高爆發壓力工況下增材制造鈦合金活塞多物理場耦合特性研究，對比分析鈦合金與鋁合金活塞傳熱規律，量化隔熱減重效果并總結適用于內燃機鈦制活塞的全套設計制造技術

引言

隨著內燃機不斷追求高功率密度、高強化程度、高可靠性、輕量化，活塞作為把化學能轉化為機械能的關鍵部件，需要承受更高的周期性熱負荷和機械負荷，這對活塞的材料和結構提出了新要求。鈦合金作為一種新興結構材料，與傳統活塞多采用的鋁合金、鑄鐵、鑄鋼等材料相比，具有比強度高、力學性能及高溫性能優良、導熱系數小等特點而成為理想替代材料，但其復雜的成型工藝及小批量鑄造加工的高昂制造成本制約了工程應用。

增材制造(即3D打印技術)為上述問題提供了創新解決方案，可發揮其無模具近終成形、結構設計高度柔性化和反應快速[1]的優勢以縮短生產周期、降低開發試驗成本。與傳統切削技術相比,3D打印可以實現“自由制造”[2]。自20世紀80年代美國人Charles Hall發明了第一臺3D打印機[3]以來，近年已在航空航天、生物醫療等領域廣泛應用，如美國Sciaky公司制備的鈦合金零件力學性能滿足AMS4999標準要求[4],中國商飛公司利用TC4鈦合金的3D打印技術制造的中央翼肋已通過性能測試并應用于C919大飛機[5]等。

目前鈦合金在內燃機上的應用還較少，主要集中在連桿、氣門、緊固件及排氣系統的零部件[6-9],活塞的摩擦磨損研究也有了一定進展[10]，但基于3D打印技術的鈦合金活塞的設計與應用尚處空白。本研究基于某型號柴油機活塞參數，采用試驗和仿真計算相結合的方法，對3D打印TC4材料的力學、熱學性能進行測試和分析，評估其作為活塞材料的可行性與合理性;并在輕量化結構設計、基于熱機耦合的系統仿真分析、表面處理研究的工程應用等方面進行深入探索，為活塞的材料選擇與加工方式提供了新思路。

1、3D打印 TC4材料性能試驗

本文中綜合考慮了技術成熟度、研究和制造成本等多方面因素，選用TC4鈦合金(組成為Ti-6Al-4V)作為活塞材料。該種材料具有綜合力學性能優良、比強度大、耐腐蝕性能優良等一系列優點;另外,本研究采用3D打印技術作為生產手段，以充分利用其高柔性、無需模具近終成形的技術優勢。

由于3D打印鈦合金性能與傳統鍛造、鑄造材料存在差異，需要測定材料在常用工作條件下的力學性能和熱學性能，以評估3D打印TC4的可靠性，同時用于活塞性能分析的有限元計算。本文中涉及的TC4鈦合金試件及活塞均由德國EOS M290機器采用直接金屬燒結工藝(direct metal laser sintering,DMLS)制得,并委托鋼研納克檢測技術股份有限公司開展試驗。

1.13D打印TC4試件力學性能測試

本研究根據國家標準GB/T228.1-2021《金屬材料拉伸試驗》中《室溫試驗方法》和國家標準GB/T228.2-2015《金屬材料拉伸試驗》中《高溫試驗方法》制取所需3D打印TC4試棒,并使用微機控制電液伺服萬能試驗機進行單軸拉伸試驗。將拉伸試驗的溫度設置為常溫及100~700℃每隔100℃的高溫工況，所得結果如表1所示。其中規定塑性延伸強度是指塑性延伸為0.2%時對應的強度值，在工程上一般可用來代替屈服強度。

表1不同溫度下3D打印TC4材料力學性能

Table 1 Mechanical properties of 3D printed TC4 material at different temperatures

