TIO2作為用於氣缸孔熱噴塗的粘合層的應用的製作方法

2023-12-06 07:33:26 2

本發明總體上涉及在熱噴塗保護塗層和目標基底之間獲得更好的粘合，並且尤其涉及在氣缸孔表面上使用電鍍的粘合層，以改進氣缸孔表面與隨後塗覆的熱噴塗塗層之間的粘合，從而不需要分離的孔襯套。

內燃機(ICE)的氣缸壁被製造成在氣缸壁與發動機的往復活塞之間具有緊密公差的精確標準，作為促進高效發動機操作的方式。由更高旋轉速度和更熱、更完全燃燒過程導致的更多功率在發動機上施加了額外的負載，使得會消極地影響其耐久性，尤其是在採用輕質材料的發動機構造中，該輕質材料的發動機構造可能不像其鐵基對應體一樣堅固。與增加的熱和摩擦負載被傳遞到構成這些先進的發動機設計的燃燒室的發動機缸體的氣缸壁(以及活塞和火花塞機構)相比，這些問題沒有得到關注。

用於對由輕質發動機合金製成的氣缸孔提供保護的傳統方式是使用分離的氣缸套筒(也被稱為襯套)。在傳統方式中，套筒由鐵基材料製成。儘管這樣的套筒可用於實現其預期目的，但這給發動機增加了很大重量(例如，對於四缸發動機達到5磅)。而且，通過被設計成適配在上述精確尺寸的氣缸孔內的分離部件，其非常需要精密尺寸以確保安全耐久的布置；除了增加重量，這些分離的套筒部件的使用不期望地增加了製造和相關部件存貨的成本。

熱噴塗技術已經顯示為在工件上沉積保護塗層(諸如熱障塗層、磨損塗層、抗腐蝕塗層等)的方式。高沉積速率使得這樣的塗覆方法適合大規模製造，從而與上述氣缸孔及被設計成在其中往復運動的活塞的生產相關聯。已知的熱噴塗技術的示例包括等離子轉移絲弧(PTWA)、旋轉單絲(RSW)、超音速火焰噴塗(HVOF)、粉體等離子和雙絲弧(TWA)。本發明人先前研究了使用熱噴塗塗層作為避免氣缸套筒方式的方式，但發現 這樣的塗層經受著與該塗層不能粘附在氣缸孔的壁上相關的耐久性問題，這多是由於熱導應力和伴隨的裂化導致的。

熱噴塗保護塗層與基底的粘合是用於確定塗層是否適用於特定應用的十分重要的尺度。傳統上，通過各種表面活化預處理步驟來完成塗層與基底粘合的改進，這些步驟包括諸如使用陶瓷顆粒的噴砂處理、高壓噴水處理和機械鎖定(諸如通過燕尾連接和相關底切)的方式。儘管對於其預期目的有效，但這增加了噴塗部件製造工藝的複雜性和成本。例如，基於機械鎖定的方法涉及高的加工成本；這些成本趨於由於短的工具壽命和全面的清潔和檢查需求而加劇。同樣地，高壓噴水處理方法具有很高的資金成本，而噴砂處理方法具有砂侵問題以及顯著的清潔需求(以及如上所述的機械鎖定)。這些清潔需求(和基底預處理)中的一些還使用揮發性有機化合物(VOC)，在對其潛在負面環境影響的日益詳細的檢查時需要這些揮發性有機化合物。

傳統表面加工技術(諸如上述的噴水、噴砂或機械鎖定)的替代方案是在電解質溶液中將塗層(例如，氧化鋁(Al2O3))直接陽極電鍍至基底上。不幸的是，這樣的方法導致相對多孔的表面，該表面在氣缸孔與在其中重複往復運動的活塞之間具有較差的摩擦(即，磨損)特性。例如，這樣的塗層往往非常厚(通常在約20μm至約50μm之間)並且具有高粗糙度(通常大於約5.0μm)和硬度值(通常在約800Hv至約1400Hv之間)。而且，這樣的塗層往往經受不充足的磨損韌性和相關堅固性。因此，仍然需要這些已知方法的替代方案，用於將保護塗層整體上粘附至基底上，並且尤其是粘附至發動機氣缸孔的壁上。

