KR102557856B1 - 열 절연형 스틸 피스톤 크라운, 및 세라믹 코팅을 이용한 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

디젤 엔진용 피스톤이 제공되어 있다. 피스톤은 스틸로 형성된 크라운에 적용된 열 차단 코팅을 포함한다. 금속 접합 재료로 된 레이어는 우선 크라운의 연소 표면에 적용되고, 금속 접합 재료와 세라믹 재료로 된 혼합물을 포함하는 경사 구조로 이어지고, 세라믹 재료로 된 레이어로 이어진다. 세라믹 재료는 세리아, 세리아 안정화 지르코니아, 이트리아 안정화 지르코니아, 칼시아 안정화 지르코니아, 마그네시아 안정화 지르코니아, 및 다른 산화물에 의해 안정화되는 지르코니아 중 적어도 한가지를 포함한다. 열 차단 코팅은 열 분무 공정이나 HVOF에 의해 적용된다. 열 차단 코팅은 열 차단 코팅의 총 부피에 기초하여 2% 부피 내지 25% 부피의 다공률을 가지고, 1 mm 미만의 두께 및 1.00 W/m.K 미만의 열 전도율을 가진다.

Description

열 절연형 스틸 피스톤 크라운, 및 세라믹 코팅을 이용한 그 제조 방법

본 출원은 2015년 11월 20일자로 출원된 미국 가특허출원 62/257,993, 및 2016년 11월 17일자로 출원된 미국 실용신안 특허출원 15/354,001의 이익을 주장하고, 그 명세서의 전체 내용들은 참조사항으로 본 명세서에 통합되어 있다.

본 발명은 대체로 디젤 엔진용 절연형 피스톤을 포함하는 내연 기관용 피스톤, 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

오늘날의 중대형 디젤 엔진은 배출 및 연비 법규 하에서 효율을 증가시키도록 압박을 받고 있다. 더 큰 효율을 달성하기 위하여, 엔진은 더욱 고온이면서 더욱 높은 최대 압력 상태에서 운전되어야 한다. 연소실을 통한 열 손실은 증가되는 이러한 요구 하에서 문제가 된다. 통상적으로, 유효 연료 에너지 중 약 4% 내지 6%는 냉각 시스템 속으로 피스톤을 지나는 열로서 손실된다. 엔진 효율을 향상시키는 한가지 방법은 터보 컴파운딩(turbo-compounding)에 의해 고온의 연소 가스로부터 에너지를 추출하는 것이다. 예를 들어, 연료 에너지의 약 4% 내지 5%는 터보 컴파운딩에 의해 고온의 배기 가스로부터 추출될 수 있다.

엔진 효율을 향상시키는 다른 방법은 피스톤의 크라운을 절연함으로써 냉각 시스템에 대한 열 손실을 줄이는 것을 포함한다. 세라믹 재료를 포함하는 절연 레이어들은 피스톤을 절연하는 한가지 방법이다. 한가지 옵션은 금속 접합 레이어를 피스톤의 금속 바디부에 적용하는 단계를 포함하고, 세라믹 레이어로 이어진다. 그러나, 레이어들은 불연속적이고, 세라믹은 그 자체의 특성상 다공성이다. 따라서, 연소 가스는 세라믹을 통과할 수 있고, 세라믹/접합 레이어 인터페이스에서 금속 접합 레이어를 산화시키기 시작할 수 있는데, 이는 시간이 지남에 따라 코팅의 잠재적인 파괴를 유발하면서 약한 경계 레이어가 형성되게 한다. 추가로, 인접한 레이어들 사이의 열 팽창 계수들의 불일치와 세라믹의 취성은 박리(delamination)와 파열(spalling)의 위험을 일으킨다.

다른 예시는 이트리아 안정화 지르코니아로 형성되는, 열적 분무식 코팅이다. 이 재료는 단독으로 사용되는 경우 디젤 연소 기관에서의 화학적 타격과 열적 효과를 통해 불안정화를 겪을 수 있다. 또한 500 마이크론 보다 큰, 예컨대 1 mm의 두꺼운 세라믹 코팅이 크래킹이나 파괴에 취약하다는 점은 알려져 있다.

40년 이상의 피스톤에 관한 열 코팅 개발이 문헌에 기록되어 있지만, 지금까지는 비용면에서 효과적이면서도 성공적인 어떠한 제품도 알려져 있지 않다. 또한 부과되는 열응력의 매우 주기적인 특성과 관련된 침착 비용(deposition cost)과 원재료(raw material) 때문에 제트 터빈에서 사용되는 통상적인 항공우주분야에서의 코팅이 엔진 피스톤에는 적합하지 않는다는 점은 알려져 있다.

본 발명의 한가지 양태는, 금속으로 형성된 바디부를 구비하면서 연소 표면이 존재하는 크라운을 포함하는 피스톤을 제공한다. 열 차단 코팅(thermal barrier coating)은 크라운에 적용되어 있고, 연소 표면으로부터 노출 표면쪽으로 뻗어 있는 두께를 가진다. 열 차단 코팅은 금속 접합 재료와 세라믹 재료로 된 혼합물을 포함하고, 열 차단 코팅에 존재하는 세라믹 재료의 양은 연소 표면으로부터 노출 표면쪽으로 증가한다.

본 발명의 다른 양태는 피스톤을 제조하는 방법을 제공한다. 방법은 열 차단 코팅을 금속으로 형성된 크라운의 연소 표면에 적용하는 단계를 포함한다. 열 차단 코팅은 연소 표면으로부터 노출 표면쪽으로 뻗어 있는 두께를 가지고, 그리고 열 차단 코팅은 금속 접합 재료와 세라믹 재료로 된 혼합물을 포함한다. 열 차단 코팅을 연소 표면에 적용하는 단계는 금속 접합 재료에 대한 세라믹 재료의 양을 연소 표면으로부터 노출 표면쪽으로 증가시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 이점들은 다음에 오는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 참조하여 첨부의 도면과 관련하여 생각해보면 더욱 잘 이해되는 바와 같이 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 크라운에 적용된 열 차단 코팅을 포함하되 갤러리있는(gallery-containing) 디젤 엔진 피스톤의 단면 사시도이다.
도 1a는 도 1의 피스톤 크라운에 적용된 열 차단 코팅의 일 부분의 확대도이다.
도 2는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라 크라운에 적용된 열 차단 코팅을 포함하되 갤러리없는(galleryless) 디젤 엔진 피스톤의 단면 사시도이다.
도 3에는, 예시적인 실시예에 따라 열 차단 코팅을 적용하기에 앞서 챔퍼형성된 에지(chamfered edge)를 포함하는 피스톤 크라운의 일 부분이 도시되어 있다.
도 4는, 예시적인 실시예에 따라 열 차단 코팅을 적용하기에 앞서 챔퍼형성된 에지를 포함하는 피스톤 크라운의 일 부분의 측면도이다.
도 5에는 열 차단 코팅의 예시적인 성분들이 개시되어 있다.
도 6은 스틸 피스톤 크라운 상에 배치되어 있는 열 차단 코팅의 일 예시가 나타나 있는 단면도이다.

본 발명의 일 양태는 중대형 디젤 엔진과 같은 내연 기관에서 사용하기 위한 열 차단 코팅(22)이 있는 피스톤(20)을 제공한다. 열 차단 코팅(22)은 냉각 시스템에 대한 열 손실을 줄여서 엔진 효율을 향상시킨다. 열 차단 코팅(22)은 또한 피스톤을 절연하는데 사용되는 다른 코팅에 비해 비용면에서 더욱 효과적이면서 안정적일 뿐만 아니라, 화학적 타격에 대해 영향을 덜 받는다.

