CN111535935A - 一种活塞、活塞制造装置及活塞制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机加工技术领域，公开了一种活塞、活塞制造装置及活塞制作方法。该活塞包括：活塞基体；多孔功能层，其设置于活塞基体的顶面上；微孔填充层，其设置于多孔功能层的顶面上，微孔填充层内的孔洞直径小于多孔功能层内孔洞的直径；封闭层，其设置于微孔填充层的顶面上，用于封堵微孔填充层内的孔洞。该活塞的微孔填充层在起到了多孔功能层和封闭层之间过渡作用的同时，微孔填充层起到了对多孔功能层在一定程度上的填充作用。封闭层起到了封堵的作用，避免腐蚀介质进入多孔功能层和微孔填充层的孔洞内以对其进行腐蚀，提高活塞的耐腐蚀性。另外，在多孔功能层和微孔填充层的孔洞内可以填充空气，有效地降低了涂层的体积比热容。

Description

一种活塞、活塞制造装置及活塞制作方法

技术领域

本发明涉及机加工技术领域，尤其涉及一种活塞、活塞制造装置及活塞制作方法。

背景技术

由于铝合金材料具有密度低、导热性好、强度高等优良特性，使得铝合金材料被广泛应用于内燃机活塞制造的相关领域中。与传统钢活塞、铸铁活塞相比，铝合金活塞在内燃机应用中具有高功率、低震颤、小磨损和强耐蚀等一系列的优势。然而，随着内燃机技术的发展和更新，铝合金活塞热强度低和高温力学性能差等缺陷逐渐暴露出来，在高强热冲击循环作用下，铝合金活塞经常发生烧蚀、腐蚀等失效问题。

在目前的活塞防护技术中，大多数采用隔热技术处理，使基体受到保护的同时还能增加燃烧室内的温度，因为采取隔热处理后的活塞在工作时，通过燃烧室表面传向冷却水的热量减少，相应地由冷却水带走的传热损失减小，减少了能量损失，提高了内燃机的效率。但随着隔热技术的发展，隔热材料的隔热性能逐渐提升，优异的隔热性使基体得以防护，但是由于隔热材料的体积比热容较大，活塞自身不容易被加热，燃烧室的冷空气进气温度较高，燃烧温度也会相应的提高。当燃烧温度提高到一定程度后，导致燃烧腔体内气体分子间距变大，造成吸气冲程的吸气量减少，从而使油气比和燃烧效率降低。

此外，在现有等离子体氧化物涂层制备中，传统电解液调节可以通过加入溶质的方法增加浓度，但是如果想减少浓度，或随着等离子体氧化物涂层在不同生长阶段设置不同配比的溶液，则需要反应中断并重新配制电解液，增加制备时间和制备成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种活塞，隔热性能好，防腐性好，实现控制燃烧温度的防护性能。

本发明另一个目的在于提供一种活塞制造装置及活塞制作方法，无需反复安装和拆卸，节省生产成本。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种活塞，包括：

活塞基体；

多孔功能层，其设置于所述活塞基体的顶面上；

微孔填充层，其设置所述多孔功能层的顶面上，所述微孔填充层内的孔洞直径小于所述多孔功能层内孔洞的直径；

封闭层，其设置于所述微孔填充层的顶面上，用于封堵所述微孔填充层内的孔洞；沿远离所述多孔功能层的方向，所述微孔填充层内的孔洞的孔隙率和/或直径向远离所述多孔功能层的方向呈递减分布。

为达上述目的，本发明还提供了一种活塞制造装置，用于制作上述的活塞，所述活塞制造装置包括：

夹具，其用于夹紧所述活塞基体，所述活塞基体的顶部密封伸入所述夹具内，形成密封腔；

电源，所述电源的阳极电连接于所述活塞基体，所述电源的阴极电连接于所述夹具；

第一反应机构，其选择性连通于所述密封腔，以在所述活塞基体的顶面形成所述多孔功能层；

第二反应机构，其选择性连通于所述密封腔，以在所述多孔功能层的顶面形成所述微孔填充层；

第三反应机构，其选择性连通于所述密封腔，以在所述微孔填充层的顶面形成所述封闭层。

作为优选，还包括：

三通阀，第一端分别连通于所述第一反应机构、所述第二反应机构，所述三通阀的第二端分别连通于所述密封腔、所述第三反应机构，所述三通阀的第三端连通于外界大气；

泵，其能够连通于所述密封腔，使外界空气经所述三通阀进入所述密封腔内，用于对所述活塞基体吹风和干燥。

作为优选，还包括密封圈，所述密封圈套设于所述活塞基体上并抵接于所述夹具的内壁。

作为优选，还包括固定环，所述固定环套设于所述活塞基体上并抵接于所述密封圈的底面，所述固定环上设置有第一连接孔，所述活塞基体上设置有第二连接孔，所述固定环和所述活塞基体通过连接件分别穿设所述第一连接孔和所述第二连接孔相连接。

