一种用于活塞的非等厚度热障涂层及其制备方法

摘要

一种用于活塞的非等厚度热障涂层，包括：活塞，所述活塞的顶面上设有燃烧室，所述活塞的顶面和燃烧室内壁面上均涂覆有非等厚的热障涂层,所述燃烧室的中部为球冠凸台，所述球冠凸台的外部圆周为涡流槽区，所述球冠凸台的热障涂层厚度大于涡流槽区的热障涂层厚度，所述活塞顶面外部圆周的热障涂层厚度大于涡流槽区的热障涂层厚度，所述非等厚的热障涂层的底部为粘结层，顶部为面层；从所述涡流槽区底部到活塞顶面的面层的厚度逐渐增加，从所述涡流槽区到球冠凸台的面层的厚度逐渐增加，本设计不仅能够降低活塞表面的局部温差、减少热应力，而且能够降低活塞受到的热负荷、有效延长活塞的使用寿命。

权利要求

1.一种用于活塞的非等厚度热障涂层，包括：活塞(1)，所述活塞(1)的顶面上设有燃烧室(2)，其特征在于：所述活塞(1)的顶面和燃烧室(2)内壁面上均涂覆有非等厚的热障涂层(3),所述燃烧室(2)的中部为球冠凸台(21)，所述球冠凸台(21)的外部圆周为涡流槽区(22)，所述球冠凸台(21)的热障涂层(3)厚度大于涡流槽区(22)的热障涂层(3)厚度，所述活塞(1)顶面外部圆周的热障涂层(3)厚度大于涡流槽区(22)的热障涂层(3)厚度。

2.根据权利要求1所述的一种用于活塞的非等厚度热障涂层，其特征在于：所述非等厚的热障涂层(3)的底部为粘结层(31)，顶部为面层(32)；从所述涡流槽区(22)底部到活塞(1)顶面的面层(32)的厚度逐渐增加，从所述涡流槽区(22)到球冠凸台(21)的面层(32)的厚度逐渐增加，所述粘结层(31)为等厚涂层。

3.根据权利要求2所述的一种用于活塞的非等厚度热障涂层，其特征在于：所述活塞(1)的外圆周壁上开设有多个环槽(11)，所述活塞(1)的底部设置有活塞销座(12)，所述活塞(1)采用BH136铝合金材料制造。

4.根据权利要求2或3所述的一种用于活塞的非等厚度热障涂层，其特征在于：所述活塞(1)为单卷流燃烧室，所述粘结层(31)厚度为100μm±5μm，所述活塞(1)顶面的热障涂层厚度为300～500μm±5μm，所述球冠凸台(21)顶面的热障涂层(3)厚度为200～

400μm±5μm，所述涡流槽区(22)底部的热障涂层(3)厚度为100～300μm±5μm。

5.根据权利要求2或3所述的一种用于活塞的非等厚度热障涂层，其特征在于：所述活塞(1)为双卷流或多卷流燃烧室，所述粘结层(31)厚度为100μm±5μm，所述活塞(1)顶面的热障涂层厚度为300～500μm±5μm，所述球冠凸台(21)顶面的热障涂层(3)厚度为200～400μm±5μm，所述涡流槽区(22)底部的热障涂层(3)厚度为100～300μm±5μm。

6.一种权利要求1‑5中任意一项所述的用于活塞的非等厚度热障涂层的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：

S1清洁基体：在超声波清洗机中用丙酮溶液清洗铝合金活塞表面，以去除油渍；然后对铝合金活塞的上表面进行喷砂处理，以增加粗糙度；最后，用乙醇清洁活塞表面并干燥，以确保表面清洁；

S2喷涂轨迹时序队列计算：根据活塞的顶部形状和设计涂层厚度，设计顶部喷管运动的时序轨迹，在喷涂前将清洁干净的铝合金活塞固定于喷涂的转盘上，转盘的旋转中心与铝合金活塞中轴线重合，喷涂装置上端为沿转盘直径方向运动的喷头；

