用于減少裂紋傾向的機械糙化氣缸孔的應(yīng)力釋放的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于減少裂紋傾向的機械糙化氣缸孔的應(yīng)力釋放。一種處理鋁基發(fā)動機機體氣缸孔的表面的方法，該表面已經(jīng)經(jīng)過機械糙化。在一種形式中，這個方法包括使用振動應(yīng)力釋放、高溫應(yīng)力釋放或低溫應(yīng)力釋放使得通過糙化工藝給予表面的殘余應(yīng)力被降低。通過這種方式，還涂敷到孔表面的保護涂層將展示更好的附著力以及更低的應(yīng)力引起的或疲勞引起的裂紋的發(fā)生率。
【專利說明】用于減少裂紋傾向的機械糙化氣缸孔的應(yīng)力釋放
[0001 ] 這個申請要求2015年3月2日遞交的美國臨時申請62/126,807的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]這個發(fā)明總地涉及在保護涂層和目標基底之間實現(xiàn)更好的附著力，以及特別地涉及在發(fā)動機氣缸孔中通過機械糙化孔來創(chuàng)建摩擦適合的表面，從而使得孔中的內(nèi)應(yīng)力以及在隨后涂敷的熱噴涂層中所導(dǎo)致的裂紋被降低。
【背景技術(shù)】
[0003]內(nèi)燃機(ICE)的氣缸壁和氣缸襯套被加工達到具有緊密公差的嚴格標準，作為促進有效的發(fā)動機操作的方法。雖然效率的額外增加還可以通過更熱的、更完整的燃燒工藝實現(xiàn)，但傳遞給發(fā)動機機體的壁和襯套(還共同地或單獨地稱為孔)的增加的熱負荷給輕量的、有效的發(fā)動機設(shè)計提供了額外的結(jié)構(gòu)上的挑戰(zhàn)以及相關(guān)耐久性的挑戰(zhàn)。
[0004]熱噴技術(shù)已經(jīng)顯示是一種有效方法來在孔上沉積保護涂層(諸如熱障涂層(TBCs)、耐磨損涂層、防腐蝕涂層或類似涂層)。保護涂層至基底的附著力是用于確定用于特定應(yīng)用(諸如用于內(nèi)燃機氣缸孔的燃燒室內(nèi)部產(chǎn)生的惡劣環(huán)境)的涂層的適合性的非常重要的度量。用于至氣缸孔基底的增強涂層附著力的傳統(tǒng)方法涉及各種表面激發(fā)預(yù)處理步驟，包括諸如用陶瓷顆粒噴砂以及高壓水射流噴砂的方法。噴砂(雖然有效)遺留能夠污染隨后的涂層涂敷步驟的顆粒殘留，除非還采用昂貴的且費時間的清潔步驟。水射流噴砂(雖然更小可能遺留不期望的副產(chǎn)物)使用大量的水或需要用于水再循環(huán)的復(fù)雜的水處理系統(tǒng)。而且，一旦糙化操作完成污染物或副產(chǎn)物在水中的存在就使得將廢水放回當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境是不期望的。再者，高壓水射流噴砂方法具有高資金成本。
[0005]更近點的改進保證實現(xiàn)與噴砂和水射流噴砂相似的保護涂層附著力結(jié)果，但沒有缺點。機械糙化/鎖定涉及用切削機械通過削片、擠壓、滑動、滾壓和相關(guān)步驟的一個或多個，在孔壁上雕刻幾何形狀。這樣的糙化改變基底表面上的表面狀況以促進涂層和基底之間的互鎖配合。在一個這樣的形式中，梯形的或鳩尾榫-形狀的底切形成在糙化的孔表面中以提高這個互鎖配合。這樣一種方法的示例可以在由Flores、Baumgartner和Rach遞交的且名稱為“用于機械糙化的工具及方法”的美國公開申請2012/0317790(下文中的‘790公開文獻)中找到，其全文通過引用結(jié)合到本文中。
