具有热障涂层的汽缸衬垫 |
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申请号 | CN201280050957.6 | 申请日 | 2012-09-07 | 公开(公告)号 | CN103890220A | 公开(公告)日 | 2014-06-25 |
申请人 | 费德罗-莫格尔公司; | 发明人 | 罗伯特·鲁文·阿哈罗诺夫; | ||||
摘要 | 一种汽缸 衬垫 包括由金属材料构成的本体,该本体围绕中 心轴 周向延伸并且具有背对中心轴的外表面。包括 隔热 材料的热障涂层被应用于外表面上,所述隔热材料具有不超过5W/(m·K)的热导率。通过例如超音速火焰(HVOF) 喷涂 , 等离子喷涂 或爆炸喷涂将热障涂层以100-1000m/s的速度热应用到外表面上。 | ||||||
权利要求 | 1.一种汽缸衬垫,其特征在于,包括: |
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说明书全文 | 具有热障涂层的汽缸衬垫相关申请的交叉引用 [0001] 本申请要求2011年9月7日提交的第61/531,804号美国临时申请的优先权,其全部内容通过引用并入此处。 技术领域[0002] 本发明涉及汽缸衬垫,更具体地说,涉及覆有涂层的汽缸衬垫及其制备方法。 背景技术[0003] 内燃机的汽缸通常包括套筒或衬垫,套筒或衬垫具有围绕圆柱形区域的外表面和内表面。汽缸衬垫包括本体,本体可以与发动机缸体配合以形成汽缸。汽缸衬垫的内表面朝向活塞,并且在燃烧循环和内燃机操作过程中,为活塞环提供界面或滑动表面。因此,汽缸衬垫的本体通常由硬质耐磨材料构成。汽缸衬垫还优选由能够承受燃烧循环中出现的极端条件(包括高温和高压)的材料构成。汽缸衬垫的外表面上设有隔热涂层,以改善内燃机的热效率。Thorpe等的美国专利4,921,734公开了一种带有隔热涂层以改善热效率的汽缸衬垫的例子。 发明内容[0004] 本发明的一个方面提供一种汽缸衬垫,其包括由金属材料构成的本体,该本体围绕中心轴周向延伸且在相对端之间纵向延伸。该本体包括背对所述中心轴的外表面。包括隔热材料的热障涂层被应用于所述外表面上,所述隔热材料具有不超过4W/(m·K)的热导率。热障涂层被通过包括如下步骤的工艺应用于外表面上:加热隔热材料的多个粉末颗粒以使隔热材料熔化,所述粉末颗粒具有-140+10μm的标称粒径,以及将熔化的隔热材料以100-1000m/s的速度输送到汽缸衬垫的外表面上。 [0005] 本发明的另一方面提供一种制造汽缸衬垫的方法。该方法包括:提供围绕中心轴周向延伸的本体,所述本体包括背对中心轴的外表面;加热隔热材料的多个粉末颗粒以使隔热材料的粉末颗粒熔化,所述粉末颗粒具有-140+10μm的标称粒径,以及将熔化的隔热材料以100-1000m/s的速度输送到汽缸衬垫的外表面上从而在外表面上形成热障涂层。 [0007] 结合下列具体描述以及附图进行考虑,本发明的其它特点将会更加容易理解,其中: [0008] 图1是根据本发明一个实施例的汽缸衬垫的立体图; [0009] 图2是图1的汽缸衬垫的一部分的剖视图; [0010] 图3示出通过超音速火焰(HVOF)喷涂将隔热材料应用到汽缸衬垫的外表面上; [0011] 图4示出通过等离子喷涂将隔热材料应用到汽缸衬垫的外表面上;以及[0012] 图5示出通过爆炸喷涂将隔热材料应用到汽缸衬垫的外表面上。 具体实施方式[0013] 本发明的一个方面提供汽缸衬垫20,以便设置在汽缸体中并容纳内燃机活塞。通过例如超音速火焰(HVOF)喷涂,等离子喷涂或爆炸喷涂将由至少一种隔热材料构成的热障涂层22以至少100m/s的速度应用于汽缸衬垫20上。优选将连接层34应用于汽缸衬垫20以促进热障涂层22的粘合。与现有技术相比,本发明的隔热汽缸衬垫20具有改进的隔热性。 [0014] 如图1和图2所示,汽缸衬垫20包括由金属材料构成的本体24,本体24围绕中心轴A周向延伸且在相对端26之间纵向延伸。本体24包括面对中心轴A的内表面28,以及与内表面28朝向相反并且背对中心轴A的外表面30。内表面28具有圆柱形的开口。开口量使得汽缸衬垫20能够容纳活塞,以便在内燃机运行过程中,活塞能够在汽缸衬垫20中往复运动并且沿着内表面28滑动。 [0015] 汽缸衬垫20的外表面30具有直径D,直径D延伸越过开口并且穿过中心轴A。在一个实施例中,直径D为50cm-200cm。外表面30还具有在相对端26之间连续延伸的表面区域。 [0017] 由隔热材料构成的热障涂层22被应用于本体24的外表面30上,并且优选覆盖整个外表面30,围绕中心轴A在相对端26之间在整个表面区域上连续延伸。