1.23D打印TC4試件熱學性能測試

熱學性能方面,本文中主要關注的指標是材料的線膨脹系數和熱導率這2個參數,線脹系數與活塞熱變形有直接關系,熱導率反映了熱傳導能力。根據GB/T4339-2008標準,制得3D打印TC4金屬試件,其尺寸為 Φ6 mm × 20 mm,使用熱膨脹儀對試件進行熱膨脹特性參數的測量，試驗溫度區間設置為從室溫20℃開始、100~700℃每隔100℃測取一次線脹系數值，得到各工況平均線脹系數如表2所示。

表2 20~700℃平均線脹系數

Table 2 Average linear expansion coefficient from 20℃ to 700℃

依據GB/T22588-2008標準,使用耐馳激光熱導儀LFA457對試件熱擴散系數進行測量(試驗溫度區間設置同上),得到3D打印TC4材料在不同溫度下的熱容、熱擴散系數和導熱系數如表3所示。

表3 3D打印TC4試件熱容、熱擴散系數和導熱系數

Table 3 Specific heat capacity,thermal diffusivity and thermal conductivity of 3D printed TC4 specimens

1.3材料性能對比

鋁合金是目前使用較為廣泛的活塞材料,本小節中將BH137鋁合金材料、3D打印TC4材料和《中國航空材料手冊》[11]中提供的普通TC4棒材這三者的性能參數進行對比,以分析3D打印TC4作為活塞材料的性能特征。

1.3.13D打印TC4與普通TC4力學性能對比

BH137鋁合金材料在不同溫度下的屈服強度如表4所示。普通TC4棒材的力學性能可由《中國航空材料手冊》查得。

將BH137、普通TC4材料及3D打印TC4棒材的抗拉強度和條件屈服強度作圖進行對比,如圖 1和圖 2所示。

由圖1、圖2可知,同一溫度下3D打印TC4材料的抗拉強度和屈服強度均高于常規TC4棒材;且同一溫度下鈦合金的屈服強度遠大于BH137鋁合金。3D打印鈦合金的性能優勢是由其按層平鋪燒結加工的技術特點決定的，其微觀組織呈現為細小而致密的網籃狀 [12]。

表4 BH137屈服強度

Table 4 Yield strength of BH137 aluminum alloy

對于3D打印TC4材料而言，從其中可知，當溫度高于600℃時,其抗拉強度和屈服強度均下降較快,該種材料是否能滿足活塞在高溫下強度的要求,應在有限元仿真分析中進行討論。

另外要強調的是,出于成本考慮本文中所采用的3D打印鈦合金試棒未經過固溶和時效熱處理或熱等靜壓處理等后續處理，若進行熱處理其力學性能可以得到進一步提高[13]。因此有理由說,采用TC4鈦合金材料、借助于3D打印技術制得的活塞將更有利于提高其綜合力學性能和保證活塞的可靠性;且同等條件下可以減少材料的堆積,這為活塞的輕量化設計提供了可能。

1.3.2 3D打印TC4與普通TC4熱學性能對比

普通退火態TC4材料的導熱系數同樣可由《中國航空材料手冊》查得。BH137、3D打印TC4與普通TC4材料的導熱系數對比如圖3所示，由圖3可以看出2種鈦合金材料的導熱系數較為接近，3D打印TC4的熱導率略微高于普通TC4試件，而兩者均遠遠小于BH137鋁合金，相差一個數量級。

作為活塞材料，一般要求其應具有良好的導熱性能，這是為了降低活塞頭部溫度，以防高溫下材料強度變差造成活塞失效。但是從前面的分析可知，TC4鈦合金具有極為優良的高溫性能，在結構設計合理的前提下無需擔心材料強度方面的限制。此外，鈦合金遠低于鋁合金等傳統材料的熱導率有其獨特優勢:熱導率低意味著可減少燃燒室熱量向下部傳遞，鈦合金優良的隔熱性能一方面可以保證活塞第一環槽處溫度不至于過高，避免機油結焦、活塞環卡死等問題;另一方面減小鈦合金材料的厚度即可達到與原鋁合金材料相當的性能，進而達到輕量化的目標;此外，良好的隔熱性能對提高活塞熱效率、減少熱損失、降低碳氫排放均有積極作用。