[0006]機械糙化的一個顯著問題是在基底中生成大量的內(nèi)應(yīng)力，特別是在最接近表面的區(qū)域中。這進而可以在基底和隨后涂敷的涂層之間在孔的軸向和切向方向上導(dǎo)致高的張應(yīng)力以及伴隨的剪切載荷，其中，這樣的應(yīng)力和相關(guān)載荷導(dǎo)致裂紋，該裂紋特別地對熱噴涂層的性能和耐久性不利。如此，當(dāng)前發(fā)明人相信對氣缸孔預(yù)處理的方法是需要的，以通過在糙化孔基底中殘余應(yīng)力的降低來允許在機械糙化孔和置于該孔上的保護涂層之間較高的完整性結(jié)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)第一方面，處理形成在鋁基發(fā)動機機體中的氣缸孔的方法包括利用機械糙化激發(fā)孔的暴露表面，以及降低存在于被激發(fā)的表面中的殘余應(yīng)力。這樣的應(yīng)力釋放機構(gòu)幫助降低被涂敷到被激發(fā)的孔表面的保護涂層的裂紋傾向。在一種形式中，應(yīng)力釋放可以包括降低的張應(yīng)力，而在另一種形式中可以包括引入壓縮殘余應(yīng)力以抵銷張應(yīng)力?？梢允褂枚喾N特殊的壓力釋放方法，包括引發(fā)振動的應(yīng)力釋放(在此還稱為振動應(yīng)力釋放或振動性應(yīng)力釋放(在任一情況下，VSR))、高溫應(yīng)力釋放或以低溫冷卻形式的低溫應(yīng)力釋放。
[0008]根據(jù)另一方面，公開了在鋁基發(fā)動機機體中形成氣缸孔的方法。該方法包括鑄造機體以在其中限定一個或多個氣缸孔，利用機械糙化激發(fā)孔的暴露表面以及降低存在于被激發(fā)的表面中的殘余應(yīng)力。該應(yīng)力降低由VSR、高溫的應(yīng)用或低溫的應(yīng)用的一個或多個來實現(xiàn)。
[0009]根據(jù)另一方面，公開了鋁基發(fā)動機機體。該機體包括形成在其中的一個或多個氣缸孔，其中，一個或多個孔具有暴露表面(具體地，面對配置成沿其軸向尺寸橫向于孔的活塞的表面)，該表面形成有機械糙化特征。重要地，暴露表面經(jīng)受處理以抵消任何由機械糙化引入的增加的殘余應(yīng)力的影響。
[0010]方案1.一種處理氣缸孔的方法，所述氣缸孔形成在鋁基發(fā)動機機體中，所述方法包括:
利用機械糙化法激發(fā)所述孔的暴露表面;以及
通過振動應(yīng)力釋放、高溫應(yīng)力釋放和低溫應(yīng)力釋放的至少一個，降低存在于所述被激發(fā)的表面中的殘余應(yīng)力。
[0011]方案2.根據(jù)方案I所述的方法，進一步包括在所述被處理的孔上形成至少一個保護涂層。
[0012]方案3.根據(jù)方案2所述的方法，其中，所述至少一個保護涂層從組中選擇，所述組由熱障涂層、耐磨損涂層、防腐蝕涂層、結(jié)合-促進涂層及其組合構(gòu)成。
[0013]方案4.根據(jù)方案2所述的方法，其中，所述至少一個保護涂層由熱噴法來涂敷。
[0014]方案5.根據(jù)方案2所述的方法，其中，在所述氣缸孔和所述至少一個保護涂層之間沒有放置氣缸襯套。
[0015]方案6.根據(jù)方案I所述的方法，其中，所述振動應(yīng)力釋放包括:
操作與所述機體振動協(xié)作的振動裝置，以便確定與所述機體相關(guān)聯(lián)的至少一個共振頻率響應(yīng)條件；
在與所述至少一個共振頻率響應(yīng)條件基本上一致的操作條件下，從所述振動裝置將振動傳遞到所述機體;以及
監(jiān)測所述被傳遞的振動直到所述殘余應(yīng)力降低至預(yù)定水平。
[0016]方案7.根據(jù)方案6所述的方法，其中，所述監(jiān)測進一步包括測量在所述殘余應(yīng)力中的降低量。
[0017]方案8.根據(jù)方案7所述的方法，其中，所述測量在所述殘余應(yīng)力中的降低量包括使用X-射線衍射。
[0018]方案9.根據(jù)方案6所述的方法，其中，所述操作包括使用掃描速率足夠慢地掃過所述機體的振動響應(yīng)范圍以確保用于所述至少一個共振頻率響應(yīng)條件的每一個的全振幅共振。
[0019]方案10.根據(jù)方案9所述的方法，其中，所述掃描速率在約10RPM/秒與50RPM/秒之間。
[0020]方案11.根據(jù)方案I所述的方法，其中，所述高溫應(yīng)力釋放在由感應(yīng)加熱、等離子體噴槍加熱和熱噴槍加熱構(gòu)成的組中選擇。
[0021]方案12.根據(jù)方案I所述的方法，其中，所述低溫應(yīng)力釋放在形成至少一個保護涂層之前執(zhí)行，所述保護涂層形成在所述被處理的孔上。
