活塞和/或氣缸蓋和/或氣缸孔上的ptwa涂層的制作方法
【專利摘要】公開了一種活塞和/或氣缸蓋和/或氣缸孔上的PTWA涂層。提供了一種內(nèi)燃機(jī)氣缸的活塞和/或氣缸蓋和/或氣缸孔的表面，選擇性地涂覆有作為熱障的等離子轉(zhuǎn)移絲電弧涂層以提高燃料效率并降低燃料排放，并提供了一種在壓燃式發(fā)動機(jī)和/或火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)的活塞和/或氣缸蓋和/或氣缸孔的表面上產(chǎn)生等離子轉(zhuǎn)移絲電弧涂層的方法。
【專利說明】
活塞和/或氣缸蓋和/或氣缸孔上的PTWA涂層
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ] 本發(fā)明涉及通過等離子轉(zhuǎn)移絲電弧(plasma transferred wire arc，PTWA，也被稱作等離子電弧工藝噴涂技術(shù)或單絲旋轉(zhuǎn)電弧技術(shù))方法向活塞和/或氣缸蓋和/或氣缸孔的表面涂覆涂層。
【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)研發(fā)了多種策略來提高機(jī)動車的燃料效率并降低排放。例如，已經(jīng)通過在催化轉(zhuǎn)化器中采用催化劑來實(shí)現(xiàn)排放的降低，并且已經(jīng)實(shí)施通過輕質(zhì)材料制造機(jī)動車部件來降低車輛的重量。已經(jīng)證實(shí)在鋁合金氣缸孔上涂覆等離子轉(zhuǎn)移絲電弧(PTWA)涂層除了能降低重量外還提供多個優(yōu)勢。例如，當(dāng)與具有厚的鐵質(zhì)氣缸套的鋁質(zhì)發(fā)動機(jī)組相比時，氣缸孔上的PTWA涂層降低了重量、成本和氣缸中心距(bore spacing)。
[0003]其他發(fā)動機(jī)部件造成燃料效率低和碳?xì)浠衔锱欧?。例如，?nèi)燃發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的嵌入件和澆鑄加強(qiáng)件用于為各個氣缸部件提供足夠的強(qiáng)度。例如，在活塞的上環(huán)槽區(qū)域處使用澆鑄加強(qiáng)件。然而，加強(qiáng)件增加了活塞的重量。這樣的加強(qiáng)件還增大噪聲、振動和成本。其他發(fā)動機(jī)部件(例如，活塞的上安裝部(top land))由于還會導(dǎo)致明顯的效率損失的縫隙體積效應(yīng)而是公知的碳?xì)浠衔锱欧诺闹饕础p小縫隙體積效應(yīng)有助于提高燃料效率并減少碳?xì)浠衔锱欧?。因此，長期需要研發(fā)其他方法來降低機(jī)動車排放并提高燃料效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]公開了一種方法，該方法包括選擇性地遮蔽內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的氣缸的表面部分，以獲得遮蔽部分和暴露部分的步驟。該方法還包括將包括催化材料的等離子轉(zhuǎn)移絲電弧(PTWA)材料涂覆到暴露部分以獲得選擇性的PTWA涂層的步驟。涂覆步驟包括僅向暴露部分涂覆PTWA材料。內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的氣缸包括活塞。所述表面部分包括活塞表面部分。所述暴露部分包括活塞上環(huán)安裝表面、活塞上環(huán)槽表面、活塞凹坑表面和進(jìn)氣門下方的活塞表面或活塞進(jìn)氣門表面中的一個或更多個。內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的氣缸包括氣缸蓋。所述表面部分包括氣缸蓋表面部分。所述暴露部分包括排氣門之間的連接表面、火花塞和排氣門之間的連接表面、直噴式燃料噴射器和排氣門之間的連接表面、火花塞和直噴式燃料噴射器之間的連接表面以及氣門座表面。該方法還可包括在涂覆PTWA材料之前使表面粗糙化的步驟。催化材料包括鉑、鈀、銠、銅和銅-鎳合金中的一種或更多種。該方法還可包括通過拋光和/或絲刷光來使選擇性的PTWA涂層平滑以獲得平滑的選擇性的PTWA涂層的步驟。平滑的PTWA涂層的厚度為大約25-50μπι。選擇性的PTWA涂層的厚度為大約90-150μπι。