S3喷涂粘结层：在铝合金活塞的上表面涂上热障涂层粘结材料形成粘结层(31)，开启转盘在喷涂时喷涂装置根据粘结层喷涂轨迹时序队列由圆周到圆心自动进行喷涂；

S4喷涂面层：在粘结层(31)上喷涂纳米团聚粉末形成面层(32)，开启转盘在喷涂时喷涂装置根据面层喷涂轨迹时序队列由圆周到圆心自动进行喷涂。

7.根据权利要求6所述的一种用于活塞的非等厚度热障涂层的制备方法，其特征在于：所述S2喷涂轨迹时序队列计算中，活塞单位时间径向截面单位面积散热量为q：式中：面层(32)活塞表面法向厚度为l1，面层(32)沿轴向涂层表面温度为t2，面层(32)导热率为λ1，粘结层(31)导热率为λ2，铝合金基底表面温度为t1，粘结层(31)活塞表面法向厚度为l2；

则可以计算面层(32)不同区域的点位厚度δ：

公式中t1是根据实际需求得到的设定值，t2是根据过往相同燃烧室不同区域的实际温度测量值，q是根据活塞热障涂层仿真模型计算得到的仿真值；

进一步的喷管从铝合金活塞的外部沿直线向其中轴线移动，移动到铝合金活塞上方，喷管形成喷射区域直径为d，距离铝合金活塞外壁所在柱面距离d/2的位置开始喷涂，此时喷管移动次数记为0，从边缘A点开始，每次喷管移动距离d,则喷管第n次移动前的喷涂时间为 单位时间靶件不移动时喷管喷涂厚度为x，喷涂位置中心距离活塞中心y，所需喷涂厚度为δ，则 在计算时根据喷涂点位所处区域不同厚度带入不同公式进行喷涂时间计算：S2.1活塞顶部平顶区域与活塞中心平顶区域的计算：

将陶瓷层厚度公式带入，喷涂时间为kn：

式中：活塞直径为D，所需喷涂厚度为δ，单位时间靶件不移动时喷管喷涂厚度为x，且x<

0.05mm/s，喷涂位置中心距离活塞中心的距离为y，喷管形成喷射区域直径为d；

S2.2活塞顶部到涡流槽区(22)外侧圆弧过渡区域的计算：过渡区域δ0＝活塞顶部平顶区域陶瓷层最大厚度δmax，在外侧圆弧过渡区域喷涂厚度为’δ0：

式中：R为外圆弧半径，H为外侧圆弧圆心至活塞中心水平距离，喷涂时间kn为：S2.3涡流槽区(22)的外侧圆弧区域的计算：

R为外圆弧半径， θ为喷涂点与外圆弧圆心形成的直线与轴向夹角,外侧圆弧区域的实际喷涂厚度

喷管第n次移动前的喷涂时间kn为：

S2.4涡流槽区(22)内侧圆弧区域的计算：

r为内圆弧半径,喷管第n次移动前的喷涂时间kn,内侧圆弧区域的实际喷涂厚度则喷涂时间kn为：S2.5涡流槽区(22)内侧圆弧到活塞中心平顶过渡区域的计算：’

过渡区域δ1＝活塞中心平顶区域陶瓷层最大厚度δmax，h为内圆弧圆心与活塞中心平顶’轴向距离,在内侧圆弧到活塞中心平顶过渡区域实际喷涂厚度为δ1：喷涂时间为kn：

由于喷涂涂层表面粗糙，需进行后处理抛光，所以在设计面层(32)的喷涂时序队列时，要求第n次移动前的喷涂时间k大于

8.根据权利要求7所述的一种用于活塞的非等厚度热障涂层的制备方法，其特征在于：所述S4喷涂面层中在喷涂装置完成喷涂后，采用测厚仪对完成喷涂的活塞进行测量，根据测量结果进行打磨抛光，完成抛光后则非等厚度热障涂层制备完成。

说明书

一种用于活塞的非等厚度热障涂层及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于活塞的非等厚度热障涂层及其制备方法，具体适用于降低径向热应力，延长活塞的使用寿命。