[0022]方案13.根據(jù)方案I所述的方法，其中，所述低溫應(yīng)力釋放在形成至少一個保護涂層之后執(zhí)行，所述保護涂層形成在所述被處理的孔上。
[0023]方案14.根據(jù)方案I所述的方法，其中，所述激發(fā)不包括噴砂或者水射流噴砂。
[0024]方案15.—種在鋁基發(fā)動機機體中形成氣缸孔的方法，所述方法包括:
鑄造所述機體以在其中限定至少一個氣缸孔；
利用機械糙化激發(fā)所述孔的暴露表面;以及
降低存在于所述被激發(fā)的表面中的殘余應(yīng)力，所述降低從由振動應(yīng)力釋放、高溫應(yīng)力釋放和低溫應(yīng)力釋放構(gòu)成的組中選擇。
[0025]方案16.根據(jù)方案15所述的方法，進一步包括在所述被處理的孔上形成至少一個保護涂層。
[0026]方案17.—種鋁基發(fā)動機機體，在所述機體中限定至少一個氣缸孔，所述至少一個孔包括形成有機械糙化特征的暴露表面，所述暴露表面包括對其處理以便在其中限定應(yīng)力水平，所述應(yīng)力水平相對于沒有所述處理被施加的情況被降低。
[0027]方案18.根據(jù)方案17所述的機體，進一步包括置于所述被降低應(yīng)力水平的暴露表面上的至少一個保護涂層。
[0028]方案19.根據(jù)方案18所述的機體，其中，所述機械糙化特征限定在所述表面中的底切。
[0029]方案20.根據(jù)方案19所述的機體，其中，所述底切限定大致鳩尾榫形狀。
【附圖說明】
[0030]當(dāng)前發(fā)明的優(yōu)選實施方式的下述詳細描述在結(jié)合下面的附圖閱讀時能夠得到最佳的理解，其中，相同的結(jié)構(gòu)由相同的參考標記標注，以及其中圖的各種組件不必按比例圖不O
[0031]圖1描繪了概念發(fā)動機機體的軸測圖，該機體帶有形成在其中的四個氣缸孔以及臨時安裝在其上的振動基裝置使得氣缸孔能夠經(jīng)受根據(jù)當(dāng)前發(fā)明的一方面的VSR處理；
圖2描繪了高倍放大的圖1的發(fā)動機的氣缸孔，該氣缸孔已經(jīng)經(jīng)受了機械糙化以產(chǎn)生類似底切樣式的鳩尾榫；
圖3A和3B描繪了已經(jīng)發(fā)生在熱噴涂層中的兩個不同放大的裂紋，該熱噴涂層根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)被涂敷到機械糙化的氣缸孔表面；
圖4描繪了能夠用于形成圖2的樣式的機械糙化工具；
圖5描繪了波形，該波形演示了共振激勵終止后振動在樣本中持續(xù)的時間周期；
圖6描繪了反向響鈴時間(ring time),該時間是在振動激勵的開始與全共振振幅之間的時間周期； 圖7描繪了處于兩種不同的掃描速率的掃描效果；以及
圖8描繪了顯示工件加速度以及振動裝置輸入功率的兩個曲線圖，分別用于圖1的VSR處理。
【具體實施方式】
[0032]首先參考圖1，顯示了四缸汽車內(nèi)燃發(fā)動機機體100的簡圖。機體100包括各部分(除其他的以外):曲軸箱110、曲軸軸承120、凸輪軸軸承130 (在發(fā)動機的情況中帶有頂置氣門和推桿)、水冷卻套140，飛輪殼150以及氣缸孔160。這些孔160可以包括合金表面層(未顯示)，該表面層與每個孔160的基底整體地形成，或是作為獨立的插入件或套筒，其被設(shè)計大小以牢固地配合在其內(nèi)。在一種形式中，這樣的合金表面層能夠用于增強孔160的耐腐蝕性、耐磨性或耐熱性。事實上，在發(fā)動機結(jié)構(gòu)中，機體100由輕量材料鑄造而成，諸如鋁及其合金(諸如A380，A319或A356)，這樣的表面層的附加作為賦予額外的耐熱性和耐磨損性的方式傳統(tǒng)上被認為是必要的。在一種形式中，這個合金表面層由重的鑄鐵或相關(guān)材料制成。發(fā)動機機體100的氣缸孔160被定義為圓周內(nèi)壁160A。