为达上述目的，本发明还提供了一种活塞制作方法，采用上述的活塞制造装置进行活塞制作，所述活塞制作方法包括以下步骤：

利用夹具密封夹紧活塞基体，在所述活塞基体和所述夹具之间形成密封腔；

将电源的阳极电连接于活塞基体，电源的阴极电连接于所述夹具；

开启第一反应机构，关闭第二反应机构和第三反应机构，使第一反应机构连通于密封腔，采用电化学的方式在活塞基体的顶面形成多孔功能层；

开启第二反应机构，关闭第一反应机构和第三反应机构，使第二反应机构连通于密封腔，采用电化学的方式在所述多孔功能层的顶面形成微孔填充层；

开启第三反应机构，关闭第一反应机构和第二反应机构，使第三反应机构连通于密封腔，形成覆盖于所述微孔填充层顶面的封闭层。

作为优选，在形成封闭层之前，关闭电源、第一反应机构、第二反应机构及第三反应机构，开启三通阀和泵，使外界空气经三通阀进入密封腔内，以对活塞基体和夹具吹风和干燥。

作为优选，第一反应机构能够向密封腔输送第一电解液，第二反应机构能够向密封腔输送第二电解液，第三反应机构能够向密封腔输送封孔剂。

作为优选，在夹具夹紧活塞基体之前，对活塞基体的顶面进行预处理。

本发明的有益效果：

本发明提供的活塞，通过在活塞基体的顶面设置有多孔功能层，多孔功能层的顶面上设置有微孔填充层，微孔填充层内的孔洞和多孔功能层内孔洞形成通道，通道内用于储存空气，起到了隔热的作用。通过微孔填充层内的孔洞直径小于多孔功能层内孔洞的直径，微孔填充层在起到了多孔功能层和封闭层之间过渡作用的同时，微孔填充层起到了对多孔功能层在一定程度上的填充作用。通过设置封闭层设置于微孔填充层的顶面上，用于封堵微孔填充层内的孔洞，封闭层起到了封堵的作用，避免高温气体、腐蚀介质进入多孔功能层和微孔填充层的孔洞内以对其进行高温氧化及腐蚀，起到了对活塞基体的防护作用，从而提高活塞的耐高温性能及耐腐蚀性。

另外，在多孔功能层和微孔填充层的相互配合作用下，在多孔功能层和微孔填充层的孔洞内可以形成空气填充，有效地降低了活塞涂层的体积比热容，在保证较好的隔热防护性能的同时，又能实现控制燃烧温度的防护性能，使得活塞自身容易被加热，进入燃烧室的冷空气进气温度较低，避免进气加热，从而提高了热量用转化为有用功的效率，有效降低燃油耗。

本发明提供的活塞制造装置，夹具起到了对活塞基体固定的效果，活塞基体的顶部密封伸入夹具内，形成密封腔，密封腔为在活塞基体的顶面制备涂层提供了反应环境。通过第一反应机构连通于密封腔，用于在活塞基体的顶面制备多孔功能层。通过第二反应机构连通于密封腔，用于在多孔功能层的顶面制备微孔填充层。通过第三反应机构连通于密封腔，用于在微孔填充层的顶面制备封闭层。采用这种结构，多孔功能层、微孔填充层及封闭层三个制备工序都在专用的夹具与活塞基体顶部形成的密封腔内完成，无需进行各个反应机构的安装和拆卸，节约了时间成本，避免了各个涂层二次污染。

本发明提供的活塞制作方法，将电源的阳极电连接于活塞基体，电源的阴极电连接于夹具，以供用于生成多孔功能层和微孔填充层的电化学反应。只开启第一反应机构，用于在密封腔内制备多孔功能层；只开启第二反应机构，用于在密封腔内制备微孔填充层；只开启第三反应机构，用于在密封腔内制备微孔封闭层。采用第一反应机构、第二反应机构及第三反应机构独立的分控设置，能够实现多种电解液的自由组合和回收利用，无需中断试验，独立调节，灵活性好。同时，夹具只需对活塞基体夹紧固定一次，无需进行每次反应都进行安装和拆卸简化了工艺流程，节约生产成本，且每个工序都在密封腔内进行，避免了涂层污染。

