專利名稱：鋼活塞的熱氧化保護(hù)面的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及柴油機(jī)的具有經(jīng)過(guò)抗熱氧化降解特別處理的頂?shù)幕钊约爸圃爝@種活塞的方法，特別是涉及用于燃料噴射式柴油機(jī)應(yīng)用中的鋼型活塞。
背景技術(shù)：
柴油機(jī)是運(yùn)行于眾所周知的熱力循環(huán)中的往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，在該熱力循環(huán)中，燃料被注入壓縮充氣腔、膨脹以對(duì)活塞產(chǎn)生作用的自燃混合物和在循環(huán)結(jié)束時(shí)耗盡的材料。在大型鋼活塞例如用于柴油車應(yīng)用的大型鋼活塞中，燃燒過(guò)程中通常采用多孔噴嘴注入燃料。多孔噴嘴位于活塞頂上盡可能中心的位置，以徑向噴霧形式排放燃料。設(shè)計(jì)活塞頂上的下陷碗狀部以確保噴霧和回轉(zhuǎn)式空氣形成的空氣-燃料混合物在噴射過(guò)程中完全充滿燃燒空間，從而獲得最佳性能。如果空氣-燃料混合物無(wú)法完全填滿活塞頂上的碗狀部，空氣利用率和功率輸出都會(huì)下降。結(jié)果是導(dǎo)致其抗污染排放性能大大下降。同樣地，如果產(chǎn)生溢流，所述混合物溢出獨(dú)立噴射物之間的空間，那么所產(chǎn)生的過(guò)度局部燃料集中將導(dǎo)致空氣不足，并導(dǎo)致煙灰生成量的增加，而且會(huì)降低柴油機(jī)的抗污染排放性能。
除了這些時(shí)機(jī)掌握問(wèn)題之外，另一個(gè)問(wèn)題也會(huì)導(dǎo)致活塞設(shè)計(jì)的抗污染排放性能下降。由于噴射進(jìn)柴油機(jī)的燃料自燃，故需要采用高十六垸值燃料。燃燒的燃料噴霧產(chǎn)生強(qiáng)熱。形成于鋼活塞頂上的碗狀部在其非常鄰近燃燒室頂邊和/或位于燃燒室頂邊上的區(qū)域，也就是，活塞頂?shù)耐霠畈亢推巾斶吘壷g的唇形界面，典型地被氧化。其結(jié)果是產(chǎn)生從多孔噴嘴延伸的火炬徑向延
伸的噴霧。該火炬燃燒效果使鋼氧化呈Fe203狀，所產(chǎn)生的氧化物不會(huì)粘附于底層未受影響的鋼基材上。機(jī)械膨脹/收縮過(guò)程最終以"剝落"方式去除氧化層。隨著時(shí)間的過(guò)去，用肉眼可見(jiàn)腐蝕區(qū)域。這種碗狀部唇緣形狀的變化對(duì)燃燒過(guò)程產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的活塞頂?shù)娜紵业目刮廴九欧判阅芟陆?。此外，腐蝕區(qū)域從結(jié)構(gòu)上弱化了活塞。活塞的撓曲、膨脹和收縮會(huì)導(dǎo)致徑向裂縫產(chǎn)生，該裂縫延伸并最終導(dǎo)致活塞故障。
己進(jìn)行各種嘗試來(lái)應(yīng)對(duì)燃料燃燒產(chǎn)生強(qiáng)熱釋放所帶來(lái)的碗狀部唇緣氧化問(wèn)題。例如， 一些方法采用為抗氧化和腐蝕特別合成的合金制造整個(gè)活塞頂。然而，卡車應(yīng)用的大直徑活塞的活塞頂需要大量材料。因而這種特別合成的合金顯著增加了柴油機(jī)成本。
另一種現(xiàn)有技術(shù)也嘗試解決這一問(wèn)題，例如Hoeg申請(qǐng)的、授權(quán)公告日為1998年9月28日的第5,958,332號(hào)美國(guó)專利。在該實(shí)例中，將采用耐高溫、抗腐蝕合金制成的專用盤(pán)焊接至活塞或其他發(fā)動(dòng)機(jī)元件的臨界區(qū)域。然而，這種活塊制造的專用合金盤(pán)顯著增加了活塞組件的成本，而且使得制造過(guò)程增加了很多處理和組裝步驟。在很多實(shí)例中，建議將耐高溫鋼甚至陶瓷基材料的環(huán)面冷縮配合于燃燒室中。然而，在應(yīng)用之前存在同樣的限制。因此，長(zhǎng)期以來(lái)都未能解決低成本鋼活塞的活塞頂由于近燃燒室唇緣處柴油機(jī)燃燒所帶來(lái)的氧化和強(qiáng)熱而導(dǎo)致退化的問(wèn)題。商業(yè)上應(yīng)用的解決方案必須便于實(shí)現(xiàn)，在保持長(zhǎng)效排放達(dá)標(biāo)性能的同時(shí)不會(huì)增加整個(gè)產(chǎn)品或加工的成本。