CN116454736A - 火花塞电极及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种使用增材制造工艺(例如粉末床熔融技术)在电极基部上形成电极尖端的火花塞电极。该火花塞电极包括至少部分地包围散热芯的电极基部、形成在所述电极基部上并且包含基于贵金属的材料的电极尖端、以及将所述电极尖端直接热耦合到所述散热芯的热耦合区域。在一些示例中，所述电极尖端形成在已经被切削或切断以暴露所述散热芯的一部分的电极基部上，从而使用增材制造直接在所述散热芯上形成所述电极尖端。
Description
技术领域
本发明总体上涉及火花塞和其他点火装置，具体而言，涉及使用增材制造工艺制造的火花塞电极和其他部件。
背景技术
火花塞用于启动内燃发动机中的燃烧。通常，火花塞点燃燃烧室中的空气/燃料混合物，从而跨越两个或多个电极之间的火花隙产生火花。借助于火花点燃空气/燃料混合物会触发负责发动机的做功冲程的燃烧室中的燃烧反应。高温、高电压、燃烧反应的快速重复以及燃烧气体中腐蚀性物质的存在会导致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，随着时间的推移，这会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/合金。然而，这些材料很昂贵，尤其是铱。因此，火花塞制造商试图最大限度地减少电极中贵金属的用量。一种方法涉及仅在电极尖端或电极的发火区段上(即在火花隙两端跳火的地方)使用贵金属，而不是对整个电极体本身都使用贵金属。
各种结合技术(例如周向激光焊接)已被用于将贵金属电极尖端附接到电极体上。然而，当贵金属电极尖端被周向激光焊接到电极体(例如由镍合金制成的主体)上时，由于材料的不同特性(例如，不同的热膨胀系数、不同的熔点等)，在火花塞工作期间焊缝上可能存在大量热应力和/或其他应力。在工件旋转且激光器保持固定在大致径向取向上的周向激光焊接工艺中，工件支架的同心度和不均匀磨损等因素可能会导致不均匀的周向焊缝(例如，焊缝的几何形状和/或合金成分可能会围绕工件的圆周发生变化)，这会进一步加剧上述应力。这些应力继而会不希望地导致电极体、电极尖端、连接两个部件的接头或它们的组合的破裂或其他损伤。
另一种挑战与冷却贵金属电极尖端有关。如果贵金属电极尖端未充分冷却并允许大量热量积聚，则上述应力会变得更大。在负载变化频率高且发动机燃烧温度高的应用(例如发动机启停)中尤其如此。应对这一挑战的一种方法是简单纯将导热芯移动到更靠近贵金属电极尖端的位置，并使用环形激光焊接将电极尖端附接到电极体上，但这本身就会带来挑战。挑战之一涉及电极的跳火或发火位置的变化。跳火位置优选位于贵金属电极尖端上，因为贵金属通常具有最高的抗侵蚀和/或腐蚀能力。然而，当使用位于电极尖端附近的导热芯将电极尖端周向地激光焊接到电极基部上时，焊接过程可以将导热芯材料拉取或拉动到电极基部在焊缝区域中的外侧。进而，这可能会不希望地将跳火位置从它应当所处的贵金属电极尖端表面改变或移动到在抗侵蚀和/或腐蚀方面不太稳靠的焊接表面。这种跳火位置的变化会对火花塞的使用寿命产生负面影响。
本文描述的火花塞电极被设计成解决了上述缺点和挑战中的一个或多个。
发明内容
根据一个实施例，提供了一种火花塞电极，该火花塞电极包括：电极基部；至少部分地被所述电极基部包围的散热芯；电极尖端，其形成在所述电极基部上并且包括多个激光沉积层；和热耦合区域，其至少部分地位于所述电极尖端与所述散热芯之间，其中所述热耦合区域将所述电极尖端直接热耦合到所述散热芯。
根据各种实施例，所述火花塞电极可以单独或以任何技术上可行的组合具有以下特征中的任何一项或多项：
-其中，所述散热芯沿所述火花塞电极的中心轴线延伸并且终止于未到达所述电极基部的轴向端部的轴向端部处，所述散热芯的轴向端部与所述电极基部的轴向端部之间的轴向间距Z小于或等于1.3mm；
-所述散热芯沿所述火花塞电极的中心轴线延伸并且终止于到达所述电极基部的轴向端部的轴向端部，所述散热芯的轴向端部与所述电极基部的轴向端部之间的轴向间距Z约为0.0mm；
-所述散热芯沿所述火花塞电极的中心轴线延伸并且终止于假想的轴向端部处，如果所述假想的轴向端部未被截断，则所述假想的轴向端部将延伸超过所述电极基部的轴向端部，所述散热芯的假想轴向端部与所述电极基部的轴向端部之间的轴向间距Z小于0.0mm；
-所述火花塞电极是中心电极，并且所述电极尖端是形成在所述电极基部的轴向端部上的圆柱形部件，所述电极尖端被定向成使得所述多个激光沉积层垂直于所述火花塞电极的中心轴线，并且所述电极尖端利用无焊缝结合固定在所述电极基部上；
-所述火花塞电极是接地电极，并且所述电极尖端是形成在所述电极基部的侧表面上的扁平部件，所述电极尖端被定向使得所述多个激光沉积层在所述电极尖端的区域中平行于所述接地电极的中心轴线，并且所述电极尖端使用无焊缝结合固定在所述电极基部上；
-所述多个激光沉积层通过增材制造工艺形成在所述电极基部上，所述增材制造工艺使用粉末床熔融技术来使用激光束或电子束将基于贵金属的粉末熔融或烧结到所述电极基部上，然后允许所述熔融或烧结的粉末固化成为所述电极尖端的激光沉积层，所述多个激光沉积层的平均层厚度T在5μm与60μm之间(包括端值)，并且所述多个激光沉积层的总厚度是在0.05mm与3.0mm之间(包括端值)的电极尖端高度H；
-所述电极尖端包含基于贵金属的材料，该材料具有至少一种选自以下群组的贵金属：铱、铂、钌、钯或铑；
-所述基于贵金属的材料是铂基材料、钌基材料或包含不超过60wt％的铱的铱基材料；
-所述电极基部包含镍基材料，所述散热芯包含铜基材料，并且所述热耦合区域包含所述镍基材料中的镍、所述铜基材料中的铜和所述基于贵金属的材料中的贵金属；
-所述热耦合区域形成从所述电极尖端到位于所述火花塞电极内部的散热芯的热导管，使得所述热耦合区域未在所述火花塞电极的外表面上暴露；
-所述热耦合区域在所述电极尖端与所述散热芯之间的位置的平均导热率高于所述电极基部；
-所述热耦合区域包含热耦合区域合金，其包含所述散热芯中的铜、所述电极基部中的镍以及所述电极尖端的铱、钌或铂中的至少一种；
-所述热耦合区域包括位于所述散热芯附近的第一部分和位于所述电极尖端附近的第二部分，所述第一部分包含热耦合区域合金，其具有2-45wt％的来自所述电极尖端的贵金属，并且所述第二部分包括热耦合区域合金，其具有2-45wt％的来自所述散热芯的铜；
-所述热耦合区域合金中贵金属的比例从所述第二部分到所述第一部分沿中心轴线递减，并且所述热耦合区域合金中铜的比例从所述第一部分到所述第二部分沿中心轴线递减以形成成分梯度结构；
