CN116896005A - 火花塞、火花塞电极及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种火花塞电极，该火花塞电极具有一个或多个电极尖端，该一个或多个电极尖端使用增材制造工艺(诸如粉末床熔合技术)形成在一个或多个电极基座上，使得每个电极尖端悬伸出对应的电极基座的边缘。该火花塞电极可以是中心电极、接地电极或环形接地电极，并且可根据多种不同的构型来提供。每个电极尖端包括贵金属基材料(诸如铱基合金或铂基合金)和多个激光沉积层，并且每个电极尖端可利用无焊缝接合部固定到电极基座。还提供了增材制造工艺。
Description
相关申请
本申请要求2022年3月29日提交的美国临时申请63/324,984号的优先权，其全部内容以引用方式并入本文。
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，这些材料是昂贵的，特别是铱。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发火花部分上使用贵金属；即，在火花跳过火花间隙的地方，而不是整个电极主体本身使用贵金属。
已经使用各种接合技术诸如激光焊接来将贵金属电极尖端附接到电极主体。然而，当贵金属电极尖端被激光焊接到电极主体(诸如由镍合金制成的主体)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)，在火花塞的操作期间在焊缝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对电极主体、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。
可影响火花塞性能的其他因素是发火花表面的平行度和火花间隙的容许偏差。本领域技术人员将理解，以使得能够实现发火花表面之间期望的平行度的精确方式将贵金属电极尖端连接到电极主体(诸如通过激光焊接)，可能是具有挑战性的。在贵金属电极尖端中的一个贵金属电极尖端是环的情况下尤其如此，因为环状电极尖端通常在环间隙内具有不同的火花间隙距离。使用传统的附接方法(如激光焊接)将火花间隙的容许偏差降低到期望的水平也很困难。
本文所述的火花塞、火花塞电极和/或方法被设计成解决上述缺点和挑战中的一者或多者。
发明内容
根据一个示例，提供了一种火花塞电极，该火花塞电极包括：电极基座，该电极基座包括轴向端表面、侧表面以及位于轴向端表面和侧表面的相交处的边缘；和电极尖端，该电极尖端形成在电极基座上并且包括贵金属基材料和多个激光沉积层，其中该电极尖端悬伸出该边缘的至少一部分。
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：
-贵金属基材料包括铱基合金、铂基合金、钌基合金、金基合金或钯基合金；
-火花塞电极是中心电极，轴向端表面是圆形的，侧表面是圆柱形的，边缘是环向的，并且电极尖端是围绕电极基座的环向边缘间隔开的多个电极尖端中的一个电极尖端；
-火花塞电极是接地电极，轴向端表面是多边形的，侧表面是平坦的或弯曲的，边缘是直的或弯曲的，并且电极尖端悬伸出电极基座的该直的或弯曲的边缘；
-火花塞电极是环形接地电极，轴向端表面是环形的，侧表面是圆柱形的，边缘是环向的，并且电极尖端是悬伸出电极基座的环向边缘的环形电极尖端；
-火花塞电极是环形接地电极，轴向端表面是环形的，侧表面是圆
柱形的，边缘是环向的，并且电极尖端是悬伸出电极基座的环向
边缘的圆顶形电极尖端；
-火花塞电极是中心电极，轴向端表面是圆形的，侧表面是圆柱形的，边缘是环向的，并且电极尖端是悬伸出电极基座的环向边缘
的环形电极尖端；
-火花塞电极是中心电极，轴向端表面是圆形的，侧表面是圆柱形的，边缘是环向的，并且电极尖端是悬伸出电极基座的环向边缘
的实心盘形电极尖端；
-电极尖端包括发火花表面，该发火花表面被构造用于径向火花间
隙，该发火花表面完全悬伸出边缘；
-电极尖端悬伸出边缘的至少一部分悬伸距离X，该悬伸距离X是
电极尖端的总长度Y的至少15％；
-电极尖端具有0.6mm-3.0mm的总长度Y、0.3mm-4.0mm的高度Z和0.1mm-1.4mm的悬伸距离X；
-电极尖端具有三维矩形形状，该三维矩形形状沿着电极尖端的轴
向高度具有恒定的矩形横截面；
-电极尖端具有三维三角形形状，该三维三角形形状沿着电极尖端
的轴向高度具有非恒定的矩形横截面；
-电极尖端具有三维环形形状，该三维环形形状沿着电极尖端的轴
向高度具有恒定的环形横截面；
-电极尖端具有多个呈三维弯曲管形式的发火花部分；
-电极尖端具有一个或多个三维局部拱形；
-该多个激光沉积层通过增材制造工艺形成在电极基座上，该增材
制造工艺使用粉末床熔合技术，通过激光或电子束将贵金属基粉末熔化或烧结到该电极基座上，然后使该熔化或烧结的粉末固化而成为电极尖端的激光沉积层，该多个激光沉积层具有5μm至60μm且包括端值的平均层厚度T，并且该多个激光沉积层的总厚
度是0.05mm至3.0mm且包括端值的电极尖端高度Z；
-电极尖端形成在电极基座上，并且被定向成使得该多个激光沉积层垂直于火花塞电极的中心轴线，并且该电极尖端利用无焊缝接合部固定到该电极基座；并且
-一种火花塞，包括：壳；绝缘体，该绝缘体至少部分地设置在壳内；中心电极，该中心电极至少部分地设置在绝缘体内；和一个或多个接地电极，该一个或多个接地电极是附接到壳的单独部件或者是壳的一体延伸部，其中中心电极、接地电极或者中心电极和接地电极两者是根据权利要求1所述的火花塞电极。
根据另一个示例，提供了一种用于制造火花塞的增材制造工艺，该增材制造工艺包括以下步骤：将火花塞固定在增材制造工具中，使得具有中心电极基座和/或接地电极基座的点火端暴露；用填充材料填充火花塞内部的空腔，该填充材料提供临时底板；用包括贵金属基材料的薄粉末层覆盖点火端和临时底板；将激光或电子束引导到点火端，使得其熔化或烧结至少一些薄粉末层；使熔化或烧结的薄粉末层至少部分地固化成激光沉积层；以及将覆盖、引导和允许步骤重复多个循环，使得形成具有多个激光沉积层的一个或多个电极尖端，其中电极尖端中的至少一个电极尖端悬伸出中心电极基座或接地电极基座的边缘。
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是火花塞的透视图；
图2是图1中火花塞的点火端的放大透视图，其中点火端具有经由增材制造工艺构建在电极基座上的电极尖端；
图3是图2的点火端的放大横截面视图；
图4至图5分别是可与图1中的火花塞一起使用的点火端的另一个示例的放大透视图和横截面视图，其中该示例中的中心电极和接地电极的电极尖端具有与图2和图3中所示的那些不同的构型；
图6至图7分别是可与图1中的火花塞一起使用的点火端的另一个示例的放大透视图和横截面视图，其中电极基座和接地电极的电极尖端具有与图2和图3中所示的那些不同的构型；
图8至图9分别是可与图1中的火花塞一起使用的点火端的另一个示例的放大透视图和横截面视图，其中中心电极的电极尖端具有与图2和图3中所示的那些不同的构型；
图10至图11分别是可与图1中的火花塞一起使用的点火端的另一个示例的放大透视图和横截面视图，其中该示例中的电极尖端具有与图2和图3中所示的那些不同的构型；
图12至图13分别是可与图1中的火花塞一起使用的点火端的另一个示例的放大透视图和横截面视图，其中该示例中的中心电极和接地电极的电极尖端具有与图2和图3中所示的那些不同的构型；
图14至图15分别是可与图1中的火花塞一起使用的点火端的另一个示例的放大剖面透视图和横截面视图，其中电极基座和接地电极的电极尖端以及中心电极的电极尖端具有与图2和3中所示的那些不同的构型；
图16至图17分别是可与图1中的火花塞一起使用的点火端的另一个示例的放大透视图和横截面视图，其中电极基座和接地电极的电极尖端以及中心电极的电极尖端具有与图2和3中所示的那些不同的构型；
图18至图20分别是可与图1中的火花塞一起使用的点火端的另一个示例的放大透视图、端部视图和侧视图，其中电极基座和接地电极的电极尖端以及中心电极的电极尖端具有与图2和3中所示的那些不同的构型；
图21至图22分别是可与图1中的火花塞一起使用的点火端的另一个示例的放大透视图和端部视图，其中电极基座和接地电极的电极尖端以及中心电极的电极尖端具有与图2和3中所示的那些不同的构型；