背景技术

[0002] 现有的热障涂层活塞，一般采用均匀涂覆热障涂层，降低活塞工作热负荷、提高活塞使用寿命。首先，均匀涂覆的热障涂层只能在轴向方向使温度均匀降低，而现有的实验与仿真研究中表明在燃烧室内，火焰膨胀引起流动加速，越接近活塞基体顶面、喉口区域以及边缘棱角处，气流速度越大，其换热系数也越大，壁面温度波动大，而越接近气缸底部气流速度小，壁面温度波动小，换热系数以及温度也相对较小，均匀涂覆的热障涂层对于活塞基体顶面、喉口区域以及边缘棱角处热应力集中问题无法有效解决。其次，非均匀涂覆热障涂层活塞能够通过合理控制涂覆厚度，降低涂层喷涂时间，节省大量人力、物力资源。

发明内容

[0003] 本发明的目的是克服现有技术中存在的热应力集中的问题，提供了一种降低径向热应力的用于活塞的非等厚度热障涂层及其制备方法。

[0004] 为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：

[0005] 一种用于活塞的非等厚度热障涂层，包括：活塞，所述活塞的顶面上设有燃烧室，所述活塞的顶面和燃烧室内壁面上均涂覆有非等厚的热障涂层,所述燃烧室的中部为球冠凸台，所述球冠凸台的外部圆周为涡流槽区，所述球冠凸台的热障涂层厚度大于涡流槽区的热障涂层厚度，所述活塞顶面外部圆周的热障涂层厚度大于涡流槽区的热障涂层厚度。

[0006] 所述非等厚的热障涂层的底部为粘结层，顶部为面层；从所述涡流槽区底部到活塞顶面的面层的厚度逐渐增加，从所述涡流槽区到球冠凸台的面层的厚度逐渐增加，所述粘结层为等厚涂层。

[0007] 所述活塞的外圆周壁上开设有多个环槽，所述活塞的底部设置有活塞销座，所述活塞采用BH136铝合金材料制造。

[0008] 所述活塞为单卷流燃烧室，所述粘结层厚度为100μm±5μm，所述活塞顶面的热障涂层厚度为300～500μm±5μm，所述球冠凸台顶面的热障涂层厚度为200～400μm±5μm，所述涡流槽区底部的热障涂层厚度为100～300μm±5μm。

[0009] 所述活塞为双卷流或多卷流燃烧室，所述粘结层厚度为100μm±5μm，所述活塞顶面的热障涂层厚度为300～500μm±5μm，所述球冠凸台顶面的热障涂层厚度为200～400μm±5μm，所述涡流槽区底部的热障涂层厚度为100～300μm±5μm。

[0010] 一种用于活塞的非等厚度热障涂层的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

[0011] S1清洁基体：在超声波清洗机中用丙酮溶液清洗铝合金活塞表面，以去除油渍；然后对铝合金活塞的上表面进行喷砂处理，以增加粗糙度；最后，用乙醇清洁活塞表面并干燥，以确保表面清洁；

[0012] S2喷涂轨迹时序队列计算：根据活塞的顶部形状和设计涂层厚度，设计顶部喷管运动的时序轨迹，在喷涂前将清洁干净的铝合金活塞固定于喷涂的转盘上，转盘的旋转中心与铝合金活塞中轴线重合，喷涂装置上端为沿转盘直径方向运动的喷头；

[0013] S3喷涂粘结层：在铝合金活塞的上表面涂上热障涂层粘结材料形成粘结层，开启转盘在喷涂时喷涂装置根据粘结层喷涂轨迹时序队列由圆周到圆心自动进行喷涂；

[0014] S4喷涂面层：在粘结层上喷涂纳米团聚粉末形成面层，开启转盘在喷涂时喷涂装置根据面层喷涂轨迹时序队列由圆周到圆心自动进行喷涂。

[0015] 所述S2喷涂轨迹时序队列计算中，活塞单位时间径向截面单位面积散热量为q：

[0016]

[0017] 式中：面层活塞表面法向厚度为l1，面层32沿轴向涂层表面温度为t2，面层导热率为λ1，粘结层导热率为λ2，铝合金基底表面温度为t1，粘结层活塞表面法向厚度为l2；

[0018] 则可以计算面层不同区域的点位厚度δ：

[0019]