-所述热耦合区域包括位置邻近所述散热芯的第一部分和位置邻近所述电极尖端的第二部分，所述第一部分呈球根状并吸收所述散热芯的轴向端部，所述第二部分具有宽而浅的形状并填充所述电极尖端下方的区域；并且
-所述电极尖端构建在电极体的切断端上，所述电极体具有所述散热芯的暴露表面，使得所述散热芯的被截断的轴向端部被吸收到所述热耦合区域中。
根据另一个实施例，提供了一种火花塞电极，其包括：包含镍基材料的电极基部；包含铜基材料的散热芯，所述散热芯至少部分地被所述电极基部包围；包含基于贵金属的材料的电极尖端，该电极尖端通过增材制造工艺形成在所述电极基部上并且包括垂直于所述火花塞电极的中心轴线的多个激光沉积层；和至少部分地位于所述电极尖端与所述散热芯之间的热耦合区域，该热耦合区域形成从所述电极尖端到所述火花塞电极的热导管，使得所述热耦合区域未暴露于所述火花塞电极的外表面，并且所述热耦合区域包括所述镍基材料中的镍、所述铜基材料中的铜和所述基于贵金属的材料中的贵金属，其中所述热耦合区域直接将所述电极尖端与所述散热芯热耦合。
根据又一个实施例，提供了一种用于制造火花塞电极的增材制造工艺，其包括以下步骤：提供包括电极基部和至少部分地被所述电极基部包围的散热芯的电极体；用包含基于贵金属的材料的薄粉末床层覆盖所述电极体的点火端；将激光束或电子束引导到所述电极体的点火端处，使得其熔化或烧结至少一些所述薄粉末床层；重复多个循环的覆盖和引导步骤，使得在所述电极基部上形成具有多个激光沉积层的电极尖端，并且使得所述电极尖端与所述散热芯之间至少部分地形成热耦合区域，其中所述热耦合区域将所述电极尖端直接热耦合到所述散热芯。
根据各种实施例，所述增材制造工艺可以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个或多个：
-所述提供步骤进一步包括提供电极体，所述电极基部穿过所述散热芯被切断或切削，使得所述散热芯的一部分暴露在轴向端部处；
-所述引导步骤进一步包括将所述激光束或电子束引导到所述电极体的点火端处，并根据非均匀能量轮廓来驱动所述激光束或电子束，所述能量轮廓将较多能量朝向所述点火端的中心集中，而将较少能量朝向所述点火端的径向外部区段集中；
-当所述激光束或电子束熔化或烧结位置朝向所述点火端中心的圆形区域中的薄粉末床层时，所述不均匀的能量轮廓以较高的能量水平驱动所述激光束或电子束，而当所述激光束或电子束熔化或烧结与所述圆形区域同心并且位置朝向所述点火端的径向外部区段的环形区域中的薄粉末床层时，所述不均匀的能量轮廓以较低的能量水平驱动所述激光束或电子束；并且
-所述不均匀的能量轮廓有助于产生定制的热耦合区域，该热耦合区域包括位置在所述电极体中较深处并朝向所述电极体中心集中的第一部分，以及位置较靠近所述电极尖端且更向外扩展以使得它主要位于所述电极尖端下方的第二部分。
附图说明
下面将结合附图描述优选实施例，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1是火花塞的侧视图；
图2是图1中的火花塞的点火端的截面图，其中点火端具有电极尖端，该电极尖端经由增材制造工艺构建在电极基部上，使得它直接热耦合到散热芯；
图3-4是火花塞的点火端的其他示例的截面图，其中点火端具有经由增材制造工艺构建在电极基部上的电极尖端，使得它们直接热耦合到散热芯；
图5-7是可与图1-4所示的各种火花塞示例一起使用的电极的截面图，其中每个电极都具有基于贵金属的电极尖端，该电极尖端通过增材制造形成并直接热耦合到散热芯；
图8是可以与图1-4所示的各种火花塞示例或图5-7所示的电极示例一起使用以形成直接热耦合到散热芯的基于贵金属的电极尖端的增材制造过程的流程图；和
图9-12(B)是与图8的增材制造工艺对应的不同制造阶段的电极的截面图和端视图。
具体实施方式
本文公开的火花塞电极包括电极尖端，该电极尖端使用增材制造工艺(例如粉末床熔融技术)形成在电极基部上，使得电极尖端直接热耦合至散热芯。可以使用的潜在粉末床熔融技术的一些非限制性示例包括：选择性激光熔融(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)和电子束熔融(EBM)。
举例来说，电极基部可以由镍基材料制成并且可围绕由铜基材料制成的散热芯，而电极尖端由基于贵金属的材料制成，例如含有铱、铂、钯、钌、铑等的材料。选择基于贵金属的材料以提高火花塞电极的耐腐蚀和/或电侵蚀能力。通过使用增材制造工艺直接在电极基部上构建电极尖端，可以形成具有理想冷却性能的火花塞电极，其中电极尖端直接热耦合到散热芯。本领域技术人员应理解，当基于贵金属的电极尖端例如通过周向激光焊接与镍基电极基部结合时，由于各种因素(例如，不同的热膨胀系数、不同的熔点、不均匀或不一致的周向焊缝等)，在火花塞工作期间焊接接头上通常存在大量的热应力和/或其他应力。这些应力继而会不希望地导致电极基部、电极尖端、连接两个部件的接头或它们的组合的破裂或其他损伤。还有一种可能性是，当使用周向激光焊接将基于贵金属的电极尖端附接到电极基部上时，激光焊接过程会将散热芯的铜基材料吸或拉至电极的周向两侧。这可能会产生不希望的结果，即在电极的周向侧远离预期的发火表面形成跳火位置，进而缩短火花塞的使用寿命。这些和其他挑战在内燃发动机(比如启停发动机)中加剧，其中火花塞电极经受恶劣条件和极端温度和/或负荷变化。本文所描述的火花塞电极——其具有通过增材制造形成的电极尖端，使得它直接热耦合到散热芯——旨在以经济的方式应对此类挑战。
本文公开的火花塞电极可以用于各种火花塞和其他点火装置，包括工业火花塞、汽车火花塞、航空点火器、电热塞、预燃室火花塞或用于点燃发动机或其他机械中的空气/燃料混合物的任何其他装置。这包括但当然不限于附图中所示和下文描述的示例性工业火花塞。此外，应当注意，本火花塞电极可以用作中心电极和/或接地电极。该火花塞电极的其他实施例和应用也是可能的。除非另有说明，本文提供的所有百分比均以重量百分比(wt％)表示，并且所有对轴向、径向和周向方向的引用均基于火花塞或火花塞电极的中心轴线A。
