-02-11 GM Global Technology Operations LLC Engine with internal exhaust gas recirculation and method thereof
JP5315308B2 (ja) 2010-08-25 2013-10-16 トヨタ自動車株式会社 内燃機関とその製造方法
US8616162B2 (en) 2010-11-04 2013-12-31 GM Global Technology Operations LLC Opposed free piston linear alternator
US8714117B2 (en) 2010-11-04 2014-05-06 GM Global Technology Operations LLC Free piston linear alternator utilizing opposed pistons with spring return
US8729717B2 (en) 2010-11-04 2014-05-20 GM Global Technology Operations LLC Turbocompound free piston linear alternator
US20120252840A1 (en) 2011-04-04 2012-10-04 Exelixis, Inc. Method of Treating Cancer
US8607566B2 (en) 2011-04-15 2013-12-17 GM Global Technology Operations LLC Internal combustion engine with emission treatment interposed between two expansion phases
JP5642640B2 (ja) 2011-09-12 2014-12-17 トヨタ自動車株式会社 内燃機関とその製造方法
US9096763B2 (en) 2011-12-19 2015-08-04 Praxair S.T. Technology, Inc. Aqueous slurry for the production of thermal and environmental barrier coatings and processes for making and applying the same
US20130199492A1 (en) 2012-02-08 2013-08-08 GM Global Technology Operations LLC Internal combustion engine utilizing dual compression and single expansion process
EP2676972A1 (en) 2012-06-19 2013-12-25 Basell Polyolefine GmbH Process for the obtainment of a polyolefin composition
JP2014040820A (ja) 2012-08-23 2014-03-06 Mazda Motor Corp エンジン燃焼室に臨む部材の断熱構造体及びその製造方法
US9897000B2 (en) 2012-11-02 2018-02-20 GM Global Technology Operations LLC Exhaust compound internal combustion engine with controlled expansion
US9080508B2 (en) 2012-11-02 2015-07-14 GM Global Technology Operations LLC Piston compound internal combustion engine with expander deactivation
WO2014138190A1 (en) 2013-03-06 2014-09-12 University Of Pittsburgh-Of The Commonwealth System Of Higher Education Cell-based compositions, cell-based bandage devices and systems and methods of treatment therewith
JP5913227B2 (ja) 2013-08-05 2016-04-27 トヨタ自動車株式会社 内燃機関とその製造方法
DE102014201337A1 (de) 2014-01-24 2015-07-30 Volkswagen Aktiengesellschaft Kolben für eine Kolbenmaschine
CN104018139B (zh) 2014-06-20 2016-04-13 哈尔滨工业大学 一种空心微珠/Ni-Fe-P/Cu复合镀层的制备方法
US9574491B2 (en) 2015-01-30 2017-02-21 GM Global Technology Operations LLC Single shaft dual expansion internal combustion engine
EP3274317A4 (en) * 2015-03-24 2018-11-21 HRL Laboratories LLC Thermal and environmental barrier coating for ceramic substrates
US9677464B2 (en) 2015-06-12 2017-06-13 GM Global Technology Operations LLC Single-shaft dual expansion internal combustion engine
US10590841B2 (en) 2015-06-26 2020-03-17 GM Global Technology Operations LLC Single shaft dual expansion internal combustion engine
DE102017103229A1 (de) 2016-02-17 2017-08-17 Gm Global Technology Operations, Llc Zusammengesetzte thermische Barrierebeschichtung
US10675687B2 (en) 2016-03-24 2020-06-09 GM Global Technology Operations LLC Method of producing insulating three-dimensional (3D) structures using 3D printing
US20180038276A1 (en) 2016-08-08 2018-02-08 GM Global Technology Operations LLC Metallic microsphere thermal barrier coating
US10190533B2 (en) 2016-08-08 2019-01-29 GM Global Technology Operations LLC Internal combustion engine and method for coating internal combustion engine components
US10040723B2 (en) 2016-08-08 2018-08-07 GM Global Technology Operations LLC Ceramic microsphere thermal barrier coating
US20180186144A1 (en) 2016-08-08 2018-07-05 GM Global Technology Operations LLC Metallic microsphere thermal barrier coating
US20180179623A1 (en) 2016-12-22 2018-06-28 GM Global Technology Operations LLC Thermal spray deposition of hollow microspheres
US10214825B2 (en) 2016-12-29 2019-02-26 GM Global Technology Operations LLC Method of depositing one or more layers of microspheres to form a thermal barrier coating
US20190194812A1 (en) * 2017-12-21 2019-06-27 GM Global Technology Operations LLC Gap-filling sealing layer of thermal barrier coating

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7563504B2 (en) * 1998-03-27 2009-07-21 Siemens Energy, Inc. Utilization of discontinuous fibers for improving properties of high temperature insulation of ceramic matrix composites
CN101421579A (zh) * 2006-03-03 2009-04-29 理查德·弗伯格 多孔层
CN105556001A (zh) * 2013-09-20 2016-05-04 Hrl实验室有限责任公司 具有低热容量和低热导率的热阻挡材料和涂层
CN107428623A (zh) * 2013-09-20 2017-12-01 Hrl实验室有限责任公司 用于陶瓷衬底的热和环境障壁涂层
CN107091155A (zh) * 2016-02-17 2017-08-25 通用汽车环球科技运作有限责任公司 复合热障涂层

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