[0005]公開了一種方法，該方法包括大體上向壓燃式發(fā)動機(jī)的活塞的所有表面區(qū)域涂覆包括催化材料的等離子轉(zhuǎn)移絲電弧(PTffA)材料，以獲得包括沉積后的PTWA材料的已被PTWA涂覆后的活塞。催化材料包括鉑、鈀、銠、銅和銅-鎳合金中的一種或更多種或其組合。該方法還可包括通過拋光和/或絲刷光來使PTWA涂覆后的活塞的表面平滑以獲得平滑的PTWA涂層的步驟。平滑的PTWA涂層的厚度為大約25-50μπι。沉積的PTWA材料的厚度為大約90-150μmD
[0006]公開了一種內(nèi)燃機(jī)的氣缸，該氣缸包括:氣缸蓋，具有氣缸蓋表面;活塞，具有活塞表面;氣缸孔，具有氣缸孔表面;選擇性的等離子轉(zhuǎn)移絲電弧(PTWA)涂層，包括一種或更多種催化材料，并接觸氣缸蓋表面和/或活塞表面和/或氣缸孔表面。催化材料可包括鉑、鈀、銠、銅、銅-鎳合金等或其組合。
【附圖說明】
[0007]圖1示出了根據(jù)一個實(shí)施例的活塞的透視圖，該活塞具有涂覆到活塞頂表面和活塞凹坑(piston bowl)表面的PTWA涂層；
[0008]圖2示出了根據(jù)一個實(shí)施例的活塞的透視圖，該活塞具有涂覆到上環(huán)槽表面和活塞凹坑表面的PTWA涂層；
[0009]圖3示出了根據(jù)一個實(shí)施例的活塞的透視圖，該活塞具有涂覆到上環(huán)安裝表面(top ring land surface)的PTWA涂層；
[0010]圖4示出了氣缸蓋、活塞和氣缸孔的透視圖，具有涂覆到氣缸孔的表面和氣缸蓋的選定區(qū)域的PTWA涂層；
[0011]圖5示出沿圖4的線5-5截取的氣缸蓋的剖視圖，示出了作為活塞的上環(huán)和燃燒頂(combust1n roof)之間的區(qū)域的縫隙體積(crevice volume)；
[0012]圖6示出了沿圖4的線6-6截取的剖視圖，示出了具有涂覆到選定區(qū)域的PTWA涂層的氣缸蓋；
[0013]圖7示出了根據(jù)一個實(shí)施例使用的藥芯焊絲(fluxcore wire)的示意圖；
[OOM]圖8A示出了根據(jù)一個實(shí)施例的遮蔽模板(masking template)的俯視透視圖；
[0015]圖SB示出了被涂覆了PTWA涂層的典型的四氣門氣缸蓋上的鑄造燃燒室的俯視透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]現(xiàn)在將詳細(xì)描述發(fā)明人所知道的本發(fā)明的方法、實(shí)施例和組成。然而，應(yīng)該理解的是，所公開的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的示例，其可采取各種和替代的形式實(shí)施。因此，在此所公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)被解釋為限制，而僅作為教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以各種形式采用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。
[0017]在理解本發(fā)明的最寬范圍時，除了特別指示出來的，本描述中指示材料量或反應(yīng)條件和/或使用條件的所有的數(shù)值都應(yīng)被理解為由詞語“大約”修飾。
