高爆發(fā)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(duì)比分析鈦合金與鋁合金活塞傳熱規(guī)律，量化隔熱減重效果并總結(jié)適用于內(nèi)燃機(jī)鈦制活塞的全套設(shè)計(jì)制造技術(shù)

引言

隨著內(nèi)燃機(jī)不斷追求高功率密度、高強(qiáng)化程度、高可靠性、輕量化，活塞作為把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵部件，需要承受更高的周期性熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，這對(duì)活塞的材料和結(jié)構(gòu)提出了新要求。鈦合金作為一種新興結(jié)構(gòu)材料，與傳統(tǒng)活塞多采用的鋁合金、鑄鐵、鑄鋼等材料相比，具有比強(qiáng)度高、力學(xué)性能及高溫性能優(yōu)良、導(dǎo)熱系數(shù)小等特點(diǎn)而成為理想替代材料，但其復(fù)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(yīng)用。

增材制造(即3D打印技術(shù))為上述問題提供了創(chuàng)新解決方案，可發(fā)揮其無模具近終成形、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高度柔性化和反應(yīng)快速[1]的優(yōu)勢以縮短生產(chǎn)周期、降低開發(fā)試驗(yàn)成本。與傳統(tǒng)切削技術(shù)相比,3D打印可以實(shí)現(xiàn)“自由制造”[2]。自20世紀(jì)80年代美國人Charles Hall發(fā)明了第一臺(tái)3D打印機(jī)[3]以來，近年已在航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如美國Sciaky公司制備的鈦合金零件力學(xué)性能滿足AMS4999標(biāo)準(zhǔn)要求[4],中國商飛公司利用TC4鈦合金的3D打印技術(shù)制造的中央翼肋已通過性能測試并應(yīng)用于C919大飛機(jī)[5]等。

目前鈦合金在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用還較少，主要集中在連桿、氣門、緊固件及排氣系統(tǒng)的零部件[6-9],活塞的摩擦磨損研究也有了一定進(jìn)展[10]，但基于3D打印技術(shù)的鈦合金活塞的設(shè)計(jì)與應(yīng)用尚處空白。本研究基于某型號(hào)柴油機(jī)活塞參數(shù)，采用試驗(yàn)和仿真計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)3D打印TC4材料的力學(xué)、熱學(xué)性能進(jìn)行測試和分析，評(píng)估其作為活塞材料的可行性與合理性;并在輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基于熱機(jī)耦合的系統(tǒng)仿真分析、表面處理研究的工程應(yīng)用等方面進(jìn)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(yàn)

本文中綜合考慮了技術(shù)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(xué)性能優(yōu)良、比強(qiáng)度大、耐腐蝕性能優(yōu)良等一系列優(yōu)點(diǎn);另外,本研究采用3D打印技術(shù)作為生產(chǎn)手段，以充分利用其高柔性、無需模具近終成形的技術(shù)優(yōu)勢。

由于3D打印鈦合金性能與傳統(tǒng)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(xué)性能和熱學(xué)性能，以評(píng)估3D打印TC4的可靠性，同時(shí)用于活塞性能分析的有限元計(jì)算。本文中涉及的TC4鈦合金試件及活塞均由德國EOS M290機(jī)器采用直接金屬燒結(jié)工藝(direct metal laser sintering,DMLS)制得,并委托鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司開展試驗(yàn)。

1.13D打印TC4試件力學(xué)性能測試

本研究根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)》中《室溫試驗(yàn)方法》和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.2-2015《金屬材料拉伸試驗(yàn)》中《高溫試驗(yàn)方法》制取所需3D打印TC4試棒,并使用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)。將拉伸試驗(yàn)的溫度設(shè)置為常溫及100~700℃每隔100℃的高溫工況，所得結(jié)果如表1所示。其中規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度是指塑性延伸為0.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值，在工程上一般可用來代替屈服強(qiáng)度。

表1不同溫度下3D打印TC4材料力學(xué)性能

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

1.23D打印TC4試件熱學(xué)性能測試

熱學(xué)性能方面,本文中主要關(guān)注的指標(biāo)是材料的線膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率這2個(gè)參數(shù),線脹系數(shù)與活塞熱變形有直接關(guān)系,熱導(dǎo)率反映了熱傳導(dǎo)能力。根據(jù)GB/T4339-2008標(biāo)準(zhǔn),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(duì)試件進(jìn)行熱膨脹特性參數(shù)的測量，試驗(yàn)溫度區(qū)間設(shè)置為從室溫20℃開始、100~700℃每隔100℃測取一次線脹系數(shù)值，得到各工況平均線脹系數(shù)如表2所示。

