Каталитически-активное термобарьерное керамическое покрытие на поверхности камеры внутреннего сгорания двигателя - RU2581329C1

Описание

Изобретение относится к износостойким каталитически-активным керамическим покрытиям, которые могут применяться в двигателях внутреннего сгорания (ДВС).

Известен способ приготовления катализатора для очистки выхлопных газов с повышенной активностью и механической прочностью (SU №733717, В01J37/00, опубл. 15.05.1980 г.). В данном способе перед нанесением каталитически активного слоя титановую пластину анодируют в растворах соляной и серной кислот.

Недостатком является то, что данный способ позволяет получать оксидный пористый слой только на титане.

Известен способ получения защитного покрытия (RU №2089655, С23С 14/06, опубл. 10.09.1997 г.), включающий последовательное нанесение двух металлических и керамического слоев, при этом металлические слои наносят в вакууме и после нанесения металлического слоя проводят диффузионный вакуумный отжиг, керамический слой наносят толщиной 70-300 мкм, после чего керамический слой покрытия упрочняют высокотемпературной импульсной плазмой с последующим окислительным отжигом при температуре не менее 1050°С не менее 5 часов.

Однако такое покрытие ненадежно и недолговечно при работе, так как при получении покрытия данным способом в керамическом слое наблюдается наличие дефектов в виде каналов и полостей, через которые происходит доступ кислорода рабочей (газовой среды) к металлу и, как следствие, окисление металлического покрытия под керамикой, что приводит к отслоению керамики и ее преждевременному растрескиванию.

Известен способ получения защитного покрытия на деталях (RU №2305034, С23С 14/28, опубл. 27.08.2007 г.). На поверхность детали наносят по меньшей мере один металлический слой. Затем проводят алитирование или хромоалитирование. После этого наносят керамический слой на основе оксида циркония, содержащего оксид иттрия. Упрочнение керамического слоя осуществляют путем нанесения на него по меньшей мере трех керамических слоев на основе оксида циркония, содержащих 6-9% оксида иттрия и 3-30% оксида алюминия. Данный способ позволяет повысить надежность и долговечность защитного покрытия.

В отличие от заявляемого каталитически-активного покрытия, наносимого на поршень ДВС, в состав аналога не добавляется оксид церия, являющийся эффективным катализатором, ускоряющим процесс и полноту сгорания топлива, что необходимо при работе двигателя. Также в аналогичном изобретении слои покрытия наносятся способами, такими как вакуумно-плазменный, диффузионный, электронно-лучевой, катодного и лазерного напыления, в нашем изобретении покрытие формируется методом микродугового (плазменного электролитического) оксидирования, данный метод характеризуется более высокой адгезионной стойкостью, стойкостью к термоударам и термоциклированию.

Ближайшим аналогом является способ получения оксидных каталитически активных слоев и каталитически активный материал, полученный данным способом (RU №2152255 С1, МПК В01J 37/34, 10.07.2000 г.). Способ получения оксидных каталитически активных слоев на подложке, выполненной из вентильного металла или его сплава, преимущественно из алюминия, путем окислительной обработки подложки в электролите. В качестве окислительной обработки используют процесс микродугового оксидирования в щелочном электролите с добавками ультрадисперсных порошков оксидов металлов и солей переходных металлов. Полученный данным способом материал обладает высокой развитой поверхностью за счет получаемой структуры оксидных слоев, а также значительной термостойкостью и износостойкостью.

Задачей, стоящей перед авторами, является повышение надежности и эффективности в работе камеры двигателя внутреннего сгорания двигателя, увеличение коэффициента полезного действия (КПД) ДВС, снижение уровня выбросов угарного газа (СО), углекислого газа (СО₂) и углеводородов в окружающую среду.

Поставленная задача решается благодаря каталитически-активному керамическому термобарьерному покрытию, формируемому методом микродугового (плазменного электролитического) оксидирования, на поршне и сфере головки цилиндра камеры сгорания ДВС.

Сущность изобретения состоит в формировании каталитически-активного керамического термобарьерного двухслойного покрытия, состоящего в основном из оксида алюминия и оксида церия, методом микродугового (плазменного электролитического) оксидирования на поршне и сфере головки цилиндра камеры сгорания ДВС.

Оксидные слои, получаемые методом микродугового оксидирования, характеризуются высокой адгезией, стойкостью к термоударам и термоциклированию.

Оксид церия, а также его бинарные и тройные оксиды (в том числе с алюминием) являются эффективными катализаторами конверсии углеводородов и угарного газа (СО) при достаточно низких температурах (порядка 500°С, что соответствует условиям камеры двигателя внутреннего сгорания), ускоряющими процесс и полноту горения топлива.

Техническое решение изобретения.

На поршне и сфере головки цилиндра камеры сгорания ДВС методом микродугового (плазменного электролитического) оксидирования формируется двухслойное каталитически-активное термобарьерное керамическое покрытие толщиной 15-150 мкм. Первый (внутренний) слой покрытия, толщиной 5-100 мкм, состоит в основном из алюминия (не менее 90 мол.%) и контактирует непосредственно с металлом, из которого изготовлен поршень и головка сферы камеры ДВС. Первый слой имеет высокую твердость и износостойкость. Второй (внешний) пористый слой, толщиной 10-100 мкм, состоит из оксида алюминия, оксида кремния и оксида церия в мольной доле от 1 до 50%. Второй слой имеет высокую адгезионную прочность, стойкость к термоударам и термоциклированию, также обладает термобарьерным и каталитическим эффектом. Дополнительно покрытие может содержать оксиды меди и магния.

Техническим эффектом от использования каталитически-активного керамического термобарьерного покрытия в работе камеры двигателя внутреннего сгорания двигателя является:

- повышение температуры в камере сгорания;

- увеличение полноты сгорания топлива;

- снижение уровня выбросов угарного газа (СО), углекислого газа (СО₂) и углеводородов в окружающую среду;

- уменьшение тепловой нагрузки на систему охлаждения и другие детали двигателя;

- как следствие, увеличение КПД ДВС.

Таким образом, задача, стоящая перед авторами по повышению надежности и эффективности в работе камеры двигателя внутреннего сгорания двигателя, увеличению коэффициента полезного действия (КПД) ДВС, снижению уровня выбросов угарного газа (СО), углекислого газа (СО₂) и углеводородов в окружающую среду, выполнена.

Реферат

Изобретение относится к износостойкому каталитически-активному термобарьерному керамическому покрытию деталей камеры двигателя внутреннего сгорания, нанесенному методом микродугового оксидирования. Упомянутое покрытие является двухслойным с толщиной 15-150 мкм. Первый слой покрытия выполнен толщиной 5-100 мкм с содержанием алюминия не менее 90 мол.%. Второй пористый слой толщиной 10-100 мкм состоит из оксида алюминия и оксида церия с содержанием от 1 до 50 мол.%. Обеспечивается повышение надежности и эффективности в работе камеры двигателя внутреннего сгорания, увеличение коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания, снижение уровня выбросов угарного газа, углекислого газа и углеводородов в окружающую среду.

Формула