附图说明

图1是本发明活塞的结构示意图；

图2是本发明活塞制造装置的结构示意图；

图3是本发明活塞制作方法的流程图。

图中：

100、活塞基体；101、多孔功能层；102、微孔填充层；103、封闭层；104、粘接层；

1、夹具；2、电源；3、第一反应机构；4、第二反应机构；5、第三反应机构；6、密封圈；7、固定环；8、液压泵；9、三通阀；10、泵；11、第一真空阀；12、第二真空阀；

31、第一反应箱；32、第一阀；

41、第二反应箱；42、第二阀；

51、第三反应箱；52、第三阀。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

对于现有铝合金活塞而言，其多孔结构涂层的表面存在很多贯穿或半封闭的缝隙通道，在铝合金活塞的燃烧腔内，这种半开放式的通道中会产生热量对流，涂层隔热性能差。另外，在燃烧室内，燃烧热和燃烧产物对铝合金活塞表面产生腐蚀作用，腐蚀介质容易渗入通道并对其进行腐蚀，造成防护材料或活塞的侵蚀，使活塞的耐蚀性下降。

为了解决这个问题，本实施例提供了一种活塞，如图1所示，该活塞包括：活塞基体100、多孔功能层101、微孔填充层102及封闭层103，活塞基体100优选采用铝合金材料制成。多孔功能层101设置于活塞基体100的顶面上，多孔功能层101为疏松的多孔层结构。微孔填充层102设置多孔功能层101的顶面上，微孔填充层102内的孔洞直径小于多孔功能层101内孔洞的直径。封闭层103设置于微孔填充层102的顶面上，用于封堵微孔填充层102内的孔洞，封闭层103起到了封堵的作用。

本实施例提供的活塞，通过在活塞基体100的顶面设置有多孔功能层101，多孔功能层101的顶面上设置有微孔填充层102，微孔填充层102内的孔洞和多孔功能层101内孔洞形成通道，通道内用于储存空气，起到了隔热的作用。通过微孔填充层102内的孔洞直径小于多孔功能层101内孔洞的直径，微孔填充层102在起到了多孔功能层101和封闭层103之间过渡作用的同时，微孔填充层102起到了对多孔功能层101在一定程度上的填充作用。通过设置封闭层103设置于微孔填充层102的顶面上，用于封堵微孔填充层102内的孔洞，封闭层103起到了封堵的作用，避免腐蚀介质进入多孔功能层101和微孔填充层102的孔洞内以对其进行腐蚀，起到了对活塞基体100的防护作用，从而提高活塞的耐腐蚀性。

另外，在多孔功能层101和微孔填充层102的相互配合作用下，在多孔功能层101和微孔填充层102的孔洞内可以形成空气层，有效地降低了整个活塞的热容，在保证较好的隔热防护性能的同时，又能实现控制燃烧温度的防护性能，使得活塞自身容易被加热，进入燃烧室的冷空气进气温度较低，避免进气加热，从而提高了热量转化为有用功的效率，有效降低燃油耗。

优选地，为了进一步保证多孔功能层101和微孔填充层102的相互配合，微孔填充层102内孔洞连续性分布，且沿远离多孔功能层101的方向，微孔填充层102内的孔洞的孔隙率和/或直径呈递减分布。多孔功能层101使活塞获得良好的隔热性能，微孔填充层102不仅能够起到降低涂层热导率的作用，同时可以作为防腐蚀介质的第二道屏障。采用微孔填充层102内的孔洞呈递减分布，并进行连续性分布，既能保持多孔功能层101和微孔填充层102两种涂层之间良好的结构过渡，又能保证隔热和低热导率两种功能的实现。

可以理解的是，在活塞基体100的顶面的基础上形成多孔功能层101的过程中，在致密的活塞基体100的顶面和多孔功能层101之间会形成一个粘接层104，粘接层104起到了活塞基体100和多孔功能层101之间过渡的作用。

