CN116267027A - 火花塞电极及其制造方法 - Google Patents

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H·利普
D·康尼格
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Federal Mogul Ignition GmbH
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Abstract

一种具有电极尖端(32,32',32”,40,40',40”,132,132')的火花塞电极(12,18)，该电极尖端使用增材制造工艺(例如粉末床熔合技术)形成在电极基座(18,30,30',30”,130,130')上。该火花塞电极包括电极基座、形成在该电极基座上并包括贵金属基材料的电极尖端、以及位于该电极基座和该电极尖端之间的热弹性接合部(34,34',34”,134,134')，其中该电极尖端和该热弹性接合部一起包括多个激光沉积层(50,52,54,56,58,60)。

Description

火花塞电极及其制造方法
相关申请
本申请要求2020年8月21日提交的美国临时申请号63/068,607的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及火花塞和其他点火装置，特别是涉及使用增材制造工艺制成的火花塞电极和其他部件。
背景技术
火花塞用于在内燃机中引发燃烧。通常，火花塞点燃燃烧室中的空气/燃料混合物，从而在两个或多个电极之间的火花间隙产生火花。通过火花点燃空气/燃料混合物触发燃烧室中的燃烧反应，这是发动机做功冲程的原因。高温、高电压、燃烧反应的快速重复以及燃烧气体中腐蚀性材料的存在会产生火花塞必须在其中工作的恶劣环境。恶劣环境会导致电极的侵蚀和/或腐蚀，这会随着时间对火花塞的性能产生负面影响。
为了减少电极的侵蚀和/或腐蚀，已经使用了各种贵金属和合金，例如具有铂和铱的那些贵金属和合金。然而，这些材料价格昂贵。因此，火花塞的制造商试图将电极中使用的贵金属的量最小化。一种方法涉及仅在电极尖端上或在电极的火花部分上使用贵金属，即在火花跳过火花间隙的地方，而不是整个电极体本身使用贵金属。
已经使用诸如电阻焊接和激光焊接的各种接合技术来将贵金属电极尖端附接到电极体。然而，当贵金属电极尖端接合到电极体(例如由镍合金制成的电极体)时，由于材料的不同性质(例如，不同的热膨胀系数、不同的熔化温度等)，在操作期间在接合部上可能存在大量的热和/或其他应力。这些应力反过来会不期望地导致电极体、电极尖端、连接这两个部件的接合部或它们的组合的破裂或其他损坏。
发明内容
根据一个实施方案，提供了一种火花塞电极，包括：电极基座；形成在该电极基座上并且包括贵金属基材料的电极尖端；和位于该电极基座和该电极尖端之间的热弹性接合部，其中该电极尖端和该耐热性接合部一起包括多个激光沉积层。
根据各种实施方案，火花塞电极可单独地或以任何技术上可行的组合具有以下特征中的任何一种或多种特征：
-电极基座是主电极体的一体部件，并且电极基座和主电极体由相同的镍基材料制成；
-电极基座是单独的部件并且被焊接到主电极体上，并且电极基座和主电极体由相同的镍基材料或不同的镍基材料制成；
-电极尖端是形成在电极基座的轴向端部或侧面上的圆柱形部件；
-电极尖端是形成在电极基座的外周侧上的环形部件；
-多个激光沉积层的平均层厚Y为20μm至60μm；
-多个激光沉积层的总和的电极尖端高度X为0.1mm至1.0mm；
-电极基座包括镍基材料，并且热弹性接合部包括镍基材料和贵金属基材料两者；
-热弹性接合部包括第一激光沉积层和比该第一激光沉积层更远离电极基座的第二激光沉积层，该第一激光沉积层具有贵金属基材料与总材料的第一比例，该第二激光沉积层具有贵金属基材料与总材料的第二比例，并且第二比例高于第一比例；
-热弹性接合部中贵金属基材料与总材料的比例从第一激光沉积层到第二激光沉积层连续增加，以形成定制的成分梯度；
-对于包括第一激光沉积层的第一组激光沉积层，热弹性接合部中贵金属基材料与总材料的比例相同，并且贵金属基材料与总材料的比例从第一组激光沉积层到第二激光沉积层增加，以形成定制的成分梯度；
-第二激光沉积层邻近电极尖端，并且第二激光沉积层的贵金属基材料与总材料的比例大于或等于50％；
-多个激光沉积层中的至少一者包括行和列，以形成格子或网格状图案；
-格子或网格状图案包括多个峰和多个谷，该多个谷对应于激光或电子束已经投射到电极的位置，并且该多个峰对应于激光或电子束没有直接投射到电极或已经以减小或调制的功率投射到电极的位置；
-如果同一层是完全平坦的，则具有格子或网格状图案的至少一个激光沉积层具有大于或等于同一层的表面积的1.8倍的层间表面积；
-热弹性接合部在电极尖端和电极基座之间产生机械锁定和冶金连结；
-来自热弹性接合部和电极尖端的贵金属基材料的总体积的至少1/5(20％)嵌入或陷入到电极基座中；
-当从横截面观察时，电极基座包括一个或多个凸角，并且电极尖端围绕电极基座的凸角构建，使得机械锁定包括位于电极基座和电极尖端之间的热弹性接合部；
