CN107699891A - 金属微球热障涂层 - Google Patents

Abstract

一种用于部件的金属热障涂层包括隔热层，隔热层具有涂敷至基板的多个金属微球。第二金属不可渗透层结合至隔热层，使得密封层密封该隔热层。一种用于将热障涂层涂敷至部件的方法包括将具有多个微球的隔热层放置至该部件的基板的表面。对隔热层应用热处理。第二不可渗透层被结合至并且密封该隔热层。

Description

金属微球热障涂层

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的热障涂层。

背景技术

某些车辆包括用于推进的发动机组件。发动机组件可以包括内燃机和燃料喷射系统。内燃机包括一个或多个气缸。每个气缸限定燃烧室。在操作期间，内燃机燃烧该燃烧室中的空气/燃料混合物以移动被设置在气缸中的活塞。可以基于发动机组件的配置和各种部件的功能来限制维持发动机组件中的温度环境。

发明内容

一种热障涂层包括被涂敷至基板的表面的隔热层。该隔热层包括多个微球。密封层被结合至该隔热层。该密封层是不可渗透的，使得该密封层密封该隔热层。该隔热层可以具有至少80％的孔隙率，并且具有约100微米与约1毫米之间的厚度。

该隔热层可以进一步包括配置成与该多个微球结合的基质材料。该多个微球可以包括由金属合金、聚合物或陶瓷中的至少一种形成的基面。镍的第一涂层可以被涂敷至该多个中空微球的基面。至少一种合金元素的第二涂层和第三涂层中的一个或多个涂层被涂敷至该第一涂层。该第二涂层可以包括被涂敷至该第一涂层的纳米颗粒。该隔热层可以具有约1微米与约20微米之间的厚度。

在本发明的另一个实施例中，一种用于将热障涂层涂敷至部件的方法包括将该热障涂层的隔热层放置在该部件的基板上。该隔热层可以包括配置成与多个微球结合的基质材料。对该基板的表面上的隔热层应用热处理。热障涂层的密封层被结合至该隔热层。该密封层是不可渗透的使得该密封层密封该隔热层。

该热障涂层的隔热层可以通过提供多个微球而形成，其中该多个微球中的每一个包括基面。包括镍合金的第一涂层被涂敷至该基面，而包括铝、铬和纳米颗粒中的一种或多种的第二涂层被涂敷至该第一涂层。该第一和第二涂层可以通过无电镀、化学气相沉积和物理气相沉积中的一种或多种来涂敷。

从用于实行结合附图取得的本发明的最佳模式的以下详细描述，上述特征和优点以及本发明的其它特征和优点容易地显而易见。

附图说明

图1是车辆的示意性图解视图，其说明具有被设置在多个部件上的热障涂层的单缸内燃机的侧视图；

图2是被设置在部件上的热障涂层的示意性横截面侧视图；

图3A至3C是根据本发明形成的热障涂层的微球的示意性横截面侧视图；

图4A至4B是与被涂敷至部件的基板的基质材料结合的热障涂层的微球的示意性横截面侧视图；以及

图5A至5B是被设置在部件上的热障涂层的示意性横截面侧视图，其说明被涂敷至基板的热障涂层的隔热层和密封层。

具体实施方式

现在将详细地参考附图中说明的本发明的若干实施例。附图和描述中尽可能使用相同或类似的附图标号来指代相同或相似部分或步骤。附图是以简化形式呈现并且没有按精确比例绘制。仅为了方便和清楚起见，可以对附图使用诸如顶部、底部、左侧、右侧、向上、上方、上面、下面、下方、后面和前面的方向术语。这些和类似方向术语不应被解释为以任何方式限制本发明的范围。

