CN111230048A - 用于制造具有集成热障涂层的铸造部件的方法 - Google Patents

用于制造具有集成热障涂层的铸造部件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明题为“用于制造具有集成热障涂层的铸造部件的方法”。一种用于将热障涂层(TBC)施加到铸造部件表面的方法，该方法包括提供芯，将TBC施加到芯以形成涂覆的芯，将涂覆的芯设置在铸模内，围绕涂覆的芯的至少一部分铸造金属以形成铸造中间体，并从铸造中间体中去除芯以形成铸造部件。TBC包括包含金属、玻璃和/或陶瓷材料的中空微球体。中空微球体的平均直径可为约10μm至约100μm。该部件可以是汽车部件，诸如发动机进气组件、发动机排气歧管、发动机缸体和/或发动机气缸盖。铸造部件的表面可以是限定发动机进气通道、发动机排气通道和发动机燃烧室的一个或多个表面。

Description

用于制造具有集成热障涂层的铸造部件的方法
背景技术
一些车辆包括用于推进的发动机组件。发动机组件可包括内燃机和燃料喷射系统。内燃机包括一个或多个汽缸。每个汽缸限定燃烧室。在操作期间，内燃机燃烧燃烧室中的空气/燃料混合物，以便移动设置在汽缸中的活塞。
基于发动机组件的配置和各种部件的功能，可限制维持发动机组件中的温度环境。不均匀的温度分布会影响部件的效率。在内燃机中，涂层将热燃烧气体与冷的冷水发动机缸体隔离，以避免通过将热量从燃烧气体传递到冷水的能量损耗。此外，在进气循环期间，涂层应迅速冷却，以便在点火前不加热燃料-空气混合物。
发明内容
提供一种制造铸造部件的方法，所述铸造部件具有涂覆有热障涂层(TBC)的表面。该方法包括提供芯，将TBC施加到芯上以形成涂覆的芯，将涂覆的芯设置在铸模内，在涂覆的芯的至少一部分周围铸造金属以形成铸造中间体，以及从铸造中间体移除芯以形成铸造部件。TBC可包括多个中空微球体。该方法可以进一步包括从铸模中移除铸造中间体。可将TBC施加到芯，使得芯的一个或多个区域保持暴露。涂覆的芯可以设置在铸模内，使得芯的一个或多个暴露区域中的每者的至少一部分未被铸造金属覆盖。芯可包括粘合剂和一种或多种填料。粘合剂可以是基于硅酸盐的材料，并且可以机械地移除芯。芯可以是盐基材料，并且芯可以通过水去除。中空微球体的平均直径为约10μm至约100μm。TBC具有至少约75％的孔隙率。中空微球体可包括金属、玻璃和/或陶瓷材料。中空微球体的壳厚度可以为微球体直径的约2％至约10％。芯还可包括外金属层。将TBC施加到芯还可以包括烧结或以其他方式硬化TBC。TBC还可包括粘合剂，并且将TBC施加到核芯可以包括将TBC直接施加到芯。将TBC施加到芯还可包括固化TBC。
提供一种制造铸造汽车部件的方法，该铸造汽车部件具有内部通道，该内部通道具有施加到其表面的热障涂层(TBC)。该方法包括提供芯，将TBC施加到芯上以形成涂覆的芯，将涂覆的芯设置在铸模内，在涂覆的芯的至少一部分周围铸造金属以形成铸造中间体，以及从铸造中间体移除芯以形成铸造部件。TBC可包括多个中空微球体。汽车部件可以是发动机进气组件、发动机排气歧管、发动机缸体和/或发动机气缸盖。铸造汽车部件的表面可以是一个或多个表面，其限定发动机进气通道、发动机排气通道和发动机燃烧室。
根据示例性实施方案的以下详细描述和附图，示例性实施方案的其他目的、优点和新颖特征将变得更加明显。
附图说明
图1示出了根据一个或多个实施方案的车辆的横截面，示出了单缸内燃发动机的侧视图，该单缸内燃发动机具有设置在一个或多个部件上的热障涂层；
图2示出了根据一个或多个实施方案的设置在部件上的热障涂层示意性横截面侧视图；以及
图3示出了根据一个或多个实施方案的用于制造铸造部件的方法的流程图，该铸造部件具有施加有热障涂层(TBC)的表面。