2、鈦合金活塞輕量化設計與有限元分析

2.1鈦合金活塞輕量化分析與三維模型建立

原鋁合金活塞的質量為 1.285kg,TC4鈦合金的密度約為鋁合金的 1.57倍,如不改進活塞結構得到的活塞質量為2.04 kg。對于活塞組而言,運動時最大往復慣性力的計算式為

式中: F_jmax 為活塞的最大往復慣性力; m為活塞組(包括活塞、活塞環、活塞銷)質量; r為曲柄半徑; ω為曲柄旋轉的角速度;λ為曲柄半徑與連桿長度之比。若使用原鋁合金活塞結構，慣性力的增大會導致機械負荷和振動噪聲的增大。由前節分析可知，在同等載荷條件下，鈦合金的性能優勢決定了不需要大量材料的堆積來滿足活塞的正常工作，基于此從活塞輕量化的角度出發、并結合3D打印的技術特點對活塞結構進行重新設計。

對于本文中的3D打印鈦合金活塞而言,可充分利用鈦合金材料強度高、隔熱性能好的性能優勢，并參照較為成熟的鋼活塞結構[14],同時關注3D打印的技術特點和生產限制,在保證強度的前提下達到輕量化目標。本文中的鈦合金活塞輕量化設計側重點與結構特點如下:

1)減小活塞整體高度

減小活塞高度是降低活塞重量的有效手段，但應當保證發動機的工作性能不改變，也即不改變活塞壓縮比和燃燒室結構。這可以從2個方面展開:一是考慮適當縮短活塞裙部的長度，本鈦合金活塞的裙長由原鋁合金活塞的64.7mm減小至57.7mm;二是減小活塞火力岸的高度及環槽間的距離,火力岸的高度由原鋁合金活塞的15.5mm減小至8.7mm,第一環槽處的溫度即可得到保證。

2)活塞頭部與裙部分隔布置

考慮將活塞頭部與裙部相分隔，這種設計在減少材料使用達到減重目的的同時可以隔斷熱量沿活塞體從頭部向裙部的傳遞，起到一定的隔熱作用。本鈦合金活塞頭部與裙部間設置了9.7mm的間隔。

3)增大冷卻油腔容積，縮短油腔頂面與燃燒室的距離

3D打印技術具有易于成型的制造特點,相較于傳統的鑄造、鍛造的方法其對內部結構的限制較小，因而可以對冷卻油腔進行“自由設計”,但是3D打印要求在自下而上打印時保證上部結構不“憑空”出現。此外，鈦合金的導熱系數很小,考慮采用容積較大的冷卻油腔,這在達到輕量化目的的同時還能加強機油在冷卻油腔內的振蕩冷卻。本課題中鈦合金活塞的容積是原鋁合金活塞的1.87倍。

同時提高冷卻油腔的位置以降低第一環處的工作溫度，以對環槽起到保護作用。

4)裙部采用等壁厚薄壁設計

TC4鈦合金比強度高,在保證活塞裙部剛度的前提下可以適當減小裙部的壁厚。原鋁合金活塞的裙部采用下窄上寬的漸變設計,底部最薄處 7mm,上部最厚處達 23mm,本鈦合金活塞裙部采用等寬的筒形結構,壁厚為 5mm。

5)增大活塞拱形背腔占比

鈦合金的高強度、低熱導率決定了活塞燃燒室頂面到背腔頂面的距離可大大縮短,原鋁合金活塞的燃燒室頂面中心到背腔中心的距離為 22mm,本文中鈦合金活塞的兩中心間距為 9mm,這一設計減小了活塞銷軸方向和活塞軸向上的材料堆積。