参照图1和2，示出了示例性火花塞10，其包括中心电极12、绝缘体14、金属外壳16和接地电极18。中心电极12设置在绝缘体14的轴向内孔内，并且包括突出超过绝缘体14的自由端22的点火端20。如下文更详细地解释的，点火端20可以包括由镍基材料制成的电极基部30、包含在电极基部内并由铜基材料制成的散热芯32和由基于贵金属的材料制成的电极尖端34，其中电极尖端使用增材制造工艺形成在电极基部上，使得电极尖端直接热耦合至散热芯。绝缘体14布置在金属外壳16的轴向内孔内并且由足以使中心电极12与金属外壳16电绝缘的材料(例如陶瓷材料)构成。绝缘体14的自由端22可以如图所示缩在金属外壳16的自由端24内，或者它可以突出到金属外壳16之外。接地电极18可以根据一些附图中所示的常规J形间隙配置或根据一些其他布置结构来构造，并且附接到金属外壳16的自由端24上。根据该特定实施例，接地电极18包括与中心电极的点火端20面对的侧表面26，并且具有可以根据或可以不根据本文描述的增材制造工艺形成的电极尖端或电极片40，以及其自身的散热芯42。电极尖端40呈平垫的形式并且与中心电极的电极尖端34一起限定火花隙G，使得它们提供用于跨火花隙G的电子发射、接收和交换的发火表面。电极尖端34和40可以由相同的基于贵金属的材料形成，或者它们可以由不同的基于贵金属的材料形成。
在图1和2所示的示例中，电极基部30是主电极体36的延伸部并由与主电极体36相同的镍基材料制成。电极基部30是电极体36的一部分并且可以具有相同的直径(如图所示)，或者它可以被机械加工、缩径或以其他方式制造，使得它具有比相邻电极体36的直径小的直径，并且因此提供可以在其上构建电极尖端34的底座或表面。如将更透彻地解释的，通过选择性地将激光束或电子束引导到与电极基部的轴向端部接触的基于贵金属的粉末床，可以使用增材制造工艺直接在电极基部30上形成电极尖端34。这导致基于贵金属的粉末以及电极基部30和/或散热芯32的一部分在点火端20处熔化或混合在一起并固化。然后重复增材制造工艺，使得基于贵金属的电极尖端34一次一层地构建在电极基部30上，直到它达到其期望的高度。通过控制激光能量分不、散热芯的轴向端部与电极基部的轴向端部的轴向间距等各种参数，增材制造工艺能够在电极尖端与散热芯之间建立直接的热耦合或连接，其可对电极的热管理产生重大影响。
如上所述，本火花塞电极不限于图1和2所示的示例性配置。如图1和2所示，因为它可用于任何数量的不同应用，包括各种工业火花塞、汽车火花塞、航空点火器、电热塞、预燃室火花塞或其他装置。本火花塞电极也不限于中心电极，因为它可以是某种类型的接地电极或接地体。可以使用本火花塞电极的其他潜在应用的一些非限制性示例在图3和4中示出，其中与图1和2相似的参考标号表示相似的特征。许多其他实施例和示例，例如具有不同轴向、径向和/或半沿面火花隙的各种类型的火花塞；预燃室、非预燃室、屏蔽和/或非屏蔽配置；多个中心和/或接地电极；以及燃烧或点燃汽油、柴油、天然气、氢气、丙烷、丁烷等的火花塞当然是可能的。本申请的火花塞电极和方法决不限于本文所示出和描述的说明性示例。
在图3中，火花塞具有带与J形间隙设计相反的桥式设计的接地电极18'，其在多个位置连接到金属外壳16'的自由端24'。中心电极12'至少部分地被绝缘体14'包围并且包括朝向其点火端20'的电极基部30'，该点火端20'具有与相邻电极体36'相同的直径(这不是必需的，因为电极基部30'可以有不同的直径，列举几种可能性，它可以是锥形的，它可以是阶梯形的，等等)。与前面的示例一样，使用增材制造工艺和基于贵金属的粉末床在电极基部30'上构建或形成电极尖端34'。该过程形成热耦合区域38'，该热耦合区域38'可以至少部分地位于散热芯32'与电极尖端34'之间并且以比在电极尖端单纯被周向激光焊接到电极基部上的情况下更实质性的方式热连接或连结所述两个部件。附图示出了散热芯32'的端部形状更圆或更钝，并且热耦合区域38'比图2中的对应部分更平坦。应当理解，散热芯、热耦合区域和/或电极尖端的尺寸、形状、位置、取向和/或成分可能会有所不同，具体取决于使用它们的具体应用，并且此类部件不限于本文所示的说明性示例。电极尖端或电极片40'——其是任选的并且优选地由基于贵金属的材料制成——可以通过本增材制造工艺形成或者它可以被焊接到桥式接地电极18'的侧表面26'上，以与电极尖端34'一起限定火花隙G。电极尖端34'和40'可以由同一种基于贵金属的材料形成，或者它们可以由不同的基于贵金属的材料形成。其他实施例也是可能的。
转到图4，该火花塞是具有中心电极12”、绝缘体14”、金属外壳16”和接地电极18”的预燃室火花塞。中心电极12”包括其上形成有基于贵金属的电极尖端34”的电极基部30”、散热芯32”和电极体36”，并且中心电极延伸到预燃室空间或容积46”中。在中心电极尖端34”的外周面与环形电极片40”的内圆面之间形成有径向火花隙G，环形电极片40”由多个接地电极或接地电极支架18”固定就位。本文所述的增材制造工艺可以用于一次一层地在电极基部30”的轴向端部上形成基于贵金属的电极尖端34”，使得电极尖端34”经由热耦合区域38”直接热耦合到散热芯32”。在本例中，环形电极片40”由基于贵金属的材料制成并且经由焊接或本增材制造工艺附接到接地电极18”上。电极尖端和电极片34”和40”可以由同一种基于贵金属的材料形成，或者它们可以由不同的基于贵金属的材料形成。
现在转到图5-7，示出了若干中心电极点火端(例如可以与图1-4中的火花塞一起使用的那些)的放大示意图。在任何情况下，中心电极12、12'、12”具有点火端20、20'、20”，其包括电极基部30、30'、30”、散热芯32、32'、32”、电极尖端34、34'、34”和热耦合区域38、38'、38”，该热耦合区域充当电极尖端与散热芯之间的热导管，使得两个部件彼此直接热耦合。增加电极尖端34、34'、34”与散热芯32、32、32”之间的热连通使得电极尖端在工作期间更有效地冷却，进而允许在电极尖端中使用更广泛的基于贵金属的材料，包括更具成本效益的材料。需要解释的是，电极尖端的电腐蚀速率和因此有效使用寿命受多种因素影响，包括基于贵金属的材料的熔点。熔点为约2450℃的铱比熔点为约1750℃的铂更耐电腐蚀。由铱基材料制成的电极尖端通常表现出比由铂基材料制成的电极尖端更强的抗电腐蚀能力，因此有时更受欢迎。然而，铱的成本可能会更高，并且在某些情况下，显著高于铂，因此可能希望在电极尖端的生产中最大限度地减少铱和/或其他高成本材料的用量。本火花塞电极通过以下方式来实现这一点：使用增材制造技术在电极基部30、30'、30”上形成电极尖端34、34'、34”，以使得电极尖端经由热耦合区域38,38',38”直接热耦合到散热芯32、32'、32”，这使电极尖端保持冷却并允许使用更广泛的基于贵金属的材料，包括熔点较低的较便宜的材料。应当理解，以下对电极基部、电极尖端、散热芯和热耦合区域的描述并不限于图中所示的中心电极，并且也适用于其他中心电极和/或接地电极实施例。例如，根据本申请可以提供具有由镍基材料制成的电极基部、由基于贵金属的材料制成的电极尖端和由一种或多种导热材料制成的散热芯(无论是单材料芯还是多材料芯)的接地电极。在这样的布置结构中，可以使用本增材制造技术在电极基部的侧表面或轴向端部表面上形成电极尖端，使得电极尖端直接热耦合到散热芯，如所解释的。这种和其他中心和/或接地电极实施例当然在本申请的范围内。