具体实施方式
本文描述了本公开的实施方案。然而，应该理解，所公开的实施方案仅仅是实施例，并且其他实施方案可以采用各种和替代形式。附图未必按比例绘制；一些特征可被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅作为教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任何一个附图示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征组合以产生未明确示出或描述的实施方案。所示特征的组合提供了典型应用的代表性实施方案。然而，对于特定应用或实现，可能需要与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改。
本文提供了用于制造具有集成障涂层(TBC)的铸造部件的方法。这些方法将参考汽车部件，诸如柴油或汽油内燃机(ICE)进行描述，仅用于说明的目的，并且本领域技术人员将容易地确定所公开的方法通常适用于具有集成TBC的任何铸造部件。图1示出了包括ICE 12的车辆10的一部分。车辆10可包括任何机动车辆，诸如标准乘用车、运动型多功能车、轻型卡车、重型车辆、小型货车、公共汽车、运输车辆、自行车、机器人、农具、运动相关设备或任何其他运输设备。
图1示出了限定了形成在发动机缸体13内的单个汽缸18的ICE 12，仅出于清楚的目的，并且旨在另外表示具有多个汽缸18的ICE。每个汽缸18限定燃烧室22，并且ICE 12还包括进气组件28和排气歧管30，进气组件28和排气歧管30分别通过进气通道29和排气通道31与燃烧室22流体连通。进气通道29可由进气组件28和气缸盖11限定。类似地，排气通道31可由排气歧管30和汽缸盖11限定。ICE 12包括活塞20，活塞20被配置用于在气缸18内往复运动。气缸18内的空气/燃料混合物的燃烧使活塞20往复运动，使得活塞可以将牵引扭矩传递到车辆(例如车轮)的一个或多个方面。空气可以穿过进气组件28进入ICE 12的燃烧室22，其中从进气歧管进入燃烧室22的气流由至少一个进气阀24控制。燃料被喷射到燃烧室22中以与空气混合，或者通过进气阀24被引入，这提供了空气/燃料混合物。空气/燃料混合物在燃烧室22内被点燃。空气/燃料混合物的燃烧产生废气，废气离开燃烧室22并被吸入排气歧管30中。更具体地讲，从燃烧室22出来的气流(排气流)由至少一个排气阀26控制。
可将TBC 16施加到车辆10的ICE 12的一个或多个部件，包括进气组件28、排气歧管30、发动机缸体13和汽缸盖11等。在本公开的一个实施方案中，TBC 16可被施加到ICE 12的高温部分或部件上并且结合到部件以形成绝缘体，该绝缘体被配置成在ICE 12的操作期间减少热传递损失、提高效率并且增加废气温度。具体地讲，TBC16可被施加到限定进气通道29、排气通道31和燃烧室22的一个或多个表面，以减少或最小化热损失并提高发动机效率。应当理解，TBC 16可被施加到ICE 12内不存在的部件。更具体地讲，TBC 16可被施加到航天器、火箭、注塑模具等的部件。
TBC 16被配置成提供低导热率和低热容量以提高发动机效率。因此，低热导率降低了热传递损失，并且低热容量意味着在温度波动期间，TBC 16的表面跟随气体的温度，并且进入气缸的冷空气的加热被最小化。本文引用的TBC 16的其他描述可以在共同拥有的以下美国专利中找到：No.10040723B2，其内容以引用方式并入本文。