6)減小銷座寬度

本鈦合金活塞的銷座設為 16.4 mm,而原鋁合金活塞的銷座寬度為24.5mm,該種措施同樣可減少銷軸方向材料的堆積。

7)利于3D打印實現油腔底部封閉

本鈦合金活塞去除了碟片的應用,改為采用一體化設計，將進出油孔直接打印出來，簡化了后續機加工工藝流程。活塞整體結構如圖4所示。

2.2有限元分析

2.2.1有限元模型的建立

將活塞三維模型作為基本結構,在保證計算精度的前提下,選取1/4模型作為計算模型,并使用了以下簡化:

1)建模時不考慮側壓力,所以不將氣缸納入討論范圍;

2)建模時重點關注活塞環槽處的情況,不考慮活塞環的影響;

3)忽略連桿對本系統的影響，以活塞銷處的約束代替連桿的作用。

本文采用四面體單元對活塞、襯套、活塞銷部件分別進行網格的劃分。對活塞頭部與裙部連接處進行了網格加密處理,活塞部件的節點數16005,網格數72355,三維網格計算模型如圖5所示。

2.2.2邊界條件的確定

本文中研究的活塞采用第三類邊界條件,活塞頂面分區如圖6所示,結合Seale和Taylor [15]提出的半經驗公式和熱流流動規律得到活塞頂面和環區換熱系數 [16]。對于受力邊界條件,活塞最大爆發壓力取值22MPa,其余各面受力情況可由高壓燃氣的流動規律計算得到。

表5 活塞頂面各分區換熱系數

Table 5 Heat transfer coefficient of each zone of piston top surface

2.3活塞仿真計算與分析

將前述換熱邊界條件和受力邊界條件施加到活塞模型上,經Abauqs計算可以得到活塞的溫度場分布和熱機耦合應力場分布,如圖7所示。

從溫度場云圖可以看出，該種結構鈦合金活塞的最高溫度集中在燃燒室中心處，最高溫度為603℃，活塞裙部平均溫度為100℃,且裙部上端與下端的溫度變化很小,僅為2.9℃,這由鈦合金導熱系數小的特點決定。另外，對于需要特別關注的第一環槽來說，如果溫度較高機油會存在結焦的風險，從溫度場計算中可知，活塞的第一環槽溫度約為218.5℃，低于機油結焦溫度，即溫度場可以滿足要求。

從熱機耦合應力場可以得出，此種結構活塞的最大應力集中于活塞頭部與裙部的連接處，最大應力為633.0MPa,這是由于高強化活塞承受的爆發壓力大，而本活塞頭部與裙部采用了分隔式布置，此部位類似于懸臂梁結構，缺少承力材料，因而此區域應力較大。從可靠性角度出發，考慮對該部位進行優化設計以提高結構強度。

2.4活塞結構優化分析

對于原活塞結構的應力集中現象，考慮在該部位添加加強筋結構以減緩應力集中現象、降低該處的最大應力[17]。經不斷調整和循環優化設計,最終得到的帶有加強肋的鈦合金活塞結構如圖8(a)所示,原鋁合金活塞結構見圖8(b)。

優化后鈦合金活塞的溫度場和熱機耦合應力場的仿真計算方法與前文相同，此處不再贅述。其溫度場和熱機耦合應力場的計算結果見圖9所示。

對比無加強肋和有加強肋的兩仿真云圖,可知加強肋的添加對于活塞溫度場的分布幾乎沒有影響,這是由于 TC4隔熱性能優良,活塞中下部局部微小結構的改變不會對整體造成影響。而應力場來看，加強肋的布置大大緩解了懸空位置處的應力集中現象，最大應力也由無加強肋的633.0MPa降低至459.1MPa,降低了26.4%,高強化活塞的可靠性得到保證。