일 예시적인 실시예에 따라 열 차단 코팅(22)을 포함하는 피스톤(20)의 일 예시는 도 1에 나타나 있다. 예시적인 피스톤(20)은 중대형 디젤 엔진에서의 사용을 위하여 설계되어 있지만, 열 차단 코팅(22)은 다른 유형의 피스톤에 적용될 수 있고, 내연 기관의 연소실에 노출되는 다른 구성요소들에도 적용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 피스톤(20)은 금속 재료, 특히 스틸로 형성된 바디부(26)를 포함한다. 바디부(26)를 형성하는데 사용되는 스틸(steel; 강 또는 강철)은, 예컨대 AISI 4140 등급 또는 마이크로알로이 38MnSiVS5일 수 있다. 바디부(26)를 형성하는데 사용되는 스틸은 인산염을 포함하지 않지만, 바디부(26)의 표면 상에 어떠한 인산염이라도 존재한다면 열 차단 코팅(22)을 적용하기에 앞서 인산염이 제거된다. 바디부(26)는 상부 단부(28)로부터 하부 단부(30)쪽으로 중심 축(A)을 따라 길이방향으로 중심 축(A) 둘레에 뻗어 있다. 피스톤 바디부(26)는 또한 상부 단부(28)로부터 하부 단부(30)를 향하여 중심 축(A)을 중심으로 원주방향으로 뻗어 있는 크라운(32)을 포함한다. 도 1의 실시예에서, 크라운(32)은 이 경우 용접에 의해 바디부(26)의 잔여부에 결합되어 있다.

피스톤(20)의 크라운(32)은, 내연 기관에서 피스톤(20)의 사용 동안 고온의 가스에 직접 노출되어 있어서 높은 온도와 압력에 노출되어 있는 연소 표면(34)이 획정되어 있다. 예시적인 실시예에서, 연소 표면(34)은 평평한 외측 림으로부터 뻗어 있는 연소 보울(combustion bowl)을 포함하고, 연소 표면(34)은 중심 축(A)에 정상부를 포함한다. 피스톤(20)의 크라운(32)은 또한, 적어도 하나의 링(미도시)을 수용하기 위하여 중심 축(A)을 중심으로 원주방향으로 뻗어 있으면서 외경 표면에 위치되어 있는 적어도 하나의 링 그루브(36)가 획정되어 있다. 통상적으로, 피스톤(20)은 2개나 3개의 링 그루브(36)를 포함한다. 링 랜드(ring land)(38)들은 각각의 링 그루브(36)에 인접하여 배치되어 있고, 링 그루브(36)들을 연소 표면(34)으로부터 서로 이격시킨다.

도 1의 예시에서, 피스톤(20)은 바디부(26)의 잔여부와 크라운(32) 사이에서 중심 축(A) 둘레에 원주방향으로 뻗어 있는 냉각 갤러리(24)를 포함한다. 이 실시예에서, 크라운(32)은 중심 축(A)으로부터 이격되어 있는 상부 립(42)을 포함하고, 바디부(26)의 인접 구간은 중심 축(A)으로부터 이격되어 있는 하부 립(44)을 포함한다. 상부 립(42)은 냉각 갤러리(24)를 형성하도록 하부 립(44)에 용접되어 있다. 이 경우, 립들(42, 44)은 함께 마찰 용접되어 있지만, 립들(42, 44)은 다른 방법들을 이용하여 결합될 수 있다. 냉각 갤러리(24)는 내연 기관에서 피스톤(20)의 사용 동안 고온의 크라운(32)으로부터 열을 분산시키기는 냉각 유체를 포함하고 있을 수 있다. 추가로, 냉각 유체 또는 오일은 내연 기관의 사용 동안 크라운(24)의 온도를 낮추기 위해서 크라운(32)의 내부 표면을 따라 또는 냉각 갤러리(24) 속으로 분무될 수 있다.

도 1에 나타나 있는 바와 같이, 피스톤(20)의 바디부(26)는, 크라운(32)으로부터 하부 단부(30)쪽으로 늘어져 있으면서 중심 축(A)을 중심으로 서로 이격되어 있는 한 쌍의 핀 보스(46)들을 더 포함한다. 각각의 핀 보스(46)는 피스톤(20)을 커넥팅 로드에 연결하는데 사용될 수 있는 리스트 핀(wrist pin)을 수용하기 위하여 핀 보어(48)가 획정되어 있다. 바디부(26)는 또한, 크라운(32)으로부터 하부 단부(30)쪽으로 늘어져 있으면서 중심 축(A)을 중심으로 핀 보스(46)들을 서로 이격시키는 한 쌍의 스커트 구간(54)들을 포함한다.

도 2에 나타나 있는 다른 예시적인 실시예에 따르면, 피스톤(20)의 바디부(26)는 갤러리없는 피스톤이다. 갤러리없는 피스톤(20)은, 내연 기관의 실린더 보어 내부에 포함되어 있는 연소실의 연소 가스에 직접 노출되어 있는 상부 연소 표면(34)이 존재하는 크라운(32)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 연소 표면(34)은 중심 축(A)에 정상부를 포함한다. 링 그루브(36)들과 링 랜드(38)들은 연소 표면(34)으로부터 늘어져 있고, 피스톤(20)의 외주를 따라 원주방향으로 뻗어 있다. 갤러리 피스톤(20)은 또한, 크라운(32)으로부터 하부 단부(30)쪽으로 늘어져 있으면서 중심 축(A)을 중심으로 서로 이격되어 있는 핀 보스(46)들을 포함한다. 각각의 핀 보스(46)는 피스톤(20)을 커넥팅 로드에 연결하는데 사용될 수 있는 리스트 핀을 수용하기 위하여 핀 보어(48)가 획정되어 있다. 바디부(26)는 또한, 크라운(32)으로부터 하부 단부(30)쪽으로 늘어져 있으면서 중심 축(A)을 중심으로 핀 보스(46)들을 서로 이격시키는 스커트 구간(54)들을 포함한다. 갤러리없는 피스톤(20)의 전체 바디부는 통상적으로 싱글 피스(single piece)로 단조되거나 주조된다.

도 2의 피스톤(20)의 언더크라운 표면(35)은 연소 표면(34)의 바로 반대쪽에서 링 그루브(36)로부터 반경방향 안쪽을 향하여 크라운(32)의 밑면에 형성되어 있다. 언더크라운 표면(35)은 연소 보울로부터 바로 반대쪽 측면 상의 표면이다. 언더크라운 표면(35)은 여기에서 저면으로부터 직선방향으로 피스톤(20)을 관찰하는 경우 핀 보어(48)들을 제외하고 보이는 표면인 것으로 획정되어 있다. 언더크라운 표면(35)은 또한 피스톤(20)의 밑면에서 보이는 바와 같이 개방적으로 노출되어 있고, 밀봉되거나 밀폐된 냉각 갤러리에 의해 구획되어 있지는 않는다.

환언하자면, 저면에서 피스톤(20)을 바라보는 경우, 그 자체가 존재하는 표면은 상부 크라운(32)의 언더크라운 표면(35)이고, 예컨대 냉각 갤러리의 바닥은 아니다. 피스톤(20)이 "갤러리없는(galleryless)" 상태이기 때문에, 언더크라운 표면(35)에 직접 노출되어 있는 캐버티(cavity)들의 저면들은 아래쪽으로부터 개방되어 드러나있다. 종래의 갤러리 스타일 피스톤과 달리, 갤러리없는 피스톤(20)은, 언더크라운 표면(35) 바로 아래쪽의 공간이나 영역 안에 일정한 양의 냉각 오일을 가두는데 이용되는 것이 보통인 저면 바닥(floor) 또는 레지(ledge)가 없다. 본 피스톤(20)의 언더크라운 표면(35)은 의도적으로 완전히 개방되어 있고, 그 노출은 최대화되어 있다.