图23至图24分别是可与图1中的火花塞一起使用的点火端的另一个示例的放大透视图和横截面视图，其中电极基座和接地电极的电极尖端以及中心电极的电极尖端具有与图2和3中所示的那些不同的构型；
图25是可与图1至图24中所示的各种火花塞示例一起使用以在一个或多个电极基座上形成一个或多个贵金属基电极尖端的增材制造工艺的流程图；
图26示出了可与图25的增材制造工艺一起使用的一件制造设备的一部分；并且
图27示出了其中安装有两个示例性火花塞的图26的该件制造设备的横截面视图。
具体实施方式
本文所公开的火花塞和火花塞电极包括一个或多个电极尖端，该一个或多个电极尖端是使用增材制造工艺(诸如粉末床熔合技术)形成在一个或多个电极基座上的，使得每个电极尖端悬伸出对应的电极基座的边缘。以下列举了几个可能的益处，通过增材制造工艺形成的悬伸电极尖端可改善火花塞的电压要求、火焰生长、发火花表面的平行度、火花间隙容许偏差、贵金属腐蚀速率、贵金属的成本效率或它们的组合。可使用的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，而电极尖端由贵金属基材料制成，诸如具有铱、铂、钯、钌、铑、金等的贵金属基材料。选择贵金属基材料以改善火花塞电极的耐腐蚀性和/或耐电侵蚀性。通过使用增材制造工艺在电极基座上构建电极尖端，可形成具有一个或多个悬伸或悬臂式电极尖端的火花塞电极。本领域技术人员将理解，当贵金属基电极尖端诸如通过激光焊接接合到镍基电极基座时，由于各种因素(例如，不同的热膨胀系数、不同的熔化温度、不匀称或不均匀的焊接等)，在火花塞的操作期间在焊缝上通常存在大量的热和/或其他应力。这些应力反过来可能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。本文所述的具有通过增材制造形成的一个或多个悬伸电极尖端的火花塞和火花塞电极被设计成以经济的方式应对此类挑战。
本文所述的火花塞电极可在多种火花塞和其他点火装置中使用，包括工业火花塞、汽车火花塞、航空点火器、电热塞、预燃室塞或用于点燃发动机或其他机器中的空气/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工业火花塞。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、径向和环向方向的引用都基于火花塞或火花塞电极的中心轴线A。
参照图1至图3，示出了示例性火花塞10，该火花塞包括中心电极12、绝缘体14、金属壳16和若干接地电极18。中心电极12是设置在绝缘体14的轴向孔内的细长部件，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多个电极尖端32，其中电极尖端是使用增材制造工艺形成在电极基座的轴向端表面34上的，使得电极尖端悬伸出电极基座的边缘36。边缘36可以是位于中心电极的圆形轴向端表面34和圆柱形侧表面38的相交处的环向边缘。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可略微回缩在金属壳16的自由端24内，或者其可伸出金属壳16。接地电极18可被构造成以便与中心电极12形成径向火花间隙G，如附图所示，并且从金属壳16的自由端24延伸。在一个实施方案中(未示出)，接地电极18中的每个接地电极是诸如通过焊接附接到壳16的单独或离散部件，并且包括点火端26，该点火端具有由镍基材料(例如，铬镍铁合金600、601等)制成的电极基座40和由贵金属基材料制成的电极尖端42。该实施方案可具有以下潜在优点中的一者或多者：接地电极可用被优化以用于点火端的合金(如铬镍铁合金)制成，接地电极的设计自由度较大，散热芯较容易集成，潜在使用了另选制造技术(如金属注射成型(MIM)、增材制造等)。在不同的实施方案中，如所示的实施方案中，接地电极18中的每个接地电极是壳16的一体延伸部并且由与壳相同的材料制成，诸如镍基或铁基材料(例如，各种铬镍铁合金、钢等)。该实施方案可具有以下潜在优点中的一者或多者：通常制造起来较便宜，较容易确保接地电极表面与中心电极表面之间的尺寸对准等。在这两个实施方案中，无论接地电极是壳的单独部件还是壳的一体延伸部，火花塞的包括接地电极基座的部分都是“接地电极”(例如，接地电极基座40是火花塞的其上通过增材制造形成有一个或多个电极尖端42的部分，并且接地电极18是火花塞的包括接地电极基座40的部分)。与其中心电极对应物一样，接地电极尖端42中的接地电极尖端使用增材制造工艺形成在接地电极基座40的轴向端表面44上并且悬伸出边缘46，该边缘位于轴向端表面44与接地电极的径向或侧表面48的相交处。因此，接地电极18的每个贵金属基接地电极尖端42与中心电极12的相应贵金属基中心电极尖端32相对，使得在它们之间建立径向火花间隙G。电极尖端32、42可以是根据如下文所述的多种不同尺寸、形状、实施方案等提供的，使得这两个电极尖端提供用于电子穿过火花间隙G的发射、接收和交换的发火花表面。电极尖端32、42可由相同的贵金属基材料形成，或者可由不同的贵金属基材料形成。
在图1至图3所示的示例中，每个电极基座30、40可分别是主电极主体52、62的延伸部并且由与主电极主体相同的材料制成。尽管未示出，主电极主体52、62中的一者或两者有可能还包括从火花塞的点火端移除热量的散热芯，诸如由铜基材料制成的散热芯。电极基座30、40可分别是电极主体52、62的一部分，并且可具有相同的直径，或者可被机加工、拉制成型或以其他方式制造，使得其具有比相邻电极主体的直径或尺寸更小的直径或尺寸，并且因此提供其上可构建对应的电极尖端32、42的底座或表面。如将更彻底地解释的，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的轴向端部接触的贵金属基粉末床来直接分别在电极基座30、40上形成电极尖端32、42。这使得贵金属基粉末以及电极基座的部分在点火端20、26处熔化或混合在一起并固化。然后重复增材制造工艺，使得贵金属基电极尖端32、42在电极基座30、40上构建，一次构建一层，直到达到期望的高度。通过控制各种参数，诸如激光能量分布、粉末层厚度和/或激光冲击图案，增材制造工艺能够直接在电极基座30、40上构建贵金属基电极尖端32、42，使得尖端中的每个尖端悬伸出或延伸超过电极的对应边缘36、46。这使得尖端32、42具有悬臂式构型，在某种程度上类似于露出部，这可有利于火花塞的操作。在不同的示例中，增材制造工艺可用于分别在电极基座30、40上形成电极尖端32、42，这两个电极基座是中间件(例如，由镍基材料诸如具有镍和贵金属的合金制成的中间件)的一部分。中间件继而附接到电极主体52、62。
在图1至图3中，存在四个中心电极尖端32和四个接地电极尖端42(中心电极尖端32和相对的接地电极尖端42一起构成电极尖端对)，其中四个电极尖端对围绕中心轴线A彼此环向地间隔开大约90°。每个电极尖端32、42可具有矩形棱柱形状(例如，沿着尖端的轴向高度具有恒定的矩形横截面的三维矩形形状(即，无论横截面是沿着中心轴线A的何处截取的，横截面尺寸和形状都是恒定的))。因为中心电极12的电极尖端32可与接地电极18的电极尖端42具有相同的尺寸、形状和/或组成，所以电极尖端32的以下描述同样适用于电极尖端42(即，已经省略了单独的重复描述)。每个电极尖端32由贵金属基材料诸如铱基合金或铂基合金制成，并且逐层地构建在电极基座30的轴向端表面34上。如下文将解释的，增材制造工艺(诸如利用粉末床融合和/或其他3D印刷技术的那些工艺)用于在彼此的顶部上构建多个薄激光沉积层56；其总和构成电极尖端32。尽管激光沉积层56在附图中被示出为明显的分层层，但这不是必需的或规定的，因为这些仅是例示性的。一些激光沉积层不容易看见，即使它们由于通过增材制造工艺形成而存在于电极尖端中；这些层将被理解为激光沉积层。电极尖端32中的一个或多个电极尖端悬伸出或延伸超过电极基座30的边缘36悬伸距离X，该悬伸距离X优选地为尖端的总长度Y的至少15％，或者甚至更优选地为总长度Y的至少20％，或者甚至更优选地为总长度Y的至少25％(在图3中最佳地示出)。该悬伸构型使得发火花表面54完全悬伸出边缘36，该发火花表面是电极尖端32的远端部分的一部分并且被构造用于径向火花间隙G。换句话说，发火花表面54跨越径向间隙G面向接地电极尖端42的相应平行发火花表面，并且完全位于边缘36之外，而不是与边缘齐平或从边缘向内凹陷。电极尖端32的悬伸或悬臂性质可改善火焰生长和/或电压要求，并因此改善火花塞的性能。根据特别适合于工业应用的一个非限制性示例，电极尖端32、42中的每一者具有0.6mm-3.0mm且优选地1.2mm-1.8mm的总长度Y(径向方向)、0.3mm-4.0mm且优选地0.6mm-2.6mm的高度Z(轴向方向)以及0.1mm-1.4mm且优选地0.2mm-0.8mm的悬伸距离X(径向方向)。电极尖端32、42可由相同的贵金属基材料形成，或者可由不同的贵金属基材料形成。而且，电极尖端对可全部具有相同的火花间隙尺寸或者可具有不同的火花间隙尺寸(例如，第一电极尖端对可具有0.2mm的第一火花间隙，第二电极尖端对可具有0.25mm的第二火花间隙，第三电极尖端对可具有0.3mm的第三火花间隙，等等)。其他实施方案也是可能的。