电极基部30、30'、30”通常是这样的电极区段或部分：通过增材制造在其上形成电极尖端，因此可以充当电极尖端的载体材料。如上所述，电极基部30、30'、30”可以是电极体36、36'、36”的整体延伸部，或者它可以是被焊接、增材制造或以其他方式附接到电极体上的单独的零件或部件。电极基部30、30'、30”可以通过拉伸、挤压、机加工和/或使用某些其他常规工艺制造并且可以由镍基材料制成。如本文所用的术语“镍基材料”是指其中镍是材料中重量最大的单一成分的材料，它可能包含也可能不包含其他成分(例如，镍基材料可以是纯镍、含有一些杂质的镍，或镍基合金)。根据一个示例，电极基部30、30'、30”由具有相对高的镍重量百分比的镍基材料制成，例如包含98wt％或更多镍的镍基材料。在一个不同的示例中，电极基部30、30'、30”由具有较低镍重量百分比的镍基材料制成，例如包含50-90wt％镍的镍基材料(例如，INCONELTM600或601)。一种特别合适的镍基材料含有约70-80wt％的镍、10-20wt％的铬、5-10wt％的铁以及少量的其他元素。对于镍基材料，电极基部30、30'、30”的热膨胀系数可能在10×10-6m/mK与15×10-6m/mK之间(在100℃下测量)，熔点介于1,200℃与1,600℃之间，并且导热率在10W/m·K与20W/m·K之间(在100℃下测量)。电极基部30、30'、30”的直径或尺寸可根据具体应用和实施例而显著变化(例如，作为中心电极的一部分的电极基部30的尺寸可能小于作为接地电极的一部分的电极尖端40的电极基部的尺寸；此外，工业火花塞的电极基部的尺寸可能大于汽车火花塞的电极基部的尺寸)。根据图2-4所示的非限制性示例(它们是工业火花塞)，电极基部的直径可以在1.4mm与4.2mm之间(包括端值)，更加优选地在1.8mm和3.8mm之间(包括端值)。对于汽车火花塞和其他火花塞，这些尺寸可能更小并且电极基部的直径可能在0.7mm与3.0mm之间(包括端值)，更加优选地在1.0mm与2.5mm之间(包括端值)。电极基部30、30'、30”可以改用其他材料(包括非镍基材料)以及其他尺寸和形状(例如，电极基部不必包括具有“直径”的圆形截面，而是可以包括椭圆形、正方形、矩形或其他具有一个“尺寸”的截面)。
散热芯32、32'、32”是电极的一个区段或部分，通常是沿中心轴线延伸的长形部分，其至少部分地被电极基部围绕或包围，并且被设计成传递热量或热能离开点火端。散热芯32、32'、32”的确切尺寸、形状和位置可能因应用而异，但通常它是一个长形的内部部分，沿电极的中心轴线延伸并被电极基部的镍基材料周向包围，使得它不会在电极的两侧暴露。在图5的示例中，散热芯32具有在芯的纵长方向上延伸的长形侧50、52、朝向芯的一端会聚的锥形侧54、56，以及芯终止的轴向端部58。散热芯32由导热率大于周围电极基部30的导热率的一种或多种导热材料(例如铜基或银基材料)制成。导热材料的导热率可以大于70W/m·K(在100℃下测量)，更加优选地，导热率可以大于200W/m·K(在100℃下测量)。如本文所用的术语“铜基材料”是指其中铜是材料中重量最大的单一成分的材料，它可能包含也可能不包含其他成分(例如，铜基材料可以是纯铜、含有一些杂质的铜或铜基合金)。根据一个示例，散热芯32、32'、32”由导热材料制成，该导热材料是铜的重量百分比较高的铜基材料，例如包含90wt％或更多铜的铜基材料。对于铜基材料，散热芯32、32'、32”的热膨胀系数可能在14×10-6m/mK和19×10-6m/mK之间(在100℃下测量)，熔点介于950℃与1,200℃之间，并且导热率大于275W/m·K(在100℃下测量)。
长形侧50、52大体上相互平行并与中心轴线A平行，并有助于形成散热芯32的外边界。如上所述，通常不希望耐腐蚀和/或侵蚀性能比基于贵金属的材料低得多并且具有高导电性的散热芯材料暴露在可能成为意外的跳火位置的电极的外表面上。因此，优选的是，散热芯32在长形侧50、52的区域中被电极基部30的这样的护套或外壳覆盖——其在两侧的径向厚度X大于或等于0.2mm。
散热芯32通常不以完全方形的形式终止，而是朝向轴向端部58逐渐变窄或变细。这可能是由于设计因素或制造工艺，例如当散热芯最初是插入电极基部杯中然后与电极基部共挤出或共拉伸时。在一些示例中，锥形侧面54、56大体上是直的、成角度的部段，其逐渐朝向彼此会聚(例如，如图2所示)，但是锥形侧面也可以是圆形的(例如，如图3所示)或甚至更加呈方形(例如，如图4所示)。尽管不是必需的，但优选的是，电极基部30在锥形侧面54、56的区域中的径向厚度Y(如在锥形侧面的轴向起点和轴向端点之间的大约一半处测量)大于或等于0.3mm，但该尺寸很大程度上取决于该区域中的散热芯32的形状。
芯的轴向端部58可以有许多不同的形状和配置，包括尖的、圆形的、钝的、方形的等。轴向端部58的位置决定了轴向间距Z，即芯的轴向端部58与电极基部的轴向端部60之间的轴向距离，不计电极尖端34。轴向间距Z可对电极尖端34与散热芯32之间的热耦合产生重大影响，并且可影响火花塞的工作及其制造。在一个非限制性示例中，轴向间距Z小于或等于1.3mm，更加优选地小于或等于1.05mm，更加优选地小于或等于0.8mm，更加优选地小于或等于0.55mm。在一些示例中，散热芯32的轴向端部58甚至可以与电极基部30的轴向端部60处于相同的轴向位置(例如，参见图6)，使得轴向间距Z基本上为0mm，或者可以将散热芯的轴向端部58切除(例如，参见图7)，使得轴向间距Z为负尺寸。然而，测试表明，如果没有通过其他预防措施充分抵消，单纯减小和/或增加轴向间距Z本身可能会存在挑战。例如，如果某些传统火花塞中的轴向间距Z太小，则可能难以产生可靠的周向激光焊接，因为散热芯非常靠近导致它从焊接区域吸走大量热量，这反过来又会影响焊接质量。另一方面，如果在某些传统火花塞中轴向间距Z太大，则电极尖端与散热芯之间的热耦合不充分，因为介设的导热率较低的镍基材料可以充当部件之间的某种热障。本火花塞电极通过使用增材制造工艺在电极基部30上形成电极尖端34以使得它们经由热耦合区域38彼此直接热耦合而克服了这些和其他挑战。
