JP2018534427A - 断熱されたエンジン部品およびセラミックコーティングを使用する作製方法 - Google Patents

Abstract

シリンダライナまたはバルブフェースのような、ディーゼルエンジンの燃焼室および／または排気ガスへの露出のための部品が提供される。当該部品は、鋼から形成されるボディ部分に適用される熱バリアコーティングを含んでいる。金属結合材料の層がまず適用され、その後、金属結合材料およびセラミック材料の混合物を含む勾配構造が適用され、その後、セラミック材料の層が適用される。当該セラミック材料は、セリア、セリア安定化ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、および、別の酸化物によって安定化されたジルコニアのうちの少なくとも１つを含む。熱バリアコーティングは熱溶射またはＨＶＯＦによって適用される。熱バリアコーティングは、２体積％〜２５体積％の多孔性を有し、１ｍｍ未満の厚さを有し、１．００Ｗ／ｍ．Ｋ未満の熱伝導性を有する。

Description

関連出願への相互参照
この米国特許出願は、２０１５年１１月２０日に出願された米国仮特許出願番号第６２／２５７，９９３号と、２０１６年１１月１７日に出願された米国特許出願番号第１５／３５４，０８０号との利益を主張しており、その全内容は、本願明細書において参照により援用される。

発明の背景
１．発明の分野
この発明は一般に、ディーゼルエンジンの燃焼室および／または排気ガスに露出される断熱部品を含む内燃機関と、その製造方法とに関する。

２．関連技術
現代のヘビーデューティディーゼルエンジンは、エミッションおよび燃料経済性についての法律の下で、効率の向上に向かって推進されている。より大きな効率を達成するために、エンジンは、より熱く、かつ、より高いピーク圧力で動作しなければならない。燃焼室を通じての熱損失は、これらの増加した要求の下で問題になる。典型的に、利用可能な燃料エネルギーの約４％から６％が、ピストンを通じて冷却システム中に入る熱として失われる。エンジン効率を改善する１つの方法は、ターボコンパウンディングによって熱い燃焼ガスからエネルギーを抽出することである。たとえば、ターボコンパウンディングによって、燃料エネルギーの約４％から５％が熱排気から抽出され得る。

エンジン効率を改善する別の方法は、たとえばセラミック材料から形成される断熱層を用いて、エンジンの部品を断熱することにより冷却システムへの熱損失を低減することを含む。１つのオプションは、金属表面に金属結合層を適用し、その後、セラミック層を適用することを含む。しかしながら、これらの層は、不連続であり、セラミックはその性質が多孔性である。したがって、燃焼ガスはセラミックを通り抜けることができ、セラミック／結合層界面において金属結合層を酸化し始め、弱い境界層を形成し、時間にわたってコーティングの潜在的な機能不全を引き起こす。さらに、隣接する層との間での熱膨脹係数のミスマッチと、セラミックの脆い性質とによって、剥離および落剥についてのリスクが生じる。

別の例は、イットリア安定化ジルコニアから形成される熱溶射コーティングである。この材料は、単独で使用された場合、熱効果による不安定化と、ディーゼル内燃機関における化学腐食とを被り得る。さらに、たとえば１ｍｍといった５００μｍ以上のセラミックコーティングのような厚いセラミックコーティングは、クラッキングおよび機能不全の傾向があるということが分かっている。ジェットタービンに使用される典型的な航空宇宙コーティングはしばしば、加えられる熱応力の非常に周期的な性質に関連付けられる原料および堆積コストにより、好適ではない。

発明の概要
本発明の１つの局面は、ディーゼルエンジンのような内燃機関の燃焼室および／または内燃機関によって生成される排気ガスへの露出のための部品を提供する。部品は、金属から形成されるボディ部分と、ボディ部分に適用される熱バリアコーティングとを含む。熱バリアコーティングは、金属ボディ部分から上面まで延在する厚さを有する。熱バリアコーティングは、金属結合材料およびセラミック材料の混合物を含み、熱バリアコーティングに存在するセラミック材料の量はボディ部分から上面へと増加する。

本発明の別の局面は、内燃機関の燃焼室および／または内燃機関によって生成される排気ガスへの露出のための部品を製造する方法を提供する。当該方法は、金属から形成されるボディ部分に熱バリアコーティングを適用することを含む。熱バリアコーティングは、ボディ部分から上面に延在する厚さを有しており、熱バリアコーティングは、金属結合材料とセラミック材料との混合物を含む。ボディ部分に熱バリアコーティングを適用するステップは、金属結合材料に対してセラミック材料の量を、ボディ部分から上面へ増加させることを含む。

本発明の他の利点は、添付の図面に関連して考慮されると、以下の詳細な説明への参照によってより理解されるため、容易に認識されるであろう。

ディーゼルエンジンの燃焼室の側面断面図であり、燃焼室に露出される部品が本発明の例示的な実施形態に従った熱バリアコーティングでコーティングされる図である。 熱バリアコーティングがシリンダライナの部分に適用された状態における、図１の燃焼室に露出されるシリンダライナの拡大図である。 熱バリアコーティングがバルブフェースに適用された状態における、図１の燃焼室に露出されるバルブフェースの拡大図である。 シリンダライナに配置される熱バリアコーティングの例を示す拡大断面図である。 熱バリアコーティングの例示的な組成を開示する図である。 熱バリアコーティングの例示的な組成を開示する図である。 熱バリアコーティングの例示的な組成を開示する図である。 熱バリアコーティングの例示的な組成を開示する図である。 鋼部品に配置される熱バリアコーティングの例を示す断面図である。

