本發(fā)明總體上涉及在熱噴涂保護(hù)涂層和目標(biāo)基底之間獲得更好的粘合，并且尤其涉及在氣缸孔表面上使用電鍍的粘合層，以改進(jìn)氣缸孔表面與隨后涂覆的熱噴涂涂層之間的粘合，從而不需要分離的孔襯套。

內(nèi)燃機(jī)(ICE)的氣缸壁被制造成在氣缸壁與發(fā)動(dòng)機(jī)的往復(fù)活塞之間具有緊密公差的精確標(biāo)準(zhǔn)，作為促進(jìn)高效發(fā)動(dòng)機(jī)操作的方式。由更高旋轉(zhuǎn)速度和更熱、更完全燃燒過程導(dǎo)致的更多功率在發(fā)動(dòng)機(jī)上施加了額外的負(fù)載，使得會(huì)消極地影響其耐久性，尤其是在采用輕質(zhì)材料的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造中，該輕質(zhì)材料的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造可能不像其鐵基對(duì)應(yīng)體一樣堅(jiān)固。與增加的熱和摩擦負(fù)載被傳遞到構(gòu)成這些先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的燃燒室的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的氣缸壁(以及活塞和火花塞機(jī)構(gòu))相比，這些問題沒有得到關(guān)注。

用于對(duì)由輕質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)合金制成的氣缸孔提供保護(hù)的傳統(tǒng)方式是使用分離的氣缸套筒(也被稱為襯套)。在傳統(tǒng)方式中，套筒由鐵基材料制成。盡管這樣的套筒可用于實(shí)現(xiàn)其預(yù)期目的，但這給發(fā)動(dòng)機(jī)增加了很大重量(例如，對(duì)于四缸發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到5磅)。而且，通過被設(shè)計(jì)成適配在上述精確尺寸的氣缸孔內(nèi)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制造和相關(guān)部件存貨的成本。

熱噴涂技術(shù)已經(jīng)顯示為在工件上沉積保護(hù)涂層(諸如熱障涂層、磨損涂層、抗腐蝕涂層等)的方式。高沉積速率使得這樣的涂覆方法適合大規(guī)模制造，從而與上述氣缸孔及被設(shè)計(jì)成在其中往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞的生產(chǎn)相關(guān)聯(lián)。已知的熱噴涂技術(shù)的示例包括等離子轉(zhuǎn)移絲弧(PTWA)、旋轉(zhuǎn)單絲(RSW)、超音速火焰噴涂(HVOF)、粉體等離子和雙絲弧(TWA)。本發(fā)明人先前研究了使用熱噴涂涂層作為避免氣缸套筒方式的方式，但發(fā)現(xiàn) 這樣的涂層經(jīng)受著與該涂層不能粘附在氣缸孔的壁上相關(guān)的耐久性問題，這多是由于熱導(dǎo)應(yīng)力和伴隨的裂化導(dǎo)致的。

熱噴涂保護(hù)涂層與基底的粘合是用于確定涂層是否適用于特定應(yīng)用的十分重要的尺度。傳統(tǒng)上，通過各種表面活化預(yù)處理步驟來完成涂層與基底粘合的改進(jìn)，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(jī)械鎖定(諸如通過燕尾連接和相關(guān)底切)的方式。盡管對(duì)于其預(yù)期目的有效，但這增加了噴涂部件制造工藝的復(fù)雜性和成本。例如，基于機(jī)械鎖定的方法涉及高的加工成本；這些成本趨于由于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(jī)械鎖定)。這些清潔需求(和基底預(yù)處理)中的一些還使用揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)，在對(duì)其潛在負(fù)面環(huán)境影響的日益詳細(xì)的檢查時(shí)需要這些揮發(fā)性有機(jī)化合物。

