[發明專利]具有動態熱障涂層的內燃機部件以及這種涂層的制造和使用方法

在審

• 申請號: 201880070232.0
• 申請日: 2018-10-26
• 公開（公告）號: CN111279008A
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發明（設計）人: 沃倫·博伊德·萊恩托恩
• 申請（專利權）人: 天納克有限責任公司
• 主分類號: C23C4/02
• 分類號: C23C4/02;C23C4/131;C23C4/129;C23C4/134;C23C4/18;C23C28/00;C23C4/11
• 代理公司: 深圳中一聯合知識產權代理有限公司 44414
• 代理人: 徐飛

提供了一種用于發動機的部件，所述部件包括：涂覆到由金屬(例如鋼，或其他特或鐵基材料)形成的主體部分的熱障涂層。根據一個實施例，將金屬的結合層涂覆到主體部分，隨后是金屬和具有梯度結構的陶瓷的混合層，然后可選地是金屬的頂層。熱障涂層還可在混合層和頂層之間或作為最外層包括陶瓷層。陶瓷包括二氧化鈰、二氧化鈰穩定的氧化鋯、氧化釔、氧化釔穩定的氧化鋯、氧化鈣穩定的氧化鋯、氧化鎂穩定的氧化鋯和氧化鋯被另一種氧化物穩定中的至少一種。熱障涂層可以通過熱噴涂來涂覆。熱障涂層優選具有小于200微米的厚度和不大于3微米的表面粗糙度Ra。

相關申請的交叉引用

本專利申請要求申請日為2017年10月27日，申請號為62/578,105的美國臨時專利申請；和申請日為2017年12月20日，申請號為15/848,763的美國實用專利申請；以及申請日為2018年3月26日，申請號為15/936,285的美國實用專利申請的優先權，它們的全部內容通過引用結合到本申請中。

本發明的背景

1.技術領域

本申請總體上涉及用于內燃機的發動機燃燒部件，以及制造該部件的方法。

2.相關技術

根據排放和燃油經濟性法規，現代重型柴油機正朝著提高效率的方向發展。為了獲得更高的效率，發動機必須在更高的峰值壓力下運行更熱。在這些增加的需求下，通過燃燒室的熱損失可能成問題。例如，當熱量通過活塞進入冷卻系統時，通常會損失約4％至6％的可用燃料能量。一種提高發動機效率的方法是通過渦輪復合從熱的燃燒氣體中提取能量。例如，可以通過渦輪復合從熱廢氣中提取大約4％至5％的燃料能量。

改善發動機效率的另一種方法是使活塞的冠部隔熱，以減少熱量損失，否則熱量將損失到冷卻系統中。陶瓷的熱障涂層是使活塞隔熱的一種方法。已知將金屬層涂覆到活塞的主體部分上，然后涂覆陶瓷層。然而，陶瓷固有地是多孔的，并且燃燒氣體可以穿過陶瓷層并氧化金屬層，從而在陶瓷/金屬層界面處引起故障，并最終導致陶瓷層剝落和失效。陶瓷和金屬層的熱膨脹系數也不匹配，隨著時間的流逝進一步加劇了陶瓷層的潛在分層和剝落。

另一個例子是由氧化釔穩定的氧化鋯形成的熱噴涂涂層。這種材料單獨使用時，會因柴油發動機的熱效應和化學侵蝕而不穩定。還已經發現，厚的陶瓷涂層，例如那些大于500微米，例如1mm的陶瓷涂層，容易開裂和破裂。

盡管文獻中記錄了40多年的活塞熱涂層開發經驗，但迄今為止尚無成功且具有成本效益的已知產品。還已經發現，由于與所涂覆的熱應力的高度周期性相關的原材料和沉積成本，用于噴氣渦輪的典型航空航天涂層不適合于發動機活塞。

針對鋁活塞的另一種活塞保護方法是通過等離子氧化將鋁冠的表面轉化為氧化鋁，然后用聚硅氮烷密封轉化層的孔。轉換區非常薄(50-70微米)，被認為是一種高隔熱和消散的材料，可以快速加熱和冷卻，因此會隨燃燒熱循環。這種用于鋁活塞的相對較薄的轉換方法不適用于鋼或其他鐵基活塞。

發明內容

本申請的一個方面提供一種用于暴露于內燃機的燃燒室和/或由所述內燃機產生的廢氣的部件。所述發動機部件包括由金屬形成的主體部分，和涂覆在所述主體部分上的改良的熱障涂層。根據一個實施例，所述熱障涂層包括設置在所述主體部分上的由金屬形成的結合層，設置在所述結合層上的混合層，以及設置在所述混合層上的頂層；所述混合層由陶瓷和金屬的混合物形成，以及所述頂層由金屬形成并且填充所述混合層的所述陶瓷的孔。

根據另一實施例，所述熱障涂層包括由設置在所述主體部分上的由金屬形成的結合層和設置在所述結合層上的混合層。所述混合層包括陶瓷和金屬的混合物，并且熱障涂層的厚度不大于700微米。