例示的な実施形態の詳細な説明
本発明の１つの局面は、ヘビーデューティディーゼルエンジンのような、熱バリアコーティング２２を含む内燃機関２０の部品を提供する。熱バリアコーティング２２は、当該部品を通って熱が通過するのを防止し、したがって、たとえば燃焼室２４の混合気または排気ガスにおいて内燃機関２０の所望のエリアに熱を維持することができ、これにより、エンジン効率が改善される。さらに、熱バリアコーティング２２は、エンジン部品を断熱するために使用される他のコーティングと比較して、よりコスト効率が良好で安定しているとともに、化学腐食を受けにくい。

内燃機関２０のさまざまな異なる部品が熱バリアコーティング２２でコーティングされ得る。本願と同日に出願され同じ仮特許出願番号第６２／２５７，９９３号への優先権を主張する対応する米国特許出願は、ピストン２６への熱バリアコーティング２２の適用に関する。しかしながら、図１に示されるように、熱バリアコーティング２２は、シリンダライナ２８、シリンダヘッド３０、燃料噴射器３２、バルブシート３４およびバルブフェース３６を含む、燃焼室２４に露出される１つ以上の他の部品に適用され得る。典型的に、熱バリアコーティング２２は、燃焼室２４に露出される部品の部分にのみ適用される。たとえば、燃焼室２４に露出される部品の全表面がコーティングされ得る。代替的には、燃焼室２４に露出される部品の表面の部分のみがコーティングされる。熱バリアコーティング２２は、燃焼室２４の状態および他の部品に対する表面の位置に依存して燃焼室２４に露出される表面の位置を選択するように適用され得る。

図１の例示的な実施形態において、熱バリアコーティング２２は、ピストン２６が上死点に位置する際にピストン２６のトップランド４４の反対側に位置するシリンダライナ２８の内径表面３８の部分にのみ適用され、熱バリアコーティング２２は内径表面３８に沿って如何なる他の位置にも位置しておらず、シリンダライナ２８の如何なる接触面にも位置していない。図２は、熱バリアコーティング２２を含むシリンダライナ２８の部分の拡大図である。この実施形態では、内径表面３８は、内径表面３８において加工された溝４０を含む。溝４０は、内径表面３８のトップエッジからシリンダライナ２８の長さの一部分に沿って延在しており、熱バリアコーティング２２は溝４０内に配置される。さらに、この例において、溝４０および熱バリアコーティング２２の長さｌは、５ｍｍから１０ｍｍの幅である。言いかえれば、熱バリアコーティング２２は、シリンダライナ２８の長さに沿って５ｍｍから１０ｍｍ延在する。図１の例示的な実施形態では、熱バリアコーティング２２はさらにバルブフェース３６に適用される。図３は、熱バリアコーティング２２を含むバルブフェース３６の拡大図である。

熱バリアコーティング２２は、たとえばバルブトレイン、燃焼後室（post-combustion chamber）、排気マニホルドおよびターボチャージャの他の部品といった、内燃機関２０の他の部品または内燃機関２０に関連付けられる部品にも適用され得る。熱バリアコーティング２２は典型的に、エンジン２０が動作している間、燃焼室２４または排気ガスの熱いガスに直接的に露出され、したがって高い温度および高い圧力に直接的に露出されるディーゼルエンジンの部品に適用される。部品のボディ部分４２は典型的に、たとえばＡＩＳＩ４１４０グレードもしくはマイクロアロイ３８ＭｎＳｉＶＳ５のような鋼または別の金属材料から形成される。ボディ部分４２を形成するために使用される如何なる鋼もリン酸塩を含んでいない。リン酸塩がボディ部分４２の表面に存在する場合、そのリン酸塩は、熱バリアコーティング２２を適用する前に除去される。

熱バリアコーティング２２は内燃機関２０の１つ以上の部品に適用されるか、または、内燃機関２０によって生成される排気ガスに露出され、これにより、燃焼室２４または排気ガスにおける熱を維持し、したがってエンジン２０の効率が向上する。熱バリアコーティング２２はしばしば、部品の熱い領域および冷たい領域を修正するために、熱マップ測定からのパターンに依存して、特定の位置に配置される。熱バリアコーティング２２は、燃焼室２４における苛酷な状況への露出のために設計されている。たとえば、熱バリアコーティング２２は、大きくかつ振動する熱サイクルに晒されるディーゼルエンジン２０の部品に適用され得る。そのような部品は、非常に冷たい始動温度を経験し、燃焼ガスに接触すると７００℃まで到達し得る。さらに、１秒当たり約１５〜２０回またはそれ以上の各燃焼現象からの温度サイクリングがある。さらに、２５０〜３００バールまでの圧力の揺れが各燃焼サイクルで見られる。