[0020] 公式中t1是根据实际需求得到的设定值，t2是根据过往相同燃烧室不同区域的实际温度测量值，q是根据活塞热障涂层仿真模型计算得到的仿真值；

[0021] 进一步的喷管从铝合金活塞的外部沿直线向其中轴线移动，移动到铝合金活塞上方，喷管形成喷射区域直径为d，距离铝合金活塞外壁所在柱面距离d/2的位置开始喷涂，此时喷管移动次数记为0，从边缘A点开始，每次喷管移动距离d,则喷管第n次移动前的喷涂时间为 单位时间靶件不移动时喷管喷涂厚度为x，喷涂位置中心距离活塞中心y，所需喷涂厚度为δ，则 在计算时根据喷涂点位所处区域不同厚度带入不同公式进行喷涂时间计算：

[0022] S2.1活塞顶部平顶区域与活塞中心平顶区域的计算：

[0023] 将陶瓷层厚度公式带入，喷涂时间为kn：

[0024]

[0025] 式中：活塞直径为D，所需喷涂厚度为δ，单位时间靶件不移动时喷管喷涂厚度为x，且x<0.05mm/s，喷涂位置中心距离活塞中心的距离为y，喷管形成喷射区域直径为d；

[0026] S2.2活塞顶部到涡流槽区外侧圆弧过渡区域的计算：

[0027] 过渡区域δ0＝活塞顶部平顶区域陶瓷层最大厚度δmax，在外侧圆弧过渡区域喷涂厚度为δ’0：

[0028]

[0029] 式中：R为外圆弧半径，H为外侧圆弧圆心至活塞中心水平距离，喷涂时间kn为：

[0030]

[0031] S2.3涡流槽区的外侧圆弧区域的计算：

[0032] R为外圆弧半径， θ为喷涂点与外圆弧圆心形成的直线与轴向夹角,外侧圆弧区域的实际喷涂厚度

[0033] 喷管第n次移动前的喷涂时间kn为：

[0034]

[0035] S2.4涡流槽区内侧圆弧区域的计算：

[0036] r为内圆弧半径,喷管第n次移动前的喷涂时间kn,内侧圆弧区域的实际喷涂厚度则喷涂时间kn为：

[0037]

[0038] S2.5涡流槽区(22)内侧圆弧到活塞中心平顶过渡区域的计算：

[0039] 过渡区域δ1＝活塞中心平顶区域陶瓷层最大厚度δ’max，h为内圆弧圆心与活塞中心平顶轴向距离,在内侧圆弧到活塞中心平顶过渡区域实际喷涂厚度为δ’1：

[0040]

[0041] 喷涂时间为kn：

[0042]

[0043] 由于喷涂涂层表面粗糙，需进行后处理抛光，所以在设计面层(32)的喷涂时序队列时，要求第n次移动前的喷涂时间k大于

[0044] 所述S4喷涂面层中在喷涂装置完成喷涂后，采用测厚仪对完成喷涂的活塞进行测量，根据测量结果进行打磨抛光，完成抛光后则非等厚度热障涂层制备完成。

[0045] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0046] 1、本发明一种用于活塞的非等厚度热障涂层中研究工质燃烧膨胀做功过程时活塞表面气体流域与活塞表面气体温度场的耦合作用，针对活塞基体顶面、喉口区域以及边缘棱角处等活塞表面热应力集中部位，通过改变热障涂层的厚度使活塞金属基体表面温度分布均匀，使用非等厚度涂层热障涂层活塞抑制了活塞工作时表面气流速度大区域的导热量，降低了该区域金属基体表面温度，同时减少了金属基体表面径向温度梯度，缓解ω型及其他凹凸结构活塞基体顶面、喉口区域以及边缘棱角处热应力集中难题，从而达到降低径向热应力的效果，有效延长活塞的使用寿命。因此，本设计能够降低活塞表面的局部温差，减少热应力，有效延长活塞的使用寿命。

[0047] 2、本发明一种用于活塞的非等厚度热障涂层中的通过非等厚度热障涂层的有序分布，降低铝合金活塞基体的温差和活塞受到的热负荷，且能够适用于不同卷流结构燃烧室，与传统活塞相比有效降低了热损失，提高了能量利用率。因此，本设计能够适用于不同卷流结构，降低活塞受到的热负荷。

[0048] 3、本发明一种用于活塞的非等厚度热障涂层及其制备方法中通过喷涂时序路径的计算，能够使热障涂层一次成型，提高了热障涂层的一体性，避免其面层分层，优化了热障涂层的性能。因此，本设计的涂层一次成型，自动化程度高，成品质量可靠性高。