如上所述，本申请的火花塞和火花塞电极不限于图1至图3中所示的示例性构型，这是因为该火花塞和火花塞电极可用于许多不同的应用中，包括各种工业火花塞、汽车火花塞、航空点火器、电热塞、预燃室塞或其他装置。图4至图24中示出了其他潜在实施方案的一些非限制性示例，其中与图1至图3中使用的类似的附图标记表示类似的特征。除非另行指出，否则即使没有明确指出，结合一个示例描述的任何特征或部件也可在另一个示例中使用或采用。其他示例，诸如，具有不同轴向、径向和/或半沿面火花间隙的各种类型的塞；预燃室、非预燃室、屏蔽和/或非屏蔽构型；多个中心电极和/或接地电极；以及燃烧或点燃汽油、柴油、天然气、氢气、丙烷、丁烷等的塞当然也是可能的。本申请的火花塞、火花塞电极和方法决不限于本文所示和所述的例示性示例。
转到图4至图5，示出了火花塞110的另一个示例，该火花塞包括中心电极112、绝缘体114、金属壳116和多个接地电极118，不同之处在于中心电极112和接地电极118分别具有贵金属基电极尖端132、142，这些贵金属基电极尖端通常具有三棱柱形状(例如，沿着尖端的轴向高度具有非恒定的矩形横截面的三维三角形形状(即，横截面尺寸和/或形状是非恒定的，或者根据沿着中心轴线A截取横截面的位置而变化))。尽管整个尖端是三角形的，但是尖端的占有面积和横截面是矩形的。该示例还具有四个电极尖端对(即，四个中心电极尖端132和四个相对的接地电极尖端142)，其中电极尖端对彼此环向地间隔开或分开约90°。同样，由于电极尖端132和142的类似性质，下面描述了中心电极尖端132，应理解该描述同样适用于接地电极尖端142。电极尖端132中的每个电极尖端可包括多个激光沉积层156，其是通过增材制造工艺形成并且彼此层叠或堆叠的贵金属基材料薄层。与其图1至图3的对应物类似，电极尖端132被设计成延伸超过边缘136，该边缘位于中心电极的轴向端表面134和侧表面138的相交处，以便具有悬伸或悬臂式构型。根据该特定示例，电极尖端132中的每个电极尖端具有三棱柱形状，其中尖端的顶部已经被截断或切除以露出平坦的尖端表面158。中心电极尖端132的发火花表面154跨越径向火花间隙G面向接地电极尖端142的相对发火花表面，使得两个发火花表面大致彼此平行。该示例的另一个差异在于，中心电极112的侧表面138可朝向其点火端120略微渐缩；渐缩表面138使得电极基座130在其轴向端表面134处的直径略微变窄或更小，从而进一步强调电极尖端132的悬臂性质。也可存在其他差异。
在图6至图7中，示出了火花塞210的另一个示例，该火花塞包括中心电极212、绝缘体214、金属壳216和接地电极218。该示例与先前示例之间的两个差异在于：为单个环形接地电极的接地电极218的构型，以及中心电极尖端232和接地电极尖端242的数量和构型。中心电极212可具有标准电极基座230和轴向端表面234，该轴向端表面支撑彼此环向地间隔开约72°的五个电极尖端232，并且接地电极218可具有环向地围绕中心电极212的环形电极基座240。环形电极基座240是接地电极218的其上构建有接地电极尖端242的部分，并且如在图7的横截面视图中最佳地示出的，该环形电极基座本身可以是各种悬伸的环形凸缘(即，环形电极基座240可悬伸出下面的接地电极218，使得其朝向中心电极212径向地延伸，正如电极尖端242可悬伸出下面的环形电极基座240并且朝向中心电极212径向地延伸一样)。这种双重或堆叠的悬伸构型可有助于改善火花塞210的电压要求。接地电极218可以是与壳216分开的部件，或者可以是壳的一体延伸部分，如上所述。电极尖端232延伸超过并悬伸出形成在中心电极212的侧表面238和轴向端表面234的相交处的环向边缘236，而电极尖端242延伸超过并悬伸出位于接地电极218的侧表面248和轴向端表面244的相交处的环向边缘246。中心电极尖端232使用增材制造工艺由贵金属基材料制成，并且可以是矩形棱柱形状，如图所示，或者可改为具有另一种形状。接地电极尖端242是被构造为连续环状(例如，沿着尖端的轴向高度具有恒定的环形横截面的三维环形形状)并且由贵金属基材料(可以是与中心电极尖端232相同或不同的材料)制成的单件或一体件。由于中心电极尖端232和接地电极尖端242两者都是使用增材制造工艺(如粉末床熔合技术)制成的，因此每个尖端可包括多个堆叠的激光沉积层256(为了简单起见，仅示出了接地电极尖端的层，但是中心电极尖端也可包括这样的层)。同样，不要求激光沉积层256与它们在图7中一样清楚和明显，该图仅仅是例示的附图。中心电极尖端232的发火花表面254可以是圆柱形的或平的，而接地电极尖端242的连续发火花表面266是圆柱形的。当发火花表面254、266两者都是圆柱形时，它们彼此平行，使得径向火花间隙G是均匀的。根据特别适合于工业应用的一个非限制性示例，电极尖端232、242中的每一者具有0.6mm-3.0mm且优选地1.2mm-1.8mm的总长度Y(或就环242而言，径向厚度)(径向方向)、0.3mm-4.0mm且优选地0.6mm-2.6mm的高度Z(轴向方向)以及0.1mm-1.4mm且优选地0.2mm-0.8mm的悬伸距离X(径向方向)。当然，也可存在其他差异。
图8至图9示出了火花塞310的另一个可能的示例，其中中心电极尖端332现在是单个环形件，并且接地电极尖端342现在是四个离散件，这四个离散件彼此环向地分开约90°。火花塞310包括具有电极基座340和轴向端表面344的中心电极312、绝缘体314、金属壳316以及具有电极基座330和轴向端表面334的多个接地电极318。中心电极312和接地电极318与图1至图3中所述的那些类似，因此这里不再重新描述。中心电极尖端332是使用增材制造工艺制成的环状或环形件，使得其包括由一种或多种贵金属基材料形成的多个薄激光沉积层356。位于中心电极尖端332的外径向侧上的发火花表面354面向接地电极尖端342的相对发火花表面，使得发火花表面大致平行并且跨越径向火花间隙G面向彼此。位于中心电极尖端332的内径向侧上远离径向火花间隙G的非发火花表面360可被倒角、成角度或倒圆。中心电极尖端332是被配置为连续环状(例如，沿着尖端的轴向高度具有非恒定的环形横截面和朝向中心的开口或孔368的三维环形形状)的单件或一体件。虽然朝向尖端332的下轴向部分的横截面可以是恒定的，但是在倒角的非发火花表面360开始之前，朝向上轴向部分的横截面的尺寸由于倒角的表面而改变；因此，整个横截面是非恒定的。这种构型可减少所需的昂贵的贵金属基材料的量，而不影响平行于彼此的发火花表面的特性和性能。电极尖端332延伸超过并悬伸出位于中心电极312的侧表面338和轴向端表面334的相交处的边缘336，而电极尖端342延伸超过并悬伸出位于接地电极318的侧表面348和轴向端表面344的相交处的边缘346。增材制造工艺的特征在于中心电极尖端332和接地电极尖端342中的每一者包括一组激光沉积层356，这些激光沉积层逐层地构建或堆叠在彼此的顶部上。结合图6至图7的示例提供的尺寸Y、Z和X也可应用于该示例。