为了实现对上述活塞的生产制作，本实施例还提供了一种活塞制造装置，如图2所示，该活塞制造装置包括：夹具1、电源2、第一反应机构3、第二反应机构4及第三反应机构5，夹具1用于夹紧活塞基体100，活塞基体100的顶部密封伸入夹具1内，形成密封腔。电源2的阳极电连接于活塞基体100，电源2的阴极电连接于夹具1。第一反应机构3选择性连通于密封腔，以在活塞基体100的顶面形成多孔功能层101。第二反应机构4选择性连通于密封腔，以在多孔功能层101的顶面形成微孔填充层102。第三反应机构5选择性连通于密封腔，以在微孔填充层102的顶面形成封闭层103。

本实施例提供的活塞制造装置，夹具1起到了对活塞基体100固定的效果，活塞基体100的顶部密封伸入夹具1内，形成密封腔，密封腔为在活塞基体100的顶面制备涂层提供了反应环境。通过第一反应机构3连通于密封腔，用于在活塞基体100的顶面制备多孔功能层101。通过第二反应机构4连通于密封腔，用于在多孔功能层101的顶面制备微孔填充层102。通过第三反应机构5连通于密封腔，用于在微孔填充层102的顶面制备封闭层103。采用这种结构，多孔功能层101、微孔填充层102及封闭层103三个制备工序，都在专用的夹具1与活塞基体100顶部形成的密封腔内完成，无需进行各个反应机构的安装和拆卸，节约了时间成本，避免了各个涂层二次污染。

进一步地，夹具1为箱体结构，夹具1具有容纳腔，在夹具1的顶部设置有第一接头和第二接头，第一接头为进液口，第一接头分别连通于第一反应机构3、第二反应机构4及第三反应机构5，使得各个反应机构内的液体经第一接头进入密封腔内。第二接头为出液口，第二接头分别连通于第一反应机构3、第二反应机构4，使得密封腔内的完成反应的液体经第二接头流出。

在夹具1的顶部还设置有阴极接头，电源2的阴极通过阴极接头电连接于夹具1，电源2的阳极电连接于活塞基体100。为了保证活塞基体100和夹具1之间的绝缘效果，如图2所示，可选地，该活塞制造装置还包括密封圈6，密封圈6为O形密封圈，密封圈6采用聚四氟乙烯制作而成，密封圈6套设于活塞基体100上并抵接于夹具1的内壁，密封圈6起到了活塞基体100和夹具1内壁之间密封作用的同时，还起到了活塞基体100和夹具1两者之间绝缘、隔绝的作用，使密封腔为能够承受一定正压和负压的密闭腔体。

电源2的阳极可以直接电连接于活塞基体100，但是采用直接接触的方式，难以保证电性连接的可靠性和稳定性，为了解决这个问题，如图2所示，该活塞制造装置还包括固定环7，固定环7为不锈钢钢环，固定环7套设于活塞基体100上并抵接于密封圈6的底面，密封圈6涂上真空脂后与固定环7形成过盈配合后，固定环7上设置有第一连接孔，活塞基体100上设置有第二连接孔，所述固定环7和所述活塞基体100通过连接件分别穿设第一连接孔和第二连接孔相连接。连接件具体为螺栓，螺栓具体为M10*50的螺栓，螺栓的数量具体为六个，以保证固定环7和夹具1之间的固定效果，从而保证活塞基体100夹紧的稳定性和可靠性。

可选地，电源2的阳极可以通过连接件电连接于活塞基体100，电源2的阳极电线连接于连接件上，由于连接件连接于固定环7，固定环7连接于活塞基体100，从而实现电源2的阳极电性连接于活塞基体100，使得电源2阳极和活塞基体100之间的安装方便，可靠性好。

进一步地，如图2所示，第一反应机构3包括第一反应箱31和第一阀32，第一反应箱31用于容纳第一电解液并连通于密封腔，第一阀32用于控制第一反应箱31的启闭。第二反应机构4包括第二反应箱41和第二阀42，第二反应箱41用于容纳第二电解液并连通于密封腔，第二阀42用于控制第二反应箱41的启闭。第三反应机构5包括第三反应箱51和第三阀52，第三反应箱51用于容纳封孔剂并连通于密封腔，第三阀52用于控制第三反应箱51的启闭。

可选地，第一反应箱31、第二反应箱41及第三反应箱51均设置于夹具1的上方，各个阀分别设置于与其相对应的反应箱的底部，当每个阀打开时，与其相对应的反应箱内的液体在自身重力下分别流动至密封腔内；当每个阀关闭时，与其相对应的反应箱内的液体停止进入密封腔内。采用这种方式，结构简单，但是液体流动的速度一定，使得进液速度较慢，且不能实现液体的回收。