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種改善內(nèi)燃機(jī)活塞頂抗氧化和腐蝕性能的方法。該方法包括下列步驟提供活塞，該活塞具有呈現(xiàn)外部頂表面的頂；準(zhǔn)備基本由抗腐蝕抗氧化合成物構(gòu)成的涂層材料;將所述涂層材料涂覆于所述活塞頂，使得該涂層材料附于具有涂覆成形微結(jié)構(gòu)和涂覆成形孔隙度小于整個(gè)材料密度100%的所述頂表面。該方法進(jìn)一步包括采用高能激光束照射所述涂層的步驟，從而在重構(gòu)微結(jié)構(gòu)并在所述涂層和所述頂表面之間產(chǎn)生材料結(jié)合的同時(shí)，增加該涂層的密度。所述照射步驟實(shí)質(zhì)上將所述頂表面的所述涂層與所述材料相融合，從而產(chǎn)生性能與原涂層和頂表面材料均不同的合成材料。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種操作燃料噴射式柴油機(jī)中的鋼活塞的方法。該方法包括下列步驟提供具有汽缸蓋的發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸；提供具有頂?shù)幕钊?，所述頂包括大致環(huán)狀的緣和設(shè)于該緣下方的凹陷碗狀部，所述緣和所述碗狀部之間的界面形成大致環(huán)狀的唇緣；使所述活塞在所述汽缸中朝向汽缸蓋和遠(yuǎn)離汽缸蓋做往復(fù)運(yùn)動(dòng)；將液體燃料朝向所述活塞頂?shù)拇骄墢?qiáng)制排入汽缸；以及燃燒與所述活塞頂?shù)拇骄夃徑娜剂?。所述提供活塞的步驟包括通過(guò)將涂層材料涂覆于具有涂覆成形微結(jié)構(gòu)和涂覆成形孔隙度小于整個(gè)材料密度100%的所述唇緣來(lái)改變所述活塞頂?shù)拇骄壍谋砻婧铣晌铮鐾繉硬牧匣居煽垢g抗氧化的合成物構(gòu)成；然后采用高能激光束照射所述涂層，從而在重構(gòu)微結(jié)構(gòu)并在所述涂層和所述唇緣之間產(chǎn)生材料結(jié)合的同時(shí)，增加該涂層的密度。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種燃料噴射式柴油機(jī)的活塞。該活塞包括大致圓柱狀的裙部，其上橫穿有一對(duì)相對(duì)銷孔。附于所述裙部頂上的頂包括大致環(huán)狀的緣和設(shè)于該緣下方的凹陷碗狀部。沿所述緣和所述碗狀部之間的界面形成大致環(huán)狀的唇緣。所述唇緣具有基本由采用高能激光束照射的經(jīng)涂覆的抗腐蝕抗氧化合成物形成的結(jié)合表面處理。
本發(fā)明方法和活塞結(jié)構(gòu)通過(guò)有意識(shí)地準(zhǔn)備和處理活塞頂?shù)拇骄墔^(qū)域，該區(qū)域包括環(huán)狀緣和凹陷碗狀部之間的界面，能夠更好地承受從噴射器噴嘴向所述唇緣噴射的燃燒中的液體燃料所帶來(lái)的破壞作用，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足。根據(jù)本發(fā)明制造和操作的低成本鋼活塞能夠充分延長(zhǎng)其使用壽命，保持長(zhǎng)效排放達(dá)標(biāo)性能以及活塞結(jié)構(gòu)完整性。


為便于理解本發(fā)明的上述及其他特征及優(yōu)點(diǎn)，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，其中
圖1是現(xiàn)有柴油機(jī)鋼活塞的立體圖2是圖1所示現(xiàn)有活塞的俯視圖，描繪了實(shí)現(xiàn)多個(gè)徑向延伸的燃料噴霧的中心定位多孔燃料噴嘴；
圖3是大致沿圖2中3-3線的片段剖視圖4是根據(jù)本發(fā)明的鋼制柴油機(jī)活塞的片段剖視圖，舉例描述了將抗腐蝕抗氧化合成物的噴霧材料強(qiáng)行推入活塞頂最易受影響的部分；
圖5是如圖4所示的剖視圖，但展示了涂覆有耐用涂層材料的活塞頂所有最易受影響的區(qū)域；圖6是圖5所示的活塞頂?shù)钠纹室晥D，但描繪了表面經(jīng)高能激光束照射后在重構(gòu)其微結(jié)構(gòu)并在所述涂層和所述頂表面之間建立材料結(jié)合的同時(shí)增加了涂層密度；