前进到图10至图11，示出了火花塞410的另一个示例，其具有中心电极412、绝缘体414、金属壳416和接地电极418。中心电极412是具有实心盘形状的电极尖端432的细长部件，该电极尖端构建在电极基座430上，使得其完全覆盖中心电极的轴向端表面434。接地电极418中的每个接地电极是从壳416延伸并且具有电极基座440的单独件，该电极基座承载由贵金属基材料制成的接地电极尖端442。四个接地电极尖端442围绕中心轴线A彼此环向地间隔开或分开约90°。在该示例中，电极尖端442中的每个电极尖端形成在接地电极418的轴向端表面444上，并且通常为三维多边形的形状(例如，平行六面体，该平行六面体已经被截断或更改，以便在面向径向火花间隙G的尖端的内径向侧上分别形成平坦且成角度的发火花表面454和464，并且在背离径向火花间隙G的外径向侧上分别形成平坦且成角度的非发火花表面458和460)。可能希望面向径向火花间隙G的两个表面454、464悬伸出对应的接地电极418的边缘446。该示例的径向火花间隙G与先前示例的那些径向火花间隙G之间的一个差异在于：在径向火花隙G的整个轴向长度上，接地电极尖端442的表面454、464不以平行面向的方式延伸到中心电极尖端432的发火花表面466。相反，两个发火花表面454、466可以平行方式延伸，该平行方式仅在径向火花间隙G的轴向长度的一部分上与轴向方向对准，并且表面464、466以非平行或发散方式在径向火花间隙G的轴向长度的另一部分上延伸。由于位于发火花表面454、466之间的火花间隙较小，预期大部分的发火花将在该区域中发生。电极尖端432被示出处于非悬伸布置，使得发火花表面466与环向边缘436齐平，而不是悬伸出该环向边缘，并且另选地甚至可从边缘436往回设置或回缩，或延伸以悬伸出边缘436。每个电极尖端432、442可包括在增材制造工艺期间形成的多个薄激光沉积层456，如下文更详细地描述的。当然，火花塞410可根据其他实施方案来提供，诸如其中中心电极尖端432悬伸出边缘436和/或为环形而不是盘形的实施方案。
图12和图13示出了火花塞510的另一个示例，该火花塞包括具有电极基座540和轴向端表面534的中心电极512、绝缘体514、金属壳516以及具有电极基座530和轴向端表面544的接地电极518。中心电极512还包括电极尖端532，该电极尖端由贵金属基材料制成并且具有带有中心部分570和多个突出部分572的有点像星形的构型。根据该特定示例，中心部分570通常为圆盘的形状，并且突出部分572为以径向方式从中心部分延伸的楔形或扇形片的形状。突出部分572中的每个突出部分在外径向侧上具有发火花表面554，该发火花表面跨越径向火花间隙G面向接地电极尖端542的相对发火花表面566。有可能的是，两个发火花表面554、566都是互补的弯曲表面(例如，一个表面是凸曲形表面，而另一个表面是凹曲形表面，使得跨越弯曲的发火花表面保持均匀的火花间隙G)，两个发火花表面554、566都是互补的平坦表面(例如，如图1至图3和图4至图5所示，使得跨越平坦的发火花表面保持均匀的火花间隙G)，或者发火花表面554、566中的一者是弯曲的，而另一者是平坦的(例如，如图6至图7、图8至图9和图10至图11所示，使得跨越弯曲的和平坦的发火花表面建立略微不均匀的火花间隙G)。上述示例仅表示一些可能性。四个接地电极尖端542可彼此环向地间隔开约90°，并且使用增材制造技术来构建在对应的电极基座540上。根据一个示例，电极尖端542为截顶楔形或扇形片的形状，其具有位于内径向侧上的发火花表面566和位于背离火花间隙G的外径向侧上的非发火花表面560。电极尖端532延伸超过并悬伸出中心电极512的侧面538和轴向端表面534的相交处的边缘536，而电极尖端542与位于接地电极518的侧面548和轴向端表面544的相交处的边缘546齐平或甚至从其回缩。与前述示例一样，电极尖端532、542可包括堆叠在彼此的顶部上以实现尖端的期望轴向高度的多个薄激光沉积层556。如图所示，电极尖端542背侧上的非发火花表面560可以是锥形的、倒圆的或倒角的，以便减少昂贵的贵金属基材料的量，以及改善围绕火花塞的点火端的火焰生长。由于接地电极尖端542是楔形的或扇形的，因此它们在发火花表面566处的环向尺寸可比它们在非发火花表面560处的环向尺寸更窄。这在图12中示出，其中内径向侧处的环向宽度W1小于外径向侧处的环向宽度W2，并且与其中离散电极尖端的环向宽度大致均匀的大多数先前实施方案不同。根据例示的示例，电极尖端532沿着尖端的轴向高度具有恒定的横截面，并且由于倾斜表面560，电极尖端542沿着尖端的轴向高度具有非恒定的横截面。
在图14至图15中示出了火花塞610的另一个示例，其中该火花塞包括具有电极基座630的中心电极612、绝缘体614、金属壳616和具有电极基座640的接地电极618。该示例组合了来自先前示例的某些特征并且还提供了新的特征。例如，与多个离散的接地电极部件相反，接地电极618可以是具有环形电极基座640和轴向端表面644的单个部件，该轴向端表面连续地且环向地围绕中心电极612，类似于图6至图7中所示的。矩形棱柱形状(即，三维矩形)或一些其他形状的多个接地电极尖端642可形成在接地电极基座640上，使得该多个接地电极尖端环向地围绕中心电极尖端632。中心电极尖端632被示出为呈环形星星或太阳的形状，该中心电极尖端是在中心电极基座630的轴向端表面634上构建的并且包括环形中心部分680和从该环形中心部分延伸的多个发火花部分682。发火花部分682被示出为从环形中心部分680径向延伸的尖锐的尖端，但它们也可是钝的或圆的尖端。尖锐的发火花部分682的一个结果是在一侧(例如，接地电极侧)的发火花表面654和另一侧(例如，中心电极侧)的发火花部位或点682之间形成一系列径向火花间隙G，这与在两个发火花表面之间建立的火花间隙相反。电极尖端632延伸超过并悬伸出位于中心电极612的侧表面638和轴向端表面634的相交处的边缘636，而电极尖端642延伸超过并悬伸出形成在接地电极618的侧表面648和轴向端表面644的相交处的边缘646。电极尖端632、642使用增材制造工艺由一种或多种贵金属基材料制成，并且因此它们包括一组激光沉积层656，这些激光沉积层以逐层布置方式构建在彼此的顶部上。在该特定示例中，中心电极尖端632是环形的或环状的，使得尖端的中心具有中空部分或开口684，从而减少昂贵的贵金属基材料的量。火花塞610具有十二个接地电极尖端642(剖面视图未示出所有接地电极尖端)，这十二个接地电极尖端围绕中心轴线A彼此环向地分开或间隔开约30°。当然，可替代地使用不同数量或布置的中心电极尖端和/或接地电极尖端。如果火花塞610在具有不对称气流和/或不对称点火源的应用中使用，则可能期望将壳616的螺纹起始部的环向位置定向到预期的气缸盖并且/或者控制外部衬垫厚度。具有降低火花塞610的电压要求的尖的发火花点682的火花塞可特别适用于需要低电压的发动机，诸如燃烧氢燃料的那些发动机。
现在转到图16至图17，示出了火花塞710的另一个可能的实施方案，该火花塞包括具有电极基座730的中心电极712、绝缘体714、金属壳716和具有电极基座740的接地电极718。中心电极712被示出为标准圆柱形电极部件，并且接地电极718被示出为单个环形电极部件或一体环形电极部件，然而，这些电极可根据本文所公开的实施方案中的任一个实施方案以及本领域已知的其他合适的实施方案来提供。中心电极尖端732以具有多个喷口的喷泉的形状构建在中心电极基座730的轴向端表面734上，并且根据该示例，具有中心部分780和从该中心部分延伸的多个发火花部分782。中心部分780可以是圆柱形或盘形部件，其外径与下面的中心电极基座730相同，使得在两个部件的接合处建立了齐平或几乎齐平的界面。发火花部分782中的每个发火花部分都是弯曲的延伸部或管，该弯曲的延伸部或管轴向向上且远离中心部分780延伸，并且朝向对应的接地电极尖端径向向外延伸，使得发火花部分782一起形成一种迸发图案。由于在逐层的基础上制造这些尖端的增材制造工艺，提供了实现这种形状的大量设计自由。在该特定示例中，发火花部分782中的每个发火花部分以避免沿其长度有尖锐转变的弯曲或弓形的方式延伸，并且终止于平坦或略微弯曲的发火花表面754。中心电极尖端732，更具体地，发火花部分782悬伸出边缘736，该边缘分别位于中心电极712的侧面738和轴向端表面734的相交处。在这种情况下，即使中心电极尖端732与中心电极基座730形成齐平界面，该中心电极尖端也悬伸出边缘736，这与先前所讨论的实施方案不同。多个单独的接地电极尖端742构建在接地电极基座740上并且朝向其中心电极对应物延伸，使得一系列径向火花间隙G形成在相对的发火花表面之间。接地电极尖端742中的每个接地电极尖端可以实心弯曲管的形式提供，该实心弯曲管类似于发火花部分782的实心弯曲管(例如，它们可能是镜像)并且向上且远离接地电极基座740弯曲。即使每个接地电极尖端742与接地电极基座740形成齐平或几乎齐平的界面，每个接地电极尖端也悬伸出形成在接地电极的侧面748和轴向端表面744的相交处的边缘746。在该特定示例中，存在形成六个电极尖端对的六个发火花部分782和六个接地电极尖端742，其中每个电极尖端对与相邻对间隔开大约60°。电极尖端732、742使用增材制造工艺由一种或多种贵金属基材料制成，并且因此它们包括一组激光沉积层756，这些激光沉积层以逐层布置方式构建在彼此的顶部上。如上所述，也可由非贵金属基材料(如镍基材料)制成电极尖端732、734。