熱バリアコーティング２２の部分は、セラミック材料５０から形成されており、具体的には、たとえばセリア、セリア安定化ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、別の酸化物によって安定化されたジルコニア、および／または、その混合物といった少なくとも１つの酸化物から形成されている。セラミック材料５０は、１Ｗ／ｍＫ未満といった低い熱伝導性を有する。セリアがセラミック材料５０において使用される場合、熱バリアコーティング２２は、ディーゼルエンジン２０の高い温度、高い圧力および他の厳しい条件の下で、より安定である。さらに、セリアを含むセラミック材料５０の組成によって、熱バリアコーティング２２は、単独で使用された場合にディーゼル内燃機関における熱効果および化学腐食により不安定化し得る他のセラミックコーティングよりも、化学腐食を受けにくくなる。セリアおよびセリア安定化ジルコニアは、そのような熱および化学条件下で非常により安定している。セリアは、好ましくは、熱バリアコーティング２２が適用される部品のボディ部分４２を形成するために使用される鋼材料と同様の熱膨脹係数を有する。室温におけるセリアの熱膨脹係数は、１０Ｅ−６から１１Ｅ−６の範囲にあり、室温における鋼の熱膨脹係数は１１Ｅ−６から１４Ｅ−６の範囲にある。この同様の熱膨脹係数は、応力割れを生み出す熱のミスマッチを回避することを支援する。

典型的に、熱バリアコーティング２２は、熱バリアコーティング２２の全体積に基づくと、７０体積パーセント（体積％）から９５体積％の量のセラミック材料５０を含んでいる。一実施形態では、熱バリアコーティング２２を形成するために使用されるセラミック材料５０は、セラミック材料５０の全重量に基づくと、９０〜１００重量％の量のセリアを含む。別の例示的な実施形態では、セラミック材料５０は、セラミック材料５０の全重量に基づくと、９０〜１００重量％の量のセリア安定化ジルコニアを含む。別の例示的な実施形態では、セラミック材料５０は、セラミック材料５０の全重量に基づくと、９０〜１００重量％の量のイットリア安定化ジルコニアを含む。さらに別の例示的な実施形態では、セラミック材料５０は、セラミック材料５０の全重量に基づくと、９０〜１００重量％の合計量のセリア安定化ジルコニアおよびイットリア安定化ジルコニアを含む。別の例示的な実施形態では、セラミック材料５０は、セラミック材料５０の全重量に基づくと、９０〜１００重量％の量のマグネシア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、および／または、別の酸化物によって安定化されたジルコニアを含む。言いかえれば、上記の酸化物のうちのいずれかが、セラミック材料５０の全重量に基づくと、９０〜１００重量％の量で単独でまたは組み合わせて使用され得る。セラミック材料５０が、セリア、セリア安定化ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニアおよび／または別の酸化物によって安定化されたジルコニアから完全になっていない場合、セラミック材料５０の残りの部分は典型的に、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化クロム、酸化珪素、マンガンもしくはコバルト化合物、窒化珪素、ならびに／または、ピグメントもしくは触媒のような機能材料といった他の酸化物および化合物からなる。たとえば、一実施形態に従うと、燃焼を修正するために触媒が熱バリアコーティング２２に加えられる。色化合物も熱バリアコーティング２２に加えられ得る。１つの例示的な実施形態に従うと、熱バリアコーティング２２は、黄褐色であるが、青または赤のような他の色であり得る。

一実施形態に従うと、セラミック材料５０はセリア安定化ジルコニアを含み、セラミック材料５０は、セラミック材料５０中のセリア安定化ジルコニアの全量に基づくと、２０重量％〜２５重量％の量のセリアと、７５重量％〜８０重量％の量のジルコニアとを含む。代替的には、セラミック材料５０は、３重量％までのイットリアを含み得、したがってジルコニアの量は低減される。この実施形態では、セリア安定化ジルコニアは、１１μｍ〜１２５μｍの公称粒径を有する粒子の形で提供される。好ましくは、９０重量％のセリア安定化ジルコニア粒子は、９０μｍ未満の公称粒径を有し、５０重量％のセリア安定化ジルコニア粒子は、５０μｍ未満の公称粒径を有し、１０重量％のセリア安定化ジルコニア粒子は、２５μｍ未満の公称粒径を有する。

別の例示的な実施形態に従うと、セラミック材料５０はイットリア安定化ジルコニアを含んでおり、セラミック材料５０は、セラミック材料５０におけるイットリア安定化ジルコニアの量に基づくと、７重量％〜９重量％の量のイットリアと、９１重量％〜９３重量％の量のジルコニアとを含む。この実施形態において、イットリア安定化ジルコニアは、１１μｍ〜１２５μｍの公称粒径を有する粒子の形で提供される。好ましくは、９０重量％のイットリア安定化ジルコニア粒子は、９０μｍ未満の公称粒径を有し、５０重量％のイットリア安定化ジルコニア粒子は、５０μｍ未満の公称粒径を有し、１０重量％のイットリア安定化ジルコニア粒子は、２５μｍ未満の公称粒径を有する。