图2示出了部件14的横截面侧视图，其上施加有TBC 16。部件14包括具有至少一个内部或呈现表面42的基板40。在其他方面，TBC 16包括热障材料(TBM)，诸如中空微球体50，其聚集在部件14的表面42上。在中空微球体50初始聚集时，微球体50之间出现空隙51。中空微球体50固有地是低密度的(例如相对于部件14)，并且可以由各种材料制成，诸如选择用于使导热率最小化的材料。基板40是铸造部件，并且如上所述，可以包括各种部件，包括进气组件28、排气歧管30、发动机缸体13和汽缸盖11等。例如，在一个实施方案中，部件14可包括进气组件28，并且内表面42可限定进气通道29。例如，在一个实施方案中，部件14可包括发动机缸体13，并且内表面42可限定汽缸18和燃烧室22的侧壁。例如，在一个实施方案中，部件14可包括汽缸盖11，并且内表面42可限定燃烧室22的顶表面。
将TBC 16施加到铸造部件14是困难的，因为中空微球体50可是易碎的，并且相对于熔融铸造金属是浮动的。因此，图3示出了用于制造铸造部件14的方法300的框图，该铸造部件14具有施加有TBC 16的表面。方法300包括提供310芯301，将包括多个中空微球体50的TBC 16施加320到芯301以形成涂覆的芯302，将涂覆的芯302设置330在铸模331内，围绕涂覆的芯302的至少一部分铸造340金属341以形成铸造中间体342，以及从铸造中间体342移除360芯301以形成铸造部件361。铸造部件361可包括内部通道362，其至少部分地被TBC 16覆盖。方法300有利地提供TBC 16与铸造部件14的高粘附性，这是由于铸造金属341浸渍微球体50之间的空隙51和/或以其他方式与微球体50形成粘结(例如，由金属341的铸造340温度促进)。此外，方法300允许复杂的表面几何形状涂覆有TBC16。尽管图3示出了直芯301和得到的直的内部通道362，但是应该理解，通道362可以包括任何几何构造，包括线匝和螺旋等等。
多个微球体50可包括一种或多种材料，诸如金属、玻璃和/或陶瓷材料，选择这些材料用于在高温下表现出耐久性和对氧化、腐蚀以及结构完整性的整体降低的抵抗性。适用于微球体50的材料的非限制性实施例包括氧化硅(例如，SiO2)、氧化铝(例如，Al2O3)、氧化钇稳定的氧化锆以及各种金属，包括镍、铁、钨、锰、钛及其合金等等。
在一个具体的实施方案中，微球体50可包含约0重量％至约100重量％的氧化硅(SiO2)和约0重量％至约100重量％的氧化铝(Al2O3)。另选地，多个陶瓷微球可包含约50重量％至约70重量％的氧化硅和约30重量％至约50重量％的氧化铝，以实现更高的熔点。
微球体50的平均直径可以为约10μm至约100μm，壳厚度为微球体50直径的约2％至约10％。总体来讲，微球体50形成高孔隙率层，例如其可具有至少约75％的孔隙率，或约75％至约95％的孔隙率。如本文所用，“孔隙率”是指空气(或气体)相对于标本(例如TBC16)的总体积的体积百分比。微球体50的高孔隙率限定了TBC 16内包含的一定体积的空气和/或气体，因此提供了低有效导热率和低有效热容量的所需绝缘性能。例如，TBC 16可以表现出约0.1至约0.6W/m-K的导热率。在另一个实施例中，TBC 16可以表现出约100至1000kJ/m3-K的热容量。铸造部件361的TBC 16的厚度可以根据部件14而变化。例如，如果部件14包括与燃烧室22集成的部件，则TBC 16具有约50μm至约1,000μm的厚度，但是其他厚度也是可行的。在另一个实施方案中，如果部件14包括与排气歧管30集成的部件，则TBC 16具有至多约2.5mm，或约0.1mm至约2.0mm的厚度，但是其他厚度是可行的。应当理解，可以调控TBC 16的各个方面(例如，微球体50材料、微球体50平均直径、微球体50壳厚度、TBC厚度等)以满足给定铸造部件361的所需性能。