[0033]接下來參考圖2到4，為了在孔壁的表面附近產(chǎn)生幾何形狀的機械糙化工具的使用導(dǎo)致在孔表面中的不期望的拉伸強度，其進而趨于穿過并沿著隨后涂敷的保護性TBC或相關(guān)涂層的表面產(chǎn)生裂紋。通常來說，期望保持的殘余應(yīng)力發(fā)展到盡可能接近零;達到殘余應(yīng)力進化的程度，其為正的(即本質(zhì)上是張力)，優(yōu)選地將他們保持在約200MPa(即大致30ksi)以下；當(dāng)前發(fā)明，通過降低在孔表面中的這些張應(yīng)力達到處于或低于這樣數(shù)值的水平，抑制涂層裂紋的傾向。
[0034]特別地參考圖4，顯示了用于產(chǎn)生圖2的機械糙化表面的機械糙化工具200(在軸向中心線CL上方顯示)，300(在軸向中心線CL下方顯示)上的第一和第二組件。第一和第二進給桿210、310在它們相應(yīng)的基體220、320內(nèi)部被軸向地引導(dǎo)。當(dāng)進給桿210在第二工具200的方向上在基體220的軸向方向上移動時，管狀錐體230徑向地移位進給銷240，其進而擠壓在徑向向外方向具有形式葉片板260的彎曲支撐250，由此執(zhí)行工具200的進給運動。彎曲支撐250的位置通過軸向調(diào)整是可移動的。同樣地，進給桿310與輥子330在孔160壁中從由工具200之前形成的圖樣形成所期望的鳩尾榫樣式165。對于輥子330，以正向方式徑向地進給是特別有利的，使得進給力能夠被控制而與作用在輥子330上的離心力無關(guān)。輥子330的傾斜優(yōu)選地調(diào)整到正交于孔160內(nèi)部形成的樣式165的縱向方向。如此，輥子330在樣式165之上滾動，沒有滑行移動。與機械糙化工具200，300的操作相關(guān)聯(lián)的額外細節(jié)可以在‘790公開中找到。
[0035]特別地結(jié)合圖2參考圖3A和3B，顯示了與形成在氣缸孔160表面中的機械糙化樣式相關(guān)聯(lián)的細節(jié)，以及隨后涂敷的涂層180(諸如TBC，耐磨損涂層，防腐蝕涂層，結(jié)合-促進涂層或類似涂層)的場景。這個最終涂層類型的示例可以在共同未決的、名稱為“作為用于氣缸孔熱噴涂的粘結(jié)涂層的T1 2應(yīng)用”的美國專利申請?zhí)?4/7 3 3，121中找到，該申請由當(dāng)前發(fā)明的受讓人擁有，并且其公開內(nèi)容通過引用全文結(jié)合到本文中。重要地，圖2顯示的機械糙化的使用具有在氣缸孔160的表面和隨后涂敷的涂層180中產(chǎn)生殘余應(yīng)力(以及伴隨的裂紋)的傾向。
[0036]在當(dāng)前背景下，主體中的殘余應(yīng)力是那些在主體與其環(huán)境之間保持平衡所不必要的應(yīng)力。它們可以按原因分類(例如熱或彈性失配)，按它們自我平衡的尺度分類，或根據(jù)測量它們的方法分類。從長度尺度的角度看，殘余應(yīng)力起源于不同區(qū)域之間的失配。在許多情況中，這些失配跨越大的距離，例如，那些由彎桿的非均勻的塑性變形所導(dǎo)致的。它們還能夠由急劇的熱梯度引起，例如，那些在鑄造、焊接或熱處理操作期間導(dǎo)致的。無論是機械引起的還是熱引起的，所謂的宏應(yīng)力被稱為類型I，因為它們在大的距離上持續(xù)地變化。這是與在晶粒尺度(類型II或晶間應(yīng)力)或原子尺度(類型III)上變化的殘余應(yīng)力相反。在這些情況中，失配區(qū)域跨越微觀的或亞微觀的尺寸。低水平的類型II應(yīng)力幾乎總是存在于多晶體材料(諸如大多金屬)中，簡單地來自不同地定向的相鄰晶粒的彈性和熱特性是不同的事實。當(dāng)微結(jié)構(gòu)包含一些相或當(dāng)相變換發(fā)生時，出現(xiàn)更顯著的晶粒尺度應(yīng)力。類型III類別典型地包括由于在界面處的內(nèi)聚力以及位錯應(yīng)力場引起的應(yīng)力。由在材料內(nèi)部的不同區(qū)域之間或不同相之間的失配引起的殘余應(yīng)力決定了殘余的宏觀和微觀殘余應(yīng)力的不同類型?？傊?，類型II和類型III應(yīng)力趨于通過裂紋尖端區(qū)中的塑性消除，使得只有類型I應(yīng)力需要從疲勞的觀點考慮。然而，這對于短的裂紋擴展不是真實的，其是微結(jié)構(gòu)以及類型II應(yīng)力所依賴的。特別關(guān)于鑄鋁發(fā)動機機體中的氣缸孔，這些表面應(yīng)力能夠(如果留下未處理)導(dǎo)致在隨后涂敷的涂層180中的裂紋形成。