-当从横截面观察时，电极基座包括一个或多个柱，并且电极尖端围绕电极基座的柱构建，使得机械锁定包括位于电极基座和电极尖端之间的热弹性接合部；
-多个激光沉积层是通过增材制造制成的，该添加制造使用粉末床熔合技术利用激光或电子束将粉末熔化或烧结到电极基座上，然后允许所熔化或烧结的粉末固化以变成热弹性接合部和电极尖端；以及/或者
-贵金属基材料是铱基材料或铂基材料。
根据另一个实施方案，提供了一种用于制造火花塞电极的增材制造方法，包括以下步骤：提供电极基座；提供包括贵金属基材料的粉末；将电极基座放置在工具中并用粉末覆盖电极基座的端面；将激光或电子束引导到电极基座的端面处，使得激光或电子束熔化或烧结粉末中的至少一些粉末并且在电极基座上形成热弹性接合部；用粉末覆盖热弹性接合部的端面；以及将激光或电子束引导到热弹性接合部的端面处，使得该激光或该电子束熔化或烧结粉末中的至少一些粉末并且在热弹性接合部上形成电极尖端。
附图说明
下面将结合附图描述优选的实施方案，其中相同的标号表示相同的元件，并且其中：
图1是火花塞的横截面视图；
图2是图1中火花塞的点火端的横截面视图，其中点火端具有通过增材制造工艺构建在电极基座上的电极尖端；
图3和图4是火花塞的点火端的其他示例的横截面视图，其中点火端具有通过增材制造工艺构建在电极基座上的电极尖端；
图5是图3中点火端的中心电极的放大示意图，其中中心电极具有通过增材制造工艺构建在电极基座上并且包括多个激光沉积层的电极尖端；
图6是图5中的中心电极的放大示意图，其中从通过增材制造工艺形成的一侧示出了激光沉积层；
图7是图5中的中心电极的放大示意图，其中从通过增材制造工艺形成的端部示出了激光沉积层；
图8是图3中点火端的中心电极的放大显微图，其中中心电极具有通过增材制造工艺构建在电极基座上并且包括多个激光沉积层的电极尖端；
图9和图10是激光沉积层的示例的放大显微图；
图11和图12是电极的其他示例的放大示意图，其中电极具有通过增材制造工艺构建在电极基座上的电极尖端；并且
图13和图14是可用于通过增材制造工艺将电极尖端构建在电极基座上的设备的示意图。
具体实施方式
本文所公开的火花塞电极包括使用增材制造工艺(例如粉末床熔合技术)形成在电极基座上的电极尖端。潜在粉末床熔合技术的一些非限制性示例包括：选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)和电子束熔化(EBM)。
举例来说，电极基座可由镍基材料制成，而电极尖端可由贵金属基材料制成，例如具有铱、铂、钯、钌等的那些贵金属基材料。选择贵金属基材料以改善火花塞电极对腐蚀和/或电侵蚀的抵抗性。通过使用增材制造工艺在电极基座上构建电极尖端，可以在电极基座和电极尖端之间形成具有热弹性接合部的火花塞电极。本领域技术人员将理解，当贵金属基电极尖端例如通过激光焊接接合到镍基电极基座时，由于材料的不同性质(例如，不同的热膨胀系数、不同的熔化温度等)，在操作期间在接合部上通常存在大量的热和/或其他应力。这些应力反过来会不期望地导致对电极基座、电极尖端、连接这两个部件的接合部或它们的组合的破裂或其他损坏。此外，这些挑战在内燃机中加剧，其中火花塞电极经受恶劣条件和极端温度和/或负载变化。本文所述的具有将电极尖端附接到电极基座并且通过增材制造形成的热弹性接合部的火花塞电极被设计成解决这些挑战。
本火花塞电极被设计用于多种火花塞和其他点火装置，包括汽车火花塞、工业火花塞、航空点火器、电热塞、预燃室塞或用于点燃发动机中的空气/燃料混合物的任何其他装置。这包括但当然不限于在附图中示出并在下文中描述的示例性汽车火花塞。此外，应当指出的是，本火花塞电极可以用作中心电极和/或接地电极。火花塞电极的其他实施方案和应用也是可能的。除非另有说明，本文提供的所有百分比都是重量百分比(wt％)，并且所有对轴向、径向和圆周方向的引用都是基于火花塞的中心或纵向轴线A。
参照图1和图2，示出了示例性火花塞10，其包括中心电极12、绝缘体14、金属壳16和接地电极18。中心电极12设置在绝缘体14的轴向孔内，并且包括伸出绝缘体14的自由端22的点火端20。如下文更详细地解释，点火端20可包括由镍基材料制成的电极基座30和由贵金属基材料制成的电极尖端32，其中电极尖端通过增材制造工艺形成在电极基座上，使得在电极基座和电极尖端之间产生热弹性接合部34。绝缘体14设置在金属壳16的轴向孔内，并且由足以使中心电极12与金属壳16电绝缘的材料(例如陶瓷材料)构成。如图所示，绝缘体14的自由端22可伸出金属壳16的自由端24，或者它可缩回到金属壳16内。接地电极18可根据图中所示的常规J形间隙构型或根据一些其他布置方式构造并且附接到金属壳16的自由端24。根据该具体实施方案，接地电极18包括与中心电极的点火端20相对的侧表面26，并且具有可以根据或可以不根据增材制造工艺形成的电极尖端40。电极尖端40是扁平垫的形式，并且与中心电极的电极尖端32一起限定火花间隙G，使得两个电极尖端提供用于电子穿过火花间隙G的发射、接收和交换的火花表面。电极尖端32和40可以由相同的贵金属基材料形成，或者可以由不同的贵金属基材料形成。
