[发明专利]使用3D打印制造绝热三维(3D)结构的方法

说明书

本发明提供一种制造高度绝热三维(3D)结构的方法。该方法包括在基底上沉积第一层中空微球体，所述中空微球体具有形成在其上的金属涂层。激光束在中空微球体上扫描以使得中空微球体的金属涂层在预定位置处烧结。至少一层中空微球体沉积在所述第一层上。针对每一个相继的层重复通过激光束进行的扫描，直到构建出预定3D结构。3D结构包括复合热障涂层(TBC)，其可以施加到内燃发动机等中的部件的表面。复合TBC被连结到发动机的部件，以提供低热传导性和低热容量的绝热，其对燃烧气体来说是密封的。

技术领域

本发明涉及使用3D打印制造绝热三维(3D)结构的方法。

背景技术

内燃发动机包括多个汽缸、多个活塞、至少一个进气口、和至少一个排气口。每一个汽缸包括限定了燃烧室的表面。内燃发动机的一个或多个表面涂有热障涂层，以改善内燃发动机的热传递特点。

发明内容

提供一种制造高度绝热的三维(3D)结构的方法。该方法包括在基底上沉积第一层中空微球体。该中空微球体具有形成在其上的金属涂层。激光束在中空微球体上扫描，以使得中空微球体的金属涂层在预定位置处烧结。将至少一层中空微球体沉积在所述第一层上。针对每一个相继(successive)的层，重复通过激光束进行的扫描，直到构建出预定3D结构。

3D结构包括复合热障涂层(thermal barrier coating,TBC)，其可以施加到内燃发动机等中的部件的表面。复合TBC被连结到发动机的部件，以提供低热传导性和低热容量的绝热，其对于燃烧气体是密封的。

复合TBC包括彼此连结的三个层，即第一(连结)层、第二(绝热) 层和第三(密封)层。绝热层设置在连结层和密封层之间。连结层连结到部件和绝热层。

绝热层包括中空微球体，其被烧结一起以形成绝热体，其提供低有效热传导性和低有效热容量。

密封层是薄膜，其配置为抵抗发动机中存在的高温。密封层对于气体是 0不可渗透的，且提供平滑表面。

复合TBC具有低热传导性以降低热传递损失，且具有低热容量，使得复合TBC的表面温度跟随燃烧室中的气体温度。由此，复合TBC允许部件的表面温度随气体温度变化。这减少了热传递损失，而不影响发动机的吸排能力且不造成震缸。进一步，对进入发动机汽缸的冷却空气的加热减少。另外，排气温度增加，从而实现更快的催化剂活化时间和改善催化剂活性。

根据本发明的一方面，提供了一种制造高度绝热的三维(3D)结构的方法，包括：将第一层中空微球体沉积在基底上，其中，所述中空微球体具有在其上形成的金属涂层；在所述中空微球体上扫描激光束，以使得所述中空微球体的所述金属涂层在预定位置处烧结；将至少一层中空微球体沉积在所述第一层上；针对每一个相继的层，在所述中空微球体上重复扫描激光束，直到构建出预定的3D结构。

在一些实施例中，所述3D结构包括外层和中间层，所述中间层是相对多孔的，且所述外层是相对致密的，以使得所述外层密封所述中间层。

在一些实施例中，所述中间层具有至少80％的孔隙率(porosity)。

在一些实施例中，所述中间层具有至少95％的孔隙率。

在一些实施例中，所述中间层具有100微米到1毫米的厚度。

在一些实施例中，所述外层具有100到500微米的厚度。

在一些实施例中，所述外层具有100到300微米的厚度。

在一些实施例中，所述中间层和所述外层被配置为承受高达150bar的压力，并被配置为承受高达1100摄氏度的表面温度。

在一些实施例中，所述3D结构包括第一(连结)层、第二(绝热)层和第三(密封)层，其中每一层的热膨胀性能系数是相容的，以承受热疲劳。