[0037]特別地，一種在用于已經(jīng)被用機械糙化預(yù)處理過的氣缸孔160的熱噴(或相關(guān))涂層180中降低裂紋傾向的方法包括:使用VSR通過包含孔160的氣缸機體100的超聲波振動釋放在孔160區(qū)域中的內(nèi)部應(yīng)力。事實上，當(dāng)前發(fā)明人已經(jīng)確定VSR降低上述討論的全部三種類型的殘余應(yīng)力。通常，VSR在宏觀尺度和微觀尺度二者上提供動能。因此，它不僅改變在工件中的宏觀尺度的應(yīng)力分布，而且通過促進亞缺陷(諸如位錯、孿晶以及堆垛缺陷)的運動改變微觀結(jié)構(gòu)和亞結(jié)構(gòu)。結(jié)果是在VSR之后位錯、孿晶和堆垛缺陷的較低密度，以及來自晶間區(qū)域的較低殘余應(yīng)力。
[0038]更特別地，VSR是非熱應(yīng)力釋放方法，其使用工件自身的共振頻率以增加通過誘導(dǎo)的振動所經(jīng)受的載荷。再次參考圖1，一個或多個機械振動裝置170被附接到機體100，并被配置成在機體100的共振頻率附近(但不是在該共振頻率下)操作。VSR處理的優(yōu)選設(shè)置涉及一些步驟，包括首先將機體100放置在載荷墊(未顯示)上。這些墊應(yīng)該由軟的但彈性的材料(典型的尿烷或氯丁橡膠)制成，并且應(yīng)該遠離機體100的拐角放置，使得工件的阻尼被最小化;這進而促進對振動的增加的共振響應(yīng)。其次，振動裝置170需要牢固地安裝在機體100上，但遠離機體100的拐角放置并且定向使得它的力-場輸出垂直于它的旋轉(zhuǎn)或章動軸線以最大化它的驅(qū)動機體100進入共振的機會;特別地如在圖1中所示，兩個這樣的振動裝置170被使用，并且位于機體100的彼此相對的側(cè)上。在代替的形式中(未顯示)，機體100能夠牢固地夾持到振動桌或相關(guān)臺子上。不管該振動裝置170的配置，它優(yōu)選地用高強度螺栓或相關(guān)連接機構(gòu)固定以促進在機體100內(nèi)部的緊密聯(lián)接的響應(yīng)。此外，優(yōu)選的是在機體100的拐角之一上放置振動測量傳感器(未顯示)，并且與力-平面(即垂直于振動裝置170的旋轉(zhuǎn)或章動軸線的平面)成一條直線。振動裝置170的不平衡應(yīng)該足以驅(qū)動機體100的共振，最低限度地達到幾個重力加速度的水平。再次，振動裝置170的速度范圍必須能夠超過機體100的最高的預(yù)期共振頻率。在一種形式中，推薦至少6000-8000RPM的最高速度能力。振動裝置170的緊密的電機速度調(diào)節(jié)(±0.25%)優(yōu)選的作為改善檢測及驅(qū)動適合的共振條件的能力的方式。驅(qū)動共振涉及調(diào)節(jié)振動裝置170的速度到共振峰值的頂部。這隨著機體100剛性增加越來越有挑戰(zhàn)性，其導(dǎo)致共振變得非常狹窄。為了記錄這樣的共振，優(yōu)選的是在該速度范圍內(nèi)進行慢的、自動化的掃描以及繪制機體100的振動響應(yīng)。一旦在掃描期間獲得了記錄的共振(多個)，然后就調(diào)節(jié)振動裝置170的速度使得機體100對被傳遞的振動的響應(yīng)被監(jiān)測。速度的細調(diào)(加上緊密的速度調(diào)節(jié))增強峰值調(diào)節(jié)和追蹤能力。而且，殘余應(yīng)力降低的量的可量化測量可以通過直接或間接手段實現(xiàn)。在一個優(yōu)選的前一方法中，直接的測量可以使用X-射線衍射來執(zhí)行。