在图1和图2所示的示例中，电极基座30是主电极体36中沿直径减小的延伸部并且由与主电极体36相同的镍基材料制成。电极基座30是主电极体36的一体部件或部分，并且已经被机械加工、拉制成型或以其他方式制造，使得该电极基座具有比相邻电极体36更小的直径，并且因此提供了可在其上构建电极尖端32的基座或表面。然而，电极基座30也可以是单独的部件，其被焊接、通过增材制造成型或以其他方式附接到主电极体36的轴向端或远端；在这样的示例中，电极基座30和主电极体36可以由相同或不同的材料制成。如将更彻底解释的，增材制造工艺可以用于通过选择性地将激光或电子束引导到与电极基座接触的贵金属基粉末床直接在电极基座30上形成电极尖端32。这导致贵金属基粉末以及电极基座30的部分镍基材料一起熔化并且随后固化成电极尖端层。然后重复增材制造工艺，使得电极尖端32在电极基座30上构建(一次构建一层)。包括贵金属基材料和镍基材料两者的第一一个或多个层构成热弹性接合部34并且可以对电极尖端32到电极基座30的结合强度具有显著影响。一旦已经形成足够数量的电极尖端层，电极尖端32将达到其期望的轴向高度。
如上所述，本火花塞电极不限于图1和图2中所示的示例性构型，这是因为该火花塞电极可用于许多不同的应用中，包括汽车火花塞、工业火花塞、航空点火器、电热塞、预燃室塞或其他装置。图3和图4中示出了可使用本火花塞电极的其他潜在应用的一些非限制性示例，其中与图1和图2类似的附图标记表示类似的特征。其他实施方案和示例，诸如具有不同的轴向、径向和/或半沿面火花间隙以及多个中心电极和/或接地电极的各种类型的火花塞当然也是可能的。
在图3中，电极基座30'仅仅是主电极体36的下端部或轴向端部，而不是相邻电极体中被机械加工、拉制成型或以其他方式沿直径减小的延伸部。在该示例中，电极尖端32'被简单地构建或形成到主电极体36的轴向端部上(其为电极基座30')，并且可以使用贵金属基粉末床和本文所述的增材制造工艺来制造。附图示出了电极尖端32'在直径上略小于对应的电极基座30'，但这不是必须的，因为电极尖端32'可形成为具有与电极基座30'相同的直径，使得中心电极12的整个点火端区域具有均匀的直径。电极基座30'和电极尖端32'之间的连接区域或附接区域是热弹性接合部34'。可选的且优选地由贵金属基材料制成的电极尖端40'可以通过增材制造形成，或者电极尖端40'可以被焊接到接地电极18的侧表面26上以与电极尖端32'一起限定火花间隙G。电极尖端32'和40'可以由相同的贵金属基材料形成，或者可以由不同的贵金属基材料形成。
转到图4，电极基座30'从主电极体36延伸并且可以是电极体的一体延伸部，或者可以是已经被焊接、增材制造或以其他方式附接到电极体的端部的单独部件。在该示例中，电极尖端32'是围绕电极基座30'的外周侧形成的环形圈，而不是形成在其轴向端部上，并且由贵金属基材料制成。电极尖端32'的外径可以等于、小于或大于对应的主电极体36的外径。可利用增材制造工艺(例如粉末床熔合工艺)来围绕电极基座30'的外周形成电极尖端32'(一次形成一个环形层)，使得在电极基座和电极尖端之间产生热弹性接合部34'。可选的电极尖端40'可附接到接地电极18，以便与电极尖端32'一起限定火花间隙G。在该示例中，电极尖端40'是由贵金属基材料制成的，并且通过焊接或增材制造附接到接地电极18中与侧表面相对的轴向端表面28。电极尖端32”和40”可以由相同的贵金属基材料形成，或者可以由不同的贵金属基材料形成。举例来说，图4中的火花塞还可以具有多于一个的接地电极18和/或电极尖端40”。
如本文所用，术语“电极基座”是指通过增材制造在其上形成电极尖端的电极的区段或部分。电极基座可包括以下实施方案：电极基座相对于主电极体沿直径减小，以及相对于主电极体不沿直径减小；电极基座是主电极体的整体部分或延伸部分，以及作为单独的部件；电极基座位于主电极体的轴向端部，以及位于电极的侧表面或其他部分；电极基座是中心电极或接地电极的一部分；电极基座具有导热芯(例如，铜基芯)，以及不具有导热芯；或者电极基座由与主电极体相同的材料制成，以及举例来说，由另一种材料制成。可能的电极基座的非限制性示例包括电极基座30、30'和30”。
类似地，如本文所用，术语“电极尖端”是指通过增材制造在电极基座上形成的电极的区段或部分，通常是火花部分。电极尖端可包括以下实施方案：电极尖端相对于电极基座沿直径减小，以及相对于电极基座不沿直径减小；电极尖端的形状为铆钉、圆柱体、棒、柱、线、球、隆起、锥体、扁平垫、盘、环、套筒等；电极尖端位于电极基座的轴向端部，以及位于电极基座的侧表面或其他部分；电极尖端是中心电极或接地电极的一部分；电极尖端由贵金属基材料(例如，具有铱、铂、钯、钌等的材料)制成，以及由另一种材料制成；以及电极尖端在电极基座和电极尖端之间具有附加的应力消除层，以及举例来说，不具有附加的应力消除层。可能的电极尖端的非限制性示例包括电极尖端32、40、32'、40'、32”和40”。
现在转到图5至图7，示出了图3中的中心电极点火端的几个放大示意图。中心电极12具有点火端20，该点火端包括电极基座30'、电极尖端32'和将该电极尖端连接或附接到该电极基座的热弹性接合部34'。应当理解，电极基座、电极尖端和热弹性接合部的以下描述不限于图3所示的中心电极，并且也适用于其他中心电极和/或接地电极实施方案。