为了解决上述问题，可选地，该活塞制造装置还包括液压泵8，液压泵8的进口连通于密封腔，液压泵8的出口连通于第一反应箱31和第二反应箱41，在液压泵8和第一反应箱31之间的连接管路上设置有第一阀32，在液压泵8和第二反应箱41之间的连接管路上设置有第二阀42。

当液压泵8和第一阀32开启时，液压泵8驱动第一反应箱31内的第一电解液经第一接头输送至密封腔内，第一电解液在密封腔内和活塞基体100的顶面发生电化学反应形成多孔功能层101之后，在液压泵8的驱动作用下，第一电解液经液压泵8的进口回流至第一反应箱31内，从而实现第一电解液的循环和回收。

当液压泵8和第二阀42开启时，液压泵8驱动第二反应箱41内的第二电解液经第一接头输送至密封腔内，第二电解液在密封腔内和多孔功能层101的顶面发生电化学反应形成微孔填充层102之后，在液压泵8的驱动作用下，第二电解液经液压泵8的进口回流至第二反应箱41内，从而实现第二电解液的循环和回收。

可选地，该活塞制造装置还包括流量控制器，通过液压泵8和流量控制器，用来分别控制第一电解液和第二电解液的流速和水压。

利用第二电解液完成制备微孔填充层102之后，等离子氧化物多孔层制备工艺结束，为了保证微孔填充层102和封闭层103之间结合效果，需要对活塞基体100和夹具1进行干燥处理。优选地，如图2所示，该活塞制造装置还包括三通阀9和泵10，三通阀9的第一端分别连通于第一反应机构3、第二反应机构4，三通阀9的第二端分别连通于密封腔、第三反应机构5，三通阀9的第三端连通于外界大气。泵10设置于液压泵8和夹具1之间的连接管路上，泵10能够连通于密封腔，使外界空气经三通阀9进入密封腔内，用于对活塞基体100吹风和干燥处理。

由于在进行封闭层103的制备过程中，第一反应机构3和第二反应机构4不再参与反应，为了保证其与夹具1的隔绝效果，该活塞制造装置还包括第一真空阀11、第二真空阀12，第一真空阀11和第二真空阀12分别设置于泵10的两侧，第一真空阀11设置于液压泵8和泵10之间，第二真空阀12设置于泵10和夹具1之间。

当需要干燥处理时，打开第二真空阀12和三通阀9，关闭第一真空阀11，用于切断与第一反应箱31和第二反应箱41的连通，此时第一反应机构3和第二反应机构4也可以进行拆除，使得只有泵10和夹具1这部分处于工作状态。泵10开始工作，三通阀9开启，泵10抽取密封腔内的空气，使得外界空气经三通阀9进入，并通过第一接头进入夹具1内，并从第二接头流出，此时第一接头起到了进气的作用，第二接头起到了出气的作用，利用空气的循环流动，实现对夹具1的内壁和活塞基体100的干燥。

优选地，泵10作为干燥驱动源的同时，泵10还可以作为制备封闭层103工序的驱动源。具体地，在干燥处理结束之后，将封孔剂加入第三反应箱51内，然后关闭三通阀9、第一真空阀11及第三阀52，打开第二真空阀12，开启泵10，使泵10对密封腔进行抽取真空，当密封腔内的气压达到一定真空度后，关闭泵10和第二真空阀12，并开启第三阀52，在密封腔内的负压作用下，第三反应箱51内的封孔剂经第三阀52向夹具1的方向流动，并通过第一接头内喷涂至活塞基体100的顶端，以在微孔填充层102涂覆一层封闭层103。经过一段反应时间后，例如1min，开启三通阀9进行放气，卸载已完成封孔处理的活塞基体100，并将其放置于干燥箱内干燥，从而完成封孔处理。

在现有等离子体氧化物涂层制备中，传统电解液调节可以通过加入溶质的方法增加浓度，但是如果想减少浓度，或随着等离子体氧化物涂层在不同生长阶段设置不同配比的溶液，则需要反应中断并重新配制电解液，增加制备时间和制备成本。

为了解决这个问题，本实施例还提供了一种活塞制作方法，采用上述的活塞制造装置进行活塞制作，活塞制作方法包括以下步骤：利用夹具1密封夹紧活塞基体100，在活塞基体100和夹具1之间形成密封腔；将电源2的阳极电连接于活塞基体100，电源2的阴极电连接于夹具1；开启第一反应机构3，关闭第二反应机构4和第三反应机构5，使第一反应机构3连通于密封腔，采用电化学的方式在活塞基体100的顶面形成多孔功能层101；开启第二反应机构4，关闭第一反应机构3和第三反应机构5，使第二反应机构4连通于密封腔，采用电化学的方式在多孔功能层101的顶面形成微孔填充层102；开启第三反应机构5，关闭第一反应机构3和第二反应机构4，使第三反应机构5连通于密封腔，形成覆盖于微孔填充层102顶面的封闭层103。