[0049] 4、本发明一种用于活塞的非等厚度热障涂层及其制备方法中利用现有热障涂层的喷涂设备即可制造非等厚度热障涂层，无需大规模改换装备即可完成涂层的制作，有效降低生产成本。因此，本设计有效节约生产成本，适用范围广。

附图说明

[0050] 图1是本发明单卷流结构的非等厚热障涂层的示意图。

[0051] 图2是本发明双卷流结构的非等厚热障涂层的示意图。

[0052] 图3是本发明单卷流结构活塞示意图。

[0053] 图4是本发明的喷涂装置工作示意图。

[0054] 图5是本发明的涡流槽区厚度计算意图。

[0055] 图中：活塞1、环槽11、活塞销座12、燃烧室2、球冠凸台21、涡流槽区22、热障涂层3、粘结层31、面层32。

具体实施方式

[0056] 以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0057] 参见图1至图5，一种用于活塞的非等厚度热障涂层，包括：活塞1，所述活塞1的顶面上设有燃烧室2，所述活塞1的顶面和燃烧室2内壁面上均涂覆有非等厚的热障涂层3,所述燃烧室2的中部为球冠凸台21，所述球冠凸台21的外部圆周为涡流槽区22，所述球冠凸台21的热障涂层3厚度大于涡流槽区22的热障涂层3厚度，所述活塞1顶面外部圆周的热障涂层3厚度大于涡流槽区22的热障涂层3厚度。

[0058] 所述非等厚的热障涂层3的底部为粘结层31，顶部为面层32；从所述涡流槽区22底部到活塞1顶面的面层32的厚度逐渐增加，从所述涡流槽区22到球冠凸台21的面层32的厚度逐渐增加，所述粘结层31为等厚涂层。

[0059] 所述活塞1的外圆周壁上开设有多个环槽11，所述活塞1的底部设置有活塞销座12，所述活塞1采用BH136铝合金材料制造。

[0060] 所述活塞1为单卷流燃烧室，所述粘结层31厚度为100μm±5μm，所述活塞1顶面的热障涂层厚度为300～500μm±5μm，所述球冠凸台21顶面的热障涂层3厚度为200～400μm±5μm，所述涡流槽区22底部的热障涂层3厚度为100～300μm±5μm。

[0061] 所述活塞1为双卷流或多卷流燃烧室，所述粘结层厚度为100μm±5μm，所述活塞1顶面的热障涂层厚度为300～500μm±5μm，所述球冠凸台21顶面的热障涂层3厚度为200～400μm±5μm，所述涡流槽区22底部的热障涂层3厚度为100～300μm±5μm。

[0062] 一种用于活塞的非等厚度热障涂层的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

[0063] S1清洁基体：在超声波清洗机中用丙酮溶液清洗铝合金活塞表面，以去除油渍；然后对铝合金活塞的上表面进行喷砂处理，以增加粗糙度；最后，用乙醇清洁活塞表面并干燥，以确保表面清洁；

[0064] S2喷涂轨迹时序队列计算：根据活塞的顶部形状和设计涂层厚度，设计顶部喷管运动的时序轨迹，在喷涂前将清洁干净的铝合金活塞固定于喷涂的转盘上，转盘的旋转中心与铝合金活塞中轴线重合，喷涂装置上端为沿转盘直径方向运动的喷头；

[0065] S3喷涂粘结层：在铝合金活塞的上表面涂上热障涂层粘结材料形成粘结层31，开启转盘在喷涂时喷涂装置根据粘结层喷涂轨迹时序队列由圆周到圆心自动进行喷涂；

[0066] S4喷涂面层：在粘结层上喷涂纳米团聚粉末形成面层32，开启转盘在喷涂时喷涂装置根据面层喷涂轨迹时序队列由圆周到圆心自动进行喷涂。

[0067] 所述S2喷涂轨迹时序队列计算中，活塞单位时间径向截面单位面积散热量为q：

[0068]

[0069] 式中：面层32活塞表面法向厚度为l1，面层32沿轴向涂层表面温度为t2，面层32导热率为λ1，粘结层31导热率为λ2，铝合金基底表面温度为t1，粘结层31活塞表面法向厚度为l2；