电极基座30、30'、30”是中心电极12中电极尖端通过增材制造形成在其上的区段或部分，并且因此充当电极尖端的载体材料。如上所述，电极基座30、30'、30”可以是主电极体36的一体延伸部，或者可以是被焊接、增材制造或以其他方式附接到主电极体的单独件或单独部件。如果电极基座30、30'、30”是主电极体36的一体延伸部或者已经被焊接到主电极体36，则电极基座很可能是通过拉制成型、挤压成型、机械加工和/或一些常规工艺制造的。另一方面，如果电极基座30、30'、30”是在主电极体36上增材制造的，则电极基座将以与在电极基座上形成电极尖端大致相同的方式由激光熔化或激光烧结的粉末床产生。在任一情况下，电极基座30、30'、30”通常优选由镍基材料制成。如本文所用，术语“镍基材料”是指其中镍是按重量计材料的单一最大成分的材料，并且可以包含或可以不包含其他成分(例如，镍基材料可以是纯镍、具有一些杂质的镍或镍基合金)。根据一个示例，电极基座30、30'、30”是由具有相对高重量百分比的镍的镍基材料制成的，诸如包括98wt％或更多镍的镍基材料。在不同的示例中，电极基座是由具有较低重量百分比的镍的镍基材料制成的，如包括50wt％至90wt％镍的镍基材料(例如，INCONELTM600或601)。一种特别合适的镍基材料具有约75wt％至80wt％镍、10wt％至20wt％铬和5wt％至10wt％铁。对于镍基材料，电极基座30、30'、30”可以具有12×10-6m/mK至15×10-6m/mK的热膨胀系数以及1200℃至1600℃的熔化温度。电极基座30、30'、30”的直径或尺寸可根据具体应用和实施方案而显著变化(例如，作为中心电极的一部分的电极基座30的直径可能小于作为接地电极的一部分的电极尖端40的电极基座的直径)。根据图2所示的非限制性示例，其中电极基座30是中心电极12中变窄的延伸部，电极基座可以具有0.4mm至1.0mm(包括端值)、并且甚至更优选地0.5mm至0.9mm(包括端值)的直径。在图3的示例中，其中电极基座30'构成中心电极12的下轴向端部，电极基座可以具有1.4mm至3.2mm(包括端值)、并且甚至更优选地2.0mm至3.0mm(包括端值)的直径。根据图4所示的示例，其中电极基座30”是中心电极12中变窄的延伸部并且被设计成接收环形电极尖端32”，电极基座可以具有0.2mm至0.8mm(包括端值)、并且甚至更优选地0.2mm至0.6mm(包括端值)的直径。包括非镍基材料在内的其他材料以及其他尺寸和形状也可用于电极基座30、30'、30”。
电极尖端32、32'、32”是通过增材制造在电极基座上形成的电极的区段或部分，通常是火花部分。这样，电极尖端32、32'、32”可以是由贵金属基粉末床制成的，该贵金属基粉末床与电极基座紧密接近，使得当被激光或电子束照射时，贵金属基粉末和电极基座的一些固体材料被熔化并且随后固化成初始激光沉积层50。重复这种产生单个层的过程，从而产生多个激光沉积层50-60，这些激光沉积层被顺序地构建或堆叠在彼此上。每个激光沉积层具有平均层厚Y，其可以是20μm至60μm，并且所有层厚的总和是电极尖端高度X，其可以是0.1mm至1.0mm，或者甚至更优选地0.1mm至0.6mm。电极尖端32、32'、32”可以是由贵金属基材料制成的，以便提供改进的耐腐蚀性和/或耐侵蚀性。如本文所用，术语“贵金属基材料”是指其中贵金属是按重量计材料的单一最大成分的材料，并且可以包含或可以不包含其他成分(例如，贵金属基材料可以是纯贵金属、具有一些杂质的贵金属、或贵金属基合金)。举例来说，可以使用的贵金属基材料包括铱基材料、铂基材料、钌基材料/或钯基材料。根据一个示例，电极尖端32、32'、32”是由铱基材料或铂基材料制成的，其中该材料已经被处理成粉末形式。对于铱基材料，电极尖端可以具有6×10-6m/mK至7×10-6m/mK的热膨胀系数以及2400℃至2500℃的熔化温度；对于铂基材料，电极尖端可以具有8×10-6m/mK至10×10-6m/mK的热膨胀系数以及1700℃至1800℃的熔化温度。电极尖端32、32'、32”的直径或尺寸根据具体应用和实施方案而变化。例如，在图2所示的非限制性示例中，其中电极尖端32从电极基座30延伸并且具有大致相同的尺寸，电极尖端可以具有0.4mm至1.0mm(包括端值)、并且甚至更优选地0.5mm至0.9mm(包括端值)的直径。在图3所示的示例中，电极尖端32'的直径可以是0.4mm至3.2mm(包括端值)，并且甚至更优选地约0.6mm至2.5mm(包括端值)。根据图4所示的示例，其中电极尖端32”是装配在电极基座30”周围的环形套筒，电极尖端的外径可以是0.4mm至1.0mm(包括端值)、并且甚至更优选地0.6mm至1.0mm(包括端值)。包括非贵金属基材料在内的其他材料以及其他尺寸和形状也可用于电极尖端32、32'、32”。