피스톤(20)의 언더크라운 표면(35)은 또한 밀봉되거나 밀폐된 냉각 갤러리를 가지는 비교대상 피스톤들보다 더 큰 총 표면적(표면의 윤곽을 따라가는 3차원 영역)과 더 큰 돌출된 표면적(평면도에서 보이는 바와 같이 평평한 2차원 영역)을 가진다. 피스톤(20)의 밑면을 따라 개방된 이 영역은 크랭크케이스 내부로부터 언더크라운 표면(35) 위쪽으로 직접 분무되거나 비산하는 오일에 대한 직접적인 접근을 제공하고, 이로써 전체 언더크라운 표면(35)이 크랭크케이스 내부로부터의 오일에 의해 직접적으로 비산되는 것을 허용할 수 있을면서도 오일이 리스트 핀 주위에 자유롭게 비산하는 것을 허용할 수 있고, 나아가 피스톤(20)의 중량을 상당히 줄일 수 있다. 따라서, 통상적인 폐쇄되거나 부분적으로 폐쇄된 냉각 갤러리를 가지고 있지 않더라도, 갤러리없는 피스톤(20)의 대체로 개방된 구성은 언더크라운 표면(35)의 최적의 냉각과 핀 보어 내부에서의 리스트 핀에 대한 윤활을 허용하는 한편, 이와 동시에 일정 부피의 오일이 표면 상에 남아 있는 시간에 해당하는 연소 보울 근처의 표면 상에서의 잔류 시간을 줄인다. 언더크라운 표면(35)의 2차원 및 3차원 표면적은 통상적으로 최대화되어서, 노출 표면에 대비하여 크랭크케이스로부터 위쪽을 향하여 분무되거나 비산하는 오일에 의해 유발되는 냉각이 강화되고, 이로써 피스톤(20)의 예외적인 냉각에 적합할 수 있다.

도 1에 나타나 있는 바와 같이, 열 차단 코팅(22)은, 연소실에 대한 열 손실을 줄여서 엔진의 효율을 증가시키기 위해서 피스톤(20)의 연소 표면(34)과 링 랜드(38)들 중 적어도 하나에 적용된다. 예시적인 실시예에서, 열 차단 코팅(22)은 상기 연소 표면(34)에 바로 인접한 최상부 링 랜드(38)에 적용된다. 열 차단 코팅(22)은 또한 피스톤(20)의 다른 부분들에 적용될 수도 있고, 피스톤(20)에 추가하여 라이너 표면, 밸브 및 실린더 헤드와 같은 연소실에 노출되는 다른 구성요소들에 선택적으로 적용될 수도 있다. 열 차단 코팅(22)은 종종 크라운(32)을 따라 열간 영역과 냉간 영역을 수정하기 위하여 연료 인젝터(fuel injector), 연료 플럼(fuel plume), 또는 열 지도 측정(heat map measurement)으로부터의 패턴이 있는 위치에 인접하여 그리고/또는 이러한 위치와 정렬된 위치에 배치된다.

열 차단 코팅(22)은 연소실의 가혹한 조건에 대한 노출에 맞게 설계되어 있다. 예를 들어, 열 차단 코팅(22)은 크고 요동하는 열 사이클을 받는 디젤 엔진 피스톤에 적용될 수 있다. 이러한 피스톤은 심한 냉간 시동 온도를 겪게 되고, 연소 가스와 접촉하는 경우 최대 700℃까지 도달한다. 또한 1초에 대략 15회 내지 20회 또는 그 이상의 각각의 연소 상황으로부터의 온도 사이클이 있게 된다. 추가로, 최대 250 내지 300 바의 압력 스윙(pressure swing)은 각각의 연소 사이클과 함께 볼 수 있다.

열 차단 코팅(22)의 일 부분은 세라믹 재료(50), 특히 적어도 한가지의 산화물, 예컨대 세리아(ceria), 세리아 안정화 지르코니아(ceria stabilized zirconia), 이트리아 안정화 지르코니아(yttria stabilized zirconia), 칼시아 안정화 지르코니아(calcia stabilized zirconia), 마그네시아 안정화 지르코니아(magnesia stabilized zirconia), 다른 산화물에 의해 안정화되는 지르코니아 및/또는 이들의 혼합물로 형성될 수 있다. 세라믹 재료(50)는 1 W/m·K 미만과 같은 낮은 열 전도율을 가진다. 세리아가 세라믹 재료(50)에서 사용되는 경우, 열 차단 코팅(22)은 디젤 엔진의 높은 온도, 압력 및 다른 가혹한 조건 하에서 더욱 안정적이다. 세리아를 포함하는 세라믹 재료(50)의 성분은 또한, 디젤 연소 기관에서의 화학적 타격과 열적 효과를 통해 단독으로 사용되는 경우 불안정화를 겪을 수 있는 다른 세라믹 코팅들 보다 열 차단 코팅(22)이 화학적 타격에 대해 영향을 덜 받게 한다. 세리아와 세리아 안정화 지르코니아는 이러한 열적 조건과 화학적 조건 하에서 더욱 더 안정적이다. 세리아는 피스톤 바디부(26)를 형성하는데 사용되는 스틸 재료와 유사한 열 팽창 계수를 가진다. 실온에서의 세리아의 열 팽창 계수는 10E-6 내지 11E-6의 범위를 가지고, 실온에서의 스틸의 열 팽창 계수는 11E-6 내지 14E-6의 범위를 가진다. 유사한 열 팽창 계수들은 응력 크랙들을 만들어 내는 열적 불일치를 피하는데 도움이 된다.

통상적으로, 열 차단 코팅(22)은 열 차단 코팅(22)의 총 부피에 기초하여 70부피 퍼센트(이하 '% 부피'로 지칭함) 내지 95% 부피에 해당하는 양의 세라믹 재료(50)를 포함한다. 일 실시예에서, 열 차단 코팅(22)을 형성하는데 사용되는 세라믹 재료(50)는 세라믹 재료(50)의 총 중량에 기초하여 90 내지 100 wt. %에 해당하는 양의 세리아를 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 세라믹 재료(50)는 세라믹 재료(50)의 총 중량에 기초하여 90 내지 100 wt. %에 해당하는 양의 세리아 안정화 지르코니아를 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 세라믹 재료(50)는 세라믹 재료(50)의 총 중량에 기초하여 90 내지 100 wt. %에 해당하는 양의 이트리아 안정화 지르코니아를 포함한다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 세라믹 재료(50)는 세라믹 재료(50)의 총 중량에 기초하여 90 내지 100 wt. %에 해당하는 양의 세리아 안정화 지르코니아와 이트리아 안정화 지르코니아를 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 세라믹 재료(50)는 세라믹 재료(50)의 총 중량에 기초하여 90 내지 100 wt. %에 해당하는 양의 마그네시아 안정화 지르코니아, 칼시아 안정화 지르코니아 및/또는 다른 산화물에 의해 안정화되는 지르코니아를 포함한다. 환언하자면, 임의의 산화물은 세라믹 재료(50)의 총 중량에 기초하여 90 내지 100 wt. %에 해당하는 양으로 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있다. 세라믹 재료(50)가 전체적으로 세리아, 세리아 안정화 지르코니아, 이트리아 안정화 지르코니아, 마그네시아 안정화 지르코니아, 칼시아 안정화 지르코니아 및/또는 다른 산화물에 의해 안정화되는 지르코니아로 이루어지지 않은 경우, 세라믹 재료(50)의 잔여 부분은 통상적으로 알루미늄 산화물, 티타늄 산화물, 크롬 산화물, 실리콘 산화물, 망간 또는 코발트 화합물, 실리콘 질화물과 같은 다른 산화물과 화합물, 및/또는 안료나 촉매와 같은 기능성 재료들로 이루어진다. 예를 들어, 일 실시예에 따르면, 촉매는 연소를 수정하기 위하여 열 차단 코팅(22)에 추가된다. 칼라 화합물(color compound) 또한 열 차단 코팅(22)에 추가될 수 있다. 일 예시적인 실시예에 따르면, 열 차단 코팅(22)은 황갈색이지만, 파란색이나 빨간색같은 다른 칼라일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 여기에서 세라믹 재료(50)는 세리아 안정화 지르코니아를 포함하고, 세라믹 재료(50)는 세라믹 재료(50) 안의 세리아 안정화 지르코니아의 총 양에 기초하여 20 wt. % 내지 25 wt. %에 해당하는 양의 세리아와 75 wt. % 내지 80 wt. %에 해당하는 양의 지르코니아를 포함한다. 이와 달리, 세라믹 재료(50)는 최대 3 wt. % 이트리아를 포함할 수 있고, 지르코니아의 양은 적절히 줄어든다. 이 실시예에서, 세리아 안정화 지르코니아는 11 ㎛ 내지 125 ㎛의 명목 입자 크기를 가지는 입자의 형태로 제공되어 있다. 바람직하게는, 90 wt. %의 세리아 안정화 지르코니아 입자는 90 ㎛ 미만의 명목 입자 크기를 가지고, 50 wt. %의 세리아 안정화 지르코니아 입자는 50 ㎛ 미만의 명목 입자 크기를 가지고, 그리고 10 wt. %의 세리아 안정화 지르코니아 입자는 25 ㎛ 미만의 명목 입자 크기를 가진다.