[0018]結(jié)合本發(fā)明的一個或更多個實(shí)施例的適用于給定目的的一組或一類材料的描述意指該組或該類材料中的任何兩個或更多個組分的混合物?；瘜W(xué)術(shù)語的成分的描述指的是添加到本描述中指定的任何組合時的成分，并不一定排除一旦混合時混合物的成分之間的化學(xué)反應(yīng)。在此，首字母縮寫詞或其他縮寫的第一次限定應(yīng)用于相同縮寫詞后續(xù)的使用，并應(yīng)用于最初定義的縮寫詞的存在正常語法差異的細(xì)節(jié)上修改后的縮寫詞。在之前或隨后都指示相同屬性時，除非明確地指出相反，否則屬性測量通過相同的技術(shù)確定。
[0019]近年來，福特和其他公司已經(jīng)開始使用PTWA和其他方法向氣缸孔涂覆薄的涂層。典型的PTWA涂覆涉及在鋁合金氣缸孔上涂覆薄的耐磨涂層。與厚的鐵質(zhì)氣缸套相比，這種涂覆的主要優(yōu)勢是降低了重量和/或成本和/或氣缸中心距。
[0020]PTWA涂層還可用作發(fā)動機(jī)的一個或更多個其他部件的涂層。更具體地，PTWA涂層可在內(nèi)燃發(fā)動機(jī)氣缸的一個或更多個部件中使用，例如柴油和/或汽油發(fā)動機(jī)的活塞，即，壓燃式發(fā)動機(jī)和/或火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)的活塞。期望活塞涂層不僅用于耐磨還用于提高疲勞強(qiáng)度和/或降低導(dǎo)熱率。此外，機(jī)動車活塞的設(shè)計(jì)，特別是活塞的位于活塞環(huán)之上的上安裝部(top land)的設(shè)計(jì)，顯著地影響作為碳?xì)浠衔锱欧诺闹饕吹目p隙體積。因?yàn)樵诨鹧娴竭_(dá)活塞與氣缸套之間的縫隙區(qū)域之前被熄滅，所以縫隙體積中的空氣燃料混合物錯過一次燃燒(primary combust1n)。這種縫隙體積效應(yīng)還會導(dǎo)致明顯的燃料效率損失。減少縫隙體積效應(yīng)可增大燃料效率。因此，期望通過減少縫隙區(qū)域中的空氣燃料混合物的量來提高燃料經(jīng)濟(jì)性同時降低碳?xì)浠衔锱欧?。這可通過向活塞的選定區(qū)域涂覆PTWA涂層實(shí)現(xiàn)。
[0021]此外，確保氣缸蓋的一些部分(例如兩個排氣門之間、火花塞和排氣門之間或者直噴式燃料噴射器和排氣門之間或者火花塞和直噴式燃料噴射器之間的薄連接段)的良好冷卻和/或疲勞壽命是具有一定挑戰(zhàn)性的。因此，可能有利的是，利用PTWA涂層涂覆氣缸蓋的選定表面來獲得諸如連接段的良好冷卻和提高的疲勞壽命的效果。此外，向氣缸蓋的選定表面涂覆PTWA涂層提供這樣的效果:例如，降低在高負(fù)荷下對高強(qiáng)度地控制溫度的需求，這進(jìn)而有利于燃料經(jīng)濟(jì)性并降低排放。
[0022 ] PTWA熱噴涂(還稱為PTWA涂覆)是高能量的、惰性氣體保護(hù)焊工藝，其中，涂層沉積在基底上。如上所述，PTWA噴涂用于例如涂覆發(fā)動機(jī)的氣缸孔。向金屬基底涂覆PTWA涂層的當(dāng)前方法通過特殊設(shè)計(jì)的等離子焊絲焊頭(plasma wire weld head)實(shí)現(xiàn)，該等離子焊絲焊頭具有單獨(dú)的氣體保護(hù)(gas shield)和連帶著A/C電流的焊絲供給。在PTWA噴涂期間，粉末和/或單個導(dǎo)電焊絲進(jìn)給到系統(tǒng)中。超聲速等離子體射流熔化焊絲，使焊絲霧化并將熔化后的焊絲推進(jìn)到基底上以進(jìn)行涂覆。等離子體射流通過鎢陰極和作為陽極的焊絲之間的轉(zhuǎn)移電弧(transf erred arc)形成。被迫流動的氣體將霧化后的焊絲轉(zhuǎn)移到基底上，當(dāng)顆粒撞擊到基底的表面上時由于其高的動能而壓平基底表面。隨后這些顆?？焖俚毓袒⑿纬筛叨饶湍サ耐繉?。