尽管散热芯32、32'、32”在附图中被示为单一材料芯(即，由单一导热材料形成的芯，其可以包含也可以不包含多种成分)，但它也可以是多材料芯。根据多材料芯的第一示例，内部散热芯部件(例如，由镍基材料制成的散热芯部件)沿电极的一部分延伸，并且外部散热芯部件(例如，由铜基材料制成的散热芯部件)沿电极的同一部分延伸，使得它至少部分地围绕内部散热芯部件并与内部散热芯部件同心。在这种同心或分层布置结构中，内部散热芯部件可以延伸或突出超过外部散热芯部件的端部。根据多材料芯的第二示例，前向散热芯部件沿电极的更靠近点火端的部分延伸，而后向散热芯部件沿电极的更远离点火端的部分延伸。在这种端对端或串联布置中，散热芯部件中的一个可能比另一个长。第一和/或第二多材料芯示例可以与中心电极和/或接地电极一起使用。如果使用多材料芯，则从最近的散热芯部件的轴向端部到电极尖端测量轴向间距Z(即最短轴向间距Z)。当然，许多其他散热芯布置结构和配置也是可能的并且当然在本申请的范围内。
电极尖端34、34'、34”是电极的通常通过增材制造形成在电极基部上的区段或部分，通常是发火部分。因此，电极尖端34、34'、34”可由靠近电极基部的基于贵金属的粉末床制成，使得在被激光束或电子束照射时，基于贵金属的粉末与电极基部30和/或散热芯32的部分固体材料熔融并固化成激光沉积层。重复产生各个层的该过程，从而产生依次构建或彼此上下堆叠的多个激光沉积层70，使得这些层垂直于电极的中心轴线A(在此背景下，“垂直”不需要完美的垂直度，只要从截面看时层70在可容忍的误差范围内垂直于中心轴线A即可)。一些激光沉积层70可能含有来自散热芯32、电极基部30和电极尖端34的材料；一些层70可能仅含有来自电极基部30和电极尖端34的材料；而其他层70可能仅含有来自电极尖端34的材料。每个激光沉积层的平均层厚度T可以在5μm与60μm之间，并且所有层厚度的总和或和是电极尖端高度H，其可以在0.05mm与3.0mm之间，或更加优选地在0.1mm与1.5mm之间。电极尖端34、34'、34”可根据以下实施例生产：列举几种可能性，相对于电极基部径向缩窄，以及不相对于电极基部径向缩窄；形状为铆钉、圆柱、棒、柱、线、球、墩、锥、平板、盘、板、环、套等；就截面而言是圆形、椭圆形、正方形、矩形和/或其他形状；位于电极基部的轴向端部处，以及位于电极基部的侧面或其他部分；并且是中心电极或接地电极的一部分。
电极尖端34、34'、34”可以由基于贵金属的材料制成，以提供改进的抗腐蚀和/或侵蚀能力。如本文所用的术语“基于贵金属的材料”是指贵金属是材料中重量最大的单一成分的材料，它可能包含也可能不包含其他成分(例如，基于贵金属的材料可以是纯贵金属、含有一些杂质的贵金属或基于贵金属的合金)。列举几种可能性，可以使用的基于贵金属的材料包括铱基、铂基、钌基、钯基和/或铑基材料。根据一个示例，电极尖端34、34'、34”由基于铱、铂或钌的材料制成，其中该材料已被加工成粉末形式，使得它可用于增材制造工艺。对于铱基材料，电极尖端的热膨胀系数可能在6×10-6m/mK与7×10-6m/mK之间(在100℃下测量)，熔点在2,300℃与2,500℃之间，导热率在120W/m·K和180W/m·K之间(在100℃下测量)；对于铂基材料，电极尖端的热膨胀系数可能在8×10-6m/mK与10×10-6m/mK之间(在100℃下测量)，熔点在1,650℃与1,850℃之间，导热率在50W/m·K与90W/m·K之间(在100℃下测量)。如上所述，某些贵金属，比如铱，可能会非常昂贵，因此，通常希望减少电极尖端中此类材料的含量，只要这样做不会不可接受地降低电极尖端的性能即可。铱含量不超过60wt％(例如Pt-Ir40、Pt-Ir50、Ir-Pt40、Ru-Rh5等)、优选地铱含量不超过50wt％(例如Pt-Ir40,Pt-Ir50,Ru-Rh5等)的基于贵金属的粉末在电极尖端直接热耦合到散热芯32、32'、32”时可用于制作电极尖端34、34'、34”，因为此类材料可以在成本与性能之间取得理想的平衡。然而，也可以使用其他基于贵金属的粉末，例如具有高达约98wt％铱的粉末(例如，Ir-Rh2.5、Ir-Rh5、Ir-Rh10、Ir-Pt5、Ir-Pt5-Rh5等)，特别是在这些材料的价格在未来下降的情况下。电极尖端34、34'、34”的直径或尺寸根据具体应用和实施例而变化。例如，在图2-4所示的工业火花塞的非限制性示例中，每个电极尖端的直径可以在1.0mm与4.2mm之间(包括端值)，更加优选地在1.2mm与3.0mm之间(包括端值)。对于汽车和其他火花塞，这些尺寸可能会更小，电极尖端的直径可能在0.4mm与3.0mm之间(包括端值)，更加优选在0.6mm与2.0mm之间(包括端值)。电极尖端不必包括具有“直径”的圆形截面，而是可以包括具有一个“尺寸”的卵形、正方形、矩形或其他截面。
热耦合区域38、38'、38”至少部分地位于散热芯与电极尖端之间并且包括来自散热芯、电极基部和/或电极尖端的材料。热耦合区域38、38'、38”被设计成充当热导管或通道，使得火花塞工作期间积聚的热量可以有效地从电极尖端34、34'、34”传递到散热芯32、32'、32”，从该处它可以进一步散发到绝缘体14、外壳16和最终发动机的气缸盖中。如上所述，出于多种原因，需要增强电极尖端34、34'、34”的冷却：它减少了电极尖端与电极基部之间的接合处产生的热应力；它降低了电极尖端的侵蚀和/或腐蚀速率；并且它可以使用更多种类的基于贵金属的材料，包括熔点较低的廉价材料，以及较少的贵金属材料，仅举几例。热耦合区域38、38'、38”位于电极内部，使得它朝向电极的中心或中间集中，并且可以包含来自散热芯32、32'、32”、电极底部30、30'、30”和/或电极尖端34、34'、34”的材料(当它们都存在于热耦合区域时，这些材料一起构成热耦合区域合金)。通过在电极的中间包含热耦合区域38、38'、38”，防止了热耦合区域38、38'、38”暴露在外部并成为不希望的跳火位置。此外，热耦合区域合金的平均导热率高于电极基部30、30'、30”本身的平均导热率，这有时会在火花塞中起到热障或障碍的作用——火花塞中大量的电极基部材料介于尖端与芯之间。热耦合区域合金(例如，Ni-Ir-Cu、Ni-Pt-Cu、Ni-Ir-Pt-Cu等)、电极尖端与散热芯之间的紧密间距(例如，小于2.0mm)和热耦合区域的集中形状(例如，沿电极的中心轴线A略微拉长的形状)有助于在电极尖端与散热芯之间形成直接的热耦合或连接，而无需不希望地在电极侧面产生不希望有的跳火点。热耦合区域38、38'、38”还有助于减小电极尖端与基部之间的接合处的应力，例如由不同的热膨胀率引起的应力。下面的段落描述了热耦合区域的不同示例并且结合图5-7提供。应当理解，这些附图仅为示意图，因为散热芯、热耦合区域、电极基部、电极尖端等可能与图示的不同。