表6給出了優化后鈦合金活塞幾個關鍵部位的溫度值和熱機耦合應力值,其中材料屈服強度由試驗結果經線性插值得出。

表6 關鍵位置溫度與應力數據

Table 6 Temperature and stress data at critical positions

結果顯示，幾個關鍵部位的應力值均遠小于鈦合金在該部位的屈服強度。對于1.3.1節中提到的溫度高于600℃時鈦合金強度下降很快的問題,可以看出活塞燃燒室中心處和喉口處的溫度均為600℃左右，而其應力值遠小于鈦合金在該溫度下的抗拉強度和屈服強度。上述仿真計算證明了該種鈦合金活塞結構的合理性與可靠性。經測算，此鈦合金活塞質量為1.172kg,比原鋁合金活塞減重8.8%。

2.5輕量化鈦合金活塞隔熱性能分析

活塞部件在工作過程中其頂部直接與高溫燃氣相接觸、燃氣將熱量由燒室處傳到活塞，再經由冷卻油腔、活塞環、活塞背部和裙部等部位傳到氣缸套和冷卻介質。對于活塞來說，頂面溫度越高即意味著向外傳遞的熱量越少，從而可以達到降低熱損失、提高熱效率的目的。因此可以通過對比鈦合金活塞和原鋁合金活塞的頂面熱流情況來評判其隔熱性能。

由傳熱學知識可知,熱流密度為

式中: h表示換熱面的換熱系數, W/ (m 2 . K) ; Δt表示換熱溫差; q表示單位時間內通過單位橫截面積上的熱流。

在分析活塞隔熱情況時,以燃燒室各個換熱面的熱流輸人之和為參考指標,其計算式為

式中: ΔT表示換熱面區域平均溫度與邊界條件環境溫度的差值; h表示換熱面的換熱系數; A表示換熱面的面積。

在活塞溫度場有限元計算結果中,分別提取圖 6中活塞頂面各個換熱區域的平均溫度,求得該溫度與環境溫度的溫差;再提取每個換熱面的面積,可計算得到該換熱面的輸人熱流大小;將所有換熱面的熱流量相加即可作為分析隔熱性能的指標。可知環境溫度與頂面溫度的差值越大意味著Q值越大，則燃燒室向活塞傳遞的熱量越多，即活塞隔熱性能越差。

提取完整新型鈦合金活塞和完整原鋁合金活塞頂面各分區的平均溫度、各區域面積等參數，運用上式進行熱流統計計算,鈦合金活塞模型的總輸入熱量Q值為6820.7W,傳統鋁合金活塞的Q值為9932.9W,計算可知鈦合金活塞的隔熱率比鋁合金活塞提高約31.3%,從而證明了本課題中的輕量化鈦合金活塞同時具有優良的隔熱性能,這對提高發動機熱效率、減少散熱有積極作用。

3、鈦合金活塞檢測與鍍膜分析

3.1 3D打印TC4活塞的缺陷與檢測

鈦合金3D打印技術能夠彌補傳統成形技術的不足,但是特定的工藝參數和結構特征會使得零件內部出現球化、裂紋、孔隙等缺陷，宏觀上也有可能出現翹曲變形等缺陷[18]，粉末床受熱不均、溫度梯度大更會產生肉眼可見的翹曲。

本文中的3D打印鈦合金活塞采用由活塞頭部向裙部加工,加工制造的現場圖片如圖10所示(此時成形倉中激光正在對活塞裙部進行逐層燒結)。

對于有上機考核要求的輕量化鈦合金活塞而言應保證其內部結構完整無缺陷，因此需要對成品進行無損檢測。常用的無損檢測方法如滲透檢測、CT檢測、激光超聲在線無損檢測等都在鈦合金構件上得到了應用[19-20]。本文中采用工業CT檢測的方法來評估鈦合金活塞的內部情況,所得圖像如圖11所示?？梢钥闯鲡伜辖鸹钊M織致密,無明顯的裂紋、孔隙等問題。