表2 20~700℃平均線脹系數(shù)

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

依據(jù)GB/T22588-2008標(biāo)準(zhǔn),使用耐馳激光熱導(dǎo)儀LFA457對(duì)試件熱擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行測量(試驗(yàn)溫度區(qū)間設(shè)置同上),得到3D打印TC4材料在不同溫度下的熱容、熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)如表3所示。

表3 3D打印TC4試件熱容、熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)

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

1.3材料性能對(duì)比

鋁合金是目前使用較為廣泛的活塞材料,本小節(jié)中將BH137鋁合金材料、3D打印TC4材料和《中國航空材料手冊(cè)》[11]中提供的普通TC4棒材這三者的性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)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(xué)性能對(duì)比

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

將BH137、普通TC4材料及3D打印TC4棒材的抗拉強(qiáng)度和條件屈服強(qiáng)度作圖進(jìn)行對(duì)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(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均高于常規(guī)TC4棒材;且同一溫度下鈦合金的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于BH137鋁合金。3D打印鈦合金的性能優(yōu)勢是由其按層平鋪燒結(jié)加工的技術(shù)特點(diǎn)決定的，其微觀組織呈現(xiàn)為細(xì)小而致密的網(wǎng)籃狀 [12]。

表4 BH137屈服強(qiáng)度

Table 4 Yield strength of BH137 aluminum alloy

對(duì)于3D打印TC4材料而言，從其中可知，當(dāng)溫度高于600℃時(shí),其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均下降較快,該種材料是否能滿足活塞在高溫下強(qiáng)度的要求,應(yīng)在有限元仿真分析中進(jìn)行討論。

另外要強(qiáng)調(diào)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(jīng)過固溶和時(shí)效熱處理或熱等靜壓處理等后續(xù)處理，若進(jìn)行熱處理其力學(xué)性能可以得到進(jìn)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(shù)制得的活塞將更有利于提高其綜合力學(xué)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(shè)計(jì)提供了可能。

1.3.2 3D打印TC4與普通TC4熱學(xué)性能對(duì)比

普通退火態(tài)TC4材料的導(dǎo)熱系數(shù)同樣可由《中國航空材料手冊(cè)》查得。BH137、3D打印TC4與普通TC4材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比如圖3所示，由圖3可以看出2種鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)較為接近，3D打印TC4的熱導(dǎo)率略微高于普通TC4試件，而兩者均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于BH137鋁合金，相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。

作為活塞材料，一般要求其應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱性能，這是為了降低活塞頭部溫度，以防高溫下材料強(qiáng)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(yōu)良的高溫性能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的前提下無需擔(dān)心材料強(qiáng)度方面的限制。此外，鈦合金遠(yuǎn)低于鋁合金等傳統(tǒng)材料的熱導(dǎo)率有其獨(dú)特優(yōu)勢:熱導(dǎo)率低意味著可減少燃燒室熱量向下部傳遞，鈦合金優(yōu)良的隔熱性能一方面可以保證活塞第一環(huán)槽處溫度不至于過高，避免機(jī)油結(jié)焦、活塞環(huán)卡死等問題;另一方面減小鈦合金材料的厚度即可達(dá)到與原鋁合金材料相當(dāng)?shù)男阅埽M(jìn)而達(dá)到輕量化的目標(biāo);此外，良好的隔熱性能對(duì)提高活塞熱效率、減少熱損失、降低碳?xì)渑欧啪蟹e極作用。

2、鈦合金活塞輕量化設(shè)計(jì)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(zhì)量為 1.285kg,TC4鈦合金的密度約為鋁合金的 1.57倍,如不改進(jìn)活塞結(jié)構(gòu)得到的活塞質(zhì)量為2.04 kg。對(duì)于活塞組而言,運(yùn)動(dòng)時(shí)最大往復(fù)慣性力的計(jì)算式為

式中: F_jmax 為活塞的最大往復(fù)慣性力; m為活塞組(包括活塞、活塞環(huán)、活塞銷)質(zhì)量; r為曲柄半徑; ω為曲柄旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，慣性力的增大會(huì)導(dǎo)致機(jī)械負(fù)荷和振動(dòng)噪聲的增大。由前節(jié)分析可知，在同等載荷條件下，鈦合金的性能優(yōu)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(fā)、并結(jié)合3D打印的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