다른 예시적인 실시예에 따르면, 여기에서 세라믹 재료(50)는 이트리아 안정화 지르코니아를 포함하고, 세라믹 재료(50)는 세라믹 재료(50) 안의 이트리이 안정화 지르코니아의 양에 기초하여 7 wt. % 내지 9 wt. %에 해당하는 양의 이트리아와 91 wt. % 내지 93 wt. %에 해당하는 양의 지르코니아를 포함한다. 이 실시예에서, 이트리아 안정화 지르코니아는 11 ㎛ 내지 125 ㎛의 명목 입자 크기를 가지는 입자의 형태로 제공되어 있다. 바람직하게는, 90 wt. %의 이트리아 안정화 지르코니아 입자는 109 ㎛ 미만의 입자 크기를 가지고, 50 wt. %의 이트리아 안정화 지르코니아 입자는 59 ㎛ 미만의 입자 크기를 가지고, 그리고 10 wt. %의 이트리아 안정화 지르코니아 입자는 28 ㎛ 미만의 입자 크기를 가진다.

다른 예시적인 실시예에 따르면, 여기에서 세라믹 재료(50)는 세리아 안정화 지르코니아와 이트리아 안정화 지르코니아로 된 혼합물을 포함하고, 세라믹 재료(50)는 세라믹 재료(50) 안에 존재하는 혼합물의 총 양에 기초하여 5 wt. % 내지 95 wt. %에 해당하는 양의 세리아 안정화 지르코니아와 5 wt. % 내지 95 wt. %에 해당하는 양의 이트리아 안정화 지르코니아를 포함한다. 이 실시예에서, 세리아 안정화 지르코니아는 11 ㎛ 내지 125 ㎛의 명목 입자 크기를 가지는 입자의 형태로 제공되어 있다. 바람직하게는, 90 wt. %의 세리아 안정화 지르코니아 입자는 90 ㎛ 미만의 입자 크기를 가지고, 50 wt. %의 세리아 안정화 지르코니아 입자는 50 ㎛ 미만의 입자 크기를 가지고, 그리고 10 wt. %의 세리아 안정화 지르코니아 입자는 25 ㎛ 미만의 입자 크기를 가진다. 이트리아 안정화 지르코니아는 또한 11 ㎛ 내지 125 ㎛의 명목 입자 크기를 가지는 입자의 형태로 제공되어 있다. 바람직하게는, 90 wt. %의 이트리아 입자는 109 ㎛ 미만의 입자 크기를 가지고, 50 wt. %의 이트리아 안정화 지르코니아 입자는 59 ㎛ 미만의 입자 크기를 가지고, 그리고 10 wt. %의 이트리아 안정화 지르코니아 입자는 28 ㎛ 미만의 입자 크기를 가진다. 세라믹 재료(50)가 세리아 안정화 지르코니아와 이트리아 안정화 지르코니아로 된 혼합물을 포함하는 경우, 세라믹 재료는 총 100 wt. % 혼합물 안에 이트리아 안정화 지르코니아가 있는 평형상태에 5 wt. % 내지 95 wt. %의 세리아 안정화 지르코니아를 추가함으로써 형성될 수 있다.

또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 여기에서 세라믹 재료(50)는 칼시아 안정화 지르코니아를 포함하고, 세라믹 재료(50)는 세라믹 재료(50) 안의 다른 산화물들로 이루어진 평형상태에서 4.5 wt. % 내지 5.5 wt. %에 해당하는 양의 칼시아와 91.5 wt. %에 해당하는 양의 지르코니아를 포함한다. 이 실시예에서, 칼시아 안정화 지르코니아는 11 ㎛ 내지 90 ㎛의 명목 입자 크기 범위를 가지는 입자의 형태로 제공되어 있다. 바람직하게는, 칼시아 안정화 지르코니아 입자는 크기가 45 ㎛를 초과하는 7 wt. %의 입자 내지 45 ㎛ 미만의 65 wt. %의 입자로 된 최대치를 포함하고 있다.

또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 세라믹 재료(50)는 마그네시아 안정화 지르코니아를 포함하고, 세라믹 재료(50)는 지르코니아로 이루어진 평형상태에서 15 wt. % 내지 30 wt. %에 해당하는 양의 마그네시아를 포함한다. 이 실시예에서, 마그네시아 안정화 지르코니아는 11 ㎛ 내지 90 ㎛의 명목 입자 크기 범위를 가지는 입자의 형태로 제공되어 있다. 바람직하게는, 15 wt. %의 마그네시아 안정화 지르코니아 입자는 88 ㎛ 미만의 입자 크기를 가진다.

다른 산화물 또는 산화물들로 된 혼합물은 세라믹 재료(50)를 안정화하는데 사용될 수 있다. 다른 산화물 또는 혼합된 산화물들의 양은 통상적으로 그 범위가 5 wt. % 내지 38 wt. %이고, 안정화된 세라믹 재료(50)의 명목 입자 크기 범위는 1 ㎛ 내지 125 ㎛이다.

세라믹 재료(50)의 다공률은 통상적으로 열 차단 코팅(22)의 열 전도율을 줄이도록 제어된다. 열 차단 코팅(22)을 적용하는데 열 분무 방법이 사용되는 경우, 세라믹 재료(50)의 다공률은 세라믹 재료(50)의 총 부피에 기초하여 통상적으로 2% 부피와 같은 25% 부피 미만 내지 25% 부피이고, 바람직하게는 5% 부피 내지 15% 부피이고, 더욱 바람직하게는 8% 부피 내지 10% 부피이다. 그러나, 열 차단 코팅(22)을 적용하는데 진공 방법이 사용되는 경우라면, 다공률은 세라믹 재료(50)의 총 부피에 기초하여 통상적으로 5% 부피 미만이다. 전체 열 차단 코팅(22)의 다공률은 열 차단 코팅(22)의 총 부피에 기초하여 통상적으로 5% 부피 초과 내지 25% 부피이고, 바람직하게는 5% 부피 내지 15% 부피이고, 가장 바람직하게는 8% 부피 내지 10% 부피이다. 열 차단 코팅(22)의 구멍들은 통상적으로 세라믹 영역에 집중되어 있다. 열 차단 코팅(22)의 다공률은 열 차단 코팅(22)의 줄어든 열 전도률에 기여한다.