[0039]接下來參考圖5，與VSR相關(guān)聯(lián)的掃描速率必須慢，不僅是因為共振峰值狹窄，而且因為機體100的高慣性;這在機體100與大型物體毗鄰的情況下是特別真實的，諸如孔是氣缸機體100的部分的情況。在振動的響應(yīng)中有明顯的時間延遲(稱為響鈴時間)，該時間延遲由這個高機體100慣性導(dǎo)致。響鈴時間定義為共振主體在共振激勵停止后持續(xù)振動(盡管在衰減中)的時間周期。在一種形式中，用于發(fā)動機機體100的掃描速率的數(shù)值優(yōu)選地在約10RPM/秒與50RPM/秒之間，而振動裝置170的速度在2500RPM與5000RPM之間(其大致等同于40到80Hz或周每秒)以共振;這樣的振動可以是橢圓形狀、旋轉(zhuǎn)式或往復(fù)式。
[0040]接下來參考圖6，當(dāng)振動是激勵導(dǎo)致的共振時(而不是來自單一的擊打事件，諸如當(dāng)用錘子擊打鈴鐺)，在振動激勵的開始與達到全共振振幅值的時刻之間有個時間周期。在這個時間期間，振幅是增強或增長的(衰減的反向)，故這個現(xiàn)象被稱為反向響鈴時間(RRT)。對于利用振動釋放應(yīng)力的大的金屬結(jié)構(gòu)(諸如發(fā)動機機體100)，響鈴或反向響鈴時間(這些時間周期是相同的，不管振幅是增長還是衰減)能夠是20-40秒或更長。該響鈴時間對于實現(xiàn)全共振振幅是重要的。
[0041 ]在VSR期間尋找機體100的共振的方法是在振動裝置的速度范圍內(nèi)掃描，并記錄或繪制振動幅值對振動裝置速度。RRT的影響(具體地在共振的開始和實現(xiàn)全共振幅值之間的時間延遲)規(guī)定了用于在振動裝置的速度范圍(還稱為振動響應(yīng)范圍)內(nèi)掃描的掃描速率是慢的，以便做出共振模式的精確記錄。掃描太快將導(dǎo)致共振峰值沒有被完全描繪或被完全錯過，因為機體100將不會有充足的時間以在振動裝置速度增加(由于掃描)超過共振頻率之前達到全幅值共振。
[0042]接下來參考圖7，顯示了兩種不同掃描速率(10PRM/秒和50RPM/秒)的結(jié)果。二者中，約10PRM/秒的較低的掃描速率在實踐中已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致許多機體100的精確共振峰值的記錄。當(dāng)前發(fā)明人已經(jīng)確定隨著機體100尺寸增加，可以優(yōu)選地是降低掃描速率可能以便完整地捕獲精確的共振數(shù)據(jù)。對處理的最常見響應(yīng)包括峰值增加(其典型地是較大的變化)以及在較低的RPMs方向中的峰值移位(其典型地是較小的變化，至少百分比程度)。典型地，這些共振峰值非常狹窄，導(dǎo)致任何峰值移位迅速地降低振動幅值，并且因此，應(yīng)力釋放率的迅速降低，因為共振幅值在釋放應(yīng)力中更有效。因此，任何峰值移位可能從振動裝置170速度的細調(diào)調(diào)整中受益，以便追蹤峰值到其最后的、穩(wěn)定的位置。
[0043]接下來參考圖8，這些響應(yīng)(其經(jīng)常結(jié)合峰值增長和峰值移位)的每一個與機體100的剛性的降低一致，其中，這樣的剛性與殘余應(yīng)力的出現(xiàn)相關(guān)聯(lián)。舉例來說，發(fā)生在VSR期間的常見的共振模式變化被顯示，其中，大的峰值增長了47%，而同時向左移位了28RPM，該移位小于0.75%的變化。在當(dāng)前示例中，用于執(zhí)行這個應(yīng)力釋放的設(shè)備具有振動裝置170的±
0.02%的速度調(diào)節(jié)，以及IRPM的速度增量的細調(diào)，其甚至允許峰值細微的移位以被精確地追蹤到它們最后的、穩(wěn)定的現(xiàn)場。