图18至图20示出了火花塞810的另一个实施方案，该火花塞具有带有电极基座830的中心电极812、绝缘体814、金属壳816和各自带有电极基座840的几个接地电极818。该示例中的中心电极尖端832和接地电极尖端842是弯曲延伸部或管的形状，类似于最后一个实施方案，不同的是这些部件可具有更复杂的螺丝锥形、螺线形和/或螺旋形，其中它们在三个维度上是弯曲的，而电极尖端732、742可在两个维度上是弯曲的，尽管这不是必需的。中心电极尖端832构建在中心电极基座830的轴向端表面834上，并且根据一种可能性，包括中心部分880，该中心部分具有以螺线形或螺丝锥形转动方式从其延伸的多个发火花部分882，有点类似于从公共基座长出的树干。如图所示，中心部分880可具有合并在一起的几个圆形突出形状的横截面，或者它可简单地具有圆形或椭圆形横截面。中心部分880可以具有比对应的中心电极基座830的外径或周长更小的外径或周长，使得中心电极尖端832从中心电极812的边缘836稍微凹陷，从而导致不齐平的界面。边缘836分别形成在侧端表面838和轴向端表面834的边界处。具有其螺线管形发火花部分882的中心电极尖端832可轴向向上和径向向外延伸，使得位于发火花部分882的远端处的发火花表面854悬伸出边缘836并形成径向火花间隙G的一部分。与前面的实施方案一样，发火花部分832、842优选地是实心的，而不是中空的。接地电极尖端842构建在接地电极基座840上，该接地电极基座可以是分立的或单独的接地电极818的一部分，尽管该实施方案可能具有单个环形接地电极，类似于前一实施方案中所示的。接地电极尖端842中的每个接地电极尖端从接地电极的边缘846往回设置或凹陷，并且在边缘846上伸出。该示例的火花塞具有形成三个电极尖端对的三个发火花部分882和三个接地电极尖端842，其中每个电极尖端对与相邻对间隔开大约120°。电极尖端832、842使用增材制造工艺由一种或多种贵金属基材料制成，并且因此它们包括一组激光沉积层856，这些激光沉积层以逐层布置方式构建在彼此的顶部上。
在图21至图22中，示出了火花塞910的又一实施方案，该火花塞具有带有电极基座930的中心电极912、绝缘体914、金属壳916和带有电极基座940的环形接地电极918。根据该示例，中心电极912包括多个中心电极尖端932，每个中心电极尖端构建在电极基座930上并且以半弧形方式延伸，使得其形成悬伸出中心电极的边缘936的局部拱形。在中心电极尖端932的每个中心电极尖端的远端是发火花表面954，该发火花表面可以是弯曲的，如图所示，或者是平坦的，并且有助于建立径向火花间隙G。从接地电极918延伸的是几个接地电极尖端942，其中的每个接地电极尖端可被构造成与对应的中心电极尖端932互补的半弓形局部拱形形状，使得它们一起形成在中间具有径向火花间隙G的完整拱形。每个接地电极尖端942悬伸出接地电极的边缘946，并且包括其自身的弯曲或平坦的发火花表面。例示的实施方案示出了两个中心电极尖端932和两个接地电极尖端942，总共两个电极尖端对彼此分开约180°，然而，可替代地提供更多或更少的电极尖端对。该实施方案的一个可能的属性是电极尖端对的几何形状可引导和促进优化的气体流动，类似于飞机机翼的气体流动。电极尖端932、942使用增材制造工艺由一种或多种贵金属基材料制成，并且包括多个激光沉积层956，这些激光沉积层以逐层布置方式构建在彼此的顶部上，使得它们大致垂直于火花塞的中心轴线。
现在参考图23至图24，示出了火花塞1010的一个实施方案，该火花塞具有带有电极基座1030的中心电极1012、绝缘体1014、金属壳1016和带有电极基座1040的环形接地电极1018。中心电极1012包括盘形中心电极尖端1032，根据一种可能性，该盘形中心电极尖端具有多个发火花部分或发火花部位1038，这些发火花部分或发火花部位从该电极尖端轴向地上升并且指向圆顶形接地电极尖端1042。发火花部位1038可以是具有尖末端的圆锥形，它们可以是具有平坦钝末端的圆柱形，它们可以是具有倒圆末端的半球形或椭圆形，或者它们可根据一些其他构型来提供。由于中心电极尖端1032经由增材制造或3D打印工艺构建到中心电极基座1030上，因此存在许多可能的构型。在一个示例中，发火花部位1038根据行和/或列布置，使得这些部位的矩阵或网格状图案形成在中心电极基座1030的轴向端表面1034上并且完全覆盖该轴向端表面。尽管未示出，但是中心电极尖端1032可以具有悬伸构型，使得尖端至少部分地悬伸出中心电极1012的环向边缘1036。接地电极尖端1042在这里显示为单个或整体的圆顶形部件，其环向地连接到环形接地电极基座1040并且包括允许空气/燃料混合物进入并且允许燃烧气体和燃烧火焰离开的多个开口或端口1050。以此方式，接地电极尖端1042形成经由端口1050与主燃烧室连通的某种预燃室1052。接地电极尖端1042悬伸出接地电极的环向边缘1046，使得主要建立轴向火花间隙G。电极尖端1032、1042可使用增材制造工艺由一种或多种贵金属基材料制成，并且可包括一组激光沉积层1056，这些激光沉积层以逐层布置方式构建在彼此的顶部上。与本文所公开的所有实施方案一样，中心电极尖端和接地电极尖端两者均可包括由增材制造工艺产生的激光沉积层，即使它们未在附图中具体示出。
前述示例仅表示本申请的火花塞和火花塞电极的一些可能的构型和实施方案。例如，可以提供具有以下特征的任何可行组合的火花塞和/或火花塞电极，包括图1至图24所示示例中的任一个示例：
-中心电极和接地电极，中心电极具有悬伸出中心电极的边缘的一个或多个电极尖端，接地电极具有悬伸出接地电极的边缘的一个或多个电极尖端(例如，参见图1至图3、图4至图5、图6至图7、图8至图9、图14至图15、图16至图17、图18至图20、图21至图22)；
-中心电极和接地电极，中心电极具有悬伸出中心电极的边缘的电
极尖端，接地电极具有与接地电极的边缘齐平或从接地电极的边
缘回缩的电极尖端(例如，参见图12至图13)；
-中心电极和接地电极，中心电极具有与中心电极的边缘齐平或从
中心电极的边缘回缩的电极尖端，接地电极具有悬伸出接地电极的边缘的电极尖端(例如，参见图10至图1 1、图23至图2
4)；
-具有四个或更多个单独的电极尖端的中心电极和/或接地电极(例如，参见图1至图3、图4至图5、图6至图7、图14至
图15、图16至图17)；
-具有单个环形或盘形电极尖端的中心电极和/或接地电极(例
如，参见图6至图7、图8至图9、图10至图1 1、图14至
图15、图23至图24)；
-具有一个或多个电极尖端的中心电极和/或接地电极，该电极尖
端具有平坦或平面的发火花表面(例如，参见图1至图3、图4至图5、图6至图7、图8至图9、图10至图1 1、图14至
图15、图16至图17、图18至图20)；
-具有一个或多个电极尖端的中心电极和/或接地电极，该电极尖
端具有弯曲的、圆柱形的、凹的、凸的或其他轮廓的发火花表面(例如，参见图6至图7、图8至图9、图10至图1 1、图1
2至图13、图21至图22、图23至图24)；
-具有一个或多个电极尖端的中心电极和/或接地电极，该电极尖
端具有尖的或尖锐的发火花表面(例如，参见图14至图15、图23至图24)；
-具有一个或多个电极尖端的中心电极和/或接地电极，该电极尖
端具有倒角或倒圆的非发火花表面(例如，参见图4至图5、图
8至图9、图10至图11、图12至图13)；
-具有一个或多个电极尖端的中心电极和/或接地电极，该电极尖
端具有在轴向方向上对准的第一发火花表面和相对于轴向方向成角度或弯曲的第二发火花表面(例如，参见图10至图11)；
-具有一个或多个电极尖端的中心电极和/或接地电极，该电极尖
端的形状为三维矩形、三角形、多边形、楔形、环形、星形、块状、铆钉、圆柱形、条形、柱状、线状、球形、丘形、圆锥形、平垫形、圆盘形、平板形、环形、套筒形、喷泉形、弯曲管、螺丝锥形、螺线形和/或螺旋形管、拱形、圆顶形、矩阵形和/或其他形状(例如，参见图1至图3、图4至图5、图6至图7、图8至图9、图10至图11、图12至图13、图14至图1