열 차단 코팅(22)은 또한 불연속적인 금속/세라믹 인터페이스를 피하기 위해서 경사 구조(gradient structure)(51)에서 적용된다. 환언하자면, 경사 구조(51)는 날카로운 인터페이스를 피한다. 따라서, 열 차단 코팅(22)은 이용하는 동안 쉽게 탈접합(de-bond)되지는 않는다. 열 차단 코팅(22)의 경사 구조(51)는 우선 금속 접합 재료(52)를 피스톤 바디부(26)에 적용함으로써 형성되고, 금속 접합 재료(52)와 세라믹 재료(50)로 된 혼합물로 이어지고 나서 세라믹 재료(50)로 이어진다.

금속 접합 재료(52)의 성분은 피스톤 바디부(26)를 형성하는데 사용되는 파우더, 예컨대 스틸 파우더와 동일할 수 있다. 이와 달리, 금속 접합 재료(52)는 제트 터빈의 코팅에 사용되는 것과 같은 고성능 슈퍼알로이(superalloy; 초합금)를 구비할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 금속 접합 재료(52)는 CoNiCrAlY, NiCrAlY, NiCr, NiAl, NiCrAl, NiAlMo 및 NiTi로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 한가지의 합금으로 이루어지거나 이를 포함한다. 열 차단 코팅(22)은 통상적으로 열 차단 코팅(22)의 총 부피에 기초하여 5% 부피 내지 33% 부피, 더욱 바람직하게는 10% 부피 내지 33% 부피, 가장 바람직하게는 20% 부피 내지 33% 부피에 해당하는 양의 금속 접합 재료(52)를 포함한다. 금속 접합 재료(52)는 -140매쉬(< 105㎛), 바람직하게는 -170매쉬(< 90㎛), 더욱 바람직하게는 -200매쉬(< 74㎛), 가장 바람직하게는 -400매쉬(< 37㎛)의 입자 크기를 가지는 입자의 형태로 제공된다. 일 예시적인 실시예에 따르면, 금속 접합 재료(52)의 두께는 30 마이크론 내지 1mm의 범위를 가진다. 금속 접합 재료(52)의 두께 한계는 금속 접합 재료(52)의 입자 크기에 의해 좌우된다. 얇은 두께는 종종 열 차단 코팅(22)의 박리의 위험을 줄이는데 바람직하다.

경사 구조(51)는 100% 금속 접합 재료(52)로부터 100% 세라믹 재료(50)로 점진적으로 전이함으로써 형성된다. 열 차단 코팅(22)은 바디부(26)에 적용되는 금속 접합 재료(52)를 포함하고, 증가하는 양의 세라믹 재료(50)와 줄어드는 양의 금속 접합 재료(52)로 이어진다. 경사 구조(51)의 전이 함수는 선형, 지수형, 포물선형, 가우스형, 이항형일 수 있고, 또는 포지션에 대한 성분 평균에 관한 다른 방정식을 따라갈 수도 있다.

열 차단 코팅(22)의 최상부 부분은 전체적으로 세라믹 재료(50)로 형성된다. 경사 구조(51)는 열적 불일치를 통해 누적되는 응력을 완화하는데 도움이 되고, 세라믹 재료(50)와 금속 접합 재료(52)의 인터페이스에 연속적이면서 약한 산화물 경계 레이어가 형성되는 경향을 줄인다.

일 실시예에 따르면, 도 1a에 나타나 있는 바와 같이, 피스톤(20)의 연소 표면(34) 및/또는 링 랜드(38)에 직접 적용되는 열 차단 코팅(22)의 최하부 부분은 금속 접합 재료(52)로 이루어진다. 통상적으로, 열 차단 코팅(22)의 전체 두께의 5% 내지 20%는 100% 금속 접합 재료(52)로 형성된다. 추가로, 열 차단 코팅(22)의 최상부 부분은 세라믹 재료(50)로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 열 차단 코팅(22)의 전체 두께의 5% 내지 50%는 100% 세라믹 재료(50)로 형성될 도수 있다. 100% 금속 접합 재료(52)로부터 100% 세라믹 재료(50)로 연속적으로 전이하는 열 차단 코팅(22)의 경사 구조(51)는 그 사이에 위치되어 있다. 통상적으로, 열 차단 코팅(22)의 전체 두께의 30% 내지 90%는 경사 구조(51)로 형성된다. 세리아 안정화 지르코니아(ceria stabilized zirconia; CSZ), 이트리아 안정화 지르코니아(yttria stabilized zirconia; YSZ) 및 금속 접합 재료(bond; 본드)를 포함하는 열 차단 코팅(22)의 예시적인 성분들은 도 5에 개시되어 있다. 또한 열 차단 코팅(22)의 전체 두께의 10% 내지 90%가 금속 접합 레이어(52)로 된 레이어로 형성되는 것도 가능하고, 열 차단 코팅(22)의 전체 두께의 최대 80%가 경사 구조(51)로 형성되는 것도 가능하고, 그리고 열 차단 코팅(22)의 전체 두께의 10% 내지 90%가 세라믹 재료(50)로 된 레이어로 형성되는 것도 가능하다. 도 6은 크라운(32) 상에 배치되어 있는 열 차단 코팅(22)의 일 예시가 나타나 있는 단면도이다.

그 분무된 것같은 형태에서, 열 차단 코팅(22)은 통상적으로 15 ㎛ 미만의 표면 거칠기(Ra) 및 110 ㎛ 이하보다 크지 않은 표면 거칠기(Rz)를 가진다. 열 차단 코팅(22)은 매끄러워질 수 있다. 적어도 하나의 추가적인 금속 레이어, 금속 접합 재료(52)로 된 적어도 하나의 추가적인 레이어 또는 적어도 하나의 다른 레이어는 열 차단 코팅(22)의 최외측 표면에 적용될 수도 있다. 추가적인 레이어 또는 레이어들이 적용되는 경우, 추가적인 재료로 형성되는 최외측 표면은 15 ㎛ 미만의 표면 거칠기(Ra) 및 110 ㎛ 이하보다 크지 않은 표면 거칠기(Rz)를 가질 수도 있다. 거칠기는 코팅이 있는 표면 상의 캐버티들 안에 연료를 가둠으로써 연소에 영향을 미칠 수 있다. 통상적으로는 본 명세서에 기술된 예시들보다 거친 코팅된 표면을 피하는 것이 바람직하다.

열 차단 코팅(22)은 열 차단 코팅(22)을 통한 열 유동을 줄이기 위해서 낮은 열 전도율을 가진다. 통상적으로, 1 mm 미만의 두께를 가지는 열 차단 코팅(22)의 열 전도율은 1.00 W/m.K 미만이고, 바람직하게는 0.5 W/m.K 미만이고, 가장 바람직하게는 0.23 W/m.K 보다 크지 않다. 열 차단 코팅(22)의 비열 용량은 사용되는 특정 성분에 좌우되지만, 통상적으로 40℃와 700℃ 사이의 온도에서 480 J/kg.K 내지 610 J/kg.K의 범위를 가진다. 열 차단 코팅(22)의 낮은 열 전도율은 세라믹 재료(50)의 비교적 높은 다공률에 의해 달성된다. 열 차단 코팅(22)의 낮은 열 전도율과 성분 때문에, 열 차단 코팅(22)의 두께는 줄어들 수 있고, 이는 크랙 또는 파열의 위험을 줄이면서 더 두꺼운 두께의 비교대상 코팅들에 비해 동일한 수준의 절연을 달성한다. 열 차단 코팅(22)의 유리한 낮은 열 전도율이 예상되지 않는다는 점을 유의한다. 열 차단 코팅(22)의 세라믹 재료(50)가 세리아 안정화 지르코니아를 포함하는 경우, 열 전도율은 특히 낮다.