[0070] 则可以计算面层32不同区域的点位厚度δ：

[0071]

[0072] 公式中t1是根据实际需求得到的设定值，t2是根据过往相同燃烧室不同区域的实际温度测量值，q是根据活塞热障涂层仿真模型计算得到的仿真值；

[0073] 进一步的喷管从铝合金活塞的外部沿直线向其中轴线移动，移动到铝合金活塞上方，喷管形成喷射区域直径为d，距离铝合金活塞外壁所在柱面距离d/2的位置开始喷涂，此时喷管移动次数记为0，从边缘A点开始，每次喷管移动距离d,则喷管第n次移动前的喷涂时间为 单位时间靶件不移动时喷管喷涂厚度为x，喷涂位置中心距离活塞中心y，所需喷涂厚度为δ，则 在计算时根据喷涂点位所处区域不同厚度带入不同公式进行喷涂时间计算：

[0074] S2.1活塞顶部平顶区域与活塞中心平顶区域的计算：

[0075] 将陶瓷层厚度公式带入，喷涂时间为kn：

[0076]

[0077] 式中：活塞直径为D，所需喷涂厚度为δ，单位时间靶件不移动时喷管喷涂厚度为x，且x<0.05mm/s，喷涂位置中心距离活塞中心的距离为y，喷管形成喷射区域直径为d；

[0078] S2.2活塞顶部到涡流槽区22外侧圆弧过渡区域的计算：

[0079] 过渡区域δ0＝活塞顶部平顶区域陶瓷层最大厚度δmax，在外侧圆弧过渡区域喷涂厚度为δ’0：

[0080]

[0081] 式中：R为外圆弧半径，H为外侧圆弧圆心至活塞中心水平距离，喷涂时间kn为：

[0082]

[0083] S2.3涡流槽区22的外侧圆弧区域的计算：

[0084] R为外圆弧半径， θ为喷涂点与外圆弧圆心形成的直线与轴向夹角,外侧圆弧区域的实际喷涂厚度

[0085] 喷管第n次移动前的喷涂时间kn为：

[0086]

[0087] S2.4涡流槽区22内侧圆弧区域的计算：

[0088] r为内圆弧半径,喷管第n次移动前的喷涂时间kn,内侧圆弧区域的实际喷涂厚度则喷涂时间kn为：

[0089]

[0090] S2.5涡流槽区22内侧圆弧到活塞中心平顶过渡区域的计算：

[0091] 过渡区域δ1＝活塞中心平顶区域陶瓷层最大厚度δ’max，h为内圆弧圆心与活塞中心平顶轴向距离,在内侧圆弧到活塞中心平顶过渡区域实际喷涂厚度为δ’1：

[0092]

[0093] 喷涂时间为kn：

[0094]

[0095] 由于喷涂涂层表面粗糙，需进行后处理抛光，所以在设计面层(32)的喷涂时序队列时，要求第n次移动前的喷涂时间k大于

[0096] 所述S4喷涂面层中在喷涂装置完成喷涂后，采用测厚仪对完成喷涂的活塞进行测量，根据测量结果进行打磨抛光，完成抛光后则非等厚度热障涂层制备完成。

[0097] 本发明的原理说明如下：

[0098] 在喷涂等离子涂层之前，基材工件的表面需要去除表面的杂质，然后使材料表面粗糙。通过增加表面自由能激活表面，增加喷涂颗粒粘附的表面积。在此过程中，在超声波清洗机中用丙酮溶液清洗铝合金活塞表面，以去除油。然后对铝合金活塞的顶面进行喷砂处理，以增加粗糙度。最后，用乙醇清洁活塞表面并干燥，以确保表面清洁。在处理基体后，采用等离子喷涂技术将熔融陶瓷颗粒流沉积在铝合金活塞的上表面。下图显示了等离子喷涂工艺，送粉气体主要气体为氩气，辅助气体为氢气。