在5中，示出了可与图2的火花塞一起使用的热耦合区域38的一个示例。由于散热芯32的轴向端部58没有到达电极基部30的轴向端部60，因此电极12的轴向间距Z约为0.5mm。热耦合区域38中的材料分布或浓度可沿中心轴线A变化，但散热芯32、电极基部30和电极尖端34的元素均存在于热耦合区域38中。初步测试表明，在热耦合区域38的第一部分80中——其邻近散热芯32并且距离电极尖端34最远，热耦合区域可以包含热耦合区域合金，其具有大约：2-45wt％的贵金属(例如Ir、Pt、Pd、Ru、Rh等)，2-50wt％的铜，20-75wt％的镍，其余为电极部件中的其他元素。在热耦合区域的第二部分82中——其邻近电极尖端34并且距离散热芯32最远，热耦合区域可以包含热耦合区域合金，其具有大约：10-65wt％的贵金属(例如、Ir、Pt、Pd、Ru、Rh等)，2-45wt％的铜，10-65wt％的镍，其余为电极部件中的其他元素。尽管热耦合区域38的确切成分可能与上面提供的示例不同，但优选而言，热耦合区域合金包含来自散热芯32的导热材料、来自电极基部30的镍和来自电极尖端34的贵金属，并且热耦合区域根据梯度结构配置，使得第一部分80含铜比第二部分82多，并且第二部分82含贵金属比第一部分80多。
图6示出了可以与图3的火花塞一起使用的热耦合区域38'的另一个可能的示例。在本例中，散热芯32'的轴向端部58'到达电极基部30'的轴向端部60'，使得电极12'的轴向间距Z约为0.0mm。如图所示，电极体36'已被切削或切断，使得散热芯32'的轴向端部58'位于或接近位于电极基部30'的轴向端部60'(因此，轴向间距Z约为0.0mm)。当增材制造工艺开始构建电极尖端34'的初始层时，激光束或电子束在轴向方向上被引导，使得它熔化覆盖轴向端部60'的基于贵金属的粉末薄涂层，并且熔化部分下层电极基部30'和散热芯32'。由于增材制造工艺(例如使用粉末床融合技术的工艺)的精确性，不成比例的能量可以被朝向电极中心集中或引导，这继而可以开始在该区域中产生更深的热耦合区域38'。该过程可以逐层继续，其能量朝向轴向端部60'的中心或中间集中，使得热耦合区域38'朝向电极的中间变得更深。尽管不是必需的，但热耦合区域38'可以朝向中间变得稍微呈球形或球根状；在图6中示出了这一点，其中散热芯32'的轴向端部58'已经被至少部分地吸收到热耦合区域38'的球根状第一部分80'中。热耦合区域38'的第二部分82'的形状可以更宽和更浅，使得它填充电极尖端34'下面的大部分区域，但不会像第一部分80'那样延伸到电极中那么深。热耦合区域38'可以具有与上文结合前一示例描述的类似的成分和/或梯度结构
在图7中，示出了可以与图4中的火花塞一起使用的热耦合区域38”的另一个示例。在本例中，在添加电极尖端34”之前，电极体36”在切穿散热芯32”的位置被切断(即，散热芯的轴向端部被切除以暴露芯的表面)。因此，电极基部30”的假想轴向端部58”(如果它没有被切除的话本来会在此处，如虚线所示)与轴向端部60”之间的轴向间距Z是负尺寸，例如在0.0mm和-0.5mm之间。由于散热芯32”的主体与电极尖端34”之间的轴向接近，该示例将可能表现出高导热性，使得电极尖端在工作期间可以有效地冷却下来。如前所述，必须特别注意确保散热芯32”中的铜基材料不会被吸或拉到电极的外侧表面，因为这可能会在该位置产生不希望有的发火点。在热耦合区域的第一部分80”中，散热芯32”的被截断的轴向端部84”已经被吸收到热耦合区域中。被截断的轴向端部84”的部分也可以被吸收并且也与第二部分82”中的其他材料混合。在本例中，电极尖端34”构建在电极体36”的被切断端上，使得基于贵金属的粉末直接熔化到电极基部30”的暴露部分和散热芯32”的暴露部分中。这可以通过本文所述的增材制造工艺来实现，该工艺在电极尖端34”与电极体36”之间形成无焊接接头，但不形成周向激光焊缝。
现在转到图8，流程图示出了可用于制造本文所述的火花塞电极的增材制造工艺100(有时称为3D打印工艺)的步骤。根据该示例，增材制造工艺100使用粉末床熔融技术在电极基部130上形成电极尖端134，如在图9-12所示的渐进步骤中所示。然而，应当理解，增材制造工艺100可以与本文教导的任何电极以及其他电极一起使用，并且当然不限于所示示例。
从步骤102开始，电极体136设置有散热芯132，该散热芯132至少部分地被电极基部130包围或封装在电极基部130内。如结合图5-7所解释的，电极体可以设置有多种不同配置中的一种配置，包括：列举几种可能性，散热芯缩回到电极基部内使得它不会到达电极基部的轴向端部的配置(例如，参见图5)；散热芯终止于电极基部的轴向端部或附近的配置(例如，见图6)；或电极体已经被切断或切穿电极基部和散热芯以使得芯的假想轴向端部延伸超过电极基部的轴向端部并使芯的一部分暴露的配置(例如，参见图7)。该最后一种可能性在图9中被进一步示出，其中散热芯132的被截断的轴向端部154被暴露并且大体上与电极基部130的轴向端部160齐平。应当理解，可以使用用于切削、切断或端接电极体的任何合适的方法，包括机械切削或剪切、研磨切削、水射流或激光切削，或用于移除电极体的端部的某种其他合适的方法。
接下来，将电极体136固定在工具或夹具内，使得电极基部130和/或散热芯132在点火端120处暴露，步骤104。优选而言，电极体136被竖直地固定或安装在工具内，使得点火端120面向上方。许多不同的工具和夹具布置结构可用于此目的，包括具有与轴向端部160齐平或几乎齐平并且被设计成接收薄粉末床的水平构建板。
一旦固定在工具内，带有暴露的电极基部和/或散热芯部分的点火端120就被薄的粉末床层128覆盖，该薄粉末床层128包括基于贵金属的材料的第一混合物，步骤106。第一混合物可以包含具有不超过60wt％的铱(例如，Pt-Ir40、Pt-Ir50、Ir-Pt40、Ru-Rh5等)并且优选地具有不超过50wt％的铱(例如，Pt-Ir40、Pt-Ir50、Ru-Rh5等)的基于贵金属的材料，尽管这不是必需的。在一个示例中，粉末床层128的厚度在5μm与60μm之间(包括端值)，更优选厚度在10μm与20μm之间(包括端值)。
接下来，使用激光束或电子束熔化或至少烧结覆盖点火端120的薄粉末床层128，步骤108。本文中对“激光”的任何引用都应理解为宽泛地包括任何合适的光或能量源，包括但不限于电子束和激光；这同样适用于“激光沉积层”，其宽泛地包括由任何合适的光或能量源产生的沉积层，包括但不限于通过电子束和激光产生的沉积层。如图10A所示，激光L大体上与电极的中心轴线A对齐并且指向点火端120(在该本例中，其包括电极基部130的暴露部分160和散热芯132的暴露部分154)，使得它在激光穿过或移动跨越点火端的轴向端部表面时熔化或烧结薄粉末床层128；这是粉末床融合过程的一部分。这形成初始激光沉积层162并开始形成热耦合区域138的不同部分，当增材制造工艺完成时，热耦合区域138将在电极尖端134与散热芯132之间建立直接热连接。