TBC 16还可任选地包含粘合剂和/或一种或多种颗粒，以促进将TBC 16施加320到芯301。粘合剂可包括一种或多种材料，包括水溶性粘合剂，诸如羟丙基纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或纤维素聚合物衍生物，烧结助剂，诸如三氧化二硼，以及树脂，诸如聚乙烯醇缩丁醛树脂。例如，粘合剂可以以约0.1重量％至约8重量％的浓度使用，但是其他范围可以是合适的。在随后的热处理过程中，粘合剂可以大部分被除去。也可以将有机溶剂诸如异丙醇或丙酮加入水中或完全取代溶剂，在这种情况下粘合剂必须适当地溶于混合物中。
颗粒可以包括在比微球体50更低的温度下熔化或烧结的材料，以将相邻的微球体50熔合在一起并与基板40的表面42熔合，而不会使微球体50变形或损坏。颗粒可包括陶瓷或玻璃，诸如玻璃料、三氧化硼、氧化铝、硅酸铝、二氧化硅、硅酸盐玻璃或其混合物，其熔点低于中空球体并促进烧结和粘合。除此之外或另选地，颗粒可包含低熔点金属，诸如铜或锌。除此之外或另选地，颗粒可以包括金属，诸如铝或铝合金，其在低于660℃的温度下熔化以熔化微球体50并通过氧化转化成氧化铝。除此之外或另选地，颗粒可包含金属硝酸盐或金属醇盐前体，诸如硝酸铝或异丙醇钛或原硅酸四乙酯，其可热解成氧化物，例如氧化铝或氧化钛或氧化硅。在该实施方案中，将微球体50与金属硝酸盐或醇盐前体的溶液或纯前体混合。除此之外或另选地，颗粒可包含预陶瓷聚合物，诸如硅氧烷、硅烷、碳硅烷、硅氮烷、硼硅烷和热解成氧化物的类似分子。
将TBC 16施加320到芯301可以包括将TBC 16封装在芯301上，将TBC 16喷射到芯301上，或者将芯301浸入TBC 16中。例如，微球体50可以抵靠着着芯301填充，而芯301位于初步模具(未示出)内以形成TBC。微球体也可以存在于浆料中，该浆料喷射到芯301上，或者芯301浸入其中。浆料可以包括作为比微球50的尺寸更细的粉末，通过化学反应、扩散或合金化促进烧结的添加剂，并且可以通过添加适量的溶剂、粘合剂、润滑剂、凝结剂和/或抗絮凝剂来调节流变特性，以最小化和/或除去可能影响烧结过程或最终涂料组合物的碳质或其他污染物。浆料可进一步包括溶剂，诸如水，和溶剂可溶的粘合剂，例如上述那些。其他浆料添加剂，例如聚乙二醇和甘油，可用于流变调节，诸如抗絮凝、润滑和消泡，以在浆料施加时使填充效率最大化。
将TBC 16施加320到芯301还可以包括烧结或以其他方式固化(例如，固化)TBC16，其中根据TBC 16的组成使用烧结和/或固化技术。例如，TBC 16可以在约700℃至约1000℃的温度下烧结，尽管其他温度是可行的。固化通常在足够高的温度下进行以驱除溶剂(例如水)，诸如在约80℃至约130℃的温度下，尽管其他温度是可行的。在一些实施方案中，在溶剂蒸发后，然后通过UV光曝光或通过热退火使单体/微球体50涂层固化。固化使单体交联并形成刚性聚合物基质。聚合物基质可另外在空气或惰性气氛中热解以形成陶瓷。
芯301适当地由能够承受方法300的条件(例如，高温)并且便于从铸造中间体342移除的材料制成。芯301可包括本领域已知的各种材料，包括盐基材料，和使用高稳定性且通常具有粘合剂的惰性填料的填料-粘合剂体系。芯301可以通过适合于构成芯的特定材料的任何技术制造。例如，除了其他制造技术之外，芯可以在芯机(例如，冷箱芯机、热箱芯机)、芯吹塑、注塑、压铸或3D打印中形成。