別の例示的な実施形態に従うと、セラミック材料５０は、セリア安定化ジルコニアおよびイットリア安定化ジルコニアの混合物を含んでおり、セラミック材料５０は、セラミック材料５０に存在する当該混合物の合計量に基づくと、５重量％〜９５重量％の量のセリア安定化ジルコニアと、５重量％〜９５重量％の量のイットリア安定化ジルコニアとを含む。この実施形態では、セリア安定化ジルコニアは、１１μｍ〜１２５μｍの公称粒径を有する粒子の形で提供される。好ましくは、９０重量％のセリア安定化ジルコニア粒子は、９０μｍ未満の粒径を有し、５０重量％のセリア安定化ジルコニア粒子は、５０μｍ未満の粒径を有し、１０重量％のセリア安定化ジルコニア粒子は、２５μｍ未満の粒径を有する。イットリア安定化ジルコニアは、１１μｍ〜１２５μｍの公称粒径を有する粒子の形で提供される。好ましくは、９０重量％のイットリア安定化ジルコニア粒子は、１０９μｍ未満の粒径を有し、５０重量％のイットリア安定化ジルコニア粒子は、５９μｍ未満の粒径を有し、１０重量％のイットリア安定化ジルコニア粒子は、２８μｍ未満の粒径を有する。セラミック材料５０がセリア安定化ジルコニアおよびイットリア安定化ジルコニアの混合物を含んでいる場合、セラミック材料は、合計１００重量％の混合物において、５重量％〜９５重量％のセリア安定化ジルコニアを残部のイットリア安定化ジルコニアに加えることにより形成され得る。

さらに別の例示的な実施形態に従うと、セラミック材料５０はカルシア安定化ジルコニアを含んでおり、セラミック材料５０は、４．５重量％〜５．５重量％の量のカルシアと、９１．５重量％の量のジルコニアとを含み、セラミック材料５０において残部は他の酸化物からなる。この実施形態では、カルシア安定化ジルコニアは、１１μｍ〜９０μｍの公称粒径範囲を有する粒子の形で提供される。好ましくは、カルシア安定化ジルコニア粒子は、４５μｍより大きな粒径の粒子を７重量％、４５μｍ未満の粒子を６５重量％まで最大で含む。

さらに別の例示的な実施形態に従うと、セラミック材料５０はマグネシア安定化ジルコニアを含んでおり、セラミック材料５０は、１５重量％〜３０重量％の量のマグネシアを含み、残部はジルコニアからなる。この実施形態では、マグネシア安定化ジルコニアは、１１μｍ〜９０μｍの公称粒径を有する粒子の形で提供される。好ましくは、１５重量％のマグネシア安定化ジルコニア粒子は、８８μｍ未満の粒径を有する。

他の酸化物または酸化物の混合物が、セラミック材料５０を安定させるために使用されてもよい。他の酸化物または混合酸化物の量は典型的に、５重量％〜３８重量％の範囲にあり、安定化セラミック材料５０の公称粒径範囲は１μｍ〜１２５μｍである。

セラミック材料５０の多孔性は典型的に、熱バリアコーティング２２の熱伝導性を低減するように制御される。熱バリアコーティング２２を適用するために熱溶射法が使用される場合、セラミック材料５０の多孔性は、セラミック材料５０の全体積に基づくと、典型的に２５体積％未満であり、たとえば、２体積％〜２５体積％、好ましくは５体積％〜１５体積％、より好ましくは８体積％〜１０体積％である。しかしながら、熱バリアコーティング２２を適用するために真空法が使用される場合、多孔性は典型的に、セラミック材料５０の全体積に基づくと、５体積％未満である。全熱バリアコーティング２２の多孔性も２体積％〜２５体積％であり得るが、熱バリアコーティング２２の全体積に基づくと、典型的に５体積％より大きく２５体積％まで、好ましくは５体積％〜１５体積％、最も好ましくは８体積％〜１０体積％である。熱バリアコーティング２２の孔は典型的に、セラミック領域において集中する。熱バリアコーティング２２の多孔性は、熱バリアコーティング２２の熱伝導性の低減に寄与する。

不連続の金属／セラミック界面を回避するために、熱バリアコーティング２２はさらに勾配構造５１において適用される。言いかえれば、勾配構造５１は際立った界面を回避する。したがって、熱バリアコーティング２２は、使用中に剥離しにくくなる。熱バリアコーティング２２の勾配構造５１は、まず上記部品に金属結合材料５２を適用し、次いで、金属結合材料５２およびセラミック材料５０の混合物を適用し、その後、セラミック材料５０を適用することにより形成される。

金属結合材料５２の組成は、たとえば鋼粉末といった部品のボディ部分４２を形成するのに用いられた粉末と同じであり得る。代替的には、金属結合材料５２は、ジェットタービンのコーティングにおいて使用されるもののように高性能超合金を含み得る。例示的な実施形態に従うと、金属結合材料５２は、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ、ＮｉＣｒＡｌＹ、ＮｉＣｒ、ＮｉＡｌ、ＮｉＣｒＡｌ、ＮｉＡｌＭｏおよびＮｉＴｉからなる群から選択される少なくとも１つの合金を含むか、または、上記群から選択される少なくとも１つの合金からなる。熱バリアコーティング２２は、熱バリアコーティング２２の全体積に基づくと、典型的に５体積％〜３３体積％、より好ましくは１０体積％〜３３体積％、最も好ましくは２０体積％〜３３体積％の量の金属結合材料５２を含む。金属結合材料５２は、−１４０メッシュ（＜１０５μｍ）、好ましくは−１７０メッシュ（＜９０μｍ）、より好ましくは−２００メッシュ（＜７４μｍ）、最も好ましくは−４００メッシュ（＜３７μｍ）の粒径を有する粒子の形で提供される。１つの例示的な実施形態に従うと、金属結合材料５２の厚さは３０μｍ〜１ｍｍの範囲にある。金属結合材料５２の厚さの限界は金属結合材料５２の粒径によって規定される。熱バリアコーティング２２の剥離のリスクを低減するよう薄い厚さがしばしば好ましい。