피스톤(20)의 바디를 형성하는데 사용되는 금속의 성분과 열 차단 코팅(22) 안에 존재하는 경사 구조(51) 때문에, 열 차단 코팅(22)의 접합 강도 또한 증가된다. 0.38 mm의 두께를 가지는 열 차단 코팅(22)의 접합 강도는 ASTM C633에 따라 테스트되는 경우 통상적으로 적어도 2000 psi이다.

경사 구조(51)가 있는 열 차단 코팅(22)은 2개의 레이어 구조를 가지는 비교대상 코팅과 비교될 수 있고, 이는 통상적으로 경사 구조(51)가 있는 열 차단 코팅(22) 보다는 덜 성공적이다. 비교대상 코팅은 금속 기판에 적용되는 금속 접합 레이어를 포함하고, 코팅을 통해 불연속적인 인터페이스가 있는 세라믹 레이어로 이어진다. 이 경우, 연소 가스는 다공성 세라믹 레이어를 통과할 수 있고, 세라믹/접합 레이어 인터페이스에서 접합 레이어를 산화시키기 시작할 수 있다. 산화는 코팅의 성능에 해가 되는 약한 경계 레이어가 형성되게 한다.

그러나, 경사 구조(51)가 있는 열 차단 코팅(22)은 많은 이점들을 제공할 수 있다. 열 차단 코팅(22)은 피스톤(20)을 통한 열 유동의 감소를 제공하기 위해서 피스톤(20)의 연소 표면(34)에 적용되고, 선택적으로는 링 랜드(38)들에 적용된다. 열 유동의 감소는 연소 표면(34) 또는 링 랜드(38)들 상에 열 차단 코팅(22)이 없는 동일한 피스톤에 비해 적어도 50%이다. 피스톤(20)을 통한 열 유동을 줄임으로써, 엔진에 의해 만들어지는 배기 가스에 더 많은 열이 유지되고, 이는 향상된 엔진 효율과 성능으로 이어진다.

본 발명의 열 차단 코팅(22)은 스틸 피스톤 바디부(26)에 잘 부착되는 것으로 알려져 있다. 그러나, 추가적인 기계적 앵커링(anchoring; 고정)을 위하여, 열 차단 코팅(22)이 적용되는 피스톤(20)의 표면은 0.1 mm 미만의 반경을 가지는 어떠한 에지나 부재도 없는 것이 통상적이다. 환언하자면, 열 차단 코팅(22)이 적용되는 피스톤(20)의 표면은 날카로운 어떠한 에지나 코너가 없는 것이 바람직하다.

일 예시적인 실시예에 따르면, 피스톤(20)은, 도 3과 4에 나타나 있는 바와 같이 연소 표면(34)과 최상부 링 랜드(38) 사이에서 크라운(32)의 외경 표면을 따라 기계가공된 브로큰(broken; 끊어진) 에지 또는 챔퍼를 포함한다. 챔퍼(56)는 열 차단 코팅(22)이 연소 표면(34)의 에지 위에서 서행하는 것을 허용하고 피스톤(20)의 크라운(32)에 반경방향으로 걸리는 것을 허용한다. 이와 달리, 적어도 하나의 포켓, 리세스 또는 라운드 에지는 피스톤 크라운(32)의 연소 표면(34) 및/또는 링 랜드(38/)들을 따라 기계가공될 수도 있다. 이러한 부재들은 열 분무식 코팅(22)에서의 응력 집중을 피하는데 도움이 되고, 코팅 파괴를 유발할 수도 있는 날카로운 코너 또는 에지를 피하는데 도움이 된다. 기계가공된 포켓 또는 리세스는 또한 기계적으로 코팅(22)을 적소에 걸리게 하고, 다시 박리 파괴의 가능성을 줄여준다.

본 발명의 다른 양태는 내연 기관, 예컨대 디젤 엔진에서 사용하기 위한 코팅된 피스톤(20)을 제조하는 방법을 제공한다. 통상적으로 스틸로 형성되는 피스톤 바디부(26)는 단조나 주조같은 여러 가지 상이한 방법들에 따라 제조될 수 있다. 방법은 또한 피스톤 크라운(32)을 피스톤 바디부(26)의 하부 구간에 용접하는 단계를 포함한다. 위에서 설명된 바와 같이, 피스톤(20)은 여러 가지 다양한 설계들을 구비할 수 있다. 열 차단 코팅(22)을 바디부(26)에 적용하기에 앞서, 열 차단 코팅(22)이 적용되는 표면 상에 위치되어 있는 어떠한 인산염이나 다른 물질은 제거되어야만 한다.

방법은 다음으로 열 차단 코팅(22)을 피스톤(20)에 적용하는 단계를 포함한다. 열 차단 코팅(22)은 피스톤(20)의 전체 연소 표면(34)에 적용될 수 있고, 또는 연소 표면(34)의 일 부분에만 적용될 수 있다. 세라믹 재료(50)와 금속 접합 재료(52)는 입자나 파우더의 형태로 제공된다. 입자는 중공형 구일 수 있고, 분무 건조될 수 있고, 분무 건조되고 소결될 수 있고, 졸-겔일 수 있고, 용융될 수 있고, 그리고/또는 분쇄될 수 있다. 연소 표면(34)에 추가하여 또는 그 대안으로, 열 차단 코팅(22)은 링 랜드(38)들에 적용될 수 있고, 또는 링 랜드(38)들의 일 부분에 적용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 방법은 열적 또는 동력학적 방법으로 금속 접합 재료(52)와 세라믹 재료(50)를 적용하는 단계를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 플라즈마 분무, 불꽃 분무 또는 와이어 아크 분무와 같은 열 분무 기법은 열 차단 코팅(22)을 형성하는데 사용된다. 고속 산소 연료(high velocity oxy-fuel; HVOF) 분무는 두터운 코팅을 제공하는 동력학적 방법의 바람직한 예시이다. 열 차단 코팅(22)을 피스톤(20)에 적용하는 다른 방법들이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 열 차단 코팅(22)은 물리적 증기 침착 또는 화학적 증기 침착과 같은 진공 방법으로 적용될 수도 있다. 일 실시예에 따르면, HVOF는 금속 접합 재료(52)로 된 두터운 레이어를 크라운(32)에 적용하는데 사용되고, 플라즈마 분무와 같은 열 분무 기법은 경사 구조(51)와 세라믹 재료(50)로 된 레이어를 적용하는데 사용된다. 또한, 경사 구조(51)는 플라즈마 분무식 코팅이 적용되고 있는 동안 트윈 파우더 피더(twin powder feeder)의 공급 속도를 달리함으로써 적용될 수 있다.

예시적인 방법은, 분무되고 있는 재료의 총 중량에 기초하여 100 wt. %에 해당하는 양의 금속 접합 재료(52)와 0 wt. %에 해당하는 양의 세라믹 재료(50)를 분무함으로써 시작된다. 분무 공정에 걸쳐서, 금속 접합 재료(52)의 양이 감소되는 동안, 증가하는 양의 세라믹 재료(50)는 성분에 추가된다. 따라서, 열 차단 코팅(22)의 성분은 피스톤 바디부(26)에서의 100% 금속 접합 재료(52)로부터 노출 표면(58)에서의 100% 세라믹 재료(50)로 점진적으로 달라진다. 멀티플 파우더 피더(multiple powder feeder)는 통상적으로 열 차단 코팅(22)을 적용하는데 사용되고, 그 공급 속도는 경사 구조(51)를 달성하도록 조정된다. 열 차단 코팅(22)의 경사 구조(51)는 열 분무 공정 동안 달성된다.