[0023]根據(jù)一個或更多個實(shí)施例，PTWA涂層可涂覆到壓燃式發(fā)動機(jī)和/或火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)(包括中央直噴、側(cè)邊直噴和/或進(jìn)氣口燃料噴射應(yīng)用)的活塞和/或氣缸蓋和/或氣缸孔的表面。發(fā)動機(jī)的類型確定活塞和/或氣缸蓋和/或氣缸孔的將要涂覆PTWA涂層的具體表面。除了燃料效率的整體提高以及碳?xì)浠衔锱欧诺慕档椭?，涂層還可為活塞和/或氣缸蓋和/或氣缸孔提供進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)。例如，至少在活塞和/或氣缸蓋和/或氣缸孔的選定表面上的涂層可提高耐磨度，提高疲勞強(qiáng)度和/或降低導(dǎo)熱率。
[0024]在一個實(shí)施例中，可利用PTWA涂層涂覆活塞的整個表面?？蛇x地，可利用PTWA涂層僅涂覆活塞的選定表面區(qū)域。涂覆活塞的整個表面對于壓燃式發(fā)動機(jī)的活塞尤其有利，而僅涂覆選定表面區(qū)域?qū)τ诨鸹c(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)的活塞有利。在一個實(shí)施例中，壓燃式發(fā)動機(jī)的活塞的整個表面區(qū)域都利用PTWA涂層涂覆。涂覆壓燃式發(fā)動機(jī)的活塞的整個表面可提供更好的CO排放控制和/或煙塵排放控制和/或提高燃料效率。然而，僅僅會與燃料直接接觸的表面應(yīng)該被涂覆，以增大溫度進(jìn)而增大燃料蒸發(fā)。如圖1所示，PTWA涂層10涂覆到柴油機(jī)活塞16的凹坑表面區(qū)域14和活塞頂12的整個表面。
[0025]在另一實(shí)施例中，僅活塞的選定表面20是利用PTWA涂層涂覆的。具體地，在火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)上，因?yàn)樵诟哓?fù)荷下較高的溫度會加劇發(fā)動機(jī)敲缸，所以涂覆整個活塞表面是不利的。如圖2至圖5所示，示出了汽油機(jī)活塞18上的PTWA涂層10，在將要被涂覆的選定表面區(qū)域20中可以有上環(huán)槽表面22，在該上環(huán)槽表面22處鑄造加強(qiáng)件以多種設(shè)計(jì)作為常規(guī)選擇。利用PTWA涂層來替代鑄造加強(qiáng)件降低了活塞的重量，這對于車輛的噪聲、振動和聲振粗糙度特性而言是重要的。位于上環(huán)槽表面22處的PTWA涂層10還可以體現(xiàn)出成本節(jié)省。
[0026]火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)的活塞18上的將要被涂覆的其他表面20是活塞凹坑的表面26，如圖2所示?；钊?8的該表面上的PTWA涂層10增大了火花塞附近的氣體溫度，從而在冷起動之后立即減少原料氣體(feed gas)碳?xì)浠衔锊⑻岣呷紵€(wěn)定性。
[0027]火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)的活塞18上的將要被涂覆的另一選定表面20是上環(huán)安裝(land)表面24，如圖3所示。被限定為活塞上環(huán)25與燃燒室頂面27之間的區(qū)域的縫隙體積23在圖5中示出。由于縫隙體積23中的空氣燃料混合物錯過一次燃燒，因此縫隙體積23是公知的碳?xì)浠衔锱欧诺闹饕?。位于活?8的這個表面上的PTWA涂層10降低了上環(huán)安裝表面24的導(dǎo)熱率，這增大了縫隙體積23中的空氣燃料混合物的溫度并降低了縫隙體積23中的空氣燃料混合物的密度和質(zhì)量。此外，利用上環(huán)安裝表面24上的PTWA涂層提高了上環(huán)安裝表面24的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這允許降低上環(huán)安裝表面24的高度，進(jìn)而降低縫隙體積23的尺寸。