圖7是根據(jù)本發(fā)明的活塞的立體圖，該活塞包括設(shè)于活塞頂?shù)木壊恐系牡谝画h(huán)形防護(hù)罩，以防止涂層表面的確定位置受到不必要的照射；
圖8是大致沿圖7中8-8線的片段剖視圖，描繪了高能激光束照射在其上設(shè)有第一環(huán)形防護(hù)罩的活塞頂?shù)耐霠顓^(qū)域中的涂層；
圖9是活塞的立體圖，該活塞包括覆蓋于碗狀區(qū)域和閥套的第二防護(hù)罩以便僅活塞頂?shù)钠教股暇壊勘┞对谕猓?br> 圖10是大致沿圖9中10-10線的片段剖視圖，描繪了第二防護(hù)罩對(duì)激光束的反射，以使激光束照射緣部涂層的過(guò)程中不會(huì)照射在閥套上；
圖11是活塞的立體圖，展示了設(shè)于活塞頂?shù)捻敳績(jī)H將閥套暴露在外的第三防護(hù)罩，以便該區(qū)域的涂層能夠被高能激光束照射；以及
圖12是大致沿圖11中的12-12線的片段剖視圖，描繪了高能激光束照射閥套區(qū)域的涂層從而完成活塞頂?shù)谋砻嫣幚怼?br> 具體實(shí)施例方式
參照附圖，其中相似數(shù)字指代這幾幅圖中相似或相應(yīng)零部件，燃料噴射式柴油機(jī)的鋼活塞20如圖1所示。該活塞20是適用于燃料噴射式柴油機(jī)類型的活塞。該活塞20包括大致圓柱狀的邊緣(skirt)部22，該邊緣部22上橫穿有一對(duì)相對(duì)設(shè)置的銷孔24。當(dāng)活塞20在柴油機(jī)汽缸(圖未示)中往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，邊緣部22引導(dǎo)并支撐活塞20，同時(shí)銷孔24收容一連接至連桿(圖未示)上端且最終連接至柴油機(jī)曲柄軸的活塞銷或耳軸銷。頂26附于邊緣部22頂上。在本發(fā)明的該較佳實(shí)施例中，邊緣部22和頂26采用整體鋼材一體形成。該材料成分可從已知的多個(gè)種類中任意選擇，包括但不限于相對(duì)低廉的SAE4140H合金鋼?；钊?0可以采用所謂"接合"式，來(lái)代替所展示的單件設(shè)計(jì)，其中通過(guò)環(huán)繞活塞銷的常見(jiàn)連接，頂26可相對(duì)邊緣部20輕微轉(zhuǎn)動(dòng)。
頂26包括多個(gè)環(huán)狀槽28，用以收容壓縮環(huán)和/或油環(huán)(圖未示)。環(huán)狀槽28形成于頂26的圓柱外滑動(dòng)面，該圓柱外滑動(dòng)面的上端與頂緣30相交叉。頂緣30為構(gòu)成活塞20最高頂部的大致平坦的環(huán)形區(qū)域。通常，雖然并非必要，頂緣30上形成有一個(gè)或多個(gè)閥套32，在活塞20位于其上止點(diǎn)("TDC")位置時(shí)，為排氣和/或進(jìn)氣閥門頭25 (如圖3中虛線所示)提供余隙空間。
由頂緣30界定的頂26的中心內(nèi)部區(qū)域34即所熟知的碗狀部。該碗狀部34包括構(gòu)成活塞頂26頂部空腔的燃燒室部。多孔噴嘴36，放置于頂26上該延伸的燃燒凹陷中心之上，以多個(gè)徑向噴霧38的方式噴射燃料。噴嘴36及其噴出的燃料噴霧38的結(jié)構(gòu)采用碗狀部34的下陷旋渦結(jié)構(gòu)，與噴射的燃料流中的能量相結(jié)合來(lái)最優(yōu)化空氣和燃料相互作用及燃料燃燒所在的空間。碗狀部34可包括朝凹槽42傾斜、呈尖狀或半球狀的中心。凹槽42具有大致環(huán)形特征，其上部上升面與頂緣30再次會(huì)合。頂緣30與凹槽42上升面之間的界面形成大致環(huán)形的唇緣44，可以稍微突出于凹槽42之上或不突出于凹槽42之上，如圖3所示。
在一般的柴油機(jī)中，噴射燃料38的噴霧以上止點(diǎn)前("BTDC")約5°噴射出，持續(xù)到活塞運(yùn)動(dòng)的上止點(diǎn)后("ATDC")約10°。同樣地，運(yùn)行軌跡保持大致不變的噴霧38輻射活塞頂26的表面區(qū)域，該表面區(qū)域可以描述為噴霧接觸帶。因此，該噴霧接觸帶是那部分暴露在外的頂表面，作為燃料噴射噴霧38從上止點(diǎn)前約5。至汽缸中活塞運(yùn)動(dòng)的上止點(diǎn)后約10。的噴射目標(biāo)，包括凹槽42上部上升面、唇緣44以及頂緣30，以及閥套32。