5、图16至图17、图18至图20、图21至图22、图2
3至图24)；
-中心电极和接地电极，中心电极具有一个或多个具有发火花表面的电极尖端，接地电极具有一个或多个具有发火花表面的电极尖端，其中中心电极和接地电极的发火花表面彼此平行或穿过均匀的径向火花间隙互补地弯曲(例如，参见图1至图3、图4至图
5、图12至图13、图16至图17、图18至图20、图2
1至图22)；
-中心电极和接地电极，中心电极具有一个或多个具有发火花表面的电极尖端，接地电极具有一个或多个具有发火花表面的电极尖端，其中第一电极尖端对的发火花表面产生第一尺寸的第一径向火花间隙，第二电极尖端对的发火花表面产生第二尺寸的第二径
向火花间隙，等等；
-具有一个或多个电极尖端的中心电极和/或接地电极，该电极尖
端沿着电极尖端的轴向高度具有恒定的横截面(例如，参见图1
至图3、图6至图7、图8至图9、图10至图1 1、图12至
图13、图14至图15)；
-具有一个或多个电极尖端的中心电极和/或接地电极，该电极尖
端沿着电极尖端的轴向高度具有非恒定的或变化的横截面(例如，参见图4至图5、图8至图9、图10至图11、图12至图1
3、图16至图17、图18至图20、图21至图22、图2
3至图24)；
-具有一个或多个电极尖端的中心电极和具有一个或多个电极尖端的接地电极，其中所有的中心电极尖端和接地电极尖端由相同的贵金属基材料制成；和
-具有一个或多个电极尖端的中心电极和具有一个或多个电极尖端的接地电极，其中中心电极尖端中的至少一个中心电极尖端由与接地电极尖端不同的贵金属基材料制成。
电极基座的以下描述可适用于本文公开的中心和/或接地电极基座30、40、130、140、230、240、330、340、430、440、530、540、630、640、730、740、830、840、930、940、1030、1040、1530、1540中的任一者。电极基座可以是接地电极的一部分，该接地电极是焊接、增材制造或以其他方式附接到壳的单独件或部件，或者电极基座可以是接地电极的一部分，该接地电极是壳的一体或连续延伸部。在任一情况下，电极基座是火花塞的一部分，电极尖端通过增材制造而形成在该部分上，并且因此可充当电极尖端的载体材料。这同样适用于中心电极。电极基座可通过拉制、挤出、机加工、铸造和/或使用一些其他常规工艺来制造，并且可由镍基材料(例如，当它是与壳分开的件时)或铁基材料(例如，当它是壳的一体部分时)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，电极基座由具有相对高重量百分比的镍的镍基材料制成，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70wt％至80wt％镍、10wt％至20wt％铬和5wt％至10wt％铁，以及少量的其他元素。如本文所用，术语“铁基材料”是指其中铁按重量计是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，铁基材料可以是合适类型的钢，诸如各种碳钢(例如，1.0503-C45、1.0401-C15、5140级等)、不锈钢(例如，1.4571)等)。包括非镍基或铁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。
电极尖端的以下描述可适用于本文公开的中心和/或接地电极尖端32、42、132、142、232、242、332、342、432、442、532、542、632、642、732、742、832、842、932、942、1032、1042、1532、1542中的任一者。电极尖端是通过增材制造在电极基座上形成的电极的区段或部分，通常是发火花部分。这样，电极尖端可由贵金属基粉末床制成，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固化成激光沉积层56、156、256、356、456、556、656、756、856、956、1056。重复这种产生单个层的过程，从而产生多个激光沉积层，这些激光沉积层被顺序地构建或堆叠在彼此上，使得这些层垂直于火花塞的中心轴线A(在本文中“垂直”不要求完美垂直，只要当在横截面中观察时，激光沉积层在可容许的误差范围内垂直于中心轴线A即可)。一些激光沉积层可仅具有来自电极基座和电极尖端的材料；而其他层可仅具有来自电极尖端的材料。如图2中的放大插图所示，每个激光沉积层具有平均层厚度T，其可为5μm至60μm，并且所有层厚度的总计或总和是电极尖端高度Z，其可为0.05mm至3.0mm，或者甚至更优选地为0.1mm至2.0mm。通过跨越电极尖端的整个占有面积将电极尖端连接或接合到电极基座，而不是仅围绕电极尖端的外圆周(这通常是使用激光焊接的情况)，可创建电极尖端与电极基座之间的“整个区域连接”。
电极尖端可由贵金属基材料制成，以便提供改善的耐腐蚀性和/或耐侵蚀性。如本文所用，术语“贵金属基材料”是指这样一种材料，其中贵金属是按重量计材料的单一最大成分，即使贵金属不大于全部材料的50wt％，只要它是单一最大成分，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、钯基材料、金基材料和/或铑基材料。根据一个示例，电极尖端由铱基材料或铂基材料制成，其中该材料已经被处理成粉末形式，使得其可用于增材制造工艺。如上所述，某些贵金属如铱可能是非常昂贵的，因此通常希望减少电极尖端中这种材料的含量，只要这样做不会不可接受地降低电极尖端的性能。具有不超过60wt％铱(例如，Pt-Ir40、Pt-Ir50、Ir-Pt40等)并且优选具有不超过50wt％铱(例如，Pt-Ir40、Pt-Ir50等)的贵金属基粉末可适合于某些应用，因为这样的材料可在成本和性能之间达到期望的平衡。在一些实施方案中，例如图16至图24中所示的那些实施方案，其中电极尖端是需要大量材料来形成它们的大部件，由贵金属基材料制造整个电极尖端结构在经济上可能是不可行的。在一些情况下，取决于贵金属的当前价格，由贵金属基材料制造任何电极尖端结构(包括图1至图15中的那些电极尖端结构)在经济上可能是不可行的。在这种情况下，可优选地由不是“贵金属基材料”的不同材料来制造电极尖端的全部或一部分，例如具有至少5wt％贵金属、至少1700℃的熔化温度和至少14.0g/cm3的密度的材料。在一个示例中，镍基或其他材料可用于形成电极基座的区段或部分，然后可仅在点火端或发火花表面处(通过增材制造或通过常规焊接或其他技术)添加贵金属基材料。因此，不需要使用贵金属基材料，因为本文所公开的任何电极尖端实施方案可全部或部分地包括不是贵金属基材料的材料(包括具有至少5wt％贵金属的材料、镍基材料等)或由其制成。其他非贵金属基材料当然也是可能的，并且也可以使用。
参考图25至图27，提供了可用于产生本文所述的火花塞和/或火花塞电极的增材制造工艺100(有时称为3D打印工艺)的描述。根据该示例，增材制造工艺100使用粉末床熔合技术在一个或多个电极基座上形成一个或多个电极尖端，如下所述。在下面的描述中，使用相同的贵金属基粉末同时在中心电极和接地电极上形成电极尖端。然而，应当认识到，使用两种或更多种贵金属基粉末也是可能的(例如，通过使用具有粉末喷嘴的激光沉积焊接或通过在单独的形成步骤期间在中心电极和接地电极上形成电极尖端)。举例来说，合适的粉末床熔合技术的非限制性示例包括：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)。增材制造工艺100可与本文教导的任何实施方案和实施例以及其他实施方案和实施例一起使用，并且不限于以下实施例。
从步骤S1开始，火花塞1510被固定或安装在增材制造工具1600中，使得中心电极基座1530和/或接地电极基座1540暴露。火花塞1510在被固定时，可以是整个组装的火花塞或者仅仅是其某些部分或部件，诸如中心电极和/或接地电极。在例示的示例中，几个火花塞1510被装配或安装在增材制造工具1600的基板1610中(例如，火花塞1510的壳可被拧入基板1610或一些其他夹具的对应螺纹中)，使得火花塞被支撑在大致垂直的取向上。基板1610(也称为构建板)被示出为具有三个圆形切口或开口1620的圆形板，三个火花塞1510中的每个火花塞具有一个切口或开口，但是具有不同数量和/或形状的切口的其他实施方案当然也是可能的(例如，矩形或正方形基板)。基板1610支撑火花塞1510，使得中心电极基座1530和接地电极基座1540的轴向端表面1534和1544分别面向上并且暴露。轴向端表面1534、1544可与基板1610的上表面齐平或从其略微凹陷，如图27最佳所示。