對(duì)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(qiáng)度高、隔熱性能好的性能優(yōu)勢，并參照較為成熟的鋼活塞結(jié)構(gòu)[14],同時(shí)關(guān)注3D打印的技術(shù)特點(diǎn)和生產(chǎn)限制,在保證強(qiáng)度的前提下達(dá)到輕量化目標(biāo)。本文中的鈦合金活塞輕量化設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(yīng)當(dāng)保證發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能不改變，也即不改變活塞壓縮比和燃燒室結(jié)構(gòu)。這可以從2個(gè)方面展開:一是考慮適當(dāng)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(huán)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(huán)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(shè)計(jì)在減少材料使用達(dá)到減重目的的同時(shí)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(shè)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(shù)具有易于成型的制造特點(diǎn),相較于傳統(tǒng)的鑄造、鍛造的方法其對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的限制較小，因而可以對(duì)冷卻油腔進(jìn)行“自由設(shè)計(jì)”,但是3D打印要求在自下而上打印時(shí)保證上部結(jié)構(gòu)不“憑空”出現(xiàn)。此外，鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很小,考慮采用容積較大的冷卻油腔,這在達(dá)到輕量化目的的同時(shí)還能加強(qiáng)機(jī)油在冷卻油腔內(nèi)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(shí)提高冷卻油腔的位置以降低第一環(huán)處的工作溫度，以對(duì)環(huán)槽起到保護(hù)作用。

4)裙部采用等壁厚薄壁設(shè)計(jì)

TC4鈦合金比強(qiáng)度高,在保證活塞裙部剛度的前提下可以適當(dāng)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?cè)O(shè)計(jì),底部最薄處 7mm,上部最厚處達(dá) 23mm,本鈦合金活塞裙部采用等寬的筒形結(jié)構(gòu),壁厚為 5mm。

5)增大活塞拱形背腔占比

鈦合金的高強(qiáng)度、低熱導(dǎo)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(shè)計(jì)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(shè)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(shí)現(xiàn)油腔底部封閉

本鈦合金活塞去除了碟片的應(yīng)用,改為采用一體化設(shè)計(jì)，將進(jìn)出油孔直接打印出來，簡化了后續(xù)機(jī)加工工藝流程。活塞整體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),在保證計(jì)算精度的前提下,選取1/4模型作為計(jì)算模型,并使用了以下簡化:

1)建模時(shí)不考慮側(cè)壓力,所以不將氣缸納入討論范圍;

2)建模時(shí)重點(diǎn)關(guān)注活塞環(huán)槽處的情況,不考慮活塞環(huán)的影響;

3)忽略連桿對(duì)本系統(tǒng)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(duì)活塞、襯套、活塞銷部件分別進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。對(duì)活塞頭部與裙部連接處進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理,活塞部件的節(jié)點(diǎn)數(shù)16005,網(wǎng)格數(shù)72355,三維網(wǎng)格計(jì)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(qū)如圖6所示,結(jié)合Seale和Taylor [15]提出的半經(jīng)驗(yàn)公式和熱流流動(dòng)規(guī)律得到活塞頂面和環(huán)區(qū)換熱系數(shù) [16]。對(duì)于受力邊界條件,活塞最大爆發(fā)壓力取值22MPa,其余各面受力情況可由高壓燃?xì)獾牧鲃?dòng)規(guī)律計(jì)算得到。

表5 活塞頂面各分區(qū)換熱系數(shù)

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

2.3活塞仿真計(jì)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(jīng)Abauqs計(jì)算可以得到活塞的溫度場分布和熱機(jī)耦合應(yīng)力場分布,如圖7所示。

從溫度場云圖可以看出，該種結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱系數(shù)小的特點(diǎn)決定。另外，對(duì)于需要特別關(guān)注的第一環(huán)槽來說，如果溫度較高機(jī)油會(huì)存在結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)，從溫度場計(jì)算中可知，活塞的第一環(huán)槽溫度約為218.5℃，低于機(jī)油結(jié)焦溫度，即溫度場可以滿足要求。

從熱機(jī)耦合應(yīng)力場可以得出，此種結(jié)構(gòu)活塞的最大應(yīng)力集中于活塞頭部與裙部的連接處，最大應(yīng)力為633.0MPa,這是由于高強(qiáng)化活塞承受的爆發(fā)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(jié)構(gòu)，缺少承力材料，因而此區(qū)域應(yīng)力較大。從可靠性角度出發(fā)，考慮對(duì)該部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.4活塞結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