本实施例提供的活塞制作方法，将电源2的阳极电连接于活塞基体100，电源2的阴极电连接于夹具1，以供用于生成多孔功能层101和微孔填充层102的电化学反应。只开启第一反应机构3，用于在密封腔内制备多孔功能层101；只开启第二反应机构4，用于在密封腔内制备微孔填充层102；只开启第三反应机构5，用于在密封腔内制备微孔封闭层103。采用第一反应机构3、第二反应机构4及第三反应机构5独立的分控设置，能够实现多种电解液的自由组合和回收利用，无需中断试验，独立调节，灵活性好。同时，夹具1只需对活塞基体100夹紧固定一次，无需进行每次反应都进行安装和拆卸，简化了工艺流程，节约生产成本，且每个工序都在密封腔内进行，避免了涂层污染。

进一步地，为了保证在活塞基体100的顶面制备涂层的效果，在夹具1夹紧活塞基体100之前，对活塞基体100的顶面进行预处理。在制备等离子体氧化物涂层之前需要对活塞基体100顶端进行前处理，主要目的是去除活塞基体100表面的油脂、污物和划痕。

具体地，预处理具体包括以下步骤：先对活塞基体100进行去油处理，用于去除活塞基体100顶端的油脂和污物；然后使用1500目的砂纸对活塞基体100的顶面进行表面哑光处理，使顶面形成微沟壑结构，以增加涂层和活塞基体100的结合面积，起到了增强结合力的作用；最后进行超声清洗、水洗和风干工序，以获得洁净且具有一定粗糙度的表面。

将完成预处理的活塞基体100放置于夹具1内进行夹紧固定，在将电源2的阳极和阴极分别电连接于活塞基体100和夹具1，第一反应机构3能够向密封腔输送第一电解液，其中以硅酸钠九水(10 g/L～25g/L)、氢氧化钠(0.5 g/L～3g/L)、乙二胺四乙酸二钠(0.5 g/L～3g/L)、三聚磷酸钠(1 g/L～5g/L)及钨酸钠(0.5 g/L～3g/L)作为电解溶质，以去离子水为溶剂，配制一定浓度的第一电解液。

活塞基体100作为阳极装夹在与之绝缘的夹具1上，夹具1接电源2阴极，电源2采用恒流脉冲模式输出，此过程电流密度设置为8A/dm²～20A/dm²，负正电流比为0.9～1.3，正脉冲占空比为30%～65%，脉冲频率范围为800Hz～1600Hz，前10min内，采用低电流8A/dm²～12A/dm²的低电流持续，10min后每间隔2min以20%的梯度递增，直至起弧。在上述步骤出现弧光后，逐渐降低电流至10A/dm²～15A/dm²，电解液温度控制在20°C～25°C，在电压进入平稳区后保持放电35min～55min。

本实施例在多孔功能层101的制备过程中，优选电源2的正向电流设定为3A，负向电流为6.8A，电源2频率1000Hz，正负脉冲占空比取60：40，20min后，增加正向电流至3.6A保持2min，4.3A保持2min，5.2A保持2min，依次20%递加至起弧，起弧后，调节电流至6A，保持恒温并持续放电45min。

利用第一电解液完成制备多孔功能层101之后，第二反应机构4能够向密封腔输送第二电解液，以硅酸钠九水(10 g/L～25g/L)、氢氧化钠(0.5 g/L～3g/L)、乙二胺四乙酸二钠(0.5 g/L～3g/L)、三聚磷酸钠(1 g/L～5g/L)、钨酸钠(0.5 g/L～3g/L)、三乙醇胺(1ml/L～3.5ml/L)、纳米ZrO2（5 g/L～12g/L）为电解溶质，并用恒流脉冲模式输出，此过程电流密度设置为14A/dm²～18A/dm²，负正电流比为0.9～1.3，负正脉冲占空比为50%～65%，脉冲频率范围为1000 Hz～1500Hz，时间为10 min～20min。