傳統(tǒng)表面加工技術(shù)(諸如上述的噴水、噴砂或機(jī)械鎖定)的替代方案是在電解質(zhì)溶液中將涂層(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(dǎo)致相對(duì)多孔的表面，該表面在氣缸孔與在其中重復(fù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞之間具有較差的摩擦(即，磨損)特性。例如，這樣的涂層往往非常厚(通常在約20μm至約50μm之間)并且具有高粗糙度(通常大于約5.0μm)和硬度值(通常在約800Hv至約1400Hv之間)。而且，這樣的涂層往往經(jīng)受不充足的磨損韌性和相關(guān)堅(jiān)固性。因此，仍然需要這些已知方法的替代方案，用于將保護(hù)涂層整體上粘附至基底上，并且尤其是粘附至發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸孔的壁上。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種用于涂覆鋁基發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)圓周表面，以及一旦活化了所述粘涂表面，就沉積一層或多層熱噴涂涂層。在本發(fā)明上下文中，基本上整個(gè)氣缸孔包括暴露(或可以合理地預(yù)期暴露)于燃燒過程的那些部分。換言之，為了本發(fā)明的目的，氣缸孔的限定了如 下波動(dòng)容積的部分構(gòu)成其基本上全部，該波動(dòng)容積對(duì)應(yīng)于沿著氣缸壁的長(zhǎng)度或高度的活塞行進(jìn)路徑，工作流體被導(dǎo)入該波動(dòng)容積中、與燃料混合、點(diǎn)燃并排出。因此，實(shí)質(zhì)整體不需要包括氣缸孔的在活塞行進(jìn)路徑下面(即，在活塞的與燃燒室相對(duì)的一側(cè)上)的那些部分，盡管在需要時(shí)，本發(fā)明可以對(duì)不暴露于燃燒過程的這些表面進(jìn)行處理。并且，通過將粘合層電鍍到所述表面上，它們之間發(fā)生化學(xué)粘合以達(dá)到僅通過涂覆技術(shù)(例如各種氣相沉積或等離子噴涂技術(shù))不能復(fù)制的粘合度，在涂覆技術(shù)中，粘合層僅粘附到基底上。在如此操作時(shí)，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的表面活化和涂覆，而沒有與諸如如上所述的那些傳統(tǒng)噴射、噴涂或機(jī)械鎖定方法相關(guān)聯(lián)的負(fù)面外部因素。在一些情況下，這繼而有助于簡(jiǎn)化這些預(yù)處理，而在其它情況下，可以完全避免這種預(yù)處理。在一個(gè)優(yōu)選形式中，熱噴涂涂層為耐磨涂層。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種用于在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸孔表面與設(shè)置于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，將鈦基金屬制品置于電鍍?nèi)芤褐校煌ㄟ^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，將熱噴涂涂層沉積在活化表面上；以及將活塞置于氣缸孔內(nèi)，使得在包括氣缸孔和活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，活塞沿著基本上涂覆了粘合層和熱噴涂涂層的行進(jìn)路徑往復(fù)運(yùn)動(dòng)。構(gòu)成氣缸孔的材料優(yōu)選為鋁基材料、鎂基材料或兩者的組合，而粘合層優(yōu)選基于TiO₂，并且熱噴涂涂層為鐵基耐磨涂層。

根據(jù)本發(fā)明的又一方面，公開了由發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體構(gòu)成的內(nèi)燃機(jī)部件，所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體具有形成于其中的多個(gè)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(dǎo)致孔的基本上整個(gè)內(nèi)圓周被覆蓋。在優(yōu)選形式中，粘合層和熱噴涂涂層的組合使得發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體能夠在沒有分離的套筒、襯套或相關(guān)插入件的情況下操作。

附圖說明

在結(jié)合以下附圖進(jìn)行閱讀時(shí)，可以最好地理解本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的 以下具體說明，其中，在附圖中使用相同的附圖標(biāo)記表示相同的結(jié)構(gòu)并且在附圖中不一定按比例繪制各部件：

圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的概念上的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的圖，所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體具有形成于其中的可接納電鍍粘合層和保護(hù)涂層的四個(gè)氣缸孔；

圖2描繪了將粘合層電鍍到圖1中的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸孔壁上的簡(jiǎn)化圖；

圖3A和圖3B描繪了兩個(gè)涂覆的粘合層，其分別具有薄層和適度層并且粗糙度、孔徑和孔密度相應(yīng)增加；

圖4描繪了熱噴涂裝置與圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸孔壁的協(xié)作放置；以及

圖5示出了發(fā)動(dòng)機(jī)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(hù)涂層之間的協(xié)作的放大圖。

具體實(shí)施方式

首先，參照?qǐng)D1和圖2，示出了四缸汽車內(nèi)燃機(jī)機(jī)體100的簡(jiǎn)化圖，其中概念上的電鍍槽200被置于一個(gè)氣缸孔110上。除了孔110之外，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造，機(jī)體100除此之外還包括用于曲軸箱、曲軸軸承、凸輪軸軸承(當(dāng)前均未示出)、冷卻劑或潤(rùn)滑劑流動(dòng)路徑120、功率輸出連接器130、車輛集成/安裝硬件140、水冷卻夾套150和頭安裝硬件160的部分。如上所述，傳統(tǒng)上，這些孔110包括尺寸適于牢固地安裝于其中的分離的重型鑄鐵插入件或套筒(通常厚度達(dá)約2mm至2.5mm)。實(shí)際上，在機(jī)體100為輕質(zhì)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(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造中，傳統(tǒng)上認(rèn)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，可用于避免對(duì)這樣的襯套的需求的、本發(fā)明的粘合層和熱噴涂涂層的組合厚度明顯(例如，至少一個(gè)數(shù)量級(jí))更薄。