根据一个示例，步骤108在熔化薄粉末床层时不使用恒定或均匀的激光能量水平，而是它根据非均匀能量分布选择性地控制该能量水平，使得更多能量朝向点火端120的中心集中。图10B是点火端120的端视图或俯视图，其中不同的圆形或环形区域代表非均匀能量分布的不同激光能量水平。例如，区域140是包围中心轴线A并且位于点火端中间的圆形区域。在区域140中，激光能量是在非均匀能量分布期间使用的最高水平并且可以在最大或预定能量水平的90％和100％之间。区域142是同心围绕区域140的环形区域，并且根据该示例，施加的激光能量水平略低于在区域140中施加的激光能量水平，例如在最大或预定能量水平的75％和90％之间。区域144也是环形区域并且它同心地围绕区域140、142，使得它朝向点火端120的径向外部区段定位。对于区域144，可以使用小于最大或预定能量的75％的激光能量水平；较低的能量水平降低了将过多的铜基和/或镍基材料拉向电极两侧的可能性。此外，通过将更多的激光能量朝向点火端120的中心集中，不均匀的能量分布能够熔化电极体中间的更多材料，包括来自散热芯132的铜基材料、来自电极基部130的镍基材料和来自薄粉末床层128的基于贵金属的材料。这种在电极体中间的更深渗透有助于构建热耦合区域138的形状，而无需将铜基材料拉到电极的侧面(在此处它们可能成为不希望有的跳火位置)，就像使用周向激光焊接的情况那样。
该方法有可能在每次通过时或多次通过中的每一次都改变激光能量分布，以便控制或至少影响热耦合区域138的尺寸、形状和/或成分。参考图11A-11B，分别示出了电极体136的剖视图以及具有代表不同激光能量水平的不同圆形或环形区域的点火端120的俯视图。同样，不均匀的能量分布可以将激光能量朝向点火端120的中心集中，使得每次添加新的激光沉积层164时热耦合区域138越来越深地到达散热芯132中。例如，非均匀能量分布可以包括区域150，其是在点火端120的中间包围中心轴线A的圆形区域，并且可以具有在最大或预定水平的80％和90％之间的激光能量水平。区域152——其是包围轴向端部160的其余部分的同心环形区域——的激光能量水平可以是最大或预定水平的大约80％。在步骤106-108的重复循环期间，该方法不仅用多个堆叠的激光沉积层构建电极尖端134，它还可以根据非均匀能量分布改变或调制跨越点火端120的激光能量，以便产生具有第一部分180和第二部分182的定制热耦合区域138。第一部分180位于电极体136中较深的位置(即，距离轴向端部160更远)并且更加朝向电极体的中心集中，而第二部分182的位置更靠近点火端120并且更向外扩展，因此它主要位于电极尖端134下方。第一部分180有助于形成电极尖端134与散热芯132之间的主要热通道或导管。应当理解，描绘第一部分180和第二部分182的目的是为了说明，实际部分可能具有与所示不同的形状和尺寸。
在最后一次通过时，该方法形成最终激光沉积层166，其构成电极尖端134的发火表面的至少一部分。当形成最终激光沉积层166时，该方法可以使用均匀能量轮廓或分布，而不是不均匀的能量轮廓，以帮助平滑发火表面或提供更均匀的发火表面，如图12A-B所示。在本例中，可以在整个点火端120上使用单个圆形区域156，使得最终激光沉积层166在恒定的激光能量水平(例如，最大能量的约80％的水平)下形成。通过在该方法的最后一个循环或数个循环中使用恒定的激光能量水平，可以形成具有更平坦的发火表面168的电极尖端134。当然，前面的描述只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。具体参数，例如不同激光能量区域的尺寸、形状、数量和能量水平，可以与本文提供的非限制性示例不同。
重复步骤106-108的循环或顺序，直到该方法判定不再需要激光沉积层(即，电极尖端134已经达到所需高度)。如果步骤110判定需要更多的激光沉积层，则该方法循环返回并重复步骤106和108，使得可以在先前层的顶部构建新的激光沉积层。应当理解，在初次通过或循环通过步骤106-108时，步骤106可以用薄粉末床128覆盖轴向端部160和被截断的轴向端部154(即，薄粉末床的基于贵金属的材料可以与轴向端部160的镍基材料和被截断的轴向端部154的铜基材料直接接触)，并且步骤108可以将薄粉末床直接熔融或烧结到端部160和/或154中。在随后通过或者循环通过步骤106-108时，在已经形成初始激光沉积层162之后，步骤106可以应用薄粉末床128，使得它覆盖一个或多个先前产生的激光沉积层162，而不是覆盖端部160和/或154的实际表面。在本例中，步骤108将薄粉末床材料熔化或烧结到先前产生的激光沉积层中，并可能熔化或烧结到电极本身中(取决于先前产生的激光沉积层的厚度和熔化或烧结步骤的深度)。在这两种情况下(即，在初次和后续通过步骤106-108时)，步骤106用薄粉末床覆盖点火端120，并且步骤108将薄粉末床熔融或烧结到点火端120中。
由于通过首先熔化或烧结来自薄粉末床的粉末然后使材料固化来形成各激光沉积层，因此可以通过改变粉末床沿该路线的成分来调节或修改不同激光沉积层的成分。这使得本电极能够在热耦合区域138和/或电极尖端134上具有定制的成分梯度，从而分散热膨胀系数的差异，而不是在单个层间边界处经历这些系数的全部差异。例如，在第二次或后续通过该方法时，步骤106可以用具有与第一混合物不同的成分的基于贵金属的材料的第二混合物覆盖点火端120(例如，第二混合物可以具有更大的基于贵金属的材料的比例)，尽管这不是必需的。
一旦步骤110判定不需要额外的激光沉积层(即，电极尖端134通过增材制造全部形成)，该方法进行到步骤112，其中从工具中移除火花塞电极或工件。技术人员应理解，刚才描述的增材制造工艺可以用于一次制造大量电极(即批量加工)，以及与此处所示不同的各种类型的电极。根据上述过程生产的火花塞电极的一个差别是在不使用周向激光焊接的情况下将电极尖端牢固地固定到电极基部上(即，本电极在电极尖端与基部之间具有无焊缝接合部)，由于多种原因，包括上面描述的原因，这是有利的。
应当理解，前面对本发明的一个或多个优选示例性实施例进行了描述。本发明不限于本文公开的特定实施例，而是仅通过附后权利要求来限定。此外，包含在前面的描述中的陈述涉及特定实施例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被明确定义。各种其他实施例以及对所公开的实施例的各种变更和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。例如，所涵盖的热耦合区域的确切尺寸、形状、成分等可能与所公开的示例不同，但仍由本申请所涵盖(例如，实际零件的显微照片可能看起来与所示附图有很大不同，但仍然被涵盖)。所有这样的其他实施例、变更和修改旨在落入所附权利要求的范围内。
