[发明专利]隔热的发动机部件和使用陶瓷涂层的制造方法

说明书

提供一种用于暴露于柴油发动机的燃烧室和/或排气的燃烧室的部件，例如气缸衬套或阀面。该部件包括施加到由钢制成的主体部分的热障涂层。首先施加一层金属结合材料，然后是包括金属结合材料和陶瓷材料的混合物的梯度结构，接着是一层陶瓷材料。该陶瓷材料包括氧化铈、氧化铈稳定的氧化锆、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由另一种氧化物稳定的氧化锆中的至少一种。通过热喷涂或HVOF来施加热障涂层。该热障涂层具有2％体积至25％体积的孔隙率，小于1毫米的厚度，和小于1.00W/m·K的导热率。

相关申请的交叉引用

本美国实用专利申请要求2015年11月20日提交的美国临时专利申请No.62/257,993和2016年11月17日提交的美国实用专利申请No.15/354,080的权益，这些专利申请的全部内容通过引用结合于本文中。

发明背景

1.发明领域

本发明一般涉及内燃机，包括暴露于柴油发动机的燃烧室和/或排气的隔热的部件及其制造方法。

2.相关技术

现代重型柴油发动机正在排放和燃油经济性立法下被朝向提高的效率推动。为了实现更高的效率，发动机必须在更高的峰值压力下和在更高的温度下运行。在这些增加的需求下，通过燃烧室的热损失成为问题。通常，约4％至6％的可用燃料能量作为通过活塞进入冷却系统的热而损失掉。提高发动机效率的一种方法是通过涡轮复合从热的燃烧气体中提取能量。例如，通过涡轮复合可以从热排气中提取约4％至5％的燃料能量。

提高发动机效率的另一种方法包括，通过使发动机部件绝热来减少冷却系统的热损失，例如，使用由陶瓷材料形成的绝缘层。一种选择包括，将金属结合层施加到金属表面，然后施加陶瓷层。然而，这些层是不连续的，并且陶瓷本质上是多孔的。因此，燃烧气体可以穿过陶瓷并开始氧化在陶瓷/结合层界面处的金属结合层，导致随着时间的推移形成脆弱的边界层和潜在的涂层失效。此外，相邻层之间的热膨胀系数的不匹配以及陶瓷的脆性性质，产生了脱层和剥落的风险。

另一个例子是由氧化钇稳定的氧化锆形成的热喷涂层。当这种材料单独使用时，可能会因为柴油内燃机中的热效应和化学侵蚀而出现不稳定。而且，还发现，厚的陶瓷涂层，例如大于500微米(比如1毫米)厚的陶瓷涂层，易于产生裂纹和失效。用于喷气发动机涡轮机的典型航空涂层常常是不适用的，因为与所施加的热应力的高周期性质相关联的原料和沉积成本。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种用于暴露于内燃机(例如柴油发动机)的燃烧室和/或由内燃机产生的排气的部件。该部件包括由金属形成的主体部分，以及施加到该主体部分的热障涂层。热障涂层具有从金属主体部分延伸到顶面的厚度。热障涂层包括金属结合材料和陶瓷材料的混合物，并且热障涂层中存在的陶瓷材料的量从主体部分到顶面增加。

本发明的另一方面提供了一种制造用于暴露于内燃机的燃烧室和/或由内燃机产生的排气的部件的方法。该方法包括，将热障涂层施加到由金属形成的主体部分上。热障涂层具有从主体部分延伸到顶面的厚度，并且热障涂层包括金属结合材料和陶瓷材料的混合物。将热障涂层施加到主体部分上的步骤包括，从主体部分到顶面，增加陶瓷材料相对于金属结合材料的量。

附图的简要说明

本发明的其它优点将是容易理解的，因为当参考连同附图一起考虑的以下详细描述时，可以更好地理解本发明的其它优点，在附图中：

图1是柴油发动机的燃烧室的侧剖视图，其中暴露于燃烧室的部件被涂覆有根据本发明一示例性实施例的热障涂层；

图2是暴露于图1的燃烧室的气缸衬套的放大视图，其中热障涂层施加到气缸衬套的一部分上；