技術實現要素：

根據本發明的一個方面，一種用於塗覆鋁基發動機氣缸孔基底的表面的方法包括將粘合層電鍍到所述表面上以使其覆蓋氣缸孔的基本上整個圓周表面，以及一旦活化了所述粘塗表面，就沉積一層或多層熱噴塗塗層。在本發明上下文中，基本上整個氣缸孔包括暴露(或可以合理地預期暴露)於燃燒過程的那些部分。換言之，為了本發明的目的，氣缸孔的限定了如 下波動容積的部分構成其基本上全部，該波動容積對應於沿著氣缸壁的長度或高度的活塞行進路徑，工作流體被導入該波動容積中、與燃料混合、點燃並排出。因此，實質整體不需要包括氣缸孔的在活塞行進路徑下面(即，在活塞的與燃燒室相對的一側上)的那些部分，儘管在需要時，本發明可以對不暴露於燃燒過程的這些表面進行處理。並且，通過將粘合層電鍍到所述表面上，它們之間發生化學粘合以達到僅通過塗覆技術(例如各種氣相沉積或等離子噴塗技術)不能複製的粘合度，在塗覆技術中，粘合層僅粘附到基底上。在如此操作時，實現了本發明的表面活化和塗覆，而沒有與諸如如上所述的那些傳統噴射、噴塗或機械鎖定方法相關聯的負面外部因素。在一些情況下，這繼而有助於簡化這些預處理，而在其它情況下，可以完全避免這種預處理。在一個優選形式中，熱噴塗塗層為耐磨塗層。

根據本發明的另一方面，公開了一種用於在發動機氣缸孔表面與設置於其中的活塞之間形成界面的方法。該方法包括：在電鍍或陽極氧化溶液中限定陰極和陽極作為電鍍槽的一部分，將鈦基金屬製品置於電鍍溶液中；通過電鍍液在陽極與陰極之間施加電流，以在氣缸孔的表面上形成鈦氧化物粘合層，活化電鍍表面，將熱噴塗塗層沉積在活化表面上；以及將活塞置於氣缸孔內，使得在包括氣缸孔和活塞的發動機運行時，活塞沿著基本上塗覆了粘合層和熱噴塗塗層的行進路逕往復運動。構成氣缸孔的材料優選為鋁基材料、鎂基材料或兩者的組合，而粘合層優選基於TiO2，並且熱噴塗塗層為鐵基耐磨塗層。

根據本發明的又一方面，公開了由發動機機體構成的內燃機部件，所述發動機機體具有形成於其中的多個氣缸孔和電鍍到由所述氣缸孔限定的表面上的粘合層。如前所述，兩者之間的粘合導致孔的基本上整個內圓周被覆蓋。在優選形式中，粘合層和熱噴塗塗層的組合使得發動機機體能夠在沒有分離的套筒、襯套或相關插入件的情況下操作。

附圖說明

在結合以下附圖進行閱讀時，可以最好地理解本發明優選實施方式的 以下具體說明，其中，在附圖中使用相同的附圖標記表示相同的結構並且在附圖中不一定按比例繪製各部件：

圖1描繪了根據本發明的一個方面的概念上的發動機機體的圖，所述發動機機體具有形成於其中的可接納電鍍粘合層和保護塗層的四個氣缸孔；

圖2描繪了將粘合層電鍍到圖1中的發動機機體的發動機氣缸孔壁上的簡化圖；

圖3A和圖3B描繪了兩個塗覆的粘合層，其分別具有薄層和適度層並且粗糙度、孔徑和孔密度相應增加；

圖4描繪了熱噴塗裝置與圖1的發動機機體的發動機氣缸孔壁的協作放置；以及

圖5示出了發動機氣缸孔壁與利用圖2和圖4的裝置沉積的電鍍粘合層和保護塗層之間的協作的放大圖。

具體實施方式

首先，參照圖1和圖2，示出了四缸汽車內燃機機體100的簡化圖，其中概念上的電鍍槽200被置於一個氣缸孔110上。除了孔110之外，依據發動機構造，機體100除此之外還包括用於曲軸箱、曲軸軸承、凸輪軸軸承(當前均未示出)、冷卻劑或潤滑劑流動路徑120、功率輸出連接器130、車輛集成/安裝硬體140、水冷卻夾套150和頭安裝硬體160的部分。如上所述，傳統上，這些孔110包括尺寸適於牢固地安裝於其中的分離的重型鑄鐵插入件或套筒(通常厚度達約2mm至2.5mm)。實際上，在機體100為輕質材料(諸如鋁和其合金(諸如A380、A319或A356)或鎂或其合金)的鑄件的發動機構造中，傳統上認為添加這樣的襯套作為賦予額外耐熱性和耐磨性的方式是必要的。與之相比，可用於避免對這樣的襯套的需求的、本發明的粘合層和熱噴塗塗層的組合厚度明顯(例如，至少一個數量級)更薄。