参考附图，其中相同的附图标号对应于全部几个附图中的相同或类似的部件，图1中示意地示出了根据本发明的示例性实施例的具有推进系统12的车辆10的一部分。推进系统12可以是内燃机、燃料电池、电动机等中的任何一种。推进系统12可以是车辆10的部分，该车辆可以包括机动车辆，诸如但不限于标准乘用车、运动型多功能车、轻型卡车、重型车辆、小型货车、公共汽车、过境车辆、自行车、机器人、农具、运动相关设备或任何其它运输工具。为了清楚起见，推进系统12在下文中将被称为内燃机或发动机12。

车辆10的发动机12可以包括一个或多个部件14。部件14具有被涂敷至其上的本文公开的类型的热障涂层(TBC)16。在本发明的一个实施例中，TBC 16可以包括复合或多层结构或配置。虽然图1的车辆10和发动机12是适用于本文公开的TBC 16的典型示例性应用，但是本设计不限于车辆和/或发动机应用。

其部件暴露于热量的任何固定或移动机器或制品可能受益于本设计的使用。为了说明一致性，车辆10和发动机12在下面将被描述为示例系统，而不将TBC 16的使用限制于这种实施例。

图1说明限定单个气缸18的发动机12。然而，本领域技术人员将认识到，本发明也可以应用于具有多个气缸26的发动机12的部件14。每个气缸18限定燃烧室22。发动机12配置成为车辆10的推进提供能量。发动机12可以包括但不限于柴油发动机或汽油发动机。发动机12进一步包括各自与燃烧室22流体连通的进气组件28和排气歧管30。发动机12包括在气缸18内可滑动地移动的往复式活塞20。

燃烧室22配置成燃烧空气/燃料混合物以提供用于车辆10的推进的能量。空气可以凭借通过进气组件28进入发动机12的燃烧室22，在进气组件28中，从进气歧管进入燃烧室22中的气流是由至少一个进气阀24控制。燃料被喷射至燃烧室22中以与空气混合，或通过提供空气/燃料混合物的进气阀32而吸入。空气/燃料混合物在燃烧室22内点燃。空气/燃料混合物的燃烧产生废气，其排出燃烧室22并且被汲取至排气歧管30中。更具体地，由至少一个排气阀26控制从燃烧室22中流出的气流(排气流)。

参考图1和2，TBC 16可以被设置在发动机12的一个或多个部件14的面或表面上，该部件包括但不限于活塞20、进气阀24、排气阀26、排气歧管30的内壁等。在本发明的一个实施例中，TBC 16可以被涂敷至发动机12的高温部分或部件，并且结合至部件14以形成隔热体，该隔热体配置成在发动机12的操作期间降低热传递损失、提高效率并且升高排气温度。

TBC 16配置成提供低热导率和低热容量以提高发动机效率。因而，低热导率降低了热传递损失，且低热容量意味着TBC 16的表面在温度波动期间随气体的温度而形成轨迹，且进入气缸的冷空气的加热被最小化。在本发明的一个非限制性实施例中，TBC 16可以为约200微米(μm)厚并且被涂敷至部件14的表面42，该TBC展现出约0.36W/mK的计算热导率和289kJ/m3K的热容量、约92.5％的孔隙率、约10MPa的抗碎强度，以尽量减少热损失并且可将发动机效率提高5％至10％。

例如，发动机12可能需要TBC 16，其将较低温度的水冷发动机组中的热燃烧气体隔离，以通过将热量从燃烧气体传递至冷却水来避免能量损失。另外，在进气循环期间，隔热材料应当快速冷却以在点燃之前不加热燃料-空气混合物以避免由燃烧室22内保持的热量引起异常燃烧。应当明白的是，TBC 16可以被涂敷至除存在于发动机12内的部件之外的部件。更具体地，TBC 16可以被涂敷至航天器、火箭、注射模具等的部件。

现在参考图2，每个部件14包括具有至少一个外部或展示表面42的基板40。TBC 16可以包括被涂敷和/或结合至基板40的表面42的至少一层44。TBC 16的至少一层44可以包括多层，诸如第一或隔热层46和第二或密封层48。