勾配構造５１は、１００％の金属結合材料５２から１００％のセラミック材料５０へと徐々に遷移することにより形成される。熱バリアコーティング２２は、ボディ部分２６に適用された金属結合材料５２を含み、その後、セラミック材料５０の量を増加し、金属結合材料５２の量を低減する。勾配構造５１の遷移関数は、線形、指数関数、放物線状、ガウス形、二項式であり得るか、組成平均を位置へ関連付ける別の方程式に従い得る。

熱バリアコーティング２２の最上部分は全体的にセラミック材料５０から形成される。勾配構造５１は、熱のミスマッチによって作り出される応力を軽減することを支援し、セラミック材料５０および金属結合材料５２の界面において連続的な弱い酸化物境界層を形成する傾向を低減する。

一実施形態に従うと、図４に示されるように、シリンダライナ２８の内径表面３８のような、ボディ部分４２の表面に直接的に適用される熱バリアコーティング２２の最低部は、金属結合材料５２からなる。典型的に、熱バリアコーティング２２の全厚さの５％から２０％は、１００％の金属結合材料５２から形成される。さらに、熱バリアコーティング２２の最上部分はセラミック材料５０からなり得る。たとえば、熱バリアコーティング２２の全厚さの５％から５０％が１００％のセラミック材料５０から形成され得る。１００％の金属結合材料５２から１００％のセラミック材料５０へと連続的に遷移する熱バリアコーティング２２の勾配構造５１はその間に位置する。典型的に、熱バリアコーティング２２の全厚さの３０％から９０％が勾配構造５１から形成されるか、または、勾配構造５１からなる。さらに、熱バリアコーティング２２の全厚さの１０％から９０％が金属結合層５２の層から形成され、熱バリアコーティング２２の厚さの８０％までが勾配構造５１から形成され、熱バリアコーティング２２の全厚さの１０％から９０％がセラミック材料５０の層から形成されるということが可能である。図４は、シリンダライナ２８の内径表面３８に配置される熱バリアコーティング２２の例を示す拡大断面図である。セリア安定化ジルコニア（ＣＳＺ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）および金属結合材料（結合）を含む熱バリアコーティング２２の例示的な組成が図５に開示される。図６は、鋼ボディ部分４２に配置される熱バリアコーティング２２の例を示す断面図である。

溶射されたそのままの形態では、熱バリアコーティング２２は典型的に、１５μｍ未満の表面粗さＲａと、≦１１０μｍ以下の表面粗さＲｚとを有する。熱バリアコーティング２２は平滑化され得る。少なくとも１つの付加的な金属層、金属結合材料５２の少なくとも１つの付加的な層、または、少なくとも１つの他の層が、熱バリアコーティング２２の最外面に適用され得る。付加的な層または複数の付加的な層が適用される場合、当該付加的な材料によって形成される最外面も、１５μｍ未満の表面粗さＲａと、≦１１０μｍ以下の表面粗さＲｚとを有し得る。粗さは、コーティングの表面上においてキャビティ内に燃料を捕らえることにより、燃焼に影響し得る。本願明細書において記載される例よりも粗いコーティング面を回避することが望ましい。

熱バリアコーティング２２は、熱バリアコーティング２２を通じて熱の流れを低減するよう低い熱伝導性を有する。典型的に、厚さが１ｍｍ未満である熱バリアコーティング２２の熱伝導性は、１．００Ｗ／ｍ．Ｋ未満であり、好ましくは０．５Ｗ／ｍ．Ｋ未満であり、最も好ましくは０．２３Ｗ／ｍ．Ｋ以下である。熱バリアコーティング２２の比熱容量は、使用される特定の組成に依存するが、典型的には４０℃と７００℃との間の温度において４８０Ｊ／ｋｇ．Ｋ〜６１０Ｊ／ｋｇ．Ｋの範囲にある。熱バリアコーティング２２の低い熱伝導性は、セラミック材料５０の相対的に高い多孔性によって達成される。熱バリアコーティング２２の組成および低い熱伝導性により、熱バリアコーティング２２の厚さが低減され得、これにより、より大きな厚さの比較のコーティングに対して同じレベルの断熱を達成しつつ、クラックまたはスポーリングのリスクが低減される。なお、熱バリアコーティング２２のこの有利な低い熱伝導性は予期されていない。熱バリアコーティング２２のセラミック材料５０がセリア安定化ジルコニアを含んでいる場合、熱伝導性は特に低い。

熱バリアコーティング２２に存在する勾配構造５１と、部品を形成するために使用される金属の組成とにより、熱バリアコーティング２２の結合強さも増加される。厚さが０．３８ｍｍである熱バリアコーティング２２の結合強さは、ＡＳＴＭ Ｃ６３３に従ってテストされる場合、典型的に少なくとも２０００ｐｓｉである。

勾配構造５１を有する熱バリアコーティング２２は、勾配構造５１を有する熱バリアコーティング２２ほど典型的に成功していない二層構造を有する比較のコーティングに比較され得る。比較のコーティングは、金属基板に適用される金属結合層を含み、その後、コーティングにより不連続の界面を有するセラミック層が形成される。この場合、燃焼ガスは多孔性のセラミック層を通り抜け得、セラミック／結合層の界面で結合層を酸化し始め得る。その酸化によって弱い境界層が形成され、これにより、コーティングの性能が損なわれる。