本实施例在微孔填充层102的制备过程中，优选地，电源2正向电流设定为8A，负向电流9A，电源2频率1200Hz，正负脉冲占空比取50：50，保持放电15min。

完成制备的多孔功能层101和微孔填充层102具有隔热功能，可以有效阻碍燃烧室内热量的散失，在热疲劳试验条件下，相比于普通铝活塞，该活塞的使用寿命较长。由于多孔功能层101和微孔填充层102均具有孔洞结构，孔隙率较高，能够实现涂层壁面温度的快速变化，避免了进气加热，活塞基体100避免了剧烈的热交换，提高了热量用转化为有用功的效率，燃油耗降低量大约0.3%左右。

第二电解液的电解溶质含有纳米ZrO₂，采用ZrO₂的纳米颗粒作为填充材料，但是在等离子体氧化物制备工艺中，高浓度的ZrO₂会导致起弧电压升高，使单位时间内施加在表面的能量变大，当涂层生长至一定厚度后，击穿难度会增大，容易造成仅在少数薄弱处持续放电，使涂层整体厚度降低，隔热性能受到限制；而低浓度ZrO₂的封闭效果不佳，而且对降低热导率的贡献不大。

鉴于上述现象，本实施例采用了两组独立的第一反应机构3和第二反应机构4，利用第一阀32对第一反应箱31内的第一电解液进行流量和开关控制，第一电解液主要用于制备较大厚度的多孔功能层101的制备，疏松的多孔功能层101的厚度大约为90μm ～110μm。利用第二阀42对第二反应箱41内的第二电解液进行流量和开关控制，第二电解液是含有高浓度ZrO₂的电解液，用于制备微孔填充层102，微孔填充层102能够降低电容，并对多孔功能层101的孔洞进行一定程度的封闭。

在微孔填充层102制备完成之后，在形成封闭层103之前，关闭电源2、第一反应机构3、第二反应机构4及第三反应机构5，开启三通阀9和泵10，使外界空气经三通阀9进入密封腔内，以对活塞基体100和夹具1吹风和干燥，通风干燥处理时间优选15 min～25min。干燥处理同样在此密封腔中完成，整个过程无需拆卸夹具1，避免了涂层污染，节约了时间成本。

在干燥处理后，第三反应机构5能够向密封腔输送封孔剂。封孔剂具体为聚硅氮烷，在将50ml封孔剂加入第三反应箱51之后，关闭三通阀9、第三阀52及第一真空阀11，开启泵10，使密闭腔内保持0.08Mpa～0.1Mpa的真空，然后关闭第二真空阀12，开启第三阀52，密封腔的负压将第三反应箱51内的封孔剂吸入密封腔内，通过第一接口在微孔填充层102的顶面喷涂封孔剂，以实现对微孔填充层102的封孔处理。经过一段反应时间后，例如1min，开启三通阀9进行放气，卸载已完成封孔处理的活塞基体100，并将其放置于干燥箱内干燥，从而完成封孔处理。

在封孔工艺中，独立的第一阀32和第二阀42分别控制第一反应箱31和第二反应箱41，可以实现负压真空封孔处理的同时，而且能够保证第一电解液和第二电解液的循环回收使用。另外，可在密封腔同一种工位下可以完成多孔功能层101的制备、微孔填充层102的制备、封闭层103的涂覆以及干燥处理，避免涂层污染的同时简化了处理工艺、缩短了制备周期。

如图3所示，本实施例提供的活塞制作方法的过程如下所示：

S1、将活塞基体100的顶面进行预处理；

S2、配制第一电解液并将其放置于第一反应箱31内，配制第二电解液并将其放置于第二反应箱41内；

S3、将完成预处理的活塞基体100放置于夹具1内进行夹紧固定，并将电源2的阳极电连接于活塞基体100，电源2的阴极电连接于夹具1；

S4、开启电源2、液压泵8、第一阀32及三通阀9，将第一电解液输送至密封腔，以完成多孔功能层101的制备；

S5、开启电源2、液压泵8、第二阀42及三通阀9，将第二电解液输送至密封腔，以完成微孔填充层102的制备；

S6、关闭电源2、液压泵8、第一阀32、第二阀42、第三阀52及第一真空阀11，开启三通阀9、泵10及第二真空阀12，对密闭腔进行吹风干燥处理；

S7、将封孔剂放置于第三反应箱51内，关闭泵10和第二真空阀12，开启第三阀52，密闭腔内的负压将封孔剂喷涂至活塞基体100的顶面，并保持一定时间；

S8、开启三通阀9，对密闭腔进行放气，拆卸活塞基体100并放置于空气中晾干。

于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

此外，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种活塞，其特征在于，包括：

活塞基体(100)；

多孔功能层(101)，其设置于所述活塞基体(100)的顶面上；

微孔填充层(102)，其设置于所述多孔功能层(101)的顶面上，所述微孔填充层(102)内的孔洞直径小于所述多孔功能层(101)内孔洞的直径；

封闭层(103)，其设置于所述微孔填充层(102)的顶面上，用于部分封堵所述微孔填充层(102)内的孔洞；沿远离所述多孔功能层(101)的方向，所述微孔填充层(102)内的孔洞的孔隙率和/或直径呈递减分布。

