關于聯(lián)邦資助的研究或開發(fā)的聲明

本發(fā)明是根據(jù)能源部授予的合作協(xié)議de-ee0006901在政府支持下完成的。政府對本發(fā)明享有某些權利。

本公開涉及具有可變涂層(例如，可變孔隙率)的汽缸孔。

背景技術：

發(fā)動機缸體(汽缸體)可以包括容納內燃發(fā)動機的活塞的一個或更多個汽缸孔。發(fā)動機缸體可以例如由鑄鐵或鋁鑄造而成。鋁比鑄鐵輕，并且可以被選擇以減輕車輛的重量并提高燃料經(jīng)濟性。鋁制發(fā)動機缸體可以包括缸套，諸如鑄鐵襯套。如果沒有缸套，則鋁制發(fā)動機缸體可以在缸孔表面上包括涂層。鑄鐵缸套通常使缸體的重量增加，并且可能導致鋁制缸體和鑄鐵缸套之間的熱性能不匹配。無缸套的缸體可以接受涂層(例如，等離子體涂覆缸孔工藝)以減少磨損和/或摩擦。

技術實現(xiàn)要素：

在至少一個實施例中，提供一種發(fā)動機缸體。所述發(fā)動機缸體可以包括主體，所述主體包括具有縱向軸線的至少一個圓柱形發(fā)動機缸孔壁，并且包括沿著所述縱向軸線延伸并具有涂層厚度的涂層，所述涂層具有中間區(qū)域、第一端部區(qū)域和第二端部區(qū)域以及分散在涂層厚度以內的多個孔隙，所述中間區(qū)域與所述端部區(qū)域中的一者或兩者具有不同的平均孔隙率。

所述中間區(qū)域可比所述端部區(qū)域中的一者或兩者具有更大的平均孔隙率。在一個實施例中，所述端部區(qū)域中的一者沿著所述至少一個發(fā)動機缸孔壁的包括所述至少一個發(fā)動機缸孔壁的上止點(tdc)位置或下止點(bdc)位置的部分延伸，所述中間區(qū)域沿著所述至少一個發(fā)動機缸孔壁的位于所述至少一個發(fā)動機缸孔壁的tdc位置和bdc位置之間的部分延伸。所述端部區(qū)域中的一者或兩者可具有0.1％至3％的平均孔隙率。所述中間區(qū)域可具有至少5％的平均孔隙率。所述端部區(qū)域中的一者或兩者和所述中間區(qū)域均可具有10μm至300μm的平均孔隙尺寸。在一個實施例中，所述涂層還包括中等孔隙率區(qū)域，所述中等孔隙率區(qū)域具有在所述中間區(qū)域的平均孔隙率和所述端部區(qū)域中的一者或兩者的平均孔隙率之間的平均孔隙率。

在一個實施例中，所述端部區(qū)域中的一者沿著所述至少一個發(fā)動機缸孔壁的包括所述至少一個發(fā)動機缸孔壁的上止點(tdc)位置或下止點(bdc)位置的部分延伸，所述中間區(qū)域沿著所述至少一個發(fā)動機缸孔壁的位于所述至少一個發(fā)動機缸孔壁的tdc位置和bdc位置之間的部分延伸，所述中等孔隙率區(qū)域沿著所述至少一個發(fā)動機缸孔壁的位于其中一個端部區(qū)域和所述中間區(qū)域之間的部分延伸。所述中間區(qū)域可在所述至少一個發(fā)動機缸孔壁的對應于30度至150度的曲軸角的部分內延伸。所述中間區(qū)域可沿著所述至少一個發(fā)動機缸孔壁的包括最大活塞速度區(qū)域的部分延伸。

在至少一個實施例中，提供一種發(fā)動機缸體。所述發(fā)動機缸體可包括主體，所述主體包括缸孔壁和覆蓋所述缸孔壁的涂層，所述涂層具有厚度和分散在所述厚度以內的孔隙，所述涂層包括第一深度區(qū)域和第二深度區(qū)域，所述第一深度區(qū)域被設置為鄰近于所述涂層與所述缸孔壁的界面，所述第二深度區(qū)域被設置為鄰近于所述涂層的暴露表面，所述第二深度區(qū)域比所述第一深度區(qū)域具有更大的平均孔隙率。

第一深度區(qū)域可以具有0.3％至2％的平均孔隙率，并且第二深度區(qū)域可以具有至少5％的平均孔隙率。在一個實施例中，所述涂層包括在涂層厚度以內且設置在第一深度區(qū)域和第二深度區(qū)域之間的第三深度區(qū)域，所述第三深度區(qū)域具有在第一深度區(qū)域的平均孔隙率和第二深度區(qū)域的平均孔隙率之間的平均孔隙率。第一深度區(qū)域和第二深度區(qū)域可以位于缸孔壁的對應于30度至150度的曲軸角的縱向部分內。

在至少一個實施例中，提供一種方法，所述方法包括：將具有第一平均孔隙率的涂層噴涂到發(fā)動機缸孔壁的中間縱向區(qū)域上；將具有第二平均孔隙率的涂層噴涂到所述發(fā)動機缸孔壁的一個或更多個端部區(qū)域上。所述第一平均孔隙率可大于所述第二平均孔隙率，并且在所述噴涂步驟期間形成所述第一平均孔隙率和所述第二平均孔隙率。