[0028]PTWA涂層10還可涂覆到進(jìn)氣門下方區(qū)域中的活塞表面28，以降低傳熱損失并提高燃料效率。如圖6所示的進(jìn)氣門下方的活塞表面28通常較排氣門下方的活塞表面冷些，因此并不傾向于產(chǎn)生敲缸。
[0029]根據(jù)一個或更多個實(shí)施例，PTWA涂層10可涂覆到氣缸蓋30的一個或更多個選定表面。期望僅涂覆氣缸蓋30的特定表面，如圖4和圖6所示。具體地，期望涂覆這樣的表面，在這些表面處未耗盡的殘余燃料(含有碳?xì)浠衔锖腿紵钠渌碑a(chǎn)物)有聚集的傾向和/或溫度最高和/或應(yīng)力最高。例如，期望防止直噴式燃料噴射器42和火花塞38周圍未耗盡的燃料聚集。具體地，PTWA涂層10的涂覆在氣缸蓋30的下述表面區(qū)域上尤其有用:兩個排氣門34之間的連接表面32、火花塞38和排氣門34之間的連接表面36、直噴式燃料噴射器42和排氣門34之間的連接表面40、以及火花塞38和直噴式燃料噴射器42之間的連接表面44 WTWA涂層10還可涂覆到氣門座46的表面上，這消除了安裝氣門座嵌入件的需求。這些表面區(qū)域處的PTWA涂層10有助于增大這些區(qū)域的疲勞壽命，通過降低熱累積來確保良好的冷卻，并防止火花塞38變濕。
[0030 ]具體地，PTWA涂層1用作熱障(therma I barr i er)并以可預(yù)期的方式將燃燒熱量傳遞到燃燒室的區(qū)域。因而PTWA涂層10有助于在高負(fù)荷下降低對高強(qiáng)度控制溫度的需求，這進(jìn)而提供燃料經(jīng)濟(jì)性效益和更好的碳?xì)浠衔锱欧?，例如，如根?jù)US06補(bǔ)充聯(lián)邦測試程序(Supplemental Federal Test Procedure，SFTP)所測試的。此外，這些表面區(qū)域上的PTWA涂層10提供一個或更多個其他效果:高功率下對氣門直徑的更少的封裝約束、火花塞的成本降低、火花塞耐用性提高、直噴式燃料噴射器的成本降低、直噴式燃料噴射器的燃料射流提高或者其組合，這些可促進(jìn)排放的降低以及燃料效率的提高。
[0031]在一個或更多個實(shí)施例，期望利用PTWA涂層10涂覆氣缸孔48的內(nèi)表面，如圖4所示。根據(jù)發(fā)動機(jī)內(nèi)的氣缸孔的幾何布置和/或燃料噴射形式，在氣缸孔48上會有燃料碰撞。因此，可期望涂覆氣缸孔48的整個內(nèi)表面或一部分。在一個實(shí)施例中，可利用PTWA涂層涂覆側(cè)邊直噴式發(fā)動機(jī)(side direct inject1n engine)或進(jìn)氣口燃料噴射式發(fā)動機(jī)(portfuel inject1n engine)的氣缸孔48的內(nèi)表面。
[0032]將要進(jìn)行PTWA涂覆的氣缸孔和/或氣缸蓋和/或活塞的表面可利用多種技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，以提高粘結(jié)和粘合強(qiáng)度。例如，將要涂覆PTWA涂層的表面可進(jìn)行預(yù)處理以提高質(zhì)地(texture)。在一個或更多個實(shí)施例中，可通過應(yīng)用水射流、鑄造、磨光、拋光、車削和/或其他任何技術(shù)來準(zhǔn)備將要進(jìn)行PTWA涂覆的表面。可利用粘結(jié)涂層來預(yù)涂將要進(jìn)行PTWA涂覆的表面。將要進(jìn)行PTWA涂覆的表面的質(zhì)地可與原材料的半成品一致。將要進(jìn)行PTWA涂覆的表面可以是光滑的或粗糙的。將要進(jìn)行PTWA涂覆的表面可以是微鋸齒狀的?？赏ㄟ^機(jī)械粗糙化來準(zhǔn)備將要進(jìn)行PTWA涂覆的表面。機(jī)械粗糙化的表面的峰值-波谷深度可以是大約Ιμπι或更大，大約30μπι或更大，或者大約60μπι或更大。
[0033]如圖7所示，用于活塞和/或氣缸蓋的PTWA涂層10的涂層焊絲100包括芯102和載體1041TWA涂層10被涂覆，而不是典型的陶瓷涂層或硝化層。涂層焊絲100可以是焊接工業(yè)中使用的藥芯焊絲。