噴霧接觸帶一般不包括碗狀部34整個(gè)暴露在外的表面區(qū)域。由于靠近噴霧接觸帶的燃料燃燒釋放出強(qiáng)熱，故現(xiàn)有活塞中活塞頂26的鋼合成物有氧化成Fe203狀的趨勢(shì)。這種轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的氧化物不再附于基層鋼材上，而是很快通過(guò)膨脹和收縮過(guò)程以薄片形式被去除。隨著時(shí)間的過(guò)去，性能良好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)該有效延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，然而侵蝕區(qū)域的不斷擴(kuò)展使得為活塞20的燃燒碗狀部34所設(shè)計(jì)的抗污染排放性能明顯惡化。隨著時(shí)間過(guò)去，結(jié)構(gòu)完整性同樣會(huì)遭到嚴(yán)重?fù)p壞。或許最好如圖2所示，這些受侵蝕區(qū)域在與噴射噴霧38 —致的那些唇緣44區(qū)域中最為明顯。
現(xiàn)在參考圖4-12，展示了根據(jù)本發(fā)明的改良活塞以及制造和運(yùn)行改良活塞的方法。方便起見(jiàn)，將與上述數(shù)字對(duì)應(yīng)的參考數(shù)字應(yīng)用于該活塞對(duì)應(yīng)特征上，但采用前綴"1"將本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相區(qū)別。
本發(fā)明將注意力放在具有頂126的活塞120，所述頂126的表面在噴霧 接觸帶進(jìn)行了改進(jìn)和增強(qiáng)，以便更好地承受靠近頂126表面的柴油機(jī)燃燒所 釋放的強(qiáng)熱。圖4和圖5描繪了活塞頂26經(jīng)抗腐蝕抗氧化合成物噴射或其他 處理的片斷剖視圖，所述合成物可以采用例如鈷鎳鉻鋁釔合金995C (Amdry 995C)、鉻鎳鐵合金718 (Inconel 718)、鴇鉻鈷合金6 (Stellite 6)、鎳-鉻、 鉻或者這些合成物的混合物。能夠?qū)⒖垢g合成物以糊狀漿進(jìn)行涂覆。然而， 優(yōu)選地，將涂覆加工作為燃燒類或電弧類熱噴涂加工來(lái)執(zhí)行。這種加工已知 為描述性術(shù)語(yǔ)"金屬化"。燃燒型熱噴涂加工可包括，但不限于，粉末火焰噴 涂，線/桿材火焰噴涂，爆炸噴涂(detonation spray)，和高速氧燃料(high velocity oxygen foel，簡(jiǎn)稱"HVOF")噴涂。電弧加工包括，但不限于，電弧 絲噴涂和等離子噴涂。
以HVOF噴涂加工為例，受壓膛槍146采用乙炔、氫、丙烷、丙稀等燃 燒產(chǎn)生熱、高壓火焰。該火焰被迫穿過(guò)拉瓦爾噴嘴(DeLaval nozzle)將攜帶氣 體加速至超音速。將原料粉末軸向加入高壓燃燒室146或直接通過(guò)噴嘴側(cè)。 可從上述材料構(gòu)成的組中選擇原料粉末。雖然HVOF不是唯一能夠?qū)⒖垢g 抗氧化合成物的適合涂層涂覆于活塞頂126易受影響表面的熱噴涂加工方 法，但仍是所能夠采用的各種噴涂加工方法中一種較為滿意的方法。
除了上述傳統(tǒng)熱噴涂加工方法之外，本發(fā)明預(yù)期范圍中還可能包括采用 所謂"冷噴涂(cold spray)"的熱噴涂加工方法。根據(jù)冷噴涂技術(shù)，將1-50 微米尺寸的小微粒加速至超音速，涂覆于工件表面。在一種結(jié)構(gòu)中，在高壓 下將氦或氮噴射進(jìn)加壓室并加熱至300-700°C。將原料粉末，例如上述抗腐 蝕抗氧化合成物，引入氣流中，該氣流的熱度不足以熔化微粒。然后使固體 粉末/氣體混合物經(jīng)過(guò)拉瓦爾噴嘴，微粒在此被加速至超音速。這些微粒撞擊 具有足夠動(dòng)能的基層，從而無(wú)需熔化或凝固即產(chǎn)生機(jī)械結(jié)合，卻沒(méi)有產(chǎn)生冶
全結(jié)合 並？口 口 。