热弹性接合部34、34'、34”位于电极基座和电极尖端之间，并且是包括来自电极基座和电极尖端两者的材料的电极的过渡区段或部分。热弹性接合部34、34'、34”被设计成减小、减轻、抵消和/或解决当火花塞在操作中时在这两个部件之间产生的热应力，从而改善电极尖端到电极基座的附接。如上所述，电极基座和电极尖端的热性质或特性(诸如它们的热膨胀系数)彼此不同；有时，具有很大程度的不同。当火花塞工作时，点火端的温度会达到极高的水平，这通常导致不同的金属以不同的速率膨胀和收缩，并在将尖端附接到基座的焊缝上施加相当大的应力。热弹性接合部34、34'、34”及其堆叠的层以使得热应力最小化或至少减小的方式制造，从而提高火花塞的耐用性并增加其使用寿命。本电极可至少部分地通过使用若干特征来实现这些目标：定制的成分梯度和/或增加的层间表面积。结合图5至图10最好地解释了这些特征，图5至图10使用图3中的中心电极的非限制性示例作为讨论的基础。应当理解，以下描述也适用于其他电极实施方案(即，图1、图2、图4及接地电极)且不限于图3所示的示例。
转向图5至图7，示出了中心电极12的点火端20的放大图，其中电极尖端32'经由热弹性接合部34'形成在电极基座30'上。应当理解，这些附图仅仅是示意性的说明，因为不同的激光沉积层50-60将不可能是完美离散的平坦层，如虚线所示。在图8中提供了更准确地捕获电极的实际横截面结构的显微图，其中不同的激光沉积层比平坦层更呈锯齿状，并且不同的激光沉积层更多地融合在一起，而不是分开或离散的。为了形成初始激光沉积层50，可以将主电极体36插入夹具或其他工具100中使得该主电极体保持在竖直取向，并且点火端20面向上(参见图13和图14)。然后可以将包括贵金属基材料的粉末床102放置在电极基座30'上，使得贵金属基粉末的薄层覆盖电极基座的轴向端部或远侧端部。一旦粉末床就位，就可使用激光或电子束来熔化或至少烧结在电极基座30'顶部上的薄粉末层以及一定量的电极基座本身；这是粉末床熔合工艺。当所熔化的粉末(贵金属基材料)和电极基座30'(镍基材料)的组合固化时，该组合形成初始激光沉积层50。然后将该过程重复多次以形成随后的激光沉积层52-60。所形成的前几层(例如，激光沉积层50、52等)可以包括来自电极基座30'和电极尖端32'两者的材料；这些双材料层构成了热弹性接合部34'。所形成的最终激光沉积层60可充当火花表面。在一些示例中，热弹性接合部34'由50％或更多的贵金属构成(即，在构成热弹性接合部34'的全部材料(镍基材料和贵金属基材料两者)中，至少50％是贵金属)，特别是在与电极尖端相邻的热弹性接合部的最后双材料层处。在一点上，激光沉积层仅包括来自粉末床的材料(即，贵金属基材料)；这些层构成电极尖端32'并且可以由95％或更多的贵金属组成。如图8所示，增材制造工艺能够将全部或大部分热弹性接合部(包括具有电极基座和电极尖端材料两者的激光沉积层50、52等)嵌入到电极基座中，使得贵金属基材料的总体积(即，来自热弹性接合部和电极尖端两者的贵金属基材料的总体积)的至少1/5(20％)嵌入或陷入到电极基座中。
由于每个激光沉积层50-60首先通过熔化或烧结来自粉末床102的粉末然后允许材料固化而形成，因此可以通过改变粉末床102的成分来调整或修改不同激光沉积层的成分。这使得本电极能够跨热弹性接合部34'和/或电极尖端32'具有定制的成分梯度。例如，为了最小化从电极基座30'到热弹性接合部34'的热膨胀系数的差异，初始激光沉积层50可由包括50％镍基材料和50％贵金属基材料的粉末床制成，而下一激光沉积层52可由具有相同成分的粉末或具有更多贵金属基材料的粉末制成。随着每个激光沉积层的形成，并且因此进一步远离电极基座30'，镍基材料的相对百分比可以降低，而贵金属基材料的相对量可以增加。在最终激光沉积层60处，可以使用仅包括贵金属基材料的粉末床，因为该材料对于火花表面是优选的。这在热弹性接合部34'和/或电极尖端32'上产生了定制的成分梯度，该成分梯度在多个层间边界上分散热膨胀系数的差异，这与在单个层间边界处经历那些系数的完全差异相反。在过去，为了实现像这样的定制的成分梯度，通常必须将电极尖端的小的片或层焊接在彼此的顶部上，这是非常繁琐且昂贵的，并且可能具有产生许多可能失败的焊接接头的不期望的效果。对于本电极，可以通过增材制造并通过在彼此的顶部上选择性构建多个层来实现定制的成分梯度，使得它们全部混合成一个集成的电极组件，就贵金属基材料的相对量而言，该成分随着从电极基座30'向电极尖端32'的端部移动连续增加。如果改变层之间的粉末床102的成分被证明是过于繁琐或耗时的，则可以针对特定数量或组的层使用相同的粉末成分(例如，针对前5个层使用50％镍基材料、50％贵金属基材料混合物)，然后针对特定数量或组的层改变粉末成分(例如，针对接下来5个层使用25％镍基材料、75％贵金属基材料混合物)，并且随后针对特定数量或组的剩余层使用最终粉末成分(例如，针对最后5个层使用100％贵金属基材料混合物)完成电极尖端32'。当然，这仅是示例，因为许多其他实施方案当然是可能的。还优选的是，热弹性接合部34'在该结构的主要体积中具有细晶粒结构。