該方法還可以包括：將具有第三平均孔隙率的涂層噴涂到發(fā)動機缸孔壁的第三縱向區(qū)域上，第三平均孔隙率小于第一平均孔隙率。中間縱向區(qū)域可以包括缸孔壁的對應于80度至100度的曲軸角的縱向部分。一個或更多個端部區(qū)域可以包括發(fā)動機缸孔壁的上止點(tdc)位置或下止點(bdc)位置。在一個實施例中，第一平均孔隙率為至少5％，第二平均孔隙率為0.1％至3％。具有第一平均孔隙率的涂層和具有第二平均孔隙率的涂層可以各自具有10μm至300μm的平均孔隙尺寸，并且可以在所述噴涂步驟期間形成所述平均孔隙尺寸。

在至少一個實施例中，提供一種物體。所述物體可以包括主體，所述主體包括具有縱向軸線的至少一個滑動表面壁。涂層可沿著所述縱向軸線延伸并具有涂層厚度。所述涂層可具有中間區(qū)域和端部區(qū)域以及分散在所述涂層厚度以內的多個孔隙。所述中間區(qū)域可與所述端部區(qū)域具有不同的平均孔隙率。

在至少一個實施例中，提供一種用于噴涂涂層的設備。該設備可以包括：噴炬，具有可變的涂層參數(shù)；控制器，被配置為改變所述可變的涂層參數(shù)，以產生沿著涂層的長度和/或深度具有變化的孔隙率的涂層。

附圖說明

圖1是發(fā)動機缸體的示意性透視圖；

圖2是根據(jù)實施例的汽缸套的透視圖；

圖3是根據(jù)實施例的被涂覆的發(fā)動機缸孔的截面；

圖4是根據(jù)另一實施例的被涂覆的發(fā)動機缸孔的截面；

圖5是根據(jù)實施例的形成具有可變孔隙率涂層的汽缸孔的流程圖的示例；

圖6是根據(jù)實施例的具有相對中等的孔隙率水平的ptwa涂層的截面；

圖7是根據(jù)實施例的具有相對高的孔隙率水平的ptwa涂層的截面。

具體實施方式

根據(jù)需要，在此公開本發(fā)明的詳細實施例；然而，應理解，所公開的實施例僅是本發(fā)明的示例，本發(fā)明可以以各種和替代的形式實施。附圖不一定按比例繪制；可夸大或最小化一些特征以顯示特定部件的細節(jié)。因此，在此公開的具體結構和功能細節(jié)不應被解釋為限制，而僅作為用于教導本領域技術人員以各種方式利用本發(fā)明的代表性基礎。

參照圖1，示出了發(fā)動機缸體或汽缸體10。發(fā)動機缸體10可包括一個或更多個汽缸孔12，汽缸孔12可被構造為容納內燃發(fā)動機的活塞。發(fā)動機缸體主體可以由任何合適的材料(諸如，鋁、鑄鐵、鎂或它們的合金)形成。在至少一個實施例中，發(fā)動機缸體10是無缸套的發(fā)動機缸體。在這些實施例中，缸孔12上可具有涂層。在至少一個實施例中，發(fā)動機缸體10可包括插入或鑄入汽缸孔12中的汽缸套14(諸如圖2中所示)。缸套14可以是具有外表面16、內表面18和壁厚20的中空圓筒或管。

如果發(fā)動機缸體的母體材料(parentmaterial)是鋁，則可將鑄鐵缸套或涂層設置在汽缸孔中而為汽缸孔提供增加的強度、剛度、耐磨性或其它特性。例如，可在發(fā)動機缸體已經(jīng)(例如，通過鑄造)形成之后，將鑄鐵缸套鑄入到發(fā)動機缸體或壓入到汽缸孔中。在另一個示例中，鋁制汽缸孔可以是無缸套的，但可在發(fā)動機缸體已經(jīng)(例如，通過鑄造)形成之后對鋁制汽缸孔涂覆涂層。在另一個實施例中，發(fā)動機缸體的母體材料可以是鋁或鎂，鋁制或鎂制缸套可插入或鑄入發(fā)動機缸孔中。于2015年12月17日提交的第14/972,144號美國申請描述了將鋁制缸套鑄入鋁制發(fā)動機缸體中，該申請公開的全部內容通過引用被包含于此。

因此，汽缸孔的缸孔表面可以以各種方式形成并且可以由各種材料形成。例如，缸孔表面可以是鑄鐵表面(例如，來自鑄鐵發(fā)動機缸體或鑄鐵缸套)或鋁表面(例如，來自無缸套的鋁制缸體或鋁制缸套)。所公開的可變涂層可以應用于任何合適的缸孔表面，因此，術語“缸孔表面”可以應用于無缸套缸體的表面或者應用于已經(jīng)(例如，通過過盈配合或通過鑲鑄)設置在汽缸孔內的汽缸套或套筒的表面。