圖5展現(xiàn)了采用噴涂材料充分涂覆噴霧接觸帶的活塞頂126，形成具有 噴涂成形微結(jié)構(gòu)以及噴涂成形孔隙度小于整個(gè)材料密度100%的耐用涂層。 換句話說(shuō)，噴涂材料的合成物在完全涂覆于頂126的相關(guān)表面區(qū)域之后，具有特有的微結(jié)構(gòu)和小于100%致密的材料密度。碗狀部134噴霧接觸帶外側(cè) 的那些部分沒(méi)有涂覆抗腐蝕抗氧化材料。為完成將活塞頂126轉(zhuǎn)變?yōu)楸景l(fā)明 改良的耐用、使用壽命長(zhǎng)的活塞頂126，采用高能激光束照射噴涂材料涂層， 產(chǎn)生熔融的涂層材料以及活塞頂126的下層鋼基層。這種激光束的一個(gè)實(shí)例 是采用所謂高功率半導(dǎo)體激光器("HPDL"， High-Power Direct Diode Laser) 來(lái)產(chǎn)生。這兩種材料(涂層和基層)在激光束和各自合金的作用下混合，從 而增加噴涂成形狀況下(圖5)涂層密度，同時(shí)再次形成涂層的微結(jié)構(gòu)。此 外，通過(guò)接下來(lái)的照射加工形成涂層和頂基層之間的材料結(jié)合。所得到的改 良活塞頂126如圖6所示。
由于活塞頂126于其噴霧接觸帶之上的表面幾何形狀很復(fù)雜，因此需要 高能激光束多次通過(guò)和定位來(lái)充分并均勻照射噴涂成形涂層。為了防止噴涂 成形涂層的確定區(qū)域在相對(duì)激光束的非預(yù)期入射角處不被照射，優(yōu)選在照射 過(guò)程之前和之后對(duì)涂層某些部分進(jìn)行掩蔽處理。
現(xiàn)在參照?qǐng)D7和圖8，第一防護(hù)罩148如圖所示。該第一防護(hù)罩148臨 時(shí)覆蓋于頂緣30和閥套32區(qū)域的涂層上，而使涂覆于凹槽142區(qū)域的涂層 暴露在外。因此，當(dāng)?shù)谝环雷o(hù)罩148處于適當(dāng)位置時(shí)，高能激光器150自由 照射凹槽142涂覆有涂層材料的部分(例如，噴霧接觸帶中)。如圖所示，凹 槽142位于激光器150焦點(diǎn)之下的區(qū)域在激光束熔化性能下再成形，使得涂 層材料立刻熔合，實(shí)質(zhì)上結(jié)合至基層鋼材上。在該實(shí)施例中，激光器150沿 向上的上升路徑移動(dòng)其光束，以便在其向唇緣144前進(jìn)時(shí)，所有涂覆于凹槽 142的涂層材料最終充分被照射并再成形為與鋼活塞頂126材料結(jié)合。然而， 在該較佳實(shí)施例中，激光器150選自約12mmX0.5mm聚焦、發(fā)射光束為矩 形光束類型的激光器。光束的長(zhǎng)軸在垂直方向上涵蓋凹槽142至唇緣144， 但固定于該垂直位置上。光束和活塞圍繞圓周彼此相對(duì)移動(dòng)，例如通過(guò)固定 激光器并旋轉(zhuǎn)活塞使光束和活塞圍繞圓周彼此相對(duì)移動(dòng)，以便光束的長(zhǎng)軸掃 過(guò)已處理區(qū)域。所得到的熔融涂層充分地增強(qiáng)頂126的物理性能，從而避免 產(chǎn)生氧化問(wèn)題，允許標(biāo)準(zhǔn)活塞鋼材例如SAE4140H持續(xù)使用。因此，本發(fā)明 提出了一種較其它現(xiàn)有技術(shù)成本更低的解決方案來(lái)克服與頂緣和碗狀部氧化 有關(guān)的問(wèn)題。當(dāng)激光器150穿過(guò)其于碗狀部134內(nèi)的涂覆區(qū)域時(shí)，可使活塞120旋轉(zhuǎn) 和/或使激光器150旋轉(zhuǎn)，以便涂覆表面區(qū)域的整個(gè)環(huán)形區(qū)充分被照射。激光 150的焦點(diǎn)在凹槽142之上延伸，則會(huì)接觸第一防護(hù)罩148并被無(wú)損反射從 而遠(yuǎn)離活塞頂126。這是因?yàn)榈谝环雷o(hù)罩148是由具有反射性并導(dǎo)熱的金屬 材料制成，例如拋光銅。
一旦凹槽142區(qū)域被充分照射，則注意力直接集中于也涂覆了噴涂材料 的頂緣130。然而，由于閥套132被下壓至頂緣130表面之下，故無(wú)法最優(yōu) 化激光器150的焦點(diǎn)使其在照射頂緣130的同時(shí)有效照射閥套132區(qū)域。因 此，可采用如圖9所示的第二防護(hù)罩152。第二防護(hù)罩152也可采用具有反 射性的金屬殼狀材料例如拋光銅制成，并且可構(gòu)造為覆蓋閥套132。故僅噴 涂涂層活塞頂126暴露在外的部分構(gòu)成頂緣面130。隨著非預(yù)期區(qū)域被第二 防護(hù)罩152有效屏蔽，激光器150被重新配置以照射圖IO所示頂緣130的涂 覆表面。