为了获得增加的层间表面积，在增材制造工艺期间可使用格子或网格状图案。为了说明，考虑到图6中的示意图，该图示出了正形成的热弹性接合部34'的大约前四个激光沉积层，其中每一层具有一系列谷70和峰72。为了一致的目的，图5和图6中的中心电极12以与图1至图4中所示相同的取向绘制。然而，在制造期间，中心电极12可能被倒置，使得点火端20和电极基座30'将面向上(见图14)，使得粉末薄床可被放置在中心电极的轴向端部表面或远侧端部表面的顶部上，从而将其覆盖。一系列谷70对应于激光L已经通过薄粉末床投射到或撞击到电极的端部并且产生某种类型的凹坑或凹痕的那些区域。另一方面，一系列峰72对应于未被激光直接撞击或被激光撞击的电极的那些部分，其中功率被降低或调制以使得突起或峰留在原位。谷70和/或峰72的形状可以是圆锥形的。由于各层的表面不是平坦的或平面状的，因此在将盘状或板状尖端离散地焊接到传统电极的情况下，各激光沉积层50-60的层间表面积较大。换句话说，具有许多峰和谷的层的表面积大于相同层(如果其是完全平坦的话)的相应表面积。因此，如果同一层是完全平坦的，则激光沉积层中的至少一个激光沉积层可具有大于或等于同一层的表面积的1.8倍的表面积(即，如果具有相同尺寸的同一层是完全平坦的或平面状的，则具有峰和谷的格子或网格状结构的层具有比同一层的表面积大至少1.8倍的表面积)。用于确定激光沉积层的表面积的潜在方法包括以下步骤：使用王水技术从热弹性接合部中的初始激光沉积层去除贵金属基材料，以便暴露下面的电极基座的镍基材料，其包括上述的谷和峰；从暴露的表面，使用激光显微镜产生高度轮廓；根据高度分布，使用CAD系统来计算激光沉积层的表面积；并且将计算出的表面积与相同形状和尺寸的表面积进行比较(假设其是完全平坦的)。热弹性接合部34'上的平均层间表面积是不同激光沉积层在不同层间界面或边界处的各种表面积的平均值(例如，层50在层间界面50/52处的表面积、层52在层间界面52/下一层处的表面积等在整个热弹性接合部34'中的平均值)。在一个示例中，如果电极基座是完全平坦的并且具有与热弹性接合部34'相同的尺寸，则在形成尖端之前，整个热弹性接合部34'的平均层间表面积大于或等于电极基座30'的表面积的1.8倍。
由激光L在增材制造过程中沿着横跨电极端部的格子或网格状图案产生的(见图7)这种增加的层间表面积由于几个原因可能是有益的。首先，谷和峰70、72形成波状网络，这有助于以冶金和/或机械的方式将不同的层锁定在一起，这种方式比它们是彼此焊接在一起的离散的扁平件更全面。第二，具有从一个层延伸到一个或多个相邻层中的谷和峰的增加的层间表面积产生具有改善的热导率的更加一体化的结构。因此，在最外侧激光沉积层60(火光表面)附近产生的热可以更有效地传递到电极基座30'并最终远离点火端20。第三，具有增加的层间表面积的本电极的多层结构似乎减少了裂纹并且/或者抑制了电极尖端32'中的裂纹生长。前述益处仅是本电极可能具有的一些特征的示例，但它们不是强制性的，也不是所有益处的完整或详尽列表。
图9示出了暴露的激光沉积层，例如其上形成有格子或网格状图案80的最终激光沉积层60。根据该示例，用于形成激光沉积层50-60的激光首先移动穿过一系列行82中的电极，其中激光被如此频繁地发射以在该位置处形成谷70。然后，激光在一系列列84中移动或引导穿过电极，列84通常垂直于行82，其中激光再次被如此频繁地发射以形成谷70。这些行和列与各种谷70和峰72的组合产生如图9和图10中所示的格子或网格状图案80。根据非限制性示例，在增材制造工艺期间，每个激光投射谷70在其最深点处约0.3mm至0.5mm深，并且与最近的相邻谷间隔约0.05mm至0.10mm。当然，一旦激光沉积层形成并固化，一些激光投射谷70可能已经被附近的材料填充，使得它没有前述范围那么深。在一个示例中，最终激光沉积层60(其是远离电极基座30'的最远的层)具有格子或网格状图案80并且充当火花塞电极的火花表面。通常，电极尖端高度X可以是0.1mm至1.0mm。对于本电极是中心电极12的那些示例，电极尖端高度X可以是0.2mm至1.0mm。对于本电极是接地电极18的那些示例，电极尖端高度可以是0.1mm至0.5mm。
现在转到图11和图12，示出了具有电极基座130、130'、电极尖端132、132'以及热弹性接合部134、134'的火花塞电极的几个其他实施方案，仅该实施方案是示例性电极，其中电极基座具有被设计成与围绕其构建的电极尖端一同形成基本的机械锁定的横截面构型。图11和图12中的电极可以是中心电极(在这种情况下，电极基座130、130'可以是主电极体的轴向延伸部)、接地电极(在这种情况下，电极基座130、130'可以从接地电极的侧表面延伸)或者一些其他电极构型(例如，环形接地电极的一部分周向地围绕中心电极)。在图11的示例中，电极基座130优选地由镍基材料制成，该镍基材料从主电极体(未示出)的端部轴向延伸，并且当从横截面观察时有点像三叶草形。三叶草形设计的三个凸角140提供锁定结构，使得当电极尖端132和/或热弹性接合部134通过增材制造围绕电极基座130构建时，除了冶金连结之外，还可以建立基本的机械性互锁142。与前面的实施方案一样，电极尖端132优选地由贵金属基材料制成，并且热弹性接合部134包括贵金属基材料和镍基材料两者，因为它径向地位于电极基座和电极尖端之间。