隔热层46可以包括多个中空微球50，其被烧结在一起以产生具有极高孔隙率和大部分闭孔结构的层。优选地，隔热层46的孔隙率可以为至少约80％。隔热层46的高孔隙率使得其中容纳对应体积的空气和/或气体，因此提供了低有效热导率和低有效热容量的期望隔热性能。

预期第一涂层62中的孔隙率的体积分数越高，热导率和容量越低。孔隙度水平需要与机械要求(诸如抗压强度)平衡，这是承受发动机12中的高压水平所需要的。隔热层的厚度T1可以在约50微米(micron)或微米(micrometer)(μm)与1000μm或1毫米(mm)之间。更优选地，密封层的厚度T2可以在约1μm与约20μm之间。隔热层46配置成承受大约100巴的压力并且承受大约1,100摄氏度(℃)的表面温度。

中空微球50可以由聚合物、金属、玻璃和/或陶瓷材料的组合构成。在一个非限制性实施例中，中空微球50是由诸如镍(Ni)、镍合金化合物、铁-铬-铝(FeCrAl)合金、钴(Co)合金等金属构成以便具有耐久性和在高于1000摄氏度(℃)的高温下具有抗氧化性和抗腐蚀性。中空微球50可以具有介于约10μm和约100μm之间的直径D1。中空微球的壁厚可以介于约0.5微米与5微米之间。

现在参考图3，说明了可以通过多种工艺形成的微球50。微球50可以形成有通常用标号60表示的基面。基面60可以由聚合材料形成以提供用于微球50的球形模板。作为完整的微球50的部分，聚合物材料对于基面60限制导电性和热容量可能是有利的。

基面60可以使用各种材料形成，该材料包括但不限于用于中空微球50的聚偏二氯乙烯共聚物、用于实心微球50的聚苯乙烯，其可以在形成过程中的后续步骤中被除去。替代地，使用诸如玻璃气泡的陶瓷或诸如铝硅酸镁盐的空心微珠形成的中空球体也是可使用的但在形成过程中无法除去。

第一涂层62被涂敷至基面60的至少一部分。在本发明的一个实施例中，第一涂层62可以包括经由无电镀或化学气相沉积(CVD)工艺涂敷或沉积在基本上整个基面60上的材料(诸如镍)。还应当明白的是，可使用诸如铁或钴的另一种材料代替镍作为第一涂层62材料。

第一涂层62的厚度可以通过调整在指定温度下的电镀工艺的时间量来调整，例如可以沉积约0.2μm与约2μm之间的镍，这取决于基面60的直径D1和隔热层46的目标密度。在一个实施例中，具有更高孔隙率的TBC 16将展现出较低热导率和热容量，并同时降低隔热层46的强度和鲁棒性。因而，隔热层46的孔隙率在约90％与约97％之间是优选的。

接着可以在第一涂层62的至少一部分上涂敷和/或沉积第二涂层64。第二涂层64可以是与第一涂层62形成合金的材料。在一个实施例中，第一涂层含有镍且第二涂层含有至少一种或多种元素，包括但不限于锌(Zn)、铜(Cu)、铬(Cr)、铝(Al)、钴(Co)、钼(Mo)、钨(W)、钽(Ta)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)和/或钇(Y)。第二涂层64与第一涂层形成合金是有利的，这是因为纯镍在高温下提供有限的强度以及有限的抗氧化性和抗腐蚀性。

第二涂层64的合金材料可以通过无电镀、CVD、气相沉积工艺或干式溅射涂敷至第一涂层62的至少一部分。参考图3A至3C，说明了用于TBC 16的微球50的各种配置。图3A说明了包括至少部分被包括镍的第一涂层62覆盖的聚合物基面60的微球50。第二涂层64包括至少部分地覆盖第一涂层62的一种合金元素，诸如铬或铝。