而且，可旋轉(zhuǎn)活塞120和/或激光150從而以有效方式覆蓋整個(gè)頂緣 130表面。只要激光器150發(fā)出的光束照射到第二防護(hù)罩152，如圖1所示， 則會(huì)被無(wú)損反射，遠(yuǎn)離頂126，任何被吸收的熱都會(huì)很快消散。通過(guò)這種方 式來(lái)保護(hù)閥套132，使其在非理想設(shè)置狀況下不被照射。第二防護(hù)罩152還 有助于避免角落以及沿閥套132的邊產(chǎn)生過(guò)度熔化。此外，將凹槽部H2保 護(hù)起來(lái)以避免激光器150的后續(xù)照射，否則會(huì)導(dǎo)致已照射表面產(chǎn)生非預(yù)期的 冶金重整。
為完成在活塞頂126上噴涂成形涂層的整個(gè)照射過(guò)程，在將第二防護(hù)罩 152去除之后，在活塞頂126的頂部設(shè)置第三防護(hù)罩154。如圖11所示，該 第三防護(hù)罩154設(shè)計(jì)為覆蓋已經(jīng)照射過(guò)的頂緣部130，留下閥套132區(qū)域， 使其對(duì)外敞開(kāi)。因此，可重置激光器150的位置，使得其焦點(diǎn)相對(duì)閥套132 的深度是校準(zhǔn)的，如圖12所示。伴隨通過(guò)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)頂126和激光器150之間 的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者這兩元件之間其它定向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該照射過(guò)程能夠再次發(fā)生。 當(dāng)激光器150的光束穿出閥套132進(jìn)入頂緣130區(qū)域時(shí)，第三防護(hù)罩154將 無(wú)損反射光能，使其遠(yuǎn)離頂面130，從而防止已改良的表面進(jìn)一步與高能激 光束150發(fā)生不必要的相互作用。第三防護(hù)罩154進(jìn)一步有助于避免角落和 沿閥套132的邊產(chǎn)生過(guò)度熔化。雖然可采用許多不同類型的激光器來(lái)有效實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的照射步驟，但已 發(fā)現(xiàn)高功率半導(dǎo)體激光器可產(chǎn)生滿意效果。
除了以上描述之外，值得欣賞的是，可將第一防護(hù)罩148、第二防護(hù)罩 152以及第三防護(hù)罩154依序設(shè)置。而且，照射步驟中可要求少于三個(gè)或多 于三個(gè)防護(hù)罩，來(lái)有效改良此處所描述的涂層材料。此外，在上文中建議采 用非常特別的涂層材料，但這并非僅有的適合材料。更適合地是，用于采用 工業(yè)層的熔融過(guò)程中的任何涂層均可使用。例如，與可從燃?xì)鉁u輪領(lǐng)域知曉 一樣，可知各種常用或?qū)Ｓ每垢邷匮趸勰?。假設(shè)熔融涂層與噴霧接觸帶的 輪廓相符，沒(méi)有裂化、腐蝕或熱氧化，那就可以采用任何這樣的己知材料。 根據(jù)本發(fā)明的熔融活塞頂表面的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，需要的話，產(chǎn)生后處理能力， 使得被照射的表面不會(huì)產(chǎn)生噴涂涂層的碎屑和薄片。本發(fā)明方法能夠在短周 期內(nèi)高產(chǎn)量設(shè)置中實(shí)現(xiàn)，可經(jīng)復(fù)驗(yàn)或檢驗(yàn)來(lái)證實(shí)是可采用計(jì)算機(jī)非常精確地 進(jìn)行控制的。該方法同樣非常適合內(nèi)嵌生產(chǎn)加工。
很明顯，根據(jù)以上描述可以對(duì)本發(fā)明做各種改變和修改。因此，可以理 解，除上述特定實(shí)施例外，本發(fā)明可以其他方式實(shí)施，而不限于上述說(shuō)明書(shū) 中所描述。
權(quán)利要求