包括水溶液(未示出，本文中也稱為電鍍液)的槽200是用於實現構 成氣缸孔110的內壁的合金與粘合層300之間的化學粘合的電鍍技術的基座。與可能僅具有塗覆到鋁或其它輕金屬基基底的塗層的粘附作用相比，這種粘合形成了二者的更加集成、堅固的連接。在本上下文中，參照基底、表面、內壁、圓周表面等術語應被詮釋成包括鑄造氣缸機體100的內壁，通過本發明的塗層，鑄造氣缸機體100可以避免被設置成裝配在孔110內的分離的圓柱形套筒、插入件或相關襯套。

傳統上，由於相對於氫的大的負還原氧化(氧化還原反應)電勢，活性金屬(諸如鈦)的電鍍被視為難以用水介質實現；在這樣的構造中，優先還原氫，從而保留許多(如果不是基本上全部)鈦未反應。在不同於強酸性的溶液(例如，pH水平大於約1的情形)中，這些困難尤為嚴重。然而，最新的改進顯示，可以使用適當改良的水溶液；這樣的溶液可以包括(除了含鈦離子之外，其一種形式可以為水溶性鈦鹽，諸如三氯化鈦或四氯化鈦)具有約3.0至9.0，更具體地介於約5.0和8.0之間的特定pH值範圍的硝酸離子(諸如硝酸、硝酸銨、硝酸鉀、硝酸鈉等)、過氧化物(諸如過氧化氫、過氧基酸、過氧碳酸鹽、過氧磷酸鹽、過氧硼酸鹽等)和絡合劑(諸如EDTA基鹽、檸檬酸鹽、硝基三醋酸鹽、環己二胺四乙酸等)。這種溶液的示例可以在1999年6月15日公開的、題為「用於形成二氧化鈦膜的水溶液以及二氧化碳膜的製備(AQUEOUS SOLUTION FOR FORMING TITANIUM OXIDE FILM,AND PRODUCTION OF TITANIUM OXIDE FILM)」的日本公開申請11-158691以及在題為「納米晶體二氧化鈦薄膜的負極電沉積(CATHODIC ELECTRODEPOSITION OF NANOCRYSTALLINE TITANIUM DIOXIDE THIN FILMS)」的文章，電化學學會(Electrochemical Society)的期刊(1996年5月第143卷，第5期)中發現；這兩個參考文獻均通過引用完全併入本文。

作為描述本發明的方式，儘管當前以簡化形式示出了僅塗覆到機體100的四個氣缸孔110之一，但本領域的技術人員應該理解的是，也可以採用槽200的完全沉浸等效物的使用。然而，在優選形式中，優選目標塗層，因為其避免了將外部塗層置於可能不需要塗層的地方。在一個形式中，通過相應的入口210和出口220將電鍍液230連續地饋送至槽200並從槽 200移除；這有助於確保溶液230保持已知的電解液濃度。在一種示例性形式中，當出口220可以為頂部安裝的排水口220的形式以排除過量電鍍液230時，可以使用泵(未示出)將新鮮電鍍液230導入槽200中。在一種優選形式中，在相對低的溫度(諸如介於約60°F和120°F之間)下進行電鍍操作約1到5分鐘，並且電鍍操作涉及通過已知動電位、恆電位、動電流或恆電流手段應用電流(諸如介於約300VDC到450VDC之間)。

特別參照圖2，非導電隔離器240(當前以O形環、墊圈等形式示出)可以被置於槽200與發動機機體100內的每個孔110的頂部和底部之間，以提供該孔中使用的溶液的流體密封性。一旦確保了這種流體密封性，就可以導入電鍍液230以開始電鍍操作。裝配於由氣缸孔110所限定的容積內的鈦基陰極250被置於電鍍液230內，使其沿著形成陽極的孔110和溶液230以及陰極250，從而形成電解耦合。在一種形式中，陰極250可以是細長的杆。電流源260(諸如發電機、電池等)選擇性地耦接至陽極(以氣缸孔110的形式)和陰極250以傳遞所需電勢來產生電流流動。依據所形成的粘合層300的期望厚度，電鍍過程優選用時不超過約5分鐘，更優選不超過約60秒。