应当理解的是，可以调整微球50的基面60、第一涂层62和第二涂层64所使用的材料而不影响微球50的功能。在本发明的一个实施例中，第二涂层64可以是铬，其为第一涂层62的厚度的约5％至约30％。在本发明的另一个实施例中，第二涂层64可以是铝，其为第一涂层厚度的约5％至约30％。

图3B说明了微球50的替代性配置。微球50包括至少部分被第一涂层覆盖的聚合物、玻璃或陶瓷基面60，该第一涂层主要包括镍或钴或铁并且通过无电镀或CVD沉积。第二涂层64包括至少部分地覆盖第一涂层62的第一合金元素，诸如铬或铝。第二合金元素的第三涂层66至少部分地覆盖第二涂层62。在本发明的一个实施例中，涂层厚度配置成产生目标合金的元素比率。元素比率的一个实施例可以是具有约22重量％的铬和约10重量％的铝的镍合金，以产生具有50μm直径和1μm壳厚度的中空微球50。

在此实施例中，在基面60上沉积约0.53μm的镍的第一涂层62，接着沉积约21μm的铬的第二涂层64，接着沉积约26μm的铝的第三涂层66。在涂敷第一涂层62、第二涂层64和第三涂层66之后，可以对微球50进行约1200摄氏度(℃)的均质化热处理48小时，以使三个涂层中的元素相互扩散并且形成均质合金。可以执行约900摄氏度(℃)的可选时效热处理8小时或类似的时间和温度以形成强化镍合金的沉淀物。

在另一个实施例中，外涂层(第二涂层或第三涂层，这取决于沉积了多少涂层)是选自包括锌(Zn)、铜(Cu)、银(Ag)和铝(Al)的材料的组合，该材料展现出低于第一涂层的熔点，并且因此促进微球彼此之间以及与基板和密封层的烧结。

替代地，如图3C中所示，第二涂层64可以包括含有合金元素且具有约20纳米(nm)至约500nm的直径的纳米颗粒，并且可以被涂敷至第一涂层62。可含有合金、镍基超级合金或不锈钢的纳米颗粒可以使用约1000摄氏度(℃)与约1100摄氏度(℃)之间的热处理约10小时至20小时的时间段而扩散至第一涂层62中。第一涂层可以主要包括通过无电镀或CVD沉积的镍、钴或铁。热处理可以在将TBC 16涂层已经被涂敷至基板之后执行，但是它们也可在涂敷至基板之前进行。在本发明的一个实施例中，纳米颗粒的第二涂层64可以由具有约20nm至约200nm的直径的合金或镍基超级合金颗粒构成，其中该涂层为第一涂层62的厚度的约5％至约30％。

返回参考图2，更详细地描述了将第一或隔热层46涂敷至基板40的表面42。在一个实施例中，微球50被放置在基板40上并且在确保微球本身与基板之间的扩散的高温下烧结。在另一个实施例中，微球50被放置于浆料中。浆料可以由诸如水的溶剂和水溶性粘合剂(例如，聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或纤维素聚合物衍生物)形成。诸如异丙醇或丙酮的有机溶剂也可被添加至水中或完全代替溶剂，在这种情况下，粘合剂必须适当地溶于诸如聚乙烯醇缩丁醛树脂的混合物中。其它浆料添加剂(例如聚乙二醇和甘油)可以用于流变学调整(诸如抗絮凝、润滑和消泡)以最大化浆料涂敷时的包装效率。

优选地，该浆料通过添加刚好足够的溶剂以使其顺畅地流动来流体化以便于涂敷，例如对于10克(g)干燥微球50添加约10毫升(ml)溶剂，且还添加最少量的粘合剂以减少烧尽后的残留碳。第一或隔热层46可以通过凭借喷涂、浸涂、涂抹、刮涂或其它方法将微球50的浆料涂敷至基板40的表面42而形成。