1、一種改善內(nèi)燃機(jī)活塞頂抗腐蝕性能的方法，包括下列步驟提供活塞，該活塞具有呈現(xiàn)外部頂表面的頂；準(zhǔn)備基本由抗腐蝕抗氧化合成物構(gòu)成的涂層材料；將所述涂層材料涂覆于所述活塞頂，使得該涂層材料附于具有涂覆成形微結(jié)構(gòu)和涂覆成形孔隙度小于整個(gè)材料密度100％的所述頂表面；以及采用高能激光束照射所述涂層，從而在重構(gòu)微結(jié)構(gòu)并在所述涂層和所述頂表面之間產(chǎn)生材料結(jié)合的同時(shí)，增加該涂層的密度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括掩蔽部分所述涂層以防其被所述激光束照射。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述掩蔽步驟包括采用具有反射作用的金屬屏蔽件臨時(shí)覆蓋部分所述頂。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述活塞頂包括大致環(huán)形的緣和設(shè)于該緣下方的凹陷燃燒碗狀部，所述臨時(shí)覆蓋部分所述頂?shù)牟襟E包括覆蓋所述緣和所述碗狀部之一 ，而不覆蓋所述緣和所述碗狀部中的另 一個(gè)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述活塞頂包括成型到所述緣的至少一個(gè)閥套，所述臨時(shí)覆蓋部分所述頂?shù)牟襟E包括覆蓋所述緣和所述閥套之一，而不覆蓋所述緣和所述閥套中的另一個(gè)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂覆所述涂層材料的步驟包括將所述噴涂材料向活塞頂強(qiáng)制推進(jìn)，以進(jìn)入燃燒過(guò)程產(chǎn)生的氣流。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述將所述噴涂材料放入氣流的步驟包括迫使氣流穿過(guò)加速噴嘴。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述強(qiáng)制推進(jìn)所述噴涂材料的步驟包括產(chǎn)生直流電弧。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)生直流電弧的步驟包括使惰性氣體離子化從而產(chǎn)生高溫等離子噴射。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述照射所述涂層的步驟包括采用高功率半導(dǎo)體激光器。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述強(qiáng)制推進(jìn)所述噴涂材料的步驟包括將所述噴涂材料涂覆至小于整個(gè)外部頂表面。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供活塞的步驟包括采用包含鋼合金的材料合成物制成所述活塞。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述外部頂表面具有噴霧接觸帶，該噴霧接觸帶包括被燃料噴射噴霧從上止點(diǎn)前約5。至汽缸中活塞運(yùn)動(dòng)的上止點(diǎn)后約10。連續(xù)噴射的部分所述外部頂表面，所述強(qiáng)制推進(jìn)所述噴涂材料的步驟包括涂覆所述外部頂表面的噴霧接觸帶而非整個(gè)外部頂表面的步驟。
14、 一種運(yùn)行燃料噴射式柴油機(jī)中的鋼活塞的方法，包括下列步驟提供具有汽缸蓋的發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸；提供具有頂?shù)幕钊?，所述頂包括大致環(huán)狀的緣和設(shè)于該緣下方的凹陷碗狀部，所述緣和所述碗狀部之間的界面形成大致環(huán)狀的唇緣；使所述活塞在所述汽缸中朝向汽缸蓋和遠(yuǎn)離汽缸蓋做往復(fù)運(yùn)動(dòng)；將液體燃料朝向所述活塞頂?shù)拇骄墢?qiáng)制排入汽缸；燃燒與所述活塞頂?shù)拇骄夃徑娜剂?；以及所述提供活塞的步驟包括通過(guò)將涂層材料涂覆于具有涂覆成形微結(jié)構(gòu)和涂覆成形孔隙度小于整個(gè)材料密度100%的所述唇緣來(lái)改變所述活塞頂?shù)拇骄壍谋砻婧铣晌铮鐾繉硬牧匣居煽垢g抗氧化的合成物構(gòu)成，并且采用高能激光束照射所述涂層，從而在重構(gòu)微結(jié)構(gòu)并在所述涂層和所述唇緣之間產(chǎn)生材料結(jié)合的同時(shí)，增加該涂層的密度。