由於在電鍍液230內存在試劑(諸如酸、氰化物、pH平衡劑等)，一旦作為促進隨後塗覆的熱噴塗塗層400(這將在下文更詳細地討論)的更好結構和相關機械性能的方式塗覆了粘合層300，可以優選執行一些活化步驟。在一種特定形式中，粘合後的氣缸孔110(連同採用全浸槽200的這種構造中的發動機機體100的剩餘部分)可以被從電鍍槽200中移除並隨後經受一個或多個清潔步驟(未示出其中任何一個)，其中，清潔步驟包括脫脂、衝洗、去離子、去氧化、微粗糙化紋理等。也可以在電鍍操作之前對氣缸孔110應用這種微粗糙化。在一種形式中，作為將孔110加工成其最終(或幾乎最終)尺寸的部分，可以提供這種粗糙化。在一種形式中，通過本發明實現的粘附至少約40MPa或更大。

接下來參照圖3A和圖3B，示出了描繪根據本發明的一個方面的將TiO2粘合層300電鍍至氣缸孔110上的顯微圖。圖3A具體示出了被設計用於輕微磨損應用的塗層300A；該塗層厚度在約5μm至6μm之間，其 中可在進行任何上述電鍍活動之前通過孔110的預加工對粗糙度進行控制。在另一種形式(未示出)中，塗層300A甚至可以更薄，約為3μm左右。類似地，圖5B示出了被設計用於輕微磨損應用的平滑塗層300B，其厚度在約10μm至12μm之間且硬度在約300Hv至約800Hv之間。在另一種形式(未示出)中，塗層300B甚至可以更薄，大約在約6μm至約10μm之間。因此，粘合層300的總厚度的優選範圍在約3μm至約50μm之間，而隨後塗覆的熱噴塗塗層400的厚度至少為100μm。值得注意的是，高水平的孔隙在塗層300A和塗層300B中都非常明顯。這說明，當孔隙提供的增大的表面紋理允許熱噴塗塗層400將更多的位置鎖定至合適的位置上時，發生顯著的化學粘合(及伴隨的粘附)。因此，儘管使得暴露層(例如塗層300A和300B的暴露層)具有如此高的孔隙度通常是不可取的，但將其用作用於熱噴塗塗層400的隨後塗覆的層的粘合層300是可取的。無論如何，粘合層300的孔隙的直徑應優選地小於約0.5mm。

接下來，參照圖4和圖5，一旦將粘合層300電鍍至氣缸孔110的內壁上，就可採用工藝來沉積外層熱噴塗塗層400。在一種優選形式中，熱噴塗塗層400為耐磨塗層的形式。在一種優選形式中，熱噴塗塗層是鐵基的，諸如通過碳鋼合金絲。用於塗覆塗層的裝置優選地為可用作本發明的一部分的等離子體噴槍500(或者簡稱等離子體槍)的形式。與等離子體噴槍500相關的細節可在題為「通過等離子體射流對氣缸孔上的熱噴塗塗層進行的表面活化(SURFACE ACTIVATION BY PLASMA JETS FOR THERMAL SPRAY COATING ON CYLINDER BORES)」的共同未決美國申請第14/535,404號中找到，該申請由本發明的受讓人擁有並且通過引用全部併入本文中。可以使用增壓軸向流體導管510形式的杆(可以被形成為旋轉)作為槍500的緊固安裝平臺。旋轉軸向流體導管510與其在氣缸孔110中的應用之間的協作的細節可在題為「對發動機氣缸孔塗層的非破壞性粘附測試(NON-DESTRUCTIVE ADHESION TESTING OF COATING TO ENGINE CYLINDER BORE)」的共同未決美國申請第14/335,974號中找到，該申請由本發明的受讓人擁有並且通過引用全部併入本文中。特別參照圖5，示出了描繪利用粘合層300和熱噴塗塗層400進行了處理的氣缸孔110的壁的部分的顯微圖。總保護塗層厚度約為100μm，其中約10μm 歸因於粘合層300。

值得注意的是，在本文中，諸如「優選地」、「通常地」、「典型地」的術語並非用於限制本發明的範圍或意味著某些特徵對於本發明的結構或功能是關鍵的、本質的或甚至重要的。相反，這些術語僅意在用來強調在本發明的具體實施方式中可以使用或不可以使用的替代的或額外的特徵。

出於描述和限定本發明的目的，值得注意的是，在本文中使用術語「基本上」和「約」及其變型來表示可能屬於任何定量比較關係、值、測量或其它表示的不確定性的固有程度。在本文中還使用術語「基本上」來表示定量表示可以與給定的參考有差異的程度，而不會導致討論中的主題的基本功能的變化。

在參照具體實施方式詳細描述了本發明後，將顯而易見的是，在不背離由本發明所附權利要求限定的範圍的情況下，可以進行修改和變型。特別地，可以預見的是，本發明的範圍並不一定限制於給定的優選方面和示例實施方式，但其應當由所附權利要求進行約束。