关于填料-粘合剂体系，填料可包括砂、陶瓷(例如，Al2O3、SiO2、TiO2、Fe2O3)、碳化物(例如，碳化钨、碳化硅)、硅酸盐和/或原硅酸盐(例如，ZrSiO4、Al6Si2O13)、尖晶石组材料(例如，FeCr2O4)、碳基材料(例如，石墨)等，以及它们的组合。填料通常包含芯301的大部分(例如，至少约90％、至少约95％或至少约98％的填料)。粘合剂可包括例如硅酸盐基材料或“水玻璃”材料。在一些实施方案中，可使用聚合物粘合剂。硅酸盐基粘合剂可以由碱金属硅酸盐形成，并且通常与填料结合并随后烧结以形成芯301。在一个实施例中，硅酸盐基粘合剂可由硅酸钠和氢氧化钠形成。在另一个实施例中，硅酸盐基粘合剂可由硫酸钡、二氧化硅和石墨形成。在另一个实施例中，硅酸盐基粘合剂可由硅酸钠和硅酸钾形成。硅酸盐基粘合剂通常是水溶性的，并且可以用水除去。在一些情况下，在烧结或其他热处理期间，硅酸盐基粘合剂的水溶性降低，因此芯301必须从铸造中间体342机械地去除芯360。机械去除方法可包括通过钻孔、研磨、摇动或本领域技术人员已知的其他方式去除。去除装置应该受到调控以从铸造中间体342去除芯301而不损坏或破坏TBC 16。
盐基芯301通常含有至少80重量％、至少90重量％或至少95重量％的盐。适用于构造芯301的盐基材料可包括碳酸钠、氯化钾和氯化钠、碳酸钾、溴化钠、溴化钾、碘化钠、碘化钾、氯化钙、硝酸钾、硝酸钠、硫酸钾、硫酸锂、硫酸镁、硫酸钠、碳酸钡、碳酸钙及其组合。通常，将一种或多种盐熔化，然后固化(例如，压铸)成所需形式。盐基芯301还可任选地包含增强剂，诸如包含在一种或多种盐的混合物中的陶瓷材料。这种盐基材料表现出高熔融温度，使得它们适合于方法300的高温烧结和铸造340步骤。此外，盐基芯301是水溶性的，因此可以通过水(例如，通过水洗、喷雾或浸泡)360去除。盐基芯可以附加地或另选地通过机械方式除去，诸如通过上述那些。
为了便于从铸造中间体342去除芯301的360，可以将TBC 16施加320到芯301，使得芯的至少一个区域303保持暴露。在一些实施方案中，并且如图3所示，可将TBC 16施加到芯320，使得芯的多个区域301 303保持暴露。相似地，在一些实施方案中，涂覆的芯302可设置在铸模331内，使得一个或多个暴露区域303中的每一个的至少一部分未被铸造金属341覆盖。
在方法300的另选实施方案中，芯301可以如上所述形成，并且还包括施加到其上的金属层304。例如，外金属层304可包括电镀到芯301的镍。尽管在图3的步骤310中示出了外金属层304并且为了清楚起见在后续步骤中省略，应当理解，在方法300的任何步骤中，金属层304可以形成芯301的集成元件。例如，可将TBC 16施加320至外金属层304。在此类实施方案中，其中芯301包括外金属层304，芯301可在提供芯301之后的任何点处被去除360(例如，在将TBC 16施加320到芯301之前，在将涂覆的芯302设置330在铸模331中之前等)。
围绕涂覆的芯302的至少一部分铸造340金属341以形成铸造中间体342可包括在铸模331内提供熔融金属341，使得熔融金属至少部分地覆盖涂覆的芯302。提供熔融金属341可包括填充铸模331或在铸模331内设置金属坯料341并加热金属341以实现金属341的所需铸造条件。铸造340还可包括硬化金属341。根据铸造的金属341的类型，铸造可以在约600℃至约800℃的温度下进行。例如，在一些实施方案中，铸造铝合金可以在约720℃下发生。因此，形成的铸造中间件342包括至少部分地嵌入固化金属302中的涂覆的芯341，并且任选地还包括铸模331。方法300可任选地包括从铸模331去除350铸造中间体342。从铸模331去除350铸造中间体342通常在金属341凝固之后发生。在从铸造中间体342去除360芯301之前、之后或同时，铸造中间体342可以从铸模331去除350。在一些实施方案中，铸模331保持铸造部件361的整体部分。在其他实施方案中，铸模331包括砂模。