接下来，增材制造工艺用填充材料1630填充切口1620内的任何空腔或空间(步骤S2)。填充材料1630仅用于填充位于火花塞1510内部的任何空余空间，从而提供临时底板或基座1564，电极尖端可至少部分地构建在该临时底板或基座上。步骤S2可将填充材料1630添加到盆或槽1640中，然后使刮片1650扫过填充材料以填充火花塞中的空余空间或空腔。刮片1650的高度可被设置成使得其与盆1640、基板1610和/或电极的轴向端表面1534、1544的暴露表面齐平。这使得填充材料1630填充并占据火花塞1510内部的空余空间，例如壳电极或接地电极与中心电极之间的空间，从而跨基板1610的顶部建立齐平表面1564。在不同的示例中，步骤S2可由操作者手动执行，或者该步骤甚至可在火花塞1510安装在增材制造工具1600中之前执行。一个优点是绝缘体的陶瓷表面保持没有金属颗粒，这些金属颗粒可能随后必须被去除。在步骤S2之后，基板1610、中心电极基座1530和接地电极基座1540以及临时底板1564的上表面可全部彼此齐平，以便建立单个平坦表面。在一个示例中，填充材料1630是稍后用于构建电极尖端的相同的贵金属基粉末。在不同的示例中，填充材料1630是盐(例如，NaCl或一些其他盐)，它易于倾倒、具有高熔点、保护绝缘体不受金属颗粒影响、可在底板1564处形成玻璃状表面以防止贵金属基粉末向下迁移到内部空间中，并且由于其在水中的溶解度，可易于与贵金属基粉末分离而不留下残留物。如果使用盐或其他非贵金属基填充材料，优选填充材料1630具有比贵金属基粉末(例如，5μm至30μm)更大的平均颗粒尺寸(例如，40μm至65μm)，使得两种材料可用过滤器等容易地分离。在不同的示例中，填充材料包括陶瓷材料(例如那些由氧化铝制成的陶瓷球体)或能够通过筛分进行分离的玻璃珠。接下来，用贵金属基材料的薄粉末层1680覆盖基板1610、中心电极基座1530和接地电极基座1540以及临时底板1564的暴露表面(步骤S3)。在一个示例中，贵金属基粉末由储存圆筒1660提供，该储存圆筒可升高一定量以提供与所产生的激光沉积层的期望厚度相关的贵金属基粉末的量(例如，如果期望0.15mm的贵金属层，则储存圆筒1660可升高1倍或2倍(0.3mm)以确保提供足够的粉末来完全覆盖电极基座1530、1540)。然后，使刮片1650齐平且平行地扫过盆或槽1640，以在基板1640上产生薄的均匀粉末层1680(图26中未示出，以便露出下面的火花塞部件)，该粉末层可从盆1610的其余部分略微下沉或凹陷(基板1610凹陷的量对应于所产生的激光沉积层的期望厚度)。过量的贵金属基粉末被扫入溢流容器1670中，使得该粉末可被回收并再次使用。在贵金属基材料的薄粉末层1680被置于填充材料的临时底板1564的顶部上的区域中，可建立粉末-粉末界面1684。可选择相应的粉末材料和/或它们的颗粒尺寸，使得粉末-粉末界面1684经历最小的材料扩散，其中来自一层的粉末迁移穿过界面进入另一层。可使用最小化这种材料扩散的任何合适的技术。本发明的增材制造工艺可以在其建立各种激光沉积层时使用不同的贵金属基材料，以便沿着电极尖端的轴向范围产生梯度组成。如果是这种情况，则步骤S3将使用第一混合物，并且随后的步骤将使用一种或多种另外的混合物。步骤S3可使用任何合适的贵金属基材料，包括本文所述的铱基材料、铂基材料、钌基材料、钯基材料、金基材料和/或铑基材料。在一个示例中，贵金属基粉末层1680具有5μm至60μm且包括端值的厚度。与使用贵金属基材料相反，步骤S3还可以使用含有至少5wt％贵金属的材料。材料的这种变化可适合于具有需要大量材料来构建的大电极尖端结构的某些实施方案，如图16至图24中所示的那些实施方案，或者在某些市场条件下可能适用，例如当贵金属价格高时。
在步骤S4中，使用激光或电子束来熔化或至少烧结要形成电极尖端的区域中的薄粉末床层，从而形成激光沉积层。本文中对“激光”的任何引用应被理解为广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”，其广泛地包括由任何合适的光或能量源产生的沉积层，包括但不限于由电子束和激光产生的那些。激光L可被移动到火花塞1510之一的顶部上方的位置中并且被点火，使得当激光分别横穿或移动跨过电极基座1530、1540的轴向端表面1534、1544时，所得的激光束熔化或烧结薄粉末床层1680；这是粉末床融合过程的一部分，并且它可根据任何合适的技术来进行，例如通过使用来自3D模型的数字模型数据或另一电子数据源如立体平版印刷(STL)文件。因为电极基座1530和1540被呈现或暴露，然后被贵金属基粉末1680覆盖，所以方法100能够同时在中心电极和接地电极两者上形成电极尖端。即，方法100能够同时构建或3D打印用于中心电极和接地电极两者的贵金属基电极尖端，这可在发火花表面的平行度和火花间隙的容许偏差方面具有提高精度的益处。例如，如果方法100制造图1至图3中的火花塞10，则步骤S4可在同一循环中为四个中心电极尖端32和四个接地电极尖端42中的每一者产生激光沉积层1686，该激光沉积层包括尖端32、42悬伸出或延伸超过下面的电极基座的边缘的区域。如果没有临时底板1564，贵金属基粉末1680将正好落入火花塞内部的空腔或空间中，并且方法100将不能形成悬伸或悬臂式电极尖端。第一次执行步骤S4时，在每个电极基座1530、1540上形成初始激光沉积层1686。本领域技术人员将理解，取决于电极基座材料、电极尖端材料和/或其他操作参数，初始激光沉积层可能不具有电极尖端材料和电极基座材料的完全熔合组合。例如，在将足够的能量转移到电极材料以形成足够的焊池之前，可能需要几个循环和激光沉积层(例如，1-10个激光沉积层)。
步骤S5确定是否已经形成最后的或最终的激光沉积层。重复步骤S3-S5的循环或序列，直到该方法确定不再需要激光沉积层(即，电极尖端已经达到它们的期望高度)。如果步骤S5确定需要更多的激光沉积层，则该方法返回并重复步骤S3和S4，使得可在先前层的顶部上构建新的激光沉积层。激光在每个循环的步骤S4中遵循的精确图案可改变，例如当电极尖端具有非恒定的横截面时。而且，应当理解，在通过步骤S3-S4的初始道次或循环时，步骤S3用薄粉末层1680覆盖中心电极和接地电极的电极基座1530、1540(即，薄粉末床的贵金属基材料可与中心电极和接地电极的轴向端部1534、1544直接接触)，并且步骤S4然后将薄粉末床直接熔化或烧结到电极基座1530、1540中，从而形成初始激光沉积层1686。在通过步骤S3-S4的后续道次或循环中，在已经形成初始激光沉积层1686之后，步骤S3可施加薄粉末床，使得其覆盖一个或多个先前产生的激光沉积层，而不是覆盖电极基座1530、1540的实际表面。在该示例中，步骤S4将薄粉末床材料熔化或烧结成先前产生的激光沉积层，以及可能地熔化或烧结成电极基座本身(取决于先前产生的激光沉积层的厚度以及熔化或烧结步骤进行的深度)。在这两种情况下(即，在步骤S3-S4的初始道次和后续道次中)，步骤S3用薄粉末床覆盖火花塞的点火端，并且步骤S4将薄粉末床熔化或烧结到点火端中。
由于每个激光沉积层首先通过熔化或烧结来自薄粉末床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沿床的组成来调整或修改不同激光沉积层的成分。这使得本发明电极能够具有横跨电极尖端的定制的或自定义的组成梯度，该组成梯度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，在第二次或稍后进行该方法时，步骤S3可用具有与第一混合物不同组成的贵金属基材料的第二混合物覆盖点火端(例如，第二混合物可具有更大比例的贵金属基材料)，尽管这不是必需的。还可以在随后的道次期间调节或调制激光的能量或功率以及其他操作参数以控制电极材料的熔化量。例如，在随后的道次中可使用更多的激光功率来再熔化更深的层或下面的层，从而将一些电极基座或载体材料转移到随后要施加的层。在又一个示例中，可以将薄层1680提供为粉末状层、浆料、液体或含有期望贵金属基材料的任何其他合适的混合物。