參照圖3，公開了具有可變涂層32的汽缸孔30。雖然示出和描述了汽缸孔，但是本公開可以應用于包括主體的任何物體，該主體包括具有縱向軸線的至少一個滑動表面壁。在施加涂層32之前，可以使缸孔表面34粗糙化。使缸孔表面34粗糙化可以提高涂層32與缸孔30的粘合或結合強度。粗糙化過程可以是機械粗糙化工藝，例如使用具有切削刃的工具、噴砂或水射流。其它粗糙化工藝可包括蝕刻(例如，化學或等離子體)、火花/放電或其它。在所示的實施例中，粗糙化過程可以是多個步驟。在第一步驟中，可以去除缸孔表面34的材料，從而形成突起36(虛線)。在第二步驟中，可以改變突起以形成具有底切40的懸伸突起38?？梢允褂萌魏魏线m的工藝(例如滾軋、切削、銑削、壓制、噴砂或其它)來改變突起。

可將涂層32施加到粗糙化的缸孔表面。在一個實施例中，涂層可以是噴涂涂層，例如熱噴涂涂層?？捎糜谛纬赏繉?2的熱噴涂技術的非限制性示例可包括等離子體噴涂、爆炸噴涂、電弧噴涂(例如，等離子體轉移電弧或ptwa)、火焰噴涂、高速氧燃料(hvof)噴涂、溫噴涂或冷噴涂。也可以使用其它涂覆技術，例如氣相沉積(例如，pvd或cvd)或化學/電化學技術。在至少一個實施例中，涂層32是通過等離子體轉移電弧(ptwa)噴涂形成的涂層。

可以提供用于噴涂涂層32的設備。該設備可以是包括噴炬的熱噴涂設備。噴炬可以包括噴炬參數(shù)，諸如霧化氣體壓力、電流、等離子體氣體流速、送絲速度和噴炬橫移速度。噴炬參數(shù)可以是可變的，使得它們在噴炬的操作期間是可調的或可變的。該設備可以包括控制器，其可以被編程或配置為在噴炬的操作期間控制和改變噴炬參數(shù)。如下面進一步詳細描述的，控制器可以被配置為改變噴炬參數(shù)以沿縱向和/或深度方向調節(jié)涂層32的孔隙率?？刂破骺梢园ㄒ粋€或更多個計算機的系統(tǒng)，其可以被配置為通過安裝在該系統(tǒng)上的軟件、固件、硬件或其組合來執(zhí)行特定的操作或動作，所述軟件、固件、硬件或其組合在操作時使所述系統(tǒng)執(zhí)行所公開的動作。一個或更多個計算機程序可以被配置為通過包括指令來執(zhí)行特定的操作或動作，所述指令在由控制器執(zhí)行時使得所述設備執(zhí)行所述動作。

涂層32可以是為發(fā)動機缸體汽缸孔提供足夠的強度、剛度、密度、耐磨性能、摩擦、疲勞強度和/或導熱性的任何合適的涂層。在至少一個實施例中，涂層可以是鐵或鋼涂層。合適的鋼成分的非限制性示例可包括從1010至4130鋼的任何aisi/sae鋼等級。鋼也可以是不銹鋼，諸如aisi/sae400系列(例如420)中的那些不銹鋼。然而，也可以使用其它鋼成分。涂層不限于鐵或鋼，并且可以由其它金屬或非金屬形成或包括其它金屬或非金屬。例如，涂層可以是陶瓷涂層、聚合物涂層或無定形碳涂層(例如dlc或類似物)。因此，涂層類型和成分可以根據(jù)應用和期望的特性而變化。此外，在汽缸孔30中可以存在多種涂層類型。例如，不同的涂層類型(例如，成分)可以施加于汽缸孔的不同區(qū)域(下面更詳細地描述)和/或涂層類型可根據(jù)整個涂層的深度(例如，逐層)變化。

在汽缸孔內的活塞的沖程期間，摩擦狀況可以基于曲柄角(曲軸角)或活塞的位置和/或速度而改變。例如，當活塞處于或接近上止點(tdc)42和/或下止點(bdc)44時，活塞在沖程的最頂部和最底部(例如，在0度和180度的曲柄角附近)的速度可以小或為零。當活塞處于或接近tdc42或bdc44時，摩擦狀況可以是邊界摩擦，其中在活塞和缸孔表面(或當涂覆有涂層時的涂層表面)之間存在粗糙面接觸。當活塞在缸孔長度/高度的中間部分(例如，曲柄角在大約35度至145度之間)以相對高的速度移動時，摩擦狀況可以是流體動力摩擦，其中幾乎不存在粗糙面接觸。當活塞在這兩個區(qū)域之間(例如，曲柄角在大約10度至35度或大約145度至170度之間)朝向或遠離tdc42或bdc44移動時，活塞速度相對中等并且摩擦狀況可以是邊界摩擦和流體動力摩擦的混合摩擦(例如，一些粗糙面接觸)。當然，本文公開的曲柄角是示例，并且向不同摩擦狀況的轉變(例如，邊界摩擦到混合摩擦)將取決于發(fā)動機的轉速、發(fā)動機結構和其它因素。

因此，潤滑特性或要求在汽缸孔30的不同區(qū)域中會不同。在至少一個實施例中，涂層32的孔隙率可以沿著缸孔30的高度變化。如本文所使用的，孔隙率可以是指在涂層32沉積期間形成的孔隙或者可在涂層32沉積之后(例如，通過機械地或化學地紋理化)在涂層32中形成的孔隙。涂層32中的孔隙可以用作保持油/潤滑劑的儲存器，從而在惡劣的工況下提供潤滑或改善潤滑劑膜厚度。因此，具有不同孔隙率水平的區(qū)域可對汽缸孔30的潤滑具有不同的影響。在至少一個實施例中，沿著缸孔30的高度可具有至少兩個不同的孔隙率水平?？纱嬖谙鄬Φ涂紫堵蕝^(qū)域46和相對高孔隙率區(qū)域48。在圖3所示的實施例中，可以有兩個低孔隙率區(qū)域46和位于其間的高孔隙率區(qū)域48(例如，將區(qū)域46分開)。