包括水溶液(未示出，本文中也稱為電鍍液)的槽200是用于實(shí)現(xiàn)構(gòu) 成氣缸孔110的內(nèi)壁的合金與粘合層300之間的化學(xué)粘合的電鍍技術(shù)的基座。與可能僅具有涂覆到鋁或其它輕金屬基基底的涂層的粘附作用相比，這種粘合形成了二者的更加集成、堅(jiān)固的連接。在本上下文中，參照基底、表面、內(nèi)壁、圓周表面等術(shù)語應(yīng)被詮釋成包括鑄造氣缸機(jī)體100的內(nèi)壁，通過本發(fā)明的涂層，鑄造氣缸機(jī)體100可以避免被設(shè)置成裝配在孔110內(nèi)的分離的圓柱形套筒、插入件或相關(guān)襯套。

傳統(tǒng)上，由于相對(duì)于氫的大的負(fù)還原氧化(氧化還原反應(yīng))電勢(shì)，活性金屬(諸如鈦)的電鍍被視為難以用水介質(zhì)實(shí)現(xiàn)；在這樣的構(gòu)造中，優(yōu)先還原氫，從而保留許多(如果不是基本上全部)鈦未反應(yīng)。在不同于強(qiáng)酸性的溶液(例如，pH水平大于約1的情形)中，這些困難尤為嚴(yán)重。然而，最新的改進(jìn)顯示，可以使用適當(dāng)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，更具體地介于約5.0和8.0之間的特定pH值范圍的硝酸離子(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(luò)合劑(諸如EDTA基鹽、檸檬酸鹽、硝基三醋酸鹽、環(huán)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“用于形成二氧化鈦膜的水溶液以及二氧化碳膜的制備(AQUEOUS SOLUTION FOR FORMING TITANIUM OXIDE FILM,AND PRODUCTION OF TITANIUM OXIDE FILM)”的日本公開申請(qǐng)11-158691以及在題為“納米晶體二氧化鈦薄膜的負(fù)極電沉積(CATHODIC ELECTRODEPOSITION OF NANOCRYSTALLINE TITANIUM DIOXIDE THIN FILMS)”的文章，電化學(xué)學(xué)會(huì)(Electrochemical Society)的期刊(1996年5月第143卷，第5期)中發(fā)現(xiàn)；這兩個(gè)參考文獻(xiàn)均通過引用完全并入本文。

作為描述本發(fā)明的方式，盡管當(dāng)前以簡(jiǎn)化形式示出了僅涂覆到機(jī)體100的四個(gè)氣缸孔110之一，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，也可以采用槽200的完全沉浸等效物的使用。然而，在優(yōu)選形式中，優(yōu)選目標(biāo)涂層，因?yàn)槠浔苊饬藢⑼獠客繉又糜诳赡懿恍枰繉拥牡胤?。在一個(gè)形式中，通過相應(yīng)的入口210和出口220將電鍍液230連續(xù)地饋送至槽200并從槽 200移除；這有助于確保溶液230保持已知的電解液濃度。在一種示例性形式中，當(dāng)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(shí)，可以使用泵(未示出)將新鮮電鍍液230導(dǎo)入槽200中。在一種優(yōu)選形式中，在相對(duì)低的溫度(諸如介于約60°F和120°F之間)下進(jìn)行電鍍操作約1到5分鐘，并且電鍍操作涉及通過已知?jiǎng)与娢?、恒電位、?dòng)電流或恒電流手段應(yīng)用電流(諸如介于約300V_DC到450V_DC之間)。

特別參照?qǐng)D2，非導(dǎo)電隔離器240(當(dāng)前以O(shè)形環(huán)、墊圈等形式示出)可以被置于槽200與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體100內(nèi)的每個(gè)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(dǎo)入電鍍液230以開始電鍍操作。裝配于由氣缸孔110所限定的容積內(nèi)的鈦基陰極250被置于電鍍液230內(nèi)，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(xì)長(zhǎng)的桿。電流源260(諸如發(fā)電機(jī)、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(shì)來產(chǎn)生電流流動(dòng)。依據(jù)所形成的粘合層300的期望厚度，電鍍過程優(yōu)選用時(shí)不超過約5分鐘，更優(yōu)選不超過約60秒。

由于在電鍍液230內(nèi)存在試劑(諸如酸、氰化物、pH平衡劑等)，一旦作為促進(jìn)隨后涂覆的熱噴涂涂層400(這將在下文更詳細(xì)地討論)的更好結(jié)構(gòu)和相關(guān)機(jī)械性能的方式涂覆了粘合層300，可以優(yōu)選執(zhí)行一些活化步驟。在一種特定形式中，粘合后的氣缸孔110(連同采用全浸槽200的這種構(gòu)造中的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體100的剩余部分)可以被從電鍍槽200中移除并隨后經(jīng)受一個(gè)或多個(gè)清潔步驟(未示出其中任何一個(gè))，其中，清潔步驟包括脫脂、沖洗、去離子、去氧化、微粗糙化紋理等。也可以在電鍍操作之前對(duì)氣缸孔110應(yīng)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(fā)明實(shí)現(xiàn)的粘附至少約40MPa或更大。