しかしながら、勾配構造５１を有する熱バリアコーティング２２は多くの利点を提供し得る。熱バリアコーティング２２は、燃焼室２４に露出されるか、または、内燃機関２０によって生成される排気ガスに露出される部品の表面の少なくとも部分に適用され、これにより、当該部品を通る熱の流れの低減が提供される。熱の流れの低減は典型的に、熱バリアコーティング２２が存在しない同じ部品に対して少なくとも５０％である。上記部品を通る熱の流れを低減することによって、より多くの熱が燃焼室の混合気中および／またはエンジンによって生成される排気ガス中に保持され、これが、エンジン効率および性能の向上につながる。

本発明の熱バリアコーティング２２は、鋼ボディ部分４２に良好に固着することが分かった。しかしながら、付加的な機械的な固定のために、熱バリアコーティング２２が適用されるボディ部分４２の表面は典型的に、０．１ｍｍ未満の半径を有する如何なるエッジまたは構造も存在しない。言いかえれば、熱バリアコーティング２２が適用される部品の表面は、如何なる鋭いエッジまたはコーナーも存在しないのが好ましい。１つの例示的な実施形態に従うと、ボディ部分４２は、その表面に沿って加工された欠けたエッジまたは面取り部を含んでいる。面取り部は、半径方向において熱バリアコーティング２２がボディ部分４２にロックすることを可能にする。代替的には、少なくとも１つのポケット、凹部またはラウンドエッジがボディ部分４２の表面に沿って加工され得る。これらの構造は、熱溶射コーティング２２中の応力集中を回避することと、コーティングの機能不全を引き起こし得る鋭いコーナーまたはエッジを回避することとを支援し得る。加工されたポケットまたは凹部はさらに、コーティング２２を適切な位置に機械的にロックし、これにより、剥離障害の確率を低減する。

本発明の別の局面は、たとえばディーゼルエンジンといった内燃機関２０において使用されるコーティングされた部品を製造する方法を提供する。鋼から典型的に形成される部品は、鍛造、鋳造および／または溶接のようなさまざまな異なる方法に従って製造され得る。上で論じたように、熱バリアコーティング２２は、燃焼室２４または内燃機関２０によって生成される排気ガスに露出されるさまざまな異なる部品に適用され得、それらの部品はさまざまな異なる設計を含み得る。ボディ部分４２に熱バリアコーティング２２を適用する前に、熱バリアコーティング２２が適用される表面に位置する如何なるリン酸塩または他の材料も除去されなければならない。

次に、方法は、部品のボディ部分４２に熱バリアコーティング２２を適用することを含む。熱バリアコーティング２２は、燃焼室または排気ガスに露出する部品の全表面に適用され得るか、または、その表面の一部分にのみ適用され得る。セラミック材料５０および金属結合材料５２は、粒子または粉末の形で提供される。粒子は、中空球であり得、スプレー乾燥され得、スプレー乾燥および焼結され得、ゾルゲルであり得、溶融され得、および／または、破砕され得る。たとえば、図１〜図３に示されるように、熱バリアコーティング２２は、シリンダライナ２８の部分とバルブフェース３６とに適用される。

例示的な実施形態では、方法は、熱または力学法によって金属結合材料５２およびセラミック材料５０を適用することを含む。一実施形態に従うと、プラズマ溶射、フレーム溶射またはワイヤーアーク溶射のような熱溶射技術が、熱バリアコーティング２２を形成するために使用される。高速酸素燃料（ＨＶＯＦ：high velocity oxy-fuel）溶射は、より稠密なコーティングを与える力学法の好ましい例である。部品に熱バリアコーティング２２を適用する他の方法も使用され得る。たとえば、熱バリアコーティング２２は、物理蒸着法または化学蒸着法のような真空法によって適用され得る。一実施形態に従うと、ＨＶＯＦは、部品に金属結合材料５２の緻密層を適用するために使用され、勾配構造５１およびセラミック材料５０の層を適用するためにプラズマ溶射のような熱溶射技術が使用される。さらに、勾配構造５１は、プラズマ溶射コーティングを適用しつつツイン粉末フィーダの送り速度を変更することにより適用され得る。

例示的な方法は、溶射される材料の全重量に基づくと、１００重量％の量の金属結合材料５２と、０重量％の量のセラミック材料５０とを溶射することによって開始する。溶射プロセスの全体にわたって、組成に加えられるセラミック材料５０の量が増加され、金属結合材料５２の量が低減される。したがって、図４に示されるように、熱バリアコーティング２２の組成は徐々に部品に沿って１００％の金属結合材料５２から、熱バリアコーティング２２の上面５８における１００％のセラミック材料５０に変化する。熱バリアコーティング２２を適用するために複数の粉末フィーダが典型的に使用され、それらの送り速度は勾配構造５１を達成するために調節される。熱バリアコーティング２２の勾配構造５１は熱溶射プロセス中に達成される。

