[发明专利]具有动态热障涂层的内燃机部件以及这种涂层的制造和使用方法

说明书

提供了一种用于发动机的部件，所述部件包括：涂覆到由金属(例如钢，或其他特或铁基材料)形成的主体部分的热障涂层。根据一个实施例，将金属的结合层涂覆到主体部分，随后是金属和具有梯度结构的陶瓷的混合层，然后可选地是金属的顶层。热障涂层还可在混合层和顶层之间或作为最外层包括陶瓷层。陶瓷包括二氧化铈、二氧化铈稳定的氧化锆、氧化钇、氧化钇稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆和氧化锆被另一种氧化物稳定中的至少一种。热障涂层可以通过热喷涂来涂覆。热障涂层优选具有小于200微米的厚度和不大于3微米的表面粗糙度Ra。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求申请日为2017年10月27日，申请号为62/578,105的美国临时专利申请；和申请日为2017年12月20日，申请号为15/848,763的美国实用专利申请；以及申请日为2018年3月26日，申请号为15/936,285的美国实用专利申请的优先权，它们的全部内容通过引用结合到本申请中。

本发明的背景

1.技术领域

本申请总体上涉及用于内燃机的发动机燃烧部件，以及制造该部件的方法。

2.相关技术

根据排放和燃油经济性法规，现代重型柴油机正朝着提高效率的方向发展。为了获得更高的效率，发动机必须在更高的峰值压力下运行更热。在这些增加的需求下，通过燃烧室的热损失可能成问题。例如，当热量通过活塞进入冷却系统时，通常会损失约4％至6％的可用燃料能量。一种提高发动机效率的方法是通过涡轮复合从热的燃烧气体中提取能量。例如，可以通过涡轮复合从热废气中提取大约4％至5％的燃料能量。

改善发动机效率的另一种方法是使活塞的冠部隔热，以减少热量损失，否则热量将损失到冷却系统中。陶瓷的热障涂层是使活塞隔热的一种方法。已知将金属层涂覆到活塞的主体部分上，然后涂覆陶瓷层。然而，陶瓷固有地是多孔的，并且燃烧气体可以穿过陶瓷层并氧化金属层，从而在陶瓷/金属层界面处引起故障，并最终导致陶瓷层剥落和失效。陶瓷和金属层的热膨胀系数也不匹配，随着时间的流逝进一步加剧了陶瓷层的潜在分层和剥落。

另一个例子是由氧化钇稳定的氧化锆形成的热喷涂涂层。这种材料单独使用时，会因柴油发动机的热效应和化学侵蚀而不稳定。还已经发现，厚的陶瓷涂层，例如那些大于500微米，例如1mm的陶瓷涂层，容易开裂和破裂。

尽管文献中记录了40多年的活塞热涂层开发经验，但迄今为止尚无成功且具有成本效益的已知产品。还已经发现，由于与所涂覆的热应力的高度周期性相关的原材料和沉积成本，用于喷气涡轮的典型航空航天涂层不适合于发动机活塞。

针对铝活塞的另一种活塞保护方法是通过等离子氧化将铝冠的表面转化为氧化铝，然后用聚硅氮烷密封转化层的孔。转换区非常薄(50-70微米)，被认为是一种高隔热和消散的材料，可以快速加热和冷却，因此会随燃烧热循环。这种用于铝活塞的相对较薄的转换方法不适用于钢或其他铁基活塞。

发明内容

本申请的一个方面提供一种用于暴露于内燃机的燃烧室和/或由所述内燃机产生的废气的部件。所述发动机部件包括由金属形成的主体部分，和涂覆在所述主体部分上的改良的热障涂层。根据一个实施例，所述热障涂层包括设置在所述主体部分上的由金属形成的结合层，设置在所述结合层上的混合层，以及设置在所述混合层上的顶层；所述混合层由陶瓷和金属的混合物形成，以及所述顶层由金属形成并且填充所述混合层的所述陶瓷的孔。

根据另一实施例，所述热障涂层包括由设置在所述主体部分上的由金属形成的结合层和设置在所述结合层上的混合层。所述混合层包括陶瓷和金属的混合物，并且热障涂层的厚度不大于700微米。