热障涂层22具有0.4-4W/(m·K),优选不超过2W/(m·K)的总热导率。热障涂层22还具有5-30%的孔隙率。热障涂层22包括至少一层隔热材料32,也可以包括多个层32。如图2所示,热障涂层22具有垂直于外表面30延伸的厚度t,该厚度优选为100-5000微米。 [0018] 热障涂层22的隔热材料分别具有不超过5W/(m·K)的热导率。热障涂层22可以完全由隔热材料构成,或者除了至少一种隔热材料还包括其它材料。在一个实施例中,隔热材料包括陶瓷或金属,例如氧化铝,镍基合金,或不锈钢。 [0019] 在一个优选实施例中,热障涂层22的一个或多个层32包括,以热障涂层22的重量百分数计的,至少70%的Zr02;或至少80%的Zr02;或至少90%的Zr02;或至少95%的Zr02。通常,热障涂层22包括分别具有不同组成的多个层32。在一个优选实施例中,热障涂层22的一个或多个层32包括,以热障涂层22的重量百分数计的,7.0-9.0%的Y2O3;多达0.7%的SiO2;多达0.2%的Ti02;多达0.2%的Al203;多达0.2%的Fe203;以及余量的Zr02。可用于构成一个或多个层32的其它示例组成包括:8.0%的Y2O3以及余量的Zr02;20.0%的Y2O3以及余量的Zr02;24.0%的CeO2以及余量的Zr02;Zr02-256O2-2Y2O3;CaTi03;以及Al203。 [0020] 通过例如超音速火焰(HVOF)喷涂,等离子喷涂或爆炸喷涂,将热障涂层22以至少100m/s的速度热应用于汽缸衬垫20的外表面30上。将热障涂层22应用于外表面30的工艺首先包括提供隔热材料的多个粉末颗粒。其中每个粉末颗粒具有-140+10μm的标称粒径,也就是说所有粉末颗粒都能穿过带有140μm开口的筛子,但是所有粉末颗粒都不能穿过带有10μm开口的筛子。接下来,该方法包括将隔热材料的粉末颗粒加热到2500-3000℃以使隔热材料熔化,然后将熔化的隔热材料粉末以100-1000m/s或者大于1000m/s的速度输送到汽缸衬垫20的外表面30上。 [0021] 在一个优选实施例中,通过指向外表面30的HVOF喷涂将热障涂层22应用于汽缸衬垫20上,如图3所示。该工艺包括将气体或液体形式的燃料氧气混合物36持续供给或泵入腔38中。混合物在腔中被持续加热和点燃。然后,将点燃的混合物以240-900KPa的压力和很高的速度送入喷嘴40中并且以流的形式穿过喷嘴40。隔热材料的粉末颗粒42和运载气体被注入喷嘴中的流中,并且在与点燃的氧气流接触时熔化。通过穿过喷嘴40的出口的喷涂将高速流中的熔化、加压且加热的粉末颗粒42输送到汽缸衬垫20的外表面30上。喷嘴40被管体44包围,气隙和冷却水46位于管体44和喷嘴40之间。将熔化的粉末颗粒 42以600-800m/s,优选大于1000m/s的速度从喷嘴输送到汽缸衬垫20的外表面30上以形成热障涂层22。 [0022] 在另一优选实施例中,通过指向外表面30的等离子喷涂将热障涂层22应用于汽缸衬垫20上,如图4所示。该工艺首先包括由等离子喷枪43提供等离子流48,其中,等离子流48由温度为10000-15000K的气体构成。等离子流48由一对喷嘴(阳极)50和一个电极(阴极)52提供。高强度电弧54在一个喷嘴50和电极52之间形成。构成等离子流48的等离子气体包括氩气,氢气,氮气和氦气中的一种或多种。喷嘴50和电极52都包含冷却水56。通过粉末颗粒42随着运载气体注入等离子流48,隔热材料的粉末颗粒42被熔化。一旦与等离子流48接触,熔化的粉末颗粒42转变成隔热材料的液滴。然后,等离子喷雾将液滴以100-300m/s的速度输送到汽缸衬垫20的外表面30上。 [0023] 在又一实施例中,通过指向外表面30的爆炸喷枪58将热障涂层22应用于汽缸衬垫20上,如图5所示。该工艺包括将燃料60,氮气62和氧气64的混合物输送到爆炸喷枪58的枪管68中。隔热材料的粉末颗粒42被熔化且随着燃料氧气混合物送入枪管68中。 然后,混合物被火花塞70点燃以将熔化的隔热材料颗粒42推出枪管68并且以600-900m/s的速度推到外表面30上。 [0024] 根据一个优选实施例,如图2所示,连接层34设置在本体24的外表面30和热障涂层22之间以改善热障涂层22和外表面30之间的粘合。连接层34也可以例如通过超音速火焰(HVOF)喷涂,等离子喷涂,或爆炸喷涂以至少100m/s的速度热应用于汽缸衬垫20的外表面30上。 [0025] 连接层34通常包括铬,铝和钇。在一个优选实施例中,连接层34由MCrAlY构成,其中M为Co,Ni,Fe,或Co和Ni的混合物。连接层34的示例组成包括NiCrAlY,CoCrAlY,NiCrAlY以及CoNiCrAlY。 |