一個低孔隙率區(qū)域46可以在汽缸孔30的包括tdc42的高度上延伸。區(qū)域46可以在tdc42下方延伸一定量。例如，區(qū)域46可以根據(jù)活塞的曲柄角覆蓋汽缸孔的一定高度。在一個實施例中，區(qū)域46可以從tdc42延伸到對應于高達35度的曲柄角的高度。在另一個實施例中，區(qū)域46可以從tdc42延伸到對應于高達30度、25度、20度、15度或10度的曲柄角的高度。例如，該區(qū)域延伸的范圍可以是0至35度、0至30度、0至25度、0至20度、0至15度、0至10度或0至5度。

另一低孔隙率區(qū)域46可以在汽缸孔30的包括bdc44的高度上延伸。區(qū)域46可以在bdc44上方延伸一定量。例如，區(qū)域46可以根據(jù)活塞的曲柄角覆蓋汽缸孔的一定高度。在一個實施例中，區(qū)域46可以從bdc44延伸到對應于至多145度的曲柄角的高度。在另一個實施例中，區(qū)域46可以從bdc44延伸到對應于至多150度、155度、160度、165度或170度的曲柄角的高度。例如，該區(qū)域延伸的范圍可以是145度到180度、150度到180度、155度到180度、160度到180度、165度到180度、170度到180度或175度到180度。

高孔隙率區(qū)域48可以設置在低孔隙率區(qū)域46之間。在一個實施例中，如圖3所示，高孔隙率區(qū)域48可以在低孔隙率區(qū)域46之間的整個高度上延伸。類似于低孔隙率區(qū)域46，高孔隙率區(qū)域48可以根據(jù)活塞的曲柄角覆蓋汽缸孔的一定高度。曲柄角的范圍可以是上面針對頂部和底部低孔隙率區(qū)域46所公開的那些范圍之間的任何范圍。例如，高孔隙率區(qū)域延伸的曲柄角范圍可以是10度到170度、15度到165度、20度到160度、25度至155度、30度至150度或35度至145度，或者高孔隙率區(qū)域可以在任何上述范圍內的至少一部分上延伸。頂部和底部低孔隙率區(qū)域46可以或可以不具有相同的高度。因此，曲柄角范圍可以是不對稱的，并且可以從上面針對頂部區(qū)域46所公開的任何值延伸到針對底部區(qū)域46的任何值。例如，高孔隙率區(qū)域48可以從15度的曲柄角延伸到160度。

類似于曲柄角，低孔隙率區(qū)域46和高孔隙率區(qū)域48可以覆蓋缸孔表面的與活塞具有一定速度的位置相對應的區(qū)域(例如，高度范圍)。低孔隙率區(qū)域46可對應于相對低(或無)速度的區(qū)域，而高孔隙率區(qū)域48可對應于相對高(或最大)速度的區(qū)域?；钊乃俣瓤梢愿鶕?jù)發(fā)動機的設計或構造而改變。因此，高孔隙率區(qū)域或低孔隙率區(qū)域的范圍可以根據(jù)活塞的最大速度的百分比來描述。

在一個實施例中，低孔隙率區(qū)域46可覆蓋汽缸孔表面的對應于高達最大速度的30％的活塞速度(包括零速度)的區(qū)域，例如高達最大速度的25％、20％、15％、10％或5％。如上所述，較低的速度可出現(xiàn)在tdc42和/或bdc44處或其附近。高孔隙率區(qū)域48可以覆蓋汽缸孔區(qū)域的其余部分。例如，高孔隙率區(qū)域48可以覆蓋汽缸孔表面的對應于最大速度的至少5％、10％、15％、20％、25％或30％的活塞速度的區(qū)域。在另一個實施例中，高孔隙率區(qū)域48可以覆蓋汽缸孔表面的對應于最大速度的50％至100％或其中的任何子范圍(例如最大速度的60％至100％、70％至100％、80％至100％、90％至100％或95％至100％)的活塞速度的區(qū)域。

在一個實施例中，低孔隙率區(qū)域46的孔隙率(例如，平均孔隙率)可以高達3％。例如，低孔隙率區(qū)域46可以具有高達2.5％、2％或1.5％的孔隙率。在一個實施例中，低孔隙率區(qū)域46可以具有0.1％至3％或其中的任何子范圍(諸如0.5％至3％、0.5％至2.5％、0.5％至2％、1％至2.5％或1％至2％)的孔隙率。如本文所公開的，“孔隙率”可以指表面孔隙率或涂層的由孔隙(例如，在引入潤滑劑之前的空白空間或空氣)構成的表面的百分比。

高孔隙率區(qū)域48的孔隙率可以大于低孔隙率區(qū)域46的孔隙率。在一個實施例中，高孔隙率區(qū)域48可以具有至少2％的孔隙率(例如，平均孔隙率)，例如至少2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％或5％。在另一個實施例中，高孔隙率區(qū)域48可以具有2％至15％或其中的任何子范圍(例如2％至12％、2％至10％、2％至8％、3％至10％、3％至8％、4％至10％、4％至8％、5％至10％或5％至8％)的孔隙率。