熱バリアコーティング２２は、部品全体に適用され得るか、または、たとえば燃焼室２４もしくは排気ガスに露出される表面のみといったその部分に適用され得る、または、その表面の部分にのみに適用され得る。部品の非コーティング領域は、熱バリアコーティング２２を適用するステップの間、マスキングされ得る。当該マスクは再使用可能であり得、コーティングされる領域に隣接して除去材料が適用される。マスキングはさらに、熱バリアコーティング２２に図形を導入するために使用され得る。さらに、熱バリアコーティング２２が適用された後、コーティングエッジが調和され、鋭いコーナーまたはエッジが低減され、これにより高応力領域が回避される。

図４に示されるように、熱バリアコーティング２２は、たとえばシリンダライナ２８の内径表面３８といったような部品のボディ部分４２の表面から上面５８に延在する厚さｔを有する。例示的な実施形態に従うと、熱バリアコーティング２２は、１．０ｍｍ以下または０．７ｍｍ以下、好ましくは０．５ｍｍ以下、最も好ましくは０．３８０ｍｍ以下の全厚みｔまで適用される。図１および図２の例示的な実施形態において、シリンダライナ２８の内径表面３８に沿って配置される熱バリアコーティング２２の全厚みｔは０．３８０ｍｍである。この全厚みｔは好ましくは熱バリアコーティング２２と、さらに熱バリアコーティング２２の最上面に適用される任意の付加的な層またはシーラント層との全厚みを含む。しかしながら、付加的な層が使用される場合、全厚さｔがより大きくなり得る。

厚さｔは部品の全表面に沿って均一であり得るが、特に表面に複雑な形状がある場合、厚さｔは典型的に部品の表面に沿って変動する。たとえば部品がより少ない熱および圧力に晒される部品のある領域において、熱バリアコーティング２２の厚さｔは０．０２０ｍｍ〜０．０３０ｍｍのように低くあり得る。たとえば最も高い温度および最も高い圧力に晒される領域のような部品の他の領域において、熱バリアコーティング２２の厚さｔが増加される。たとえば、方法は、スプレーガンおよび固定具に対して特定の位置に部品２０を整列させることと、回転を防止するために部品を固定することと、並んだスキャニングスプレーガンを用いることと、部品の異なる領域にわたって熱バリアコーティング２２の厚さｔを調節するよう熱バリアコーティング２２を適用するために使用される溶射または他の技術の速度を変動させることとを含み得る。

さらに、たとえば５〜１０層といった、同じまたは異なる組成を有する熱バリアコーティング２２の１つより多い層が部品に適用され得る。さらに、熱バリアコーティング２２に加えて、他の組成を有するコーティングが部品に適用され得る。１つの例示的な実施形態に従うと、燃料吸収に対するシールを提供し、熱成長する酸化物を防止し、セラミック材料５０の化学的な劣化を防止するために、無電解ニッケル層のような付加的な金属層が熱バリアコーティング２２の上に適用される。付加的な金属層の厚さは好ましくは１〜５０μｍである。付加的な金属層が存在する場合、熱バリアコーティング２２の多孔性が増加され得る。代替的には、金属結合材料５２の付加的な層が、熱バリアコーティング２２のセラミック材料５０の上に適用され得る。

熱バリアコーティング２２を適用する前に、熱バリアコーティング２２が適用される部品の表面は、汚染を除去するために溶剤において洗浄される。次に、方法は典型的に、０．１ｍｍ未満の半径を有する如何なるエッジまたは構造も除去することを含む。方法はさらに、部品への熱バリアコーティング２２の機械的なロックを支援し、部品において応力上昇部を低減する欠けたエッジもしくは面取り部５６または別の構造を形成することを含み得る。これらの構造は、たとえばターニング、ミリングまたは任意の他の適切な手段といった加工によって形成され得る。この方法はさらに、熱バリアコーティング２２の固着を向上するために、熱バリアコーティング２２を適用する前に部品の表面をグリットブラスティングすることを含み得る。

熱バリアコーティング２２が部品に適用された後、コーティングされた部品は、隆起を除去し平滑表面を達成するために摩食され得る。図１および図２の例示的な実施形態において、シリンダライナ２８に適用される熱バリアコーティング２２は、たとえば機械加工またはホーニングによって後仕上げを必要とする。方法はさらに、部品が市場において使用される際においてコーティングされた部品の識別の目的で熱バリアコーティング２２の表面にマーキングを形成することを含み得る。マーキングを形成するステップは典型的に、レーザにより熱バリアコーティング２２を再溶解することを伴う。他の実施形態に従うと、グラファイト、熱ペイントまたはポリマーの付加層が熱バリアコーティング２２の上に適用される。ポリマーコーティングが使用される場合、ポリマーはエンジン２０における部品の使用中に燃え尽きる。方法は、洗浄および乾燥すること、錆防止剤を加えること、さらにパッケージングすることといった付加的なアセンブリステップを含み得る。コーティングされた部品の如何なる後処理も、熱バリアコーティング２２と適合しなければならない。

上記の教示に鑑みると、本発明の多くの修正例および変形例が可能であり、添付の請求の範囲内にあれば、具体的に記載されたのとは別の態様で実施されてもよいことは明らかである。

Claims (20)