在涂敷之后，干燥涂层以除去溶剂且接着在确保微球50本身之间以及微球50与基板40之间扩散的温度下烧结该涂层。烧结通常在惰性或还原环境中实行。在烧结之前或在烧结步骤期间，可在400摄氏度(℃)至600摄氏度(℃)的空气中进行分离的烧尽热处理期间除去浆料的有机成分。

参考图4A和4B，在本发明的一个实施例中，包括至少一个涂层(诸如第一涂层62和第二涂层64)的微球50可以与形成合金的基质(通常由标号56表示)的颗粒54组合以涂敷至基板40的表面42。图4A说明了加热前的TBC 16的一部分，其中颗粒54定位在相邻微球50之间的腔体中。颗粒54在基质56中与微球50组合以提高隔热层的结构耐久性和鲁棒性。预期可以将颗粒54添加至浆料以形成基质56。

为了增加第一涂层62和/或第二涂层64的强度，可以增加微球50的厚度或基质56的体积分数。在热处理时，基质形成颗粒54生成基质56，其密度可以取决于基质材料56的体积分数。基质形成颗粒54可以小于50μm直径，并且可以表示不超过隔热层46的约10重量％至约20重量％。另外的颗粒54和基质56可以展现出低于微球50的熔点(例如，小于1100摄氏度(℃))以使得能够烧结基质56或产生少量的液相以将相邻微球熔合在一起，并且将液体分布在整个第一涂层62和/或第二涂层64中。

用于颗粒54的材料的非限制性实例包括但不限于铝合金、纯铝、具有约1重量％至约10重量％硼(B)的镍合金、具有约1重量％重量至约10重量％的磷(P)的镍合金、具有约1重量％至约15重量％的硅(Si)的镍合金或其混合物。还能够预期，颗粒54可以含有另外的合金元素，包括铬、铝、钴、钼、钨、钽、钛、锆、铪和/或钇。

将浆料的涂层涂敷至部件14(诸如活塞头、阀或排气口)的基板40的表面42。涂层可以通过许多非限制性方法(包括喷涂、浸涂、涂抹、刮涂等)将涂层涂敷至介于约100μm与1mm之间的涂层厚度。浆料涂层52可以在约100摄氏度(℃)至约300摄氏度(℃)的温度下加热约1小时至约5小时以干燥涂层。

在加热的同时，中空微球50的浆料涂层可以在压力下于模塑时间内模塑或烧结直至形成隔热层46为止。例如，浆料可以在约800摄氏度(℃)至约1100摄氏度(℃)的温度下烧结约2小时至约20小时。在烧结热处理期间，微球50与基板熔合在一起以改善结构完整性。合金元素和镍基金属的扩散混合可导致镍合金具有超过10重量％的铬和超过4重量％的铝以及大于0.25的铝与铬的比率，以形成在高于900摄氏度(℃)的温度下抗氧化的氧化铝。如果选择铁或钴代替镍作为基材，那么可以使用类似的Fe-Cr-Al或Co-Cr-Al合金来实现类似结果。

现在参考图5A和5B，密封层48被设置在隔热层46上方使得隔热层46被设置在密封层48与部件14的基板40的表面42之间。密封层48可以是高温薄膜。更具体地，密封层48包括配置成承受至少1100摄氏度(℃)的温度的材料。密封层48可以配置为约1μm至约20μm的厚度。

密封层48对燃烧气体可能是不可渗透的使得在密封层48与隔热层46之间提供密封。这种密封防止诸如未燃碳氢化合物、烟灰、部分反应的燃料、液体燃料等燃烧气体的碎屑进入由中空微球50限定的多孔结构。如果这种碎片被允许进入隔热层46的多孔结构，那么被设置在多孔结构中的空气将最终被碎屑移位而消失，且隔热层46的隔热特性将被降低或消除。