在低孔隙率區(qū)域和高孔隙率區(qū)域中的孔隙的尺寸或直徑、孔隙深度和/或孔隙分布可以相同或可以不同。在一個實施例中，低孔隙率區(qū)域46和高孔隙率區(qū)域48的平均孔隙尺寸可以相同或相近。在此實施例中，低孔隙率區(qū)域46和高孔隙率區(qū)域48的平均孔隙尺寸可以從0.1μm至500μm或其中的任何子范圍，諸如0.1μm至250μm、0.1μm至200μm、1μm至500μm、1μm至300μm、1μm至200μm、10μm至300μm、10μm至200μm、20μm至200μm、10μm至150μm或20μm至150μm。

在另一個實施例中，低孔隙率區(qū)域46和高孔隙率區(qū)域48的平均孔隙尺寸、孔隙深度和/或孔隙分布可以不同。例如，高孔隙率區(qū)域48的平均孔隙尺寸可以大于低孔隙率區(qū)域46的平均孔隙尺寸，或反之亦然。平均孔隙尺寸可以在上面公開的范圍內，但是在該范圍內，一個區(qū)域的平均孔隙尺寸大于另一個區(qū)域的平均孔隙尺寸。每個區(qū)域的孔隙率可以是孔隙尺寸和孔隙數(shù)量的函數(shù)。因此，對于給定的平均孔隙尺寸，較多數(shù)量的孔隙將導致較高的孔隙率，反之亦然。如果平均孔隙尺寸在區(qū)域之間不同，則孔隙率和孔隙數(shù)量之間的關系可能更復雜。例如，高孔隙率區(qū)域48可以與低孔隙率區(qū)域46具有相同數(shù)量的孔隙，但是可以具有較大的孔隙?；蛘撸呖紫堵蕝^(qū)域48可以具有較小的孔隙，但是可以具有較多數(shù)量的孔隙，達到總體孔隙率仍大于低孔隙率區(qū)域46的程度。當然，高孔隙率區(qū)域48可以同時具有較大的孔隙和較多的數(shù)量。

盡管上面已經(jīng)描述了汽缸孔30上的涂層32具有兩個不同孔隙率的區(qū)域，但是可以存在兩個以上不同孔隙率的區(qū)域，諸如三個、四個、五個或更多個不同的區(qū)域。在一些實施例中，代替離散的區(qū)域，可以沿著汽缸孔30的高度具有孔隙率梯度。例如，代替離散的低孔隙率區(qū)域46和高孔隙率區(qū)域48，涂層32的孔隙率可以從tdc42增加到缸孔高度的中心區(qū)域中的峰值，然后朝向bdc44減小。因此，在tdc42處或附近可具有相對最小的孔隙率，在缸孔高度的中心區(qū)域附近(例如，曲柄角為大約90度，諸如80度至100度)可具有相對最大的孔隙率，在bdc44處或附近可具有另一相對最小值?？紫堵实淖兓梢允沁B續(xù)的，并且可以是線性/恒定的增加/減少，或者可以是曲線。孔隙率的變化也可以由具有兩個或更多個區(qū)域(例如，2至n個區(qū)域)的孔隙率的多個小臺階(step)構成。除了或代替區(qū)域的孔隙率水平作為梯度或多個臺階而變化，孔隙尺寸也可以以類似的方式改變。

圖4中示出了具有涂層32的汽缸孔30的另一示例。類似于圖3所示的實施例，圖4所示的涂層也具有相對低孔隙率的區(qū)域46和相對高孔隙率的區(qū)域48。此外，圖4所示的涂層還可以具有中等孔隙率區(qū)域50，其可以具有在低孔隙率區(qū)域的孔隙率水平和高孔隙率區(qū)域48的孔隙率水平之間的孔隙率水平。在圖4所示的示例中，類似于圖3，可以具有兩個低孔隙率區(qū)域46和單個高孔隙率區(qū)域48。然而，可以具有兩個中等孔隙率區(qū)域50，它們沿著缸孔30的高度位于或設置在低孔隙率區(qū)域和高孔隙率區(qū)域之間。因此，從tdc42到bdc44，區(qū)域的順序可以如下：低-中等-高-中等-低。

在一個實施例中，圖4中的低孔隙率區(qū)域46和高孔隙率區(qū)域48可具有與上面針對圖3所描述的孔隙率值相同或相似的孔隙率值。然而，圖4中的低孔隙率區(qū)域和高孔隙率區(qū)域可以具有不同的值，例如，該范圍可以變窄以為中等孔隙率區(qū)域50提供孔隙率水平間隙。在一個實施例中，中等孔隙率區(qū)域50的孔隙率(例如，平均孔隙率)可以是從2％至7％或其中的任何子范圍，諸如2％至6％、3％至7％、3％至5％、4％至7％或4％至6％。類似于圖3的描述，低、中等和高孔隙率區(qū)域中孔隙的尺寸或直徑可以相同或可以不同。平均孔隙尺寸可以與上述那些相同或相似。在低孔隙率區(qū)域46、中等孔隙率區(qū)域50和高孔隙率區(qū)域48的平均孔隙尺寸不同的實施例中，中等孔隙率區(qū)域50的平均孔隙尺寸可以在高孔隙率區(qū)域48的平均孔隙尺寸和低孔隙率區(qū)域46的平均孔隙尺寸之間。類似于上文，中等孔隙率區(qū)域50的孔隙率可以是孔隙尺寸和/或孔隙數(shù)量的函數(shù)。例如，孔隙數(shù)量可以與低孔隙率區(qū)域和高孔隙率區(qū)域相同，但是孔隙尺寸可以是中間值?；蛘撸紫冻叽缈梢匀肯嗤械瓤紫堵蕝^(qū)域可以具有中間數(shù)量的孔隙。當然，也可以存在導致中等的總體孔隙率的孔隙尺寸和孔隙數(shù)量的其它組合。