[0044]另一種降低與后糙化殘余應(yīng)力相關(guān)聯(lián)的涂層裂紋傾向的方法是通過高溫的手段，諸如感應(yīng)加熱、等離子體槍、熱噴槍以及其他手段(在此處共同地稱為熱應(yīng)力釋放)。顯著地，重要的是在任何這樣的加熱期間避免氣缸孔160表面氧化。在一種形式中，發(fā)動機機體100可以放置在可封閉的、受控的環(huán)境(未顯示)中以確保惰性氣體可以用于保護該孔160的表面在這樣的加熱之前、期間或之后不被氧化。這些加熱工藝在短的時間周期內(nèi)進行。例如，利用感應(yīng)加熱，感應(yīng)加熱器放置在每個氣缸孔160中。熱量僅接通數(shù)秒或數(shù)分鐘以加熱孔并釋放殘余應(yīng)力。鋁孔可以短時間(數(shù)秒或數(shù)分鐘)達到在3000C - 5000C之間的溫度并且然后慢慢冷卻。如上述提到的，惰性氣體的使用可以幫助保護防止孔160表面的氧化。利用等離子體槍和熱噴槍的處理方法之前在名稱為“通過用于氣缸孔上的熱噴涂層的等離子體射流的表面激發(fā)”的美國專利申請?zhí)?4/535,404中被描述，該申請由當(dāng)前發(fā)明的受讓人擁有，并且其公開內(nèi)容通過引用全部結(jié)合到本文中。特別地，關(guān)于調(diào)整與那個申請相關(guān)聯(lián)的熱噴涂層參數(shù)的細節(jié)可以幫助釋放內(nèi)部應(yīng)力;示例包括減慢噴射行進速度，以及允許更多行程，從每個行程得到更薄的涂層。
[0045]又一種可能由氣缸孔160的機械糙化引起的應(yīng)力釋放的方法涉及使用低溫應(yīng)力釋放。在這個方法中，由適合的鑄造方法(諸如砂型鑄造、高壓壓鑄或類似方法)生產(chǎn)的鑄鋁合金發(fā)動機機體(諸如圖1中所示的機體100)可以經(jīng)受極度的低溫(例如，在約-190°F與-310 °F之間的范圍內(nèi))，諸如通過液氮浴的使用。在短時間(大約30秒或更短)內(nèi)，機體100將達到所期望的低溫溫度，在這之后將它從浴中移除，并且然后允許加熱回至室溫以實現(xiàn)低溫回火。通常地，這樣的機體100被允許在靜止空氣中加熱到室溫以便不經(jīng)受熱沖擊;然而，如果時間是約束，可以采用提高加熱方案，該方案能夠結(jié)合突驗性嘗試使用以確定對組件沒有造成損害。在這個回火過程期間，鋁的微結(jié)構(gòu)會發(fā)生許多變化。最重要的益處之一是殘余應(yīng)力的降低，該殘余應(yīng)力是在鑄造和/或后機械加工過程中固有的。除降低裂紋傾向以夕卜，額外的益處可以包括增加的疲勞壽命、改善的熱特性、較低的蠕變以及更好的尺寸控制。
[0046]雖然低溫應(yīng)力釋放已經(jīng)可以用于鐵-基發(fā)動機機體合金，但當(dāng)前發(fā)明人沒有意識到在諸如機體100的鋁-基發(fā)動機機體上類似處理的使用。顯著地，盡管鐵-基機體能夠在接近800°F的溫度下被應(yīng)力釋放，對結(jié)構(gòu)很少損壞，但是由鋁制成的類似機體在這些溫度下可能經(jīng)歷顯著的扭曲，因為這與鋁大致1000°F的熔化溫度很接近。事實上，低溫應(yīng)力釋放即使在鐵機體中也很少，因為冷回火的復(fù)雜性沒有被很好的理解。另外，就該工藝被理解的程度，由于擔(dān)心損壞氣缸孔表面或機體，通過使鋁發(fā)動機機體經(jīng)受這種極度低溫的回火是經(jīng)常避免的。這在形成鐵襯套作為孔內(nèi)插入件用于耐磨損的發(fā)動機配置中是尤其真實的。由于在孔和襯套之間的熱膨脹的差別，如此配置的機體在低溫環(huán)境中的放置將是有問題的。在這些溫度下，鋁以兩倍于鐵的速率收縮，這意味著大的多的機體將在襯套周圍產(chǎn)生應(yīng)力；這進而能夠?qū)е乱r套彈出或產(chǎn)生扭曲。當(dāng)前發(fā)明人已經(jīng)確定通過對不帶襯套的鋁合金發(fā)動機機體100的壁應(yīng)用低溫回火應(yīng)力釋放，將沒有相抗衡的熱失配問題。如此，一旦機體100被釋放上述提到的鑄造和機械加工的應(yīng)力，熱噴涂層就可以涂敷到孔160或其他需要這樣處理的基底。
[0047]在當(dāng)前背景下，術(shù)語“孔”及其變體意為包含通過氣缸孔限定的發(fā)動機機體的壁，以及套筒、襯套或相關(guān)插入件的壁二者，該插入件放置在其中作用為在發(fā)動機壁和往復(fù)活塞之間的中介。如此，二者變體被認為在當(dāng)前發(fā)明的范圍之內(nèi)。