在具体实施方案中，部件14包括排气歧管30。芯301包括具有镍外金属层304的3D打印的可溶性聚合物材料，并且TBC 16包括喷涂在镍外金属层304上并烧结的镍微球体50。TBC 16还包括作为陶瓷浆料施加到镍微球体50上的陶瓷层，其被固化以形成硬壳涂层。镍外金属层304包括约0.075mm至约0.125mm的厚度，镍微球体50层包括约0.2mm至约0.4mm的厚度，并且陶瓷硬壳涂层的厚度为约0.5mm至约0.7mm，从而提供厚度为约0.775mm至约1.225mm的TBC 16。在此类实施方案中，TBC 16可包含聚合物粘合剂。
虽然上文描述了示例性实施方案，但并不意味着这些实施方案描述了权利要求所包含的所有可能的形式。本说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。如前所述，各种实施方案的特征可以组合以形成不能明确描述或说明的本发明的其他实施方案。虽然各种实施方案可以被描述为关于一个或多个期望特性提供优点或优于其他实施方案或现有技术实现，但是本领域普通技术人员认识到可以破坏一个或多个特征或特征以实现期望的整体系统属性，这取决于具体应用和实现。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易于组装等。因此，关于一个或多个特性被描述为相比其他实施方案或者现有技术实现不太理想的实施方案不属于本公开的范围，并且对于特定应用可是期望的。

Claims (10)

1.一种用于制造铸造汽车部件的方法，所述铸造汽车部件具有内部通道，所述内部通道具有施加到其表面的热障涂层(TBC)，所述方法包括：
提供芯；
将所述TBC施加到所述芯以形成涂覆的芯，其中所述TBC包括多个中空微球体；
将所涂覆的芯设置在铸模内，
围绕所涂覆的芯的至少一部分铸造金属以形成铸造中间体；以及
将所述芯从所述铸造中间体去除以形成铸造部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述汽车部件包括发动机进气组件、发动机排气歧管、发动机缸体和/或发动机气缸盖。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述铸造汽车部件的表面包括限定发动机进气通道、发动机排气通道和发动机燃烧室的一个或多个表面。
4.一种用于制造铸造部件的方法，所述铸造部件具有施加有热障涂层(TBC)的表面，所述方法包括：
提供芯；
将所述TBC施加到所述芯以形成涂覆的芯，其中所述TBC包括多个中空微球体；
将所涂覆的芯设置在铸模内；
围绕所述涂覆的芯的至少一部分铸造金属以形成铸造中间体；以及
将所述芯从所述铸造中间体去除以形成铸造部件。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述TBC施加到所述芯使得所述芯的一个或多个区域保持暴露。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述中空微球体具有约10μm至约100μm的平均直径。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述TBC具有至少约75％的孔隙率。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述中空微球体包括金属、玻璃和/或陶瓷材料。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述中空微球体的壳厚度为所述微球体的直径的约2％至约10％。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述芯还包括外金属层。
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