在圖4所示的實施例中，高孔隙率區(qū)域48可以在汽缸孔高度的中心或中間部分上延伸。例如，高孔隙率區(qū)域48可以在汽缸孔的對應于90度的曲柄角的高度上延伸。在一個實施例中，高孔隙率區(qū)域48可以在汽缸孔的對應于60度至120度或其中的任何子范圍(例如70度至110度或80度至100度)的曲柄角的高度上延伸，或者在上述范圍中的至少一部分上延伸。低孔隙率區(qū)域46可以在與圖3中所描述的相同或相似的曲柄角范圍上延伸。相應地，中等孔隙率區(qū)域50的曲柄角范圍可以在低孔隙率范圍和高孔隙率范圍之間。

類似于上文，可以根據(jù)汽缸孔的對應于活塞速度的區(qū)域或高度來描述低、中等和高孔隙率區(qū)域。相應地，低孔隙率區(qū)域46可以覆蓋汽缸孔表面的對應于相對低的活塞速度(例如，包括零)的區(qū)域，高孔隙率區(qū)域48可以覆蓋汽缸孔表面的對應于相對高的活塞速度(例如，包括最大速度)的區(qū)域，中等孔隙率區(qū)域50可以覆蓋汽缸孔表面的對應于低速度區(qū)域的活塞速度和高速度區(qū)域的活塞速度之間的活塞速度(例如，不包括零或最大值)的區(qū)域。

在一個實施例中，低孔隙率區(qū)域46可以覆蓋汽缸孔表面的對應于高達最大速度的30％的活塞速度(包括零速度)的區(qū)域，例如高達最大速度的25％、20％、15％、10％或5％。如上所述，較低速度可以出現(xiàn)在tdc42和/或bdc44處或其附近。中等孔隙率區(qū)域50可以覆蓋汽缸孔表面的對應于最大速度的5％至80％或其中的任何子范圍的活塞速度的區(qū)域。例如，中等孔隙率區(qū)域50可以覆蓋對應于最大速度的10％至80％、15％至80％、20％至80％、30％至80％、40％至80％、30％至70％、30％至60％、20％至50％或10％至50％的區(qū)域或其它的區(qū)域。在一個實施例中，高孔隙率區(qū)域48可覆蓋汽缸孔表面的對應于最大速度的至少30％、40％、50％、60％、70％或80％的活塞速度(包括最大值)的區(qū)域。在另一個實施例中，高孔隙率區(qū)域48可以覆蓋汽缸孔表面的對應于最大速度的50％至100％或其中的任何子范圍(例如最大速度的60％至100％、70％至100％、80％至100％、90％至100％或95％至100％)的活塞速度的區(qū)域。在一個實施例中，中等孔隙率區(qū)域50的最大速度的百分比可以在低孔隙率區(qū)域的范圍和高孔隙率區(qū)域的范圍之間和/或形成低孔隙率區(qū)域的范圍和高孔隙率區(qū)域的范圍的其余部分。

涂層32可以是單層或可以由多層形成。例如，如果使用熱噴涂方法(例如，ptwa)施加涂層32，則可以將多個層噴涂到缸孔表面上以將涂層32積累至其最終厚度。熱噴涂可以通過旋轉噴嘴或通過圍繞固定噴嘴旋轉缸孔表面來施加。因此，在形成涂層32時，噴嘴和/或缸孔表面每旋轉一周可以沉積新層。如上所述，孔隙率水平(例如，低孔隙率區(qū)域、中等孔隙率區(qū)域或高孔隙率區(qū)域)可以是表面孔隙率水平。然而，孔隙率也可以根據(jù)涂層32的深度而變化。

在一個實施例中，涂層32可具有25μm至500μm(例如25μm至250μm、50μm至500μm、50μm至250μm、25μm至100μm或25μm至75μm)的珩磨厚度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，涂層32的孔隙率可以影響涂層32與缸孔表面(例如，鋁制缸孔或缸套)的粘合或結合。通常，涂層32與缸孔表面的粘合可以隨著孔隙率的降低而增加。因此，在至少一個實施例中，涂層32在涂層32和缸孔表面之間的界面處的平均孔隙率可以小于涂層32在涂層32的表面處(例如，接觸活塞的暴露表面)的平均孔隙率。

與表面孔隙率區(qū)域類似，沿著涂層的厚度可以存在兩個或更多個離散的孔隙率區(qū)域，或者沿著厚度可以具有梯度或不斷變化的孔隙率。涂層32在其與缸孔表面的界面處的孔隙率可以高達2％，例如0.1％至2％、0.3％至2％、0.5％至2％、0.1％至1.5％、0.1％至1％、0.5％至2％或0.5％至1.5％。涂層32在其表面處的孔隙率如上所述，并且可以根據(jù)涂層沿汽缸孔30的高度的位置而變化。因此，涂層32沿著汽缸孔30的高度和深度兩者的孔隙率可以存在變化。