[0034]芯102可含有一種或更多種碳?xì)浠衔镌噭?。涂層焊絲100的芯102可含有在催化轉(zhuǎn)化器中使用的一種或更多種材料，從而PTWA涂層10類似于催化轉(zhuǎn)化器涂層。因此PTWA涂層10有助于防止未耗盡的碳?xì)浠衔镌诨钊?或氣缸蓋的直接暴露于燃燒熱和壓力的表面區(qū)域上聚集，并允許降低排放同時提高燃料經(jīng)濟(jì)性。芯102可與固體、糊狀固體或糊狀物一 Sc ο
[0035]芯102可含有通常用在催化轉(zhuǎn)化器涂層的載體涂層(washcoat)中的組分。這些組分提供進(jìn)行反應(yīng)的最大可能的表面區(qū)域。這些組分可包括氧化鋁、鈰、鑭系元素、鈧、釔等或者其組合。芯102還可包括分散在載體涂層部件內(nèi)的一種或更多種催化金屬以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)。催化金屬可包括鈾、鈀、銘、銅、銅-鎳合金等或其組合。
[0036]載體104可包括一個或更多個載體絲106。所述一個或更多個載體絲106可包括多種等級的鋼、低碳鋼和低合金鋼、不銹鋼、鋁、鋯、碳化鎢等或者其組合。所述一個或更多個載體絲106可包括一種或更多種合金，例如軟合金、中硬合金或硬合金、具有分散在基質(zhì)中的硬的耐磨粒子的軟合金、招和銅的合金、鎳-招合金、高鎳合金、耐磨/堆焊合金(wearfacing/surfacing alloy)等或其組合。
[0037]涂覆的PTWA涂層10可具有可變或恒定的厚度。涂層10的厚度可根據(jù)特定涂覆需求而變化。涂層10的厚度需要例如確保涂層保持粘附到將要被涂覆的表面。PTWA涂層10的厚度可以是大約20μπ?或更小，大約150μπ?或更小，大約ΙΟΟμπ?或更小，大約75μπ?或更小，大約50μm或更小，或者大約25μπι或更小。熱涂層10的厚度可以是大約ΙΟμπι或更大，大約30μπι或更大，大約70μπι或更大，大約90μπι或更大，或者大約120μπι或更大。在通過焊絲焊頭涂覆之后PTWA涂層10可具有大約30-70μπι的厚度。PTWA涂層的目標(biāo)厚度可以是大約25-50μπι。
[0038]在一個或更多個實(shí)施例中，隨后可通過例如拋光對PTWA涂層10進(jìn)行處理，以去除涂層厚度的一定百分比。在一個或更多個后續(xù)步驟中可去除涂覆的PTWA涂層厚度的大約I %或更大，25 %或更大，50 %或更大，75 %或更大，或99 %或更大。在一個示例性實(shí)施例中，PTWA涂層10的厚度可減小大約50%，從拋光之前的大約50μπι減小到拋光之后的25μπι。
[0039]在活塞和/或氣缸蓋的至少一個選定表面區(qū)域上涂覆PTWA涂層10的方法通過包括等離子焊絲焊頭的焊炬(torch)實(shí)現(xiàn)，該等離子焊絲焊頭具有單獨(dú)的氣體保護(hù)和帶有A/C電流的焊絲供給。焊絲焊頭可以是針對氣缸孔的PTWA熱涂層而研發(fā)的焊絲焊頭?？捎蓹C(jī)器人控制該過程的焊絲焊頭和/或其他部件。該過程可以是至少部分地程序化的或自動化的。
[0040]該方法可包括在活塞和/或氣缸蓋的制造過程期間在精準(zhǔn)的點(diǎn)處涂覆PTWA涂層
10。例如，該方法可包括在完成了體積測量(cubing)操作和/或粗切削之后向氣缸蓋涂覆PTWA涂層10。該階段的涂覆允許對氣缸蓋進(jìn)行定位控制同時正確地涂覆燃燒室。該方法可包括在平衡活塞之前向活塞涂覆PTWA涂層10，從而不會向活塞增加額外的重量。
[0041]該方法可包括如上所述地預(yù)處理氣缸孔和/或氣缸蓋和/或活塞的表面。該方法可包括準(zhǔn)備焊絲的步驟，該焊絲包括用在催化轉(zhuǎn)化器中的一種或更多種金屬，從而PTWA涂層與如上所述的催化轉(zhuǎn)化器涂層類似。