接下來參照?qǐng)D3A和圖3B，示出了描繪根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)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(shè)計(jì)用于輕微磨損應(yīng)用的涂層300A；該涂層厚度在約5μm至6μm之間，其 中可在進(jìn)行任何上述電鍍活動(dòng)之前通過孔110的預(yù)加工對(duì)粗糙度進(jìn)行控制。在另一種形式(未示出)中，涂層300A甚至可以更薄，約為3μm左右。類似地，圖5B示出了被設(shè)計(jì)用于輕微磨損應(yīng)用的平滑涂層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，涂層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(yōu)選范圍在約3μm至約50μm之間，而隨后涂覆的熱噴涂涂層400的厚度至少為100μm。值得注意的是，高水平的孔隙在涂層300A和涂層300B中都非常明顯。這說明，當(dāng)孔隙提供的增大的表面紋理允許熱噴涂涂層400將更多的位置鎖定至合適的位置上時(shí)，發(fā)生顯著的化學(xué)粘合(及伴隨的粘附)。因此，盡管使得暴露層(例如涂層300A和300B的暴露層)具有如此高的孔隙度通常是不可取的，但將其用作用于熱噴涂涂層400的隨后涂覆的層的粘合層300是可取的。無論如何，粘合層300的孔隙的直徑應(yīng)優(yōu)選地小于約0.5mm。

接下來，參照?qǐng)D4和圖5，一旦將粘合層300電鍍至氣缸孔110的內(nèi)壁上，就可采用工藝來沉積外層熱噴涂涂層400。在一種優(yōu)選形式中，熱噴涂涂層400為耐磨涂層的形式。在一種優(yōu)選形式中，熱噴涂涂層是鐵基的，諸如通過碳鋼合金絲。用于涂覆涂層的裝置優(yōu)選地為可用作本發(fā)明的一部分的等離子體噴槍500(或者簡(jiǎn)稱等離子體槍)的形式。與等離子體噴槍500相關(guān)的細(xì)節(jié)可在題為“通過等離子體射流對(duì)氣缸孔上的熱噴涂涂層進(jìn)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(guó)申請(qǐng)第14/535,404號(hào)中找到，該申請(qǐng)由本發(fā)明的受讓人擁有并且通過引用全部并入本文中?？梢允褂迷鰤狠S向流體導(dǎo)管510形式的桿(可以被形成為旋轉(zhuǎn))作為槍500的緊固安裝平臺(tái)。旋轉(zhuǎn)軸向流體導(dǎo)管510與其在氣缸孔110中的應(yīng)用之間的協(xié)作的細(xì)節(jié)可在題為“對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸孔涂層的非破壞性粘附測(cè)試(NON-DESTRUCTIVE ADHESION TESTING OF COATING TO ENGINE CYLINDER BORE)”的共同未決美國(guó)申請(qǐng)第14/335,974號(hào)中找到，該申請(qǐng)由本發(fā)明的受讓人擁有并且通過引用全部并入本文中。特別參照?qǐng)D5，示出了描繪利用粘合層300和熱噴涂涂層400進(jìn)行了處理的氣缸孔110的壁的部分的顯微圖?？偙Ｗo(hù)涂層厚度約為100μm，其中約10μm 歸因于粘合層300。

值得注意的是，在本文中，諸如“優(yōu)選地”、“通常地”、“典型地”的術(shù)語并非用于限制本發(fā)明的范圍或意味著某些特征對(duì)于本發(fā)明的結(jié)構(gòu)或功能是關(guān)鍵的、本質(zhì)的或甚至重要的。相反，這些術(shù)語僅意在用來強(qiáng)調(diào)在本發(fā)明的具體實(shí)施方式中可以使用或不可以使用的替代的或額外的特征。

出于描述和限定本發(fā)明的目的，值得注意的是，在本文中使用術(shù)語“基本上”和“約”及其變型來表示可能屬于任何定量比較關(guān)系、值、測(cè)量或其它表示的不確定性的固有程度。在本文中還使用術(shù)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(huì)導(dǎo)致討論中的主題的基本功能的變化。

在參照具體實(shí)施方式詳細(xì)描述了本發(fā)明后，將顯而易見的是，在不背離由本發(fā)明所附權(quán)利要求限定的范圍的情況下，可以進(jìn)行修改和變型。特別地，可以預(yù)見的是，本發(fā)明的范圍并不一定限制于給定的優(yōu)選方面和示例實(shí)施方式，但其應(yīng)當(dāng)由所附權(quán)利要求進(jìn)行約束。