沿著涂層厚度的孔隙率變化可以由具有兩個或更多個區(qū)域(例如，2至n個區(qū)域)的孔隙率的多個小臺階構成。在一個實施例中，所述區(qū)域可以對應于涂覆涂層時該涂層單層的厚度。例如，如果沉積五層ptwa并且每層具有10μm的厚度，則總的涂層厚度可以為50μm?？梢栽诿總€、一些或所有層沉積期間調節(jié)孔隙率。例如，孔隙率可以在每個后續(xù)層中增加，使得孔隙率從所述界面到涂層32的表面連續(xù)增加?；蛘?，一些層可以形成為具有相同的孔隙率，使得從所述界面到涂層的表面存在孔隙率臺階。

除了涂層32中的孔隙率和/或孔隙尺寸根據(jù)汽缸孔的高度和/或深度變化之外，其它特性也可以存在變化。在一個實施例中，涂層的顯微硬度可以根據(jù)汽缸孔內的高度而變化。例如，顯微硬度可以與孔隙率以類似的方式變化，使得在發(fā)動機缸孔內存在具有不同顯微硬度的區(qū)域或部分。因此，低、高和/或中等孔隙率區(qū)域也可具有不同的顯微硬度水平。與孔隙率類似，可以存在兩個、三個、四個或更多個不同的顯微硬度區(qū)域。顯微硬度可以以逐步的方式變化，或者可以是連續(xù)的或基本上連續(xù)的(例如，許多非常小的離散變化)。類似于孔隙率，顯微硬度可以通過調整涂層沉積工藝的參數(shù)(例如噴炬參數(shù))而改變。

在一個實施例中，涂層32在具有較低孔隙率的區(qū)域中的顯微硬度可以比涂層32在具有較高孔隙率的區(qū)域中的顯微硬度更大。例如，在一些實施例中，較低孔隙率區(qū)域46也可以是高顯微硬度區(qū)域。包括并鄰近tdc42和bdc44的區(qū)域可以比活塞以相對高的速度(例如，大約90度的曲柄角)移動的區(qū)域具有更高的顯微硬度。高顯微硬度區(qū)域中的顯微硬度可以是150hv至600hv或其中的任何子范圍。例如，高顯微硬度區(qū)域中的顯微硬度可以為200hv至500hv、200hv至400hv、250hv至500hv或250hv至400hv。在一些實施例中，整個涂層的顯微硬度可以在上述范圍內，然而，高顯微硬度區(qū)域可以具有該范圍內的較大的顯微硬度。

參照圖3至圖5，描述了形成所公開的可變孔隙率涂層的方法。圖5示出了用于形成具有可變孔隙率的汽缸孔涂層的方法的流程圖100。然而，如上所述，該方法可應用于在包括具有縱向軸線的至少一個滑動表面壁的任何物體主體上形成具有可變孔隙率的涂層。在步驟102中，可以制備缸孔表面以接受涂層。如上所述，缸孔表面可以是鑄造發(fā)動機缸孔或缸套(鑲鑄或過盈配合)。表面制備可以包括粗糙化和/或沖洗所述表面以改善涂層的粘合/結合。

在步驟104中，可以開始涂層的沉積。如上所述，涂層可以以任何合適的方式被施加，例如噴涂。在一個示例中，可以通過熱噴涂(例如ptwa噴涂)來施加涂層?？梢酝ㄟ^將涂層旋轉噴涂到缸孔表面上來施加涂層?？梢孕D噴嘴、缸孔表面或兩者以施加涂層。如上所述，涂層在其與缸孔表面的界面處的部分可具有低孔隙率以促進結合/粘合。因此，涂層的初始層沿著汽缸孔涂層的整個高度可以是相同的。然而，在其他實施例中，初始涂層孔隙率可以基于高度而變化。

在步驟106中，可以(例如，通過控制器)調整沉積參數(shù)，以在涂層中產生不同水平的孔隙率?？梢栽谑┘油繉訒r進行調整，或者可以暫停施加以調整所述參數(shù)?？梢哉{整所述參數(shù)以形成上述涂層結構。例如，可以調整所述參數(shù)以在涂層表面的所公開的位置處形成低、中等和/或高孔隙率區(qū)域。還可以調整所述參數(shù)以形成作為涂層深度的函數(shù)的孔隙率變化，如上所述。待調整的參數(shù)可基于沉積的類型和所使用的具體設備而變化。在使用ptwa噴涂的示例中，可以調整噴炬或其他操作參數(shù)以改變孔隙率。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以調整諸如霧化氣體壓力、電流、等離子體氣體流速、送絲速度和噴炬橫移速度的參數(shù)以增加或減小涂層的孔隙率。調整這些參數(shù)可以改變金屬顆粒的尺寸、溫度和速度，并因此改變涂層的微觀結構和/或組成以有利于更高或更低的孔隙率水平。