3.2鈦合金活塞鍍膜方案

為了提高鈦合金的耐磨性,已經應用于鈦合金基體上的涂層材料有沉積TiN/Ti復合膜 [21-22]、TiC/Ti功能梯度材料 [23-24]、類金剛石碳膜 [25]、TiO 2 鍍膜等。在選取活塞外表面的鍍膜方式和鍍層材料時，應綜合考慮活塞結構、經濟性和技術便捷性等諸多因素:由于活塞結構較為復雜,尤其是環槽處，如果采用激光熔覆等方法將難以獲得高質量的均勻鍍膜;而類金剛石薄膜(diamond-like carbon coating,DCC)、氮化鋁鈦(TiAlN)這些鍍膜雖有極高的硬度和良好的耐磨性、高溫抗氧化性能,但是活塞廠家的現有技術條件限制了這2種涂層厚度的進一步加厚，僅可制得約2μm厚的鍍層，在發動機在工作過程中，活塞與缸套間、活塞環槽與活塞環間的撞擊會導致較薄鍍層的破裂和剝落，起不到減磨的作用甚至碎片會進一步加劇磨損，因此這2種材料不適合用作活塞鍍膜。

綜合考慮鍍層材料性能和現有可操作的技術條件,本研究選用TiO2電化學陶瓷鍍膜(electro ceramic coating, ECC)技術對活塞表面進行處理,ECC鍍膜后的鈦合金與高鎳鑄鐵對磨的磨損量遠低于未鍍膜時的磨損量 [14]。膜層微觀結構如圖12所示。

這種方法制得的ECC薄膜具有以下優點:

1)摩擦因數低、耐磨性好,厚度可達10μm左右,保證膜層可靠性;

2)薄膜表面粗糙度僅0.8μm左右,符合對活塞表面粗糙度要求;

3)本文中活塞在工作時燃燒室喉口處的溫度可達600℃,而制備的ECC膜可以承受800℃的高溫,并且具有優良的抗高溫氧化性能,可對活塞基體起到保護作用;

4)ECC膜的微觀結構具有較多的微孔,這些微孔可以儲存微量的潤滑油，這對活塞的潤滑是有利的。

對于長期與缸套接觸的活塞裙部，其與缸套的摩擦會降低內燃機的有效效率,有必要對其表面進行特殊處理以保證潤滑。目前常用的提高活塞裙部耐磨性的方式包括噴涂石墨涂層、噴涂二硫化鉬涂層等。二硫化鉬是一種層排狀的晶體,其層間的結合力很弱,在摩擦力的作用下會發生滑移,是一種良好的減摩耐磨材料。對于本研究的鈦合金活塞而言，它在穩定工作時裙部約為90~95℃,二硫化鉬在400℃以內都具有良好的熱穩定性和化學穩定性，因此考慮對鈦合金活塞的裙部除二氧化鈦鍍膜外還做加鍍二硫化鉬涂層的處理。最終得到的成品如圖13所示。

4、結論

1)試驗表明3D打印TC4鈦合金材料常溫及高溫力學性能優良，抗拉強度和屈服強度均高于普通TC4，導熱系數遠小于傳統鋁合金。鈦合金作為活塞材料應用潛力巨大。

2)通過減小活塞整體高度、將活塞頭部與裙部分隔、增大冷卻油腔和背腔容積、活塞裙部長度、減小銷座寬度、設置加強肋等一系列措施進行鈦合金活塞的設計,得到的活塞質量比原鋁合金活塞減小8.8%，滿足輕量化要求。ABAQUS有限元計算結果表明，新型活塞各關鍵部位強度滿足要求;鈦合金活塞隔熱性能比原鋁合金活塞提高31.3%。

3)針對鈦合金高溫抗氧化能力不足、耐磨性差等問題，提出活塞鍍膜方案，即活塞整體進行電化學TiO2陶瓷鍍膜處理，裙部加鍍二硫化鉬涂層，以提高鈦合金活塞可靠性。

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（注，原文標題：基于3D打印技術的鈦合金活塞輕量化設計及仿真研究）

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