[0048]要注意的是，類似“優(yōu)選地”、“通常地”和“典型地”的術(shù)語在此沒有用來限定所要求保護的發(fā)明的范圍或暗示特定特征對所要求保護的發(fā)明的結(jié)構(gòu)或功能是關(guān)鍵的、基本的或者甚至重要的。相反，這些術(shù)語僅僅旨在強調(diào)可以或不可以用在當(dāng)前發(fā)明的特定實施方式中的可替代的或額外的特征。
[0049]出于描述和定義當(dāng)前發(fā)明的目的，要注意的是，術(shù)語“基本上”和“近似”以及他們的變體在此用來代表可以歸因于任何定量的比較、數(shù)值、測量或其他表示的固有不確定度。術(shù)語“基本上”在此還用來代表定量表示可以變化離開規(guī)定基準的程度，而沒有導(dǎo)致討論的主體的基本功能的變化。
[0050]在已經(jīng)詳細地并且通過參考【具體實施方式】描述了本發(fā)明的情況下，然而將顯而易見的是修改和變化是可能的，而不脫離在所附權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明的范圍。特別地，設(shè)想的是當(dāng)前發(fā)明的范圍不必限于規(guī)定的優(yōu)選方面以及示例的實施方式，但應(yīng)該受所附權(quán)利要求的支配。
【主權(quán)項】
1.一種處理氣缸孔的方法，所述氣缸孔形成在鋁基發(fā)動機機體中，所述方法包括: 利用機械糙化法激發(fā)所述孔的暴露表面；以及 通過振動應(yīng)力釋放、高溫應(yīng)力釋放和低溫應(yīng)力釋放的至少一個，降低存在于所述被激發(fā)的表面中的殘余應(yīng)力。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括在所述被處理的孔上形成至少一個保護涂層。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述至少一個保護涂層從組中選擇，所述組由熱障涂層、耐磨損涂層、防腐蝕涂層、結(jié)合-促進涂層及其組合構(gòu)成。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述至少一個保護涂層由熱噴法來涂敷。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，在所述氣缸孔和所述至少一個保護涂層之間沒有放置氣缸襯套。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述振動應(yīng)力釋放包括: 操作與所述機體振動協(xié)作的振動裝置，以便確定與所述機體相關(guān)聯(lián)的至少一個共振頻率響應(yīng)條件； 在與所述至少一個共振頻率響應(yīng)條件基本上一致的操作條件下，從所述振動裝置將振動傳遞到所述機體;以及 監(jiān)測所述被傳遞的振動直到所述殘余應(yīng)力降低至預(yù)定水平。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述監(jiān)測進一步包括測量在所述殘余應(yīng)力中的降低量。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述測量在所述殘余應(yīng)力中的降低量包括使用X-射線衍射。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述操作包括使用掃描速率足夠慢地掃過所述機體的振動響應(yīng)范圍以確保用于所述至少一個共振頻率響應(yīng)條件的每一個的全振幅共振。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述掃描速率在約10RPM/秒與50RPM/秒之間。
【文檔編號】C21D1/00GK105935857SQ201610117027
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月2日
【發(fā)明人】Y.王, M.S.克拉默
【申請人】通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司