在图12的示例中，电极基座130'包括从中心电极的端部轴向延伸并且优选地由合适的镍基材料制成的若干分离的柱150。通过增材制造来构建热弹性接合部134'使得其围绕分离的柱150并且产生机械性互锁152，这会有助于将不同的电极部件保持在适当位置。最后，通过增材制造构建电极尖端132'使得其周向地围绕并且牢固地连接到热弹性接合部134'。在这些实施方案中的每个实施方案中，电极尖端132、132'和/或热弹性接合部134、134'可包括多个激光沉积层，如上文更详细地解释。激光沉积层的取向可以使得它们在轴向方向上堆叠，如图5至图6的示例的情况，或者它们在径向方向上构建，如同心环的情况。其他布置方式也是可能的，例如其中激光沉积层以螺旋形、螺旋状等构型构建的布置方式。增材制造技术、定制的成分梯度、格子或网格状结构、层间表面积等的先前讨论也可应用于图11和图12的实施方案。
在生产中，增材制造工艺(有时称为3D印刷工艺)，例如使用粉末床熔合技术的那些工艺，可用于在电极基座上形成或构建电极尖端。根据图13和图14中示出的粉末床熔合工艺的非限制性示例，主电极体36固定在工具100内，使得具有电极基座30'的点火端20露出。暴露的电极基座30'然后被包括贵金属基材料的第一混合物的粉末床102覆盖；第一混合物优选地包括至少50％的贵金属基材料，例如包括铱或铂的材料。既然电极基座30'覆盖有粉末薄层，那么激光L被选择性地指向被覆盖的电极基座的轴向端表面。激光L可以遵循任何数量的合适图案，包括含有一系列行82和列84的格子或网格状图案80。在激光L被激发并投射到粉末层的每个位置处，激光熔化或烧结该区域中的粉末，使得其熔合到下面的层中。该过程开始于初始激光沉积层50，在该点处，激光L也熔化下面的电极基座30'的一部分，该部分优选地是镍基材料，使得电极基座中镍基材料和粉末中贵金属基材料混合并且固化在一起。该过程以最终激光沉积层60结束，该激光沉积层构成火花塞电极中火花表面的至少一部分。当形成最终激光沉积层60时，激光L不太可能完全穿透整个电极尖端32'并进入电极基座30'，因为它可能仅穿透几层深入到电极尖端中。当然，前面的描述仅仅是可以使用的增材制造工艺的一个示例，因为其他这样的工艺当然是可能的。
应当理解，前述是对本发明的一个或多个优选示例性实施方案的描述。本发明不限于本文所公开的具体实施方案，而是仅由所附权利要求限定。此外，包含在前述描述中的陈述涉及具体实施方案，并且不应被解释为对本发明的范围或对权利要求中使用的术语的定义的限制，除非术语或短语在上文中被明确地定义。对于本领域技术人员而言，各种其他实施方案以及对所公开的实施方案的各种改变和修改将变得显而易见。所有这样的其他实施方案、改变和修改旨在落入所附权利要求的范围内。
如在本说明书和权利要求书中所使用的，术语“例如”、“诸如”和“等”以及动词“包括”、“具有”、“含有”以及它们的其他动词形式，当结合一个或多个部件或其他项目的列表使用时，每个术语都应被解释为开放式的，这意味着该列表不应被认为排除了其他、附加的部件或项目。其他术语应使用其最宽泛的合理含义来解释，除非它们用于需要不同解释的上下文中。

Claims (22)

1.一种火花塞电极(12,18)，包括：
电极基座(18,30,30',30”,130,130')；
电极尖端(32,32',32”,40,40',40”,132,132')，所述电极尖端形成在所述电极基座上并且包括贵金属基材料；和
热弹性接合部(34,34',34”,134,134')，所述热弹性接合部位于所述电极基座和所述电极尖端之间，其中所述电极尖端和所述热弹性接合部一起包括多个激光沉积层(50,52,54,56,58,60)。
2.根据权利要求1所述的火花塞电极(12,18)，其中所述电极基座(18,30',30”)是主电极体(36)的一体部件，并且所述电极基座和所述主电极体由相同的镍基材料制成。
3.根据权利要求1所述的火花塞电极(12,18)，其中所述电极基座(30)是单独的部件并且被焊接到主电极体(36)上，并且所述电极基座和所述主电极体由相同的镍基材料或不同的镍基材料制成。
4.根据权利要求1所述的火花塞电极(12,18)，其中所述电极尖端(32,32',40”)是形成在所述电极基座(18,30,30')的轴向端部或侧表面上的圆柱形部件。
5.根据权利要求1所述的火花塞电极(12,18)，其中所述电极尖端(32”)是形成在所述电极基座(30”)的外周侧上的环形部件。
6.根据权利要求1所述的火花塞电极(12,18)，其中所述多个激光沉积层(50,52,54,56,58,60)的平均层厚Y为20μm至60μm。
7.根据权利要求1所述的火花塞电极(12,18)，其中所述多个激光沉积层(50,52,54,56,58,60)的总和的电极尖端高度X为0.1mm至1.0mm。
8.根据权利要求1所述的火花塞电极(12,18)，其中所述电极基座(18,30,30',30”,130,130')包括镍基材料，并且所述热弹性接合部(34,34',34”,134,134')包括所述镍基材料和所述贵金属基材料两者。