密封层48可以配置成呈现光滑的外表面68。具有光滑密封层48对于防止当空气流过密封层48的外表面68时产生湍流气流而言可能是重要的。另外，密封层48具有光滑表面将防止增加热传递系数。在一个非限制性实例中，密封层48可以经由电镀涂敷至隔热层46。在另一个非限制性实例中，密封层48可以是由包括镍、镍合金、钴合金、铁合金或钢的金属构成的薄膜，其在烧结隔热层46的同时或在烧结隔热层46之后涂敷至隔热层。

密封层48配置成具有足够的弹性以便在暴露于碎片期间抵抗压裂或破裂。另外，密封层48配置成具有足够的弹性以便承受下层隔热层46的任何膨胀和/或收缩。另外，隔热层46和密封层48各自配置成具有兼容的热膨胀特性系数以承受热疲劳。

详述和图式或图支持并且描述本发明，但是本发明的范围仅仅是由权利要求书限定。虽然已详细描述了用于实行本发明的某些最佳模式和其它实施例，但是也存在用于实践所附权利要求书中限定的本发明的各种替代设计和实施例。另外，附图中所示的实施例或本描述中提及的各个实施例的特性不一定被理解为实施例彼此独立。实情是，可行的是，实施例的一个实例中描述的每个特性可与来自其它实施例的一个或多个其它期望特性组合，从而产生没有以文字描述或没有通过参考图式描述的其它实施例。因此，这些其它实施例落在随附权利要求书的范围的框架内。

Claims (10)

1.一种热障涂层，其包括：

隔热层，其被涂敷至具有介于约50微米与约1毫米之间的厚度的基板的表面，其中所述隔热层包括多个微球和至少80％的孔隙率；以及

结合至所述隔热层的密封层，其中所述密封层是不可渗透的，使得所述密封层密封所述隔热层。

2.根据权利要求1所述的热障涂层，其中所述隔热层进一步包括配置成与所述多个微球结合的基质材料。

3.根据权利要求1所述的热障涂层，其中所述多个微球进一步包括由金属合金、聚合物、玻璃和陶瓷中的至少一种形成的基面。

4.根据权利要求3所述的热障涂层，其中包括镍、铜、钴、铁或铬中的至少一种或多种的第一涂层被涂敷至所述多个中空微球的所述基面。

5.根据权利要求4所述的热障涂层，其中至少一种合金元素的第二涂层和第三涂层中的一个或多个涂层被涂敷至所述第一涂层。

6.根据权利要求5所述的热障涂层，其中所述一个或多个第二涂层和所述第三涂层的所述至少一种合金元素是选自由以下项组成的组：锌、铜、镍、钴、铁、铬、铝、钴、钼、钨、钽、钛、锆、铪和钇。

7.根据权利要求5所述的热障涂层，其中所述第二涂层进一步包括被涂敷至所述第一涂层的纳米颗粒。

8.根据权利要求1所述的热障涂层，其中所述密封层进一步包括选自由以下项组成的组的一种或多种金属：镍、镍合金、钴合金、铁合金、耐火合金和不锈钢。

9.一种用于将热障涂层涂敷至部件的方法，其包括：

将具有多个微球的隔热层放置在所述部件的基板的表面上；

对所述表面上的所述隔热层应用热处理；以及

将密封层结合至所述隔热层，其中所述密封层是不可渗透的，使得所述密封层密封所述隔热层。

10.根据权利要求9所述的方法，其中将所述热障涂层的所述隔热层放置在所述基板上的所述步骤进一步包括：

提供所述多个微球，其中所述多个微球中的每一个包含基面；

将第一涂层涂敷至所述基面，其中所述第一涂层包括包含镍、铜、钴、铁或铬或其混合物的金属；以及

将第二涂层涂敷至所述第一涂层，其中所述第二涂层包含锌、铜、镍、钴、铁、铝、铬、钴、钼、钨、钽、钛、锆、铪、钇和纳米颗粒中的一种或多种。