在步驟108中，可以使用調整后的沉積參數(shù)來施加涂層的另外的層。雖然步驟104、106和108被示為單獨的步驟，但是在實踐中兩個或所有的三個步驟可以組合成單個步驟?？梢栽诔练e過程期間調整所述參數(shù)，從而形成在不同高度/厚度具有變化的孔隙率的層。此外，如果在整個涂層內存在多個層，則這些層可以具有相同或不同的厚度。例如，每個層可以具有相同的厚度，諸如5μm、10μm、15μm或20μm，或者在整個涂層內可以具有兩個或更多個不同的層厚度。

在步驟110中，可以根據(jù)指定的發(fā)動機缸孔尺寸將成品涂層珩磨至最終缸孔直徑。在一些實施例中，可以在珩磨之前執(zhí)行可選的機械加工操作(例如鏜削、切削等)，以便減少珩磨期間的原料去除量。通常，珩磨工藝包括將具有磨料顆粒的旋轉工具插入到汽缸孔中以將材料去除而達到受控直徑。在圖3和圖4所示的實施例中，涂層32最初可以沉積到厚度52，如虛線所示。珩磨過程可以去除涂層32的材料并且提供具有最終缸孔直徑的高度圓柱形缸孔壁54。如本文所述，出于孔隙率目的的涂層表面可以是由珩磨過程產生的表面，而不是沉積后的初始表面(例如，是缸孔壁54，而不是初始厚度52)。

在珩磨步驟之后，可以在步驟112中執(zhí)行可選的珩磨后機加工。該步驟可以包括附加的傳統(tǒng)機加工過程以完成汽缸孔。另外，步驟112可以包括機加工工藝以在涂層32的表面中開設或產生附加的孔隙。例如，可以有另外的沖洗步驟，例如高壓沖洗(例如，用水或其它流體)、刷涂步驟或干冰噴射步驟。

參照圖6和圖7，示出了具有不同孔隙率的ptwa涂層的兩個示例的截面。圖6示出了具有6.73％的相對中等或中度的孔隙率的ptwa涂層。圖7示出了具有8.65％的相對高的孔隙率的ptwa涂層。因此，圖6和圖7中的涂層可以分別用作如上所述的中等孔隙率區(qū)域和高孔隙率區(qū)域。如圖所示，孔隙分布在涂層內并遍布整個涂層，包括在與汽缸壁(例如，缸套或鑄造態(tài)缸體)的界面處、在涂層的主體中以及在涂層的表面處/附近。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，所公開的具有可變涂層的汽缸孔可以改善汽缸的潤滑以及減少摩擦和磨損。如上所述，當活塞處于或接近tdc42或bdc44時，摩擦狀況可以是邊界摩擦，其中在活塞和缸孔表面(或當涂覆有涂層時的涂層表面)之間存在粗糙面接觸。這種摩擦狀況可能不需要大量的潤滑來填充活塞和缸孔/涂層表面之間的小間隙。因此，在發(fā)生邊界摩擦的區(qū)域(例如，在零活塞速度和低活塞速度及相應的曲柄角處)中，涂層可以具有相對低的孔隙率。

當活塞在缸孔長度/高度的中間部分中以相對高的速度移動時，摩擦條件可以是流體動力摩擦，其中在活塞和缸孔/涂層表面之間幾乎沒有粗糙面接觸并且在活塞和缸孔/涂層表面之間存在大間隙。這種摩擦狀況可能需要較大量的潤滑以填充活塞和缸孔/涂層表面之間的較大間隙。因此，在發(fā)生流體動力摩擦的區(qū)域(例如，在最大和接近最大活塞速度及相應的曲柄角處)中，涂層可以具有相對高的孔隙率。

當活塞在這兩個區(qū)域之間朝向或遠離tdc42或bdc44移動時，活塞速度相對中等，摩擦狀況可以是邊界摩擦和流體動力摩擦的混合摩擦(例如，一些粗糙面接觸)。這種摩擦狀況可能需要中等量的潤滑以填充活塞和缸孔/涂層表面之間的適中間隙。因此，在發(fā)生混合摩擦的區(qū)域(例如，在中等活塞速度和相應的曲柄角處)中，涂層可以具有相對中等的孔隙率。

除了摩擦狀況之外，活塞速度還根據(jù)汽缸孔中的活塞位置而變化。在tdc和bdc處，速度為零或基本為零并且在接近tdc/bdc的曲柄角處相對較低。該速度隨著活塞朝向汽缸中間/中心移動而增加，并且可以在中間/中心處或其附近(例如，在或大約在90度的曲柄角處)達到最大值。摩擦力可以根據(jù)速度而改變，通常隨著速度增加而增加。因此，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在最大速度區(qū)域處的汽缸孔涂層中提供增加的孔隙率水平可以改善潤滑并減少摩擦。如上所述，孔隙率可以沿著缸孔的高度變化以對應于摩擦狀況、活塞速度和/或曲柄角，以便在每個區(qū)域中提供一定量的潤滑。可以存在兩個或更多個(例如，兩個、三個、四個、五個或更多)不同孔隙率的區(qū)域，或者可以連續(xù)地或以非常小的離散臺階調節(jié)孔隙率。

雖然以上描述了示例性實施例，但并不意味著這些實施例描述了本發(fā)明的所有可能的形式。更確切地，說明書中使用的詞語是描述性詞語而不是限制性詞語，并且可以理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行各種改變。此外，各個實施的實施例的特征可以組合以形成本發(fā)明的進一步的實施例。