[0042]該方法還可包括通過利用一個或更多個遮蔽模板48控制將要涂覆的熱涂層的邊界和/或形狀的步驟。遮蔽模板48用作模具，蓋住不涂覆PTWA涂層的表面并使將要涂覆的表面20暴露出來。在活塞和/或氣缸蓋將要接收PTWA涂層之前，遮蔽模板48能用在活塞和/或氣缸蓋上。如圖8A所示，遮蔽模板48在鑄造的燃燒室上方放置在四氣門氣缸蓋49上，如圖SB所示。遮蔽模板48由能承受PTWA工藝的高溫的材料制成。例如，遮蔽模板48由鋼或涂層鋼制成。遮蔽模板48可再利用。在一個實(shí)施例中，在將遮蔽模板48從已涂覆完的活塞和/或氣缸蓋49上取下之后，可通過介質(zhì)噴砂或其他方式來清潔遮蔽模板48，可再次切削或另外地磨光遮蔽模板48。
[0043]該方法還可包括將涂層材料以涂層焊絲的形式進(jìn)給到等離子電弧中的步驟。焊絲用作陽極。該方法還可包括在陰極和焊絲之間建立電弧的步驟。
[0044]該方法還可包括設(shè)定涂覆參數(shù)以產(chǎn)生期望的結(jié)果。例如，將要涂覆的活塞和/或氣缸蓋距焊絲焊頭的距離、焊絲進(jìn)給速率以及諸如弧電流、弧電壓、等離子氣體流量、保護(hù)氣體流量、焊速和/或振動速度的其他變量將確定熱涂層的厚度以及基底上的涂層的表面質(zhì)地?？赏ㄟ^重復(fù)工藝和/或減少一個或更多個后續(xù)步驟而將基底上涂層的厚度建立成任何期望的水平。循環(huán)時間取決于活塞和/或氣缸蓋的尺寸。
[0045]優(yōu)選地，焊炬頭(torch head)的速度為大約30m/s或更小，大約20m/s或更小，或1m/s或更小。優(yōu)選地，焊炬頭的速度為大約25m/s或更大，大約35m/s或更大，或大約45m/s或更大。更優(yōu)選地，焊炬頭的速度為大約40m/s ο優(yōu)選地，焊絲進(jìn)給速率為大約20m/s或更小，大約1m/s或更小，或大約5m/s或更小。優(yōu)選地，焊絲進(jìn)給速率為大約15m/s或更大，大約25m/s或更大，或大約35m/ s或更大。更優(yōu)選地，焊絲進(jìn)給速率為大約23_24m/s。優(yōu)選地，保護(hù)氣體壓力為大約80-120psi。更優(yōu)選地，保護(hù)氣體壓力為大約10psi。優(yōu)選地，等離子氣體流量為大約60-100amp，更有選地，為大約88apm。循環(huán)時間可小于I分鐘，或大約I分鐘，或大于I分鐘。
[0046]該方法還可包括在距焊絲焊頭一定距離處固定將要涂覆的活塞或氣缸蓋或氣缸孔并且朝向活塞或氣缸蓋移動焊絲焊頭的步驟?？蛇x地，活塞和/或氣缸蓋和/或氣缸孔可朝向被固定在預(yù)定距離處的焊絲焊頭前進(jìn)。因?yàn)榛钊?或氣缸蓋和/或氣缸孔可朝向用于大批量生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備(carousel)、自動傳送帶或其他平臺上的焊絲焊頭前進(jìn)，所以后者可能是有利的，尤其是關(guān)于大批量生產(chǎn)。因?yàn)閺暮附z焊頭出來的等離子射流形狀呈圓錐形，所以這對于通過編程出機(jī)器人保持焊絲焊頭或者可選地保持活塞和/或氣缸蓋的路徑來控制涂層的沉積是有利的。
[0047]該方法還可包括產(chǎn)生等離子體、霧化焊絲、以及通過保護(hù)氣體將霧化后的焊絲吹送到活塞和/或氣缸蓋的暴露表面。該方法還可包括形成厚度為大約ΙΟΟμπ?或更小、大約75μm或更小、大約50μπι或更小或者大約25μπι或更小的PTWA涂層的步驟。該方法可包括形成厚度為大約ΙΟμπι或更大、大約30μπι或更大、大約70μπι或更大或者大約90μπι或更大的PTWA涂層的步驟。該方法可包括獲得厚度為大約25-50μπι的PTWA涂層的步驟。
[0048]該方法還可包括冷卻活塞和/或氣缸蓋和/或氣缸孔的表面的步驟。優(yōu)選地，在將活塞和/或氣缸蓋和/或氣缸孔的已被PTWA涂覆的表面粗糙化到期望的質(zhì)地和/或厚度之前，可將該表面冷卻到人手可觸摸的程度。該方法還可包括移除遮蔽模板。