1. 内燃機関の燃焼室および／または前記内燃機関によって生成される排気ガスへの露出のための部品であって、前記部品は、
   金属から形成されるボディ部分と、
   前記ボディ部分に適用されるとともに、前記ボディ部分から上面まで延在する厚さを有する熱バリアコーティングとを含み、
   前記熱バリアコーティングは金属結合材料およびセラミック材料の混合物を含んでおり、
   前記熱バリアコーティングに存在する前記セラミック材料の量は前記ボディ部分から前記上面へと増加する、部品。
2. 前記セラミック材料の多孔性は、前記セラミック材料の全体積に基づくと、２体積％〜２５体積％である、請求項１に記載の部品。
3. 前記熱バリアコーティングの前記厚さは１ｍｍ未満である、請求項１に記載の部品。
4. 前記熱バリアコーティングは１．００Ｗ／ｍ．Ｋ未満の熱伝導性を有する、請求項１に記載の部品。
5. 前記熱バリアコーティングの前記セラミック材料は、セリア、セリア安定化ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、および、別の酸化物によって安定化されたジルコニアのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の部品。
6. 前記セラミック材料はセリア安定化ジルコニアからなる、請求項１に記載の部品。
7. 前記熱バリアコーティングは、金属から形成される前記ボディ部分に直接的に適用される前記金属結合材料の層を含んでおり、前記熱バリアコーティングの前記厚さの５％〜２０％は、前記金属結合材料の層からなり、
   前記熱バリアコーティングは、前記金属結合材料の層に直接的に適用される勾配構造を含んでおり、前記勾配構造は、前記金属結合材料と前記セラミック材料との前記混合物を含み、前記勾配構造に存在する前記セラミック材料の量は、前記第１の層から前記上面に向かって連続的に増加しており、
   前記熱バリアコーティングは、前記勾配構造に直接的に適用されるとともに前記上面に延在する前記セラミック材料の層を含んでおり、前記熱バリアコーティングの前記厚さの５％〜５０％は、前記セラミック材料の前記層からなる、請求項１に記載の部品。
8. 前記金属結合材料は、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ、ＮｉＣｒＡｌＹ、ＮｉＣｒ、ＮｉＡｌ、ＮｉＣｒＡｌ、ＮｉＡｌＭｏおよびＮｉＴｉからなる群から選択される少なくとも１つの合金を含む、請求項１に記載の部品。
9. 前記熱バリアコーティングが適用される前記ボディ部分の表面には、０．１ｍｍ未満の半径を有する如何なる構造も存在しない、請求項１に記載の部品。
10. 前記ボディ部分の表面に適用される前記熱バリアコーティングは、ＡＳＴＭ Ｃ６３３に従ってテストされる場合、少なくとも２０００ｐｓｉの結合強さを有する、請求項１に記載の部品。
11. 前記熱バリアコーティングは、前記燃焼室および／または前記排気ガスに露出される前記ボディ部分の表面に適用され、前記熱バリアコーティングは前記表面の第１の部分に適用され、前記表面の第２の部分に適用されない、請求項１に記載の部品。
12. 前記部品は、シリンダライナ、シリンダヘッド、燃料噴射器、バルブシートおよびバルブフェースからなる群から選択される、請求項１に記載の部品。
13. 前記部品は前記シリンダライナであり、前記シリンダライナは内径表面を含んでおり、前記熱バリアコーティングは、ピストンが上死点に位置する際に前記ピストンのトップランドの反対側に位置する前記内径表面の第１の部分に適用され、前記第１の部分の下に位置する前記内径表面の第２の部分に適用されない、請求項１２に記載の部品。
14. 前記シリンダライナの前記内径表面は溝を含んでおり、前記熱バリアコーティングは前記溝内に配置される、請求項１３に記載の部品。
15. 前記部品は、バルブトレイン、燃焼後室の表面、排気マニホルドおよびターボチャージャからなる群から選択される、請求項１に記載の部品。
16. 内燃機関の燃焼室および／または前記内燃機関によって生成される排気ガスへの露出のための部品を製造する方法であって、
    金属から形成されるボディ部分に熱バリアコーティングを適用するステップを含み、前記熱バリアコーティングは、前記ボディ部分から上面に延在する厚さを有しており、前記熱バリアコーティングは、金属結合材料とセラミック材料との混合物を含んでおり、
    前記ボディ部分に前記熱バリアコーティングを適用するステップは、前記金属結合材料に対して前記セラミック材料の量を、前記ボディ部分から前記上面へ増加することを含む、方法。
17. 前記熱バリアコーティングは熱溶射技術によって適用される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記熱バリアコーティングの少なくとも部分は、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ：high velocity oxy-fuel）溶射により適用される、請求項１６に記載の方法。
19. 前記セラミック材料は、前記ボディ部分に適用する前に粒子として提供され、前記セラミック材料の粒子は、１１μｍ〜１２５μｍの公称粒径を有しており、前記金属結合材料は、前記ボディ部分に適用する前に粒子として提供され、前記金属結合材料の前記粒子は１０５μｍ未満の公称粒径を有する、請求項１６に記載の方法。
20. 前記熱バリアコーティングの前記セラミック材料は、前記セラミック材料の全体積に基づくと、２体積％〜２５体積％の多孔性を有し、前記熱バリアコーティングの厚さは１ｍｍ未満であり、前記熱バリアコーティングは１．００Ｗ／ｍ．Ｋ未満の熱伝導性を有しており、前記熱バリアコーティングの前記セラミック材料は、セリア、セリア安定化ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、および、別の酸化物によって安定化されたジルコニアのうちの少なくとも１つを含む、請求項１３に記載の方法。

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