一旦步骤S5确定不需要额外的激光沉积层(即，通过增材制造完全形成电极尖端)，就可从工具移除火花塞或工件，可从火花塞或工件移除填充材料，并且该方法可结束。填充材料然后可被回收或再利用以制造更多的火花塞。本领域技术人员将理解，刚刚描述的增材制造工艺可用于一次制造大量电极(即，批处理，例如在图26中，其中每个基板上的三个火花塞被同时加工，并且每个火花塞包括八个单独的贵金属基电极尖端)，以及与这里示出的电极不同的各种类型的电极。根据前述方法生产的火花塞电极之间的一个区别在于，悬伸的电极尖端牢固地紧固到电极基座上，而无需使用环向或其他类型的激光焊接(即，本发明的电极在电极尖端和基座之间具有无焊缝接合部)，由于包括上述原因在内的许多原因，这是有利的。另外，火花间隙的均匀性、发火花表面的平行度、电极尖端的尺寸精度以及其他特性均可得到改善。这不同于那些将电极尖端焊接到电极基座(例如，激光和/或电阻焊接)的火花塞电极，因为这种布置通常具有明显的焊缝或焊件等。
本文所述的电极尖端以及根据增材制造工艺产生的任何其他电极部件也可以被制造成具有或不具有支撑结构。可使用的一种潜在的支撑结构是树状支撑件，其模仿实际树的结构，使得其支撑被增材制造或3D打印成其树干和树枝的部件。另一种可能的支撑结构是常规或标准支撑件。一旦通过增材制造工艺形成部件，就可保留或移除支撑结构。此外，应当指出，在本文公开的任何实施方案中，根据增材制造工艺产生的电极尖端或任何其他电极部件可形成为填充的实心部件或中空的实心部件。就填充部件而言，可以在下游工艺中填充空腔(例如用铜基材料)。还可以以形成中空体积体的方式熔化粉末，但是未熔化的粉末保留在中空体积体中。还存在其他可能性和实施方案。
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。例如，激光沉积层的精确尺寸、形状、组成等可与所公开的实施例不同，但仍被本申请涵盖(例如，实际部件的显微照片可看起来与图示的附图显著不同，但仍被涵盖)。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 (20)
1.一种火花塞电极，包括：
电极基座，所述电极基座包括轴向端表面、侧表面以及位于所述轴向端表面和所述侧表面的相交处的边缘；和
电极尖端，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多个激光沉积层，其中所述电极尖端悬伸出所述边缘的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中所述贵金属基材料包括铱基合金、铂基合金、钌基合金、金基合金或钯基合金。
3.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，所述轴向端表面是圆形的，所述侧表面是圆柱形的，所述边缘是环向的，并且所述电极尖端是围绕所述电极基座的所述环向边缘间隔开的多个电极尖端中的一个电极尖端。
4.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，所述轴向端表面是多边形的，所述侧表面是平坦的或弯曲的，所述边缘是直的或弯曲的，并且所述电极尖端悬伸出所述电极基座的所述直的或弯曲的边缘。
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环形接地电极，所述轴向端表面是环形的，所述侧表面是圆柱形的，所述边缘是环向的，并且所述电极尖端是悬伸出所述电极基座的所述环向边缘的环形电极尖端。
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环形接地电极，所述轴向端表面是环形的，所述侧表面是圆柱形的，所述边缘是环向的，并且所述电极尖端是悬伸出所述电极基座的所述环向边缘的圆顶形电极尖端。
7.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，所述轴向端表面是圆形的，所述侧表面是圆柱形的，所述边缘是环向的，并且所述电极尖端是悬伸出所述电极基座的所述环向边缘的环形电极尖端。
8.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，所述轴向端表面是圆形的，所述侧表面是圆柱形的，所述边缘是环向的，并且所述电极尖端是悬伸出所述电极基座的所述环向边缘的实心盘形电极尖端。
9.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中所述电极尖端包括发火花表面，所述发火花表面被构造用于径向火花间隙，所述发火花表面完全悬伸出所述边缘。
10.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中所述电极尖端悬伸出所述边缘的至少一部分悬伸距离X，所述悬伸距离X是所述电极尖端的总长度Y的至少15％。
11.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中所述电极尖端具有0.6mm-3.0mm的总长度Y、0.3mm-4.0mm的高度Z和0.1mm-1.4mm的悬伸距离X。
12.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中所述电极尖端具有三维矩形形状，所述三维矩形形状沿着所述电极尖端的轴向高度具有恒定的矩形横截面。
13.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中所述电极尖端具有三维三角形形状，所述三维三角形形状沿着所述电极尖端的所述轴向高度具有非恒定的矩形横截面。
14.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中所述电极尖端具有三维环形形状，所述三维环形形状沿着所述电极尖端的轴向高度具有恒定的环形横截面。
15.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中所述电极尖端具有多个呈三维弯曲管形式的发火花部分。
16.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中所述电极尖端具有一个或多个三维局部拱形。
17.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座上，所述增材制造工艺使用粉末床熔合技术，通过激光或电子束将贵金属基粉末熔化或烧结到所述电极基座上，然后使所述熔化或烧结的粉末固化而成为所述电极尖端的所述激光沉积层，所述多个激光沉积层具有5μm至60μm且包括端值的平均层厚度T，并且所述多个激光沉积层的总厚度是0.05mm至3.0mm且包括端值的电极尖端高度Z。
18.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中所述电极尖端形成在所述电极基座上，并且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接合部固定到所述电极基座。
19.一种火花塞，包括：
壳；
绝缘体，所述绝缘体至少部分地设置在所述壳内；
中心电极，所述中心电极至少部分地设置在所述绝缘体内；和
一个或多个接地电极，所述一个或多个接地电极是附接到所述壳的单独部件或者是所述壳的一体延伸部，其中所述中心电极、所述接地电极或者所述中心电极和所述接地电极两者是根据权利要求1所述的火花塞电极。
20.一种用于制造火花塞的增材制造工艺，包括以下步骤：
将所述火花塞固定在增材制造工具中，使得具有中心电极基座和/或接地电极基座的点火端暴露；
用填充材料填充所述火花塞内部的空腔，所述填充材料提供临时底板；
用包括贵金属基材料的薄粉末层覆盖所述点火端和所述临时底板；
将激光或电子束引导到所述点火端，使得其熔化或烧结至少一些所述薄粉末层；
使所述熔化或烧结的薄粉末层至少部分地固化成激光沉积层；以及
将所述覆盖、引导和允许步骤重复多个循环，使得形成具有多个激光沉积层的一个或多个电极尖端，其中所述电极尖端中的至少一个电极尖端悬伸出所述中心电极基座或所述接地电极基座的边缘。
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