2.一种活塞制造装置，其特征在于，用于制作如权利要求1所述的活塞，所述活塞制造装置包括：

夹具(1)，其用于夹紧所述活塞基体(100)，所述活塞基体(100)的顶部密封伸入所述夹具(1)内，形成密封腔；

电源(2)，所述电源(2)的阳极电连接于所述活塞基体(100)，所述电源(2)的阴极电连接于所述夹具(1)；

第一反应机构(3)，其选择性连通于所述密封腔，以在所述活塞基体(100)的顶面形成所述多孔功能层(101)；

第二反应机构(4)，其选择性连通于所述密封腔，以在所述多孔功能层(101)的顶面形成所述微孔填充层(102)；

第三反应机构(5)，其选择性连通于所述密封腔，以在所述微孔填充层(102)的顶面形成所述封闭层(103)。

3.根据权利要求2所述的活塞制造装置，其特征在于，还包括：

三通阀(9)，所述三通阀(9)的第一端分别连通于所述第一反应机构(3)、所述第二反应机构(4)，所述三通阀(9)的第二端分别连通于所述密封腔、所述第三反应机构(5)，所述三通阀(9)的第三端连通于外界大气；

泵(10)，其能够连通于所述密封腔，使外界空气经所述三通阀(9)进入所述密封腔内，用于对所述活塞基体(100)吹风和干燥。

4.根据权利要求2所述的活塞制造装置，其特征在于，还包括密封圈(6)，所述密封圈(6)套设于所述活塞基体(100)上并抵接于所述夹具(1)的内壁。

5.根据权利要求4所述的活塞制造装置，其特征在于，还包括固定环(7)，所述固定环(7)套设于所述活塞基体(100)上并抵接于所述密封圈(6)的底面，所述固定环(7)上设置有第一连接孔，所述活塞基体(100)上设置有第二连接孔，所述固定环(7)和所述活塞基体(100)通过连接件分别穿设所述第一连接孔和所述第二连接孔相连接。

6.一种活塞制作方法，其特征在于，采用如权利要求2-5任一项所述的活塞制造装置进行活塞制作，所述活塞制作方法包括以下步骤：

利用夹具(1)密封夹紧活塞基体(100)，在所述活塞基体(100)和所述夹具(1)之间形成密封腔；

将电源(2)的阳极电连接于活塞基体(100)，电源(2)的阴极电连接于所述夹具(1)；

开启第一反应机构(3)，关闭第二反应机构(4)和第三反应机构(5)，使第一反应机构(3)连通于密封腔，采用电化学的方式在活塞基体(100)的顶面形成多孔功能层(101)；

开启第二反应机构(4)，关闭第一反应机构(3)和第三反应机构(5)，使第二反应机构(4)连通于密封腔，采用电化学的方式在所述多孔功能层(101)的顶面形成微孔填充层(102)；

开启第三反应机构(5)，关闭第一反应机构(3)和第二反应机构(4)，使第三反应机构(5)连通于密封腔，形成覆盖于所述微孔填充层(102)顶面的封闭层(103)。

7.根据权利要求6所述的活塞制作方法，其特征在于，在形成封闭层(103)之前，关闭电源(2)、第一反应机构(3)、第二反应机构(4)及第三反应机构(5)，开启三通阀(9)和泵(10)，使外界空气经三通阀(9)进入密封腔内，以对活塞基体(100)和夹具(1)吹风和干燥。

8.根据权利要求6所述的活塞制作方法，其特征在于，第一反应机构(3)能够向密封腔输送第一电解液，第二反应机构(4)能够向密封腔输送第二电解液，第三反应机构(5)能够向密封腔输送封孔剂。

9.根据权利要求6所述的活塞制作方法，其特征在于，在夹具(1)夹紧活塞基体(100)之前，对活塞基体(100)的顶面进行预处理。

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