[0049]該方法可包括通過磨光、粗糙化、拋光、機(jī)加工等或其組合來實(shí)現(xiàn)PTWA涂層期望的質(zhì)地和/或厚度。該方法可包括實(shí)現(xiàn)大約25_50μπι的期望厚度的步驟。該方法還可包括機(jī)加工去掉(machine away)活塞和/或氣缸蓋和/或氣缸孔的一個或更多個區(qū)域和/或去除活塞和/或氣缸蓋和/或氣缸孔的一個或更多個區(qū)域的超范圍噴涂。
[0050]通過使用PTWA工藝來選擇性地涂覆活塞和/或氣缸蓋和/或氣缸孔，與其他涂覆方法相比，實(shí)現(xiàn)了熱膨脹下的更好的粘附。在燃燒期間，在從大約-40°C到大約1800°C的熱膨脹和熱收縮下，PTWA涂層保持粘附到招質(zhì)氣缸蓋的活躍表面(moving surface)。因此，由于活塞和/或氣缸蓋和/或氣缸孔的特定涂覆表面，本公開允許以更好的熱-動態(tài)和機(jī)械地有效方式來管理缸體和氣缸蓋的結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱梯度。
[0051]雖然如上描述了示例性實(shí)施例，但并不意味著這些實(shí)施例描述了本發(fā)明的所有可能的形式。相反，在說明書中使用的詞語是描述性詞語而不是限制性詞語，并且應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以作出各種改變。此外，可以將各個實(shí)施例的特征進(jìn)行組合以形成本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種方法，包括: 選擇性地遮蔽內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的氣缸的表面部分，以獲得遮蔽部分和暴露部分； 將等離子轉(zhuǎn)移絲電弧材料涂覆到暴露部分，以獲得選擇性的等離子轉(zhuǎn)移絲電弧涂層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，涂覆步驟包括僅向暴露部分涂覆等離子轉(zhuǎn)移絲電弧材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的氣缸包括活塞。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述表面部分包括活塞表面部分。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述暴露部分包括活塞上環(huán)安裝表面、活塞上環(huán)槽表面、活塞凹坑表面和進(jìn)氣門下方的活塞表面中的一個或更多個。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的氣缸包括氣缸蓋。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述表面部分包括氣缸蓋表面部分。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述暴露部分包括排氣門之間的連接表面、火花塞和排氣門之間的連接表面、直噴式燃料噴射器和排氣門之間的連接表面、火花塞和直噴式燃料噴射器之間的連接表面以及氣門座表面。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括在選擇性地遮蔽氣缸蓋的表面之前使氣缸蓋粗糙化。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，等離子轉(zhuǎn)移絲電弧涂層材料包括一種或更多種催化材料，所述一種或更多種催化材料包括鉑、鈀、銠、銅、銅-鎳合金或其組合。
【文檔編號】C23C4/01GK105904068SQ201610096428
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年2月22日
【發(fā)明人】威廉·查爾斯·婼娜, 里克·L·威廉姆斯, 托馬斯·G·里昂, 克利福德E·馬基
【申請人】福特全球技術(shù)公司