열 차단 코팅(22)은 전체 연소 표면(34)과 링 랜드(38)들 또는 그 중 일 부분에 적용될 수 있다. 바디부(26)의 비코팅 영역들은 열 차단 코팅(22)을 적용하는 단계 동안 마스킹될 수 있다. 마스크는, 코팅되고 있는 영역에 인접하여 적용되는 재사용가능하면서 탈착가능한 재료일 수 있다. 마스킹은 또한 열 차단 코팅(22)에 그래픽을 도입하는데 사용될 수 있다. 추가로, 열 차단 코팅(22)이 적용된 후, 코팅 에지들은 섞이게 되고, 날카로운 코너나 에지는 높은 응력 영역들을 피하도록 줄어든다.

도 1a에 나타나 있는 바와 같이, 열 차단 코팅(22)은 연소 표면(34)으로부터 노출 표면(58)쪽으로 뻗어 있는 두께(t)를 가진다. 예시적인 실시예에 따르면, 열 차단 코팅(22)은 1.0 mm 보다 크지 않은, 또는 0.7 mm 보다 크지 않은, 바람직하게는 0.5 mm 보다 크지 않은, 가장 바람직하게는 0.380 mm 보다 크지 않은 총 두께(t)에 적용된다. 총 두께(t)는 바람직하게는 열 차단 코팅(22)뿐만 아니라 열 차단 코팅(22)의 최상부 표면에 적용된 임의의 추가적인 또는 밀봉 레이어의 총 두께를 포함한다. 그러나, 두께(t)는 추가적인 레이어들이 사용되는 경우 더 두꺼울 수도 있다. 두께(t)는 피스톤(20)의 전체 표면을 따라 균일할 수 있지만, 통상적으로 두께(t)는 피스톤(20)의 표면을 따라 변한다. 피스톤(20)의 일정한 영역에서, 예컨대 플라즈마 건(plasma gun)으로부터의 그림자가 위치되어 있는 곳에서, 열 차단 코팅(22)의 두께(t)는 0.020 mm 내지 0.030 mm 만큼 얇을 수 있다. 피스톤(20)의 다른 영역에서, 예컨대 연료 인젝터와 직렬로 되어 있는 그리고/또는 연료 인젝터에 인접해 있는 영역들이나 연소 표면(34)의 정상부에서, 열 차단 코팅(22)의 두께(t)는 증가된다. 예를 들어, 방법은, 회전을 방지하도록 피스톤 바디부(26)를 고정시킴으로써 피스톤 바디부(26)를 연료 플럼에 대한 특정 위치로 정렬시키는 단계, 스캐닝 건(scanning gun)을 일 직선으로 사용하는 단계, 및 피스톤 바디부(26)의 상이한 영역들에 걸쳐 열 차단 코팅(22)의 두께(t)를 조정하기 위해서 분무의 속도, 또는 열 차단 코팅(22)을 적용하는데 사용되는 다른 기법을 변경시키는 단계를 포함할 수 있다.

추가로, 동일하거나 상이한 성분들을 가지는 5-10 레이어와 같은 열 차단 코팅(22)의 하나 이상의 레이어는 피스톤(20)에 적용될 수도 있다. 더욱이, 다른 성분들을 가지는 코팅은 열 차단 코팅(22)에 추가하여 피스톤(20)에 적용될 수도 있다.

일 예시적인 실시예에 따르면, 무전해 니켈 레이어와 같은 추가적인 금속 레이어는, 연료 흡수에 대비하여 밀봉을 제공하는 것, 열적으로 성장한 산화물을 방지하는 것, 및 세라믹 재료(50)의 화학적 저하를 방지하는 것을 위해서 열 차단 코팅(22) 위에 적용된다. 추가적인 금속 레이어의 두께는 바람직하게는 1 마이크론 내지 50 마이크론이다. 추가적인 금속 레이어가 존재하는 경우라면, 열 차단 코팅(22)의 다공률은 증가될 수도 있다. 이와 달리, 금속 접합 재료(52)의 추가적인 레이어는 열 차단 코팅(22)의 세라믹 재료(50) 위에 적용될 수 있다.

열 차단 코팅(22)을 적용하기에 앞서, 피스톤 크라운(32)의 표면은 오염물질을 제거하기 위해서 용매에서 세척된다. 다음으로, 방법은 통상적으로 0.1 mm 미만의 반경을 가지는 임의의 에지 또는 부재를 제거하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 브로큰 에지나 챔퍼(56), 또는 피스톤 바디부(26)에 대한 열 차단 코팅(22)의 기계적인 걸림을 보조하는 다른 부재를 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 피스톤 크라운(32)에서의 응력 상승(stress riser)을 줄일 수 있다. 이러한 부재들은 기계가공, 예컨대 선반, 밀링 또는 임의의 다른 적합한 수단에 의해 형성될 수 있다. 방법은 또한 열 차단 코팅(22)의 부착을 향상시키기 위해서 열 차단 코팅(23)을 적용하기에 앞서 피스톤 바디부(26)의 표면을 그릿 블라스팅(girt blasting)하는 단계를 포함할 수 있다.

열 차단 코팅(22)이 피스톤 바디부(26)에 적용된 후, 코팅된 피스톤(20)은 거친 것들을 제거하고 매끄러운 표면을 달성하기 위해서 연마될 수 있다. 방법은 또한 피스톤(20)이 시중에서 사용되는 경우 코팅된 피스톤(20)의 식별을 위하여 열 차단 코팅(22)의 표면 상에 마킹을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 마킹을 형성하는 단계는 통상적으로 레이저로 열 차단 코팅(22)을 다시 녹이는 단계를 수반한다. 다른 실시예에 따르면, 흑연(graphite), 열 페인트(thermal paint) 또는 폴리머(polymer)로 된 추가적인 레이어는 열 차단 코팅(22) 위에 적용된다. 폴리머 코팅이 사용되는 경우라면, 폴리머는 엔진에서의 피스톤(20)의 사용 동안 타버린다. 방법은 세척하고 건조하는 단계, 녹 방지제를 추가하는 단계뿐만 아니라 포장하는 단계와 같은 추가적인 조립 단계들을 포함할 수 있다. 코팅된 피스톤(20)의 어떠한 후처리라도 열 차단 코팅(22)과 양립가능해야만 한다.

명백하게도, 본 발명의 다수의 수정과 변형은 위 교시사항의 관점에서 가능성이 있고, 구체적으로 되어 있는 것과 달리 실시될 수도 있다.

Claims (20)