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述提供活塞的步驟進(jìn)一步包括通過(guò)將噴涂材料向所述緣強(qiáng)制推進(jìn)來(lái)改變所述活塞頂?shù)木壍谋砻婧铣晌?，以使所述噴涂材料的微粒與所述緣碰撞而塑性變形，所述噴涂材料基本由抗腐蝕抗氧化的合成物構(gòu)成；所述噴涂材料作為具有涂覆成形微結(jié)構(gòu)和涂覆成形孔隙度小于整個(gè)材料密度100%的耐用涂層附于所述緣上，并且采用高能激光束照射所述涂層，從而在重構(gòu)微結(jié)構(gòu)并在所述涂層和所述緣之間產(chǎn)生材料結(jié)合的同時(shí)，增加該涂層的密度。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述提供活塞的步驟進(jìn)一步包括通過(guò)將噴涂材料向所述碗狀部強(qiáng)制推進(jìn)來(lái)改變所述活塞頂至少部分碗狀部的表面合成物，以使所述噴涂材料的微粒與所述碗狀部碰撞而塑性變形，所述噴涂材料基本由抗腐蝕抗氧化的合成物構(gòu)成；所述噴涂材料作為具有涂覆成形微結(jié)構(gòu)和涂覆成形孔隙度小于整個(gè)材料密度100%的耐用涂層附于所述緣上，并且采用高能激光束照射所述涂層，從而在重構(gòu)微結(jié)構(gòu)并在所述涂層和所述碗狀部之間產(chǎn)生材料結(jié)合的同時(shí)，增加該涂層的密度。
17、 一種燃料噴射式柴油機(jī)的活塞，包括-大致圓柱狀的邊緣部，其上橫穿有一對(duì)相對(duì)銷孔；附于所述邊緣部頂上的頂，該頂包括大致環(huán)狀的緣和設(shè)于該緣下方的凹陷碗狀部，沿所述緣和所述碗狀部之間的界面形成大致環(huán)狀的唇緣；以及所述唇緣具有基本由采用高能激光束照射的經(jīng)涂覆的抗腐蝕抗氧化合成物形成的結(jié)合表面處理。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的活塞，其特征在于，所述活塞頂基本由鋼構(gòu)成的基材合成物制成。
19、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的活塞，其特征在于，所述緣具有基本由采用高能激光束照射的經(jīng)噴涂的抗腐蝕抗氧化合成物形成的結(jié)合表面處理。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的活塞，其特征在于，所述碗狀部的至少一部分具有基本由采用高能激光束照射的經(jīng)噴涂的抗腐蝕抗氧化合成物形成的結(jié)合表面處理。
21、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的活塞，其特征在于，所述結(jié)合表面處理的經(jīng)噴涂的抗腐蝕抗氧化合成物從鈷鎳鉻鋁釔合金995C、鉻鎳鐵合金718、鎢鉻鈷合金6、鎳-鉻、鉻或者其合金構(gòu)成的組中選擇。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于燃料噴射式柴油機(jī)的活塞(120)和制造該活塞(120)的方法，能夠在活塞的碗狀部(134)和緣(130)的區(qū)域承受噴射燃料所引起的氧化導(dǎo)致的損害作用。被噴射燃料(138)瞄準(zhǔn)的所述活塞的頂(126)的表面首先液態(tài)涂覆或者通過(guò)熱噴霧技術(shù)，例如HVOF或等離子噴霧，涂覆抗腐蝕抗氧化的合成物。接著采用高能激光束照射所述噴霧涂層來(lái)增加該涂層的密度，同時(shí)重構(gòu)其微結(jié)構(gòu)，熔合合金并材料結(jié)合所述涂層材料和底層鋼基底，從而為鋼活塞頂(126)提供了持久的保護(hù)表面。
文檔編號(hào)B32B15/18GK101479102SQ200780023923
公開(kāi)日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月10日
發(fā)明者沃倫·萊恩托恩, 米格爾·阿塞韋多 申請(qǐng)人:費(fèi)德羅-莫格爾公司