如本说明书和权利要求书中所用，术语“例如”、“如“”、“比方说”、“诸如”和“比如”以及动词“包含”、“具有”、“包括”和它们的其他动词形式在与一个或多个部件或其他物品的列表一起使用时各自都应被解释为开放式的，这意味着该列表不应被视为排除其他、额外的部件或物品。其他术语应使用其最宽泛的合理含义进行解释，除非它们在需要不同解释的背景下使用。
Claims (17)
1.一种火花塞电极，包括：
电极基部；
至少部分地被所述电极基部包围的散热芯；
电极尖端，其形成在所述电极基部上并且包括多个激光沉积层；和
热耦合区域，其至少部分地位于所述电极尖端与所述散热芯之间，其中所述热耦合区域将所述电极尖端直接热耦合到所述散热芯。
2.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述散热芯沿所述火花塞电极的中心轴线延伸并且终止于未到达所述电极基部的轴向端部的轴向端部处，所述散热芯的轴向端部与所述电极基部的轴向端部之间的轴向间距Z小于或等于1.3mm。
3.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述散热芯沿所述火花塞电极的中心轴线延伸并且终止于到达所述电极基部的轴向端部的轴向端部，所述散热芯的轴向端部与所述电极基部的轴向端部之间的轴向间距Z约为0.0mm。
4.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述散热芯沿所述火花塞电极的中心轴线延伸并且终止于假想的轴向端部处，如果所述假想的轴向端部未被截断，则所述假想的轴向端部将延伸超过所述电极基部的轴向端部，所述散热芯的假想轴向端部与所述电极基部的轴向端部之间的轴向间距Z小于0.0mm。
5.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述火花塞电极是中心电极，并且所述电极尖端是形成在所述电极基部的轴向端部上的圆柱形部件，所述电极尖端被定向成使得所述多个激光沉积层垂直于所述火花塞电极的中心轴线，并且所述电极尖端通过无焊缝结合固定在所述电极基部上。
6.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述火花塞电极是接地电极，并且所述电极尖端是形成在所述电极基部的侧表面上的扁平部件，所述电极尖端被定向使得所述多个激光沉积层在所述电极尖端的区域中平行于所述接地电极的中心轴线，并且所述电极尖端通过无焊缝结合固定在所述电极基部上。
7.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述多个激光沉积层通过增材制造工艺形成在所述电极基部上，所述增材制造工艺使用粉末床熔融技术来使用激光束或电子束将基于贵金属的粉末熔融或烧结到点火端上，然后允许所述熔融或烧结的粉末固化成为所述电极尖端的激光沉积层，所述多个激光沉积层的平均层厚度T在5μm与60μm之间，包括端值，并且所述多个激光沉积层的总厚度是在0.05mm与3.0mm之间的电极尖端高度H，包括端值。
8.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述电极尖端包含基于贵金属的材料，该材料具有至少一种选自以下群组的贵金属：铱、铂、钌、钯或铑。
9.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述热耦合区域形成从所述电极尖端到位于所述火花塞电极内部的散热芯的热导管，使得所述热耦合区域没有暴露于所述火花塞电极的外表面。
10.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，位于所述电极尖端与所述散热芯之间的位置处的所述热耦合区域的平均导热率高于所述电极基部。
11.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述热耦合区域包含热耦合区域合金，其包含来自所述散热芯的铜、来自所述电极基部的镍、以及来自所述电极尖端的铱、钌或铂中的至少一种。
12.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述热耦合区域包括位于所述散热芯附近的第一部分和位于所述电极尖端附近的第二部分，所述第一部分包含这样的热耦合区域合金：其具有2-45wt％的来自所述电极尖端的贵金属，并且所述第二部分包括这样的热耦合区域合金：其具有2-45wt％的来自所述散热芯的铜。
13.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述热耦合区域包括位于所述散热芯附近的第一部分和位于所述电极尖端附近的第二部分，所述第一部分呈球根状并吸收所述散热芯的轴向端部，所述第二部分具有宽而浅的形状并填充所述电极尖端下方的区域。
14.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述电极尖端构建在电极体的切断端上，该电极体具有所述散热芯的暴露表面，由此使得所述散热芯的被截断的轴向端部被吸收到所述热耦合区域中。
15.一种用于制造火花塞电极的增材制造工艺，包括以下步骤：
提供包括电极基部和至少部分地被所述电极基部包围的散热芯的电极体；
用包含基于贵金属的材料的薄粉末床层覆盖所述电极体的点火端；
将激光束或电子束引导到所述点火端处，使得其熔化或烧结至少一些所述薄粉末床层；
将覆盖步骤和引导步骤重复循环多次，使得在所述电极基部上形成具有多个激光沉积层的电极尖端，并且使得在所述电极尖端与所述散热芯之间至少部分地形成热耦合区域，其中所述热耦合区域将所述电极尖端直接热耦合到所述散热芯。
16.根据权利要求15所述的增材制造工艺，其中，提供步骤进一步包括提供这样的电极体：其中所述电极基部穿过所述散热芯被切断或切削，使得所述散热芯的一部分暴露在轴向端部处。
17.根据权利要求15所述的增材制造工艺，其中，引导步骤进一步包括将所述激光束或电子束引导到所述点火端处，并根据非均匀能量轮廓来驱动所述激光束或电子束，所述能量轮廓将较多能量朝向所述点火端的中心集中，而将较少能量导向所述点火端的径向外部区段。
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