1. 금속으로 형성된 바디부로서, 상기 바디부는 연소 표면이 존재하는 크라운을 포함하는, 바디부; 및
   상기 크라운에 적용되어 있되 상기 연소 표면으로부터 노출 표면쪽으로 뻗어 있는 두께를 가지고 있는 열 차단 코팅;
   을 구비하는 피스톤으로서,
   상기 열 차단 코팅은
   상기 크라운의 상기 연소 표면에 직접 적용되어 있는 금속 접합 재료로 된 레이어로서, 상기 열 차단 코팅의 상기 두께의 5% 내지 20%가 상기 금속 접합 재료로 된 레이어로 이루어지는, 금속 접합 재료로 된 레이어;
   상기 금속 접합 재료로 된 레이어에 직접 적용되고, 상기 금속 접합 재료와 세라믹 재료로 된 혼합물을 포함하고, 100% 금속 접합 재료로부터 100% 세라믹 재료로 점진적으로 전이함으로써 형성되는 경사 구조; 및
   상기 경사 구조에 직접 적용되어 있고 상기 노출 표면쪽으로 뻗어 있는 세라믹 재료로 된 레이어로서, 상기 열 차단 코팅의 상기 두께의 5% 내지 50%가 상기 세라믹 재료로 된 레이어로 이루어지는, 세라믹 재료로 된 레이어;
   를 포함하고,
   상기 열 차단 코팅의 상기 세라믹 재료는 세리아 및 세리아 안정화 지르코니아 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 세라믹 재료의 다공률은 상기 세라믹 재료의 총 부피에 기초하여 2% 부피 내지 25% 부피인 것을 특징으로 하는 피스톤.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 열 차단 코팅의 상기 두께는 0 mm 초과 1 mm 미만인 것을 특징으로 하는 피스톤.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 열 차단 코팅은 0 W/m.K 초과 1.00 W/m.K 미만의 열 전도율을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 세라믹 재료는 세리아 안정화 지르코니아로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속 접합 재료는 CoNiCrAlY, NiCrAlY, NiCr, NiAl, NiCrAl, NiAlMo 및 NiTi로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 한가지의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 열 차단 코팅이 적용되는 상기 크라운의 상기 연소 표면은 0 mm 초과 0.1 mm 미만의 반경을 가지는 어떠한 부재도 없는 것을 특징으로 하는 피스톤.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 연소 표면에 적용되는 상기 열 차단 코팅은 ASTM C633에 따라 테스트되는 경우 적어도 2000 psi의 접합 강도를 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 열 차단 코팅은 상기 연소 표면의 제 1 부분에는 적용되지만, 상기 연소 표면의 제 2 부분에는 적용되지 않고,
   상기 열 차단 코팅은 상기 제 1 부분을 따라 0 mm 초과 0.380 mm 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 바디부는 스틸로 형성되어 있고, 상기 바디부는 인산염을 포함하지 않고, 상기 열 차단 코팅이 적용되는 상기 크라운의 상기 연소 표면 상에는 인산염이 존재하지 않고,
    상기 크라운은 상기 바디부의 상부 단부로부터 하부 단부를 향하여 중심 축을 중심으로 원주방향으로 뻗어 있고,
    상기 크라운의 상기 연소 표면은 외측 림으로부터 뻗어 있는 연소 보울을 포함하고, 상기 연소 보울은 상기 중심 축에 정상부를 포함하고,
    상기 크라운은 상기 중심 축을 중심으로 원주방향으로 뻗어 있으면서 외경 표면에 위치되어 있는 링 그루브들을 포함하고,
    상기 크라운은 상기 링 그루브들을 상기 연소 표면으로부터 서로 이격시키는 링 랜드들을 포함하고,
    상기 열 차단 코팅이 적용되는 상기 크라운의 상기 연소 표면은 0.1 mm 미만의 반경을 가지는 어떠한 부재들도 없고, 또는 상기 크라운은 상기 연소 표면으로부터, 상기 연소 표면에 인접하여 위치되어 있는 상기 링 랜드들 중 하나쪽으로 뻗어 있는 챔퍼를 포함하고,
    상기 바디부는, 상기 크라운으로부터 상기 하부 단부쪽으로 늘어져 있으면서 상기 중심 축을 중심으로 서로 이격되어 있는 한 쌍의 핀 보스를 포함하고, 각각의 상기 핀 보스는 핀 보어가 획정되어 있고,
    상기 바디부는, 상기 크라운으로부터 상기 하부 단부쪽으로 늘어져 있으면서 상기 중심 축을 중심으로 상기 핀 보스들을 서로 이격시키는 한 쌍의 스커트 구간을 포함하고,
    상기 열 차단 코팅은 상기 연소 표면에 바로 인접하여 위치되어 있는 링 랜드를 포함하는 상기 링 랜드들 중 적어도 하나에 적용되고,
    상기 열 차단 코팅의 상기 세라믹 재료는 세리아 및 세리아 안정화 지르코니아 중 적어도 한가지를 포함하고,
    상기 세라믹 재료는 상기 세라믹 재료의 총 부피에 기초하여 2% 부피 내지 15% 부피의 다공률을 가지고,
    상기 열 차단 코팅은 상기 열 차단 코팅의 총 부피에 기초하여 70% 부피 내지 95% 부피에 해당하는 양의 상기 세라믹 재료를 포함하고,
    상기 금속 접합 재료는 CoNiCrAlY, NiCrAlY, NiCr, NiAl, NiCrAl, NiAlMo 및 NiTi로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 한가지의 합금을 포함하고,
    상기 열 차단 코팅은 상기 열 차단 코팅의 총 부피에 기초하여 5% 부피 내지 33% 부피에 해당하는 양의 상기 금속 접합 재료를 포함하고,
    상기 열 차단 코팅은 상기 크라운의 상기 연소 표면에 직접 적용되어 있는 상기 금속 접합 재료로 된 레이어를 포함하고, 상기 열 차단 코팅의 상기 두께의 5% 내지 20%는 상기 금속 접합 재료로 된 상기 레이어로 이루어지고,
    상기 열 차단 코팅은 상기 금속 접합 재료로 된 상기 레이어에 직접 적용되는 경사 구조를 포함하고, 상기 열 차단 코팅의 상기 두께의 30% 내지 90%는 상기 경사 구조로 이루어지고, 상기 경사 구조는 상기 금속 접합 재료와 상기 세라믹 재료로 된 상기 혼합물을 포함하고, 상기 경사 구조에 존재하는 상기 세라믹 재료의 양은 상기 제 1 레이어로부터 상기 노출 표면을 향하여 연속적으로 증가하고,
    상기 열 차단 코팅은, 상기 노출 표면쪽으로 뻗어 있으면서 상기 경사 구조에 직접 적용되어 있는 상기 세라믹 재료로 된 레이어를 포함하고, 상기 열 차단 코팅의 상기 두께의 5% 내지 50%는 상기 세라믹 재료로 된 상기 레이어로 이루어지고,
    상기 열 차단 코팅은 상기 열 차단 코팅의 총 부피에 기초하여 2% 부피 내지 25% 부피의 다공률을 가지고,
    상기 열 차단 코팅의 상기 두께는 0 mm 초과 0.7 mm 이하이고,
    상기 열 차단 코팅의 상기 노출 표면은 0 ㎛ 초과 15 ㎛ 미만의 표면 거칠기(Ra) 및 0 ㎛ 초과 110 ㎛ 이하의 표면 거칠기(Rz)를 가지고,
    상기 열 차단 코팅은 0 W/m.K 초과 0.5 W/m.K 미만의 열 전도율을 가지고,
    상기 열 차단 코팅은 40℃와 700℃ 사이에서 480 J/kg.K 내지 610 J/kg.K의 비열을 가지고,
    상기 연소 표면에 적용되는 상기 열 차단 코팅은 ASTM C633에 따라 테스트되는 경우 적어도 2000 psi의 접합 강도를 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나에 따른 피스톤을 제조하는 방법으로서, 상기 방법은:
    열 차단 코팅을 금속으로 형성된 크라운의 연소 표면에 적용하는 단계로서, 열 차단 코팅은 연소 표면으로부터 노출 표면쪽으로 뻗어 있는 두께를 가지고, 열 차단 코팅은 금속 접합 재료와 세라믹 재료로 된 혼합물을 포함하는, 단계;
    를 구비하고,
    열 차단 코팅을 연소 표면에 적용하는 상기 단계는, 금속 접합 재료에 대한 세라믹 재료의 양을 연소 표면으로부터 노출 표면쪽으로 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    열 차단 코팅은 열 분무 기법에 의해 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 11 항에 있어서,
    열 차단 코팅의 적어도 일 부분은 고속 산소 연료(HVOF) 분무에 의해 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 11 항에 있어서,
    세라믹 재료는 연소 표면에 적용하기 전에 입자들로 제공되는데, 세라믹 재료의 입자들은 11 ㎛ 내지 125 ㎛의 명목 입자 크기를 가지고,
    금속 접합 재료는 연소 표면에 적용하기 전에 입자들로 제공되는데, 금속 접합 재료의 입자들은 0 ㎛ 초과 105 ㎛ 미만의 명목 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 11 항에 있어서,
    열 차단 코팅은 열 차단 코팅의 총 부피에 기초하여 5% 부피 내지 25% 부피의 다공률을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
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