[0099] 对于燃烧室不同结构的卷流结构其涂层厚度和喷涂时间算法参照S2.2、S2.3、S2.4、S2.5的方法进行结构数据与区域的划分，并进行计算。

[0100] 实施例1：

[0101] 一种用于活塞的非等厚度热障涂层，包括：活塞1，所述活塞1的顶面上设有燃烧室2，所述活塞1的顶面和燃烧室2内壁面上均涂覆有非等厚的热障涂层3,所述燃烧室2的中部为球冠凸台21，所述球冠凸台21的外部圆周为涡流槽区22，所述球冠凸台21的热障涂层3厚度大于涡流槽区22的热障涂层3厚度，所述活塞1顶面外部圆周的热障涂层3厚度大于涡流槽区22的热障涂层3厚度。

[0102] 所述非等厚的热障涂层3的底部为粘结层31，顶部为面层32；从所述涡流槽区22底部到活塞1顶面的面层32的厚度逐渐增加，从所述涡流槽区22到球冠凸台21的面层32的厚度逐渐增加，所述粘结层31为等厚涂层。

[0103] 一种用于活塞的非等厚度热障涂层的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

[0104] S1清洁基体：在超声波清洗机中用丙酮溶液清洗铝合金活塞表面，以去除油渍；然后对铝合金活塞的上表面进行喷砂处理，以增加粗糙度；最后，用乙醇清洁活塞表面并干燥，以确保表面清洁；

[0105] S2喷涂轨迹时序队列计算：根据活塞的顶部形状和设计涂层厚度，设计顶部喷管运动的时序轨迹，在喷涂前将清洁干净的铝合金活塞固定于喷涂的转盘上，转盘的旋转中心与铝合金活塞中轴线重合，喷涂装置上端为沿转盘直径方向运动的喷头；

[0106] S3喷涂粘结层：在铝合金活塞的上表面涂上热障涂层粘结材料形成粘结层31，开启转盘在喷涂时喷涂装置根据粘结层喷涂轨迹时序队列由圆周到圆心自动进行喷涂；

[0107] S4喷涂面层：在粘结层上喷涂纳米团聚粉末形成面层32，开启转盘在喷涂时喷涂装置根据面层喷涂轨迹时序队列由圆周到圆心自动进行喷涂。

[0108] 实施例2：

[0109] 实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：

[0110] 所述活塞1的外圆周壁上开设有多个环槽11，所述活塞1的底部设置有活塞销座12，所述活塞1采用BH136铝合金材料制造。

[0111] 所述活塞1为单卷流燃烧室，所述粘结层31厚度为100μm±5μm，所述活塞1顶面的热障涂层厚度为300～500μm±5μm，所述球冠凸台21顶面的热障涂层3厚度为200～400μm±5μm，所述涡流槽区22底部的热障涂层3厚度为100～300μm±5μm。

[0112] 所述活塞1为双卷流或多卷流燃烧室，所述粘结层厚度为100μm±5μm，所述活塞1顶面的热障涂层厚度为300～500μm±5μm，所述球冠凸台21顶面的热障涂层3厚度为200～400μm±5μm，所述涡流槽区22底部的热障涂层3厚度为100～300μm±5μm。

[0113] 所述S2喷涂轨迹时序队列计算中，活塞单位时间径向截面单位面积散热量为q：

[0114]

[0115] 式中：面层32活塞表面法向厚度为l1，面层32沿轴向涂层表面温度为t2，面层32导热率为λ1，粘结层31导热率为λ2，铝合金基底表面温度为t1，粘结层31活塞表面法向厚度为l2；

[0116] 则可以计算面层32不同区域的点位厚度δ：

[0117]

[0118] 公式中t1是根据实际需求得到的设定值，t2是根据过往相同燃烧室不同区域的实际温度测量值，q是根据活塞热障涂层仿真模型计算得到的仿真值；

[0119] 进一步的喷管从铝合金活塞的外部沿直线向其中轴线移动，移动到铝合金活塞上方，喷管形成喷射区域直径为d，距离铝合金活塞外壁所在柱面距离d/2的位置开始喷涂，此时喷管移动次数记为0，从边缘A点开始，每次喷管移动距离d,则喷管第n次移动前的喷涂时间为 单位时间靶件不移动时喷管喷涂厚度为x，喷涂位置中心距离活塞中心y，所需喷涂厚度为δ，则 在计算时根据喷涂点位所处区域不同厚度带入不同公式进行喷涂时间计算：