9.根据权利要求8所述的火花塞电极(12,18)，其中所述热弹性接合部(34,34',34”,134,134')包括第一激光沉积层(50)和第二激光沉积层(54)，所述第二激光沉积层比所述第一激光沉积层更远离所述电极基座(18,30,30',30”,130,130')，所述第一激光沉积层具有贵金属基材料与总材料的第一比例，所述第二激光沉积层具有贵金属基材料与总材料的第二比例，并且所述第二比例高于所述第一比例。
10.根据权利要求9所述的火花塞电极(12,18)，其中所述热弹性接合部(34,34',34”,134,134')中贵金属基材料与总材料的所述比例从所述第一激光沉积层(50)到所述第二激光沉积层(54)连续增加，以形成定制的成分梯度。
11.根据权利要求9所述的火花塞电极(12,18)，其中对于包括所述第一激光沉积层(50)的第一组激光沉积层(50,52)，所述热弹性接合部(34,34',34”,134,134')中贵金属基材料与总材料的所述比例相同，并且贵金属基材料与总材料的所述比例从所述第一组激光沉积层到所述第二激光沉积层(54)增加，以形成定制的成分梯度。
12.根据权利要求9所述的火花塞电极(12,18)，其中所述第二激光沉积层(54)邻近所述电极尖端(32,32',32”,40,40',40”,132,132'),并且所述第二激光沉积层的贵金属基材料与总材料的比例大于或等于50％。
13.根据权利要求1所述的火花塞电极(12,18)，其中所述多个激光沉积层(50,52,54,56,58,60)中的至少一个激光沉积层包括行(82)和列(84)，以形成格子或网格状图案(80)。
14.根据权利要求13所述的火花塞电极(12,18)，其中所述格子或网格状图案(80)包括多个峰(72)和多个谷(70)，所述多个谷对应于激光或电子束已经投射到所述电极的位置，并且所述多个峰对应于所述激光或所述电子束没有直接投射到所述电极或已经以减小或调制的功率投射到所述电极的位置。
15.根据权利要求14所述的火花塞电极(12,18)，其中如果同一层是完全平坦的，则具有所述格子或网格状图案(80)的所述至少一个激光沉积层(50,52,54,56,58,60)具有大于或等于同一层的表面积的1.8倍的层间表面积。
16.根据权利要求1所述的火花塞电极(12,18)，其中所述热弹性接合部(34,34',34”,134,134')在所述电极尖端(32,32',32”,40,40',40”,132,132')和所述电极基座(18,30,30',30”,130,130')之间产生机械锁定和冶金连结两者。
17.根据权利要求16所述的火花塞电极(12,18)，其中来自所述热弹性接合部(34,34',34”,134,134')和所述电极尖端(32,32',32”,40,40',40”,132,132')的贵金属基材料的总体积的至少1/5(20％)嵌入或陷入到所述电极基座(18,30,30',30”,130,130')中。
18.根据权利要求16所述的火花塞电极(12,18)，其中当从横截面观察时，所述电极基座(130)包括一个或多个凸角(140)，并且所述电极尖端(132)围绕所述电极基座的所述凸角构建，使得所述机械锁定(142)包括位于所述电极基座和所述电极尖端之间的所述热弹性接合部(134)。
19.根据权利要求16所述的火花塞电极(12,18)，其中当从横截面观察时，所述电极基座(130')包括一个或多个柱，并且所述电极尖端(132')围绕所述电极基座的所述柱构建，使得所述机械锁定(142)包括位于所述电极基座和所述电极尖端之间的所述热弹性接合部(134')。
20.根据权利要求1所述的火花塞电极(12,18)，其中所述多个激光沉积层(50,52,54,56,58,60)是通过增材制造制成的，所述增材制造使用粉末床熔合技术利用激光或电子束将粉末(102)熔化或烧结到所述电极基座(30,30',30”,130,130')上，然后允许所熔化或烧结的粉末固化以变成所述热弹性接合部(34,34',34”,134,134')和所述电极尖端(32,32',32”,132,132')。
21.根据权利要求1所述的火花塞电极(12,18)，其中所述贵金属基材料是铱基材料或铂基材料。
22.一种用于制造火花塞电极(12,18)的增材制造方法，包括以下步骤：
提供电极基座(30,30',30”,130,130')；
提供包括贵金属基材料的粉末(102)；
将所述电极基座放置在工具(100)中并用所述粉末覆盖所述电极基座的端面；
将激光或电子束引导到所述电极基座的所述端面处，使得所述激光或所述电子束熔化或烧结所述粉末中的至少一些粉末并且在所述电极基座上形成热弹性接合部(34,34',34”,134,134')；
用所述粉末覆盖所述热弹性接合部的端面；以及
将所述激光或所述电子束引导到所述热弹性接合部的所述端面处，使得所述激光或所述电子束熔化或烧结所述粉末中的至少一些粉末并且在所述热弹性接合部上形成电极尖端(32,32',32”,132,132')。
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