[0120] S2.1活塞顶部平顶区域与活塞中心平顶区域的计算：

[0121] 将陶瓷层厚度公式带入，喷涂时间为kn：

[0122]

[0123] 式中：活塞直径为D，所需喷涂厚度为δ，单位时间靶件不移动时喷管喷涂厚度为x，且x<0.05mm/s，喷涂位置中心距离活塞中心的距离为y，喷管形成喷射区域直径为d；

[0124] S2.2活塞顶部到涡流槽区22外侧圆弧过渡区域的计算：

[0125] 过渡区域δ0＝活塞顶部平顶区域陶瓷层最大厚度δmax，在外侧圆弧过渡区域喷涂厚度为δ’0：

[0126]

[0127] 式中：R为外圆弧半径，H为外侧圆弧圆心至活塞中心水平距离，喷涂时间kn为：

[0128]

[0129] S2.3涡流槽区22的外侧圆弧区域的计算：

[0130] R为外圆弧半径， θ为喷涂点与外圆弧圆心形成的直线与轴向夹角,[0131] 外侧圆弧区域的实际喷涂厚度

[0132] 喷管第n次移动前的喷涂时间kn为：

[0133]

[0134] S2.4涡流槽区22内侧圆弧区域的计算：

[0135] r为内圆弧半径,喷管第n次移动前的喷涂时间kn,内侧圆弧区域的实际喷涂厚度则喷涂时间kn为：

[0136]

[0137] S2.5涡流槽区22内侧圆弧到活塞中心平顶过渡区域的计算：

[0138] 过渡区域δ1＝活塞中心平顶区域陶瓷层最大厚度δ’max，h为内圆弧圆心与活塞中心平顶轴向距离,在内侧圆弧到活塞中心平顶过渡区域实际喷涂厚度为δ’1：

[0139]

[0140] 喷涂时间为kn：

[0141]

[0142] 由于喷涂涂层表面粗糙，需进行后处理抛光，所以在设计面层(32)的喷涂时序队列时，要求第n次移动前的喷涂时间k大于

[0143] 所述S4喷涂面层中在喷涂装置完成喷涂后，采用测厚仪对完成喷涂的活塞进行测量，根据测量结果进行打磨抛光，完成抛光后则非等厚度热障涂层制备完成。

[0144] 实施例3：

[0145] 实施例3与实施例2基本相同，其不同之处在于：

[0146] 涂层的喷涂参数如表1所示：

[0147]  NiCoCrAlY PYSZ
涂层厚度(μm) 100 100～400
电压(V) 65 75
电流(A) 550 600
主要气体，Ar(L/min) 35 40
辅助气体，H2(L/min) 6 8
粉末进料速度(g/min) 60 40
喷涂距离(mm) 120 110
喷嘴直径(mm) 5 5

[0148] 铝合金和涂层材料的性能如表2所示：

[0149]

[0150] 陶瓷层厚度(φ)设计：设沿轴向涂层表面温度为t2；铝合金基底表面温度为t1(活塞正常工作时)，陶瓷层PYSZ(ZrO2‑7％Y2O3)导热率为λ1，活塞表面法向厚度为l1，粘结层NiCoCrAlY导热率为λ2，活塞表面法向厚度为l2，活塞单位时间径向截面单位面积散热量为q。

[0151] 缸径为200mm的ω型活塞，R＝50mm,r＝35mm,活塞顶部平顶径向宽20mm，活塞中心径向半径10mm，H＝40m，h＝5mm，喷管形成喷射区域直径为d＝10mm，单位时间靶件不移动时5 2
喷管喷涂厚度为5mm，活塞单位时间径向截面单位面积平均散热量为q＝7.26×10w/m。控制铝合金基底表面温度t1＝324℃；喷涂时活塞旋转速度为240r/min。

[0152] 喷涂时序队列表如表3所示：

[0153]

[0154] 在粘结层31上喷涂纳米团聚粉末形成面层32，开启转盘在喷涂时喷涂装置根据表3中的面层喷涂轨迹时序队列由圆周到圆心自动进行喷涂；在喷涂装置完成喷涂后，采用测厚仪对完成喷涂的活塞进行测量，根据测量结果进行打磨抛光，完成抛光后则非等厚度热障涂层制备完成。