對(duì)于原活塞結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，考慮在該部位添加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)以減緩應(yīng)力集中現(xiàn)象、降低該處的最大應(yīng)力[17]。經(jīng)不斷調(diào)整和循環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì),最終得到的帶有加強(qiáng)肋的鈦合金活塞結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示,原鋁合金活塞結(jié)構(gòu)見圖8(b)。

優(yōu)化后鈦合金活塞的溫度場和熱機(jī)耦合應(yīng)力場的仿真計(jì)算方法與前文相同，此處不再贅述。其溫度場和熱機(jī)耦合應(yīng)力場的計(jì)算結(jié)果見圖9所示。

對(duì)比無加強(qiáng)肋和有加強(qiáng)肋的兩仿真云圖,可知加強(qiáng)肋的添加對(duì)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(yōu)良,活塞中下部局部微小結(jié)構(gòu)的改變不會(huì)對(duì)整體造成影響。而應(yīng)力場來看，加強(qiáng)肋的布置大大緩解了懸空位置處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力也由無加強(qiáng)肋的633.0MPa降低至459.1MPa,降低了26.4%,高強(qiáng)化活塞的可靠性得到保證。

表6給出了優(yōu)化后鈦合金活塞幾個(gè)關(guān)鍵部位的溫度值和熱機(jī)耦合應(yīng)力值,其中材料屈服強(qiáng)度由試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)線性插值得出。

表6 關(guān)鍵位置溫度與應(yīng)力數(shù)據(jù)

Table 6 Temperature and stress data at critical positions

結(jié)果顯示，幾個(gè)關(guān)鍵部位的應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于鈦合金在該部位的屈服強(qiáng)度。對(duì)于1.3.1節(jié)中提到的溫度高于600℃時(shí)鈦合金強(qiáng)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(yīng)力值遠(yuǎn)小于鈦合金在該溫度下的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。上述仿真計(jì)算證明了該種鈦合金活塞結(jié)構(gòu)的合理性與可靠性。經(jīng)測算，此鈦合金活塞質(zhì)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?xì)庀嘟佑|、燃?xì)鈱崃坑蔁姨巶鞯交钊俳?jīng)由冷卻油腔、活塞環(huán)、活塞背部和裙部等部位傳到氣缸套和冷卻介質(zhì)。對(duì)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(dá)到降低熱損失、提高熱效率的目的。因此可以通過對(duì)比鈦合金活塞和原鋁合金活塞的頂面熱流情況來評(píng)判其隔熱性能。

由傳熱學(xué)知識(shí)可知,熱流密度為

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

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

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

在活塞溫度場有限元計(jì)算結(jié)果中,分別提取圖 6中活塞頂面各個(gè)換熱區(qū)域的平均溫度,求得該溫度與環(huán)境溫度的溫差;再提取每個(gè)換熱面的面積,可計(jì)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(biāo)。可知環(huán)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(qū)的平均溫度、各區(qū)域面積等參數(shù)，運(yùn)用上式進(jìn)行熱流統(tǒng)計(jì)計(jì)算,鈦合金活塞模型的總輸入熱量Q值為6820.7W,傳統(tǒng)鋁合金活塞的Q值為9932.9W,計(jì)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(shí)具有優(yōu)良的隔熱性能,這對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)成形技術(shù)的不足,但是特定的工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)特征會(huì)使得零件內(nèi)部出現(xiàn)球化、裂紋、孔隙等缺陷，宏觀上也有可能出現(xiàn)翹曲變形等缺陷[18]，粉末床受熱不均、溫度梯度大更會(huì)產(chǎn)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(xiàn)場圖片如圖10所示(此時(shí)成形倉中激光正在對(duì)活塞裙部進(jìn)行逐層燒結(jié))。

對(duì)于有上機(jī)考核要求的輕量化鈦合金活塞而言應(yīng)保證其內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整無缺陷，因此需要對(duì)成品進(jìn)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(gòu)件上得到了應(yīng)用[19-20]。本文中采用工業(yè)CT檢測的方法來評(píng)估鈦合金活塞的內(nèi)部情況,所得圖像如圖11所示。可以看出鈦合金活塞組織致密,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(jīng)應(yīng)用于鈦合金基體上的涂層材料有沉積TiN/Ti復(fù)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(shí)，應(yīng)綜合考慮活塞結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)便捷性等諸多因素:由于活塞結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,尤其是環(huán)槽處，如果采用激光熔覆等方法將難以獲得高質(zhì)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(xiàn)有技術(shù)條件限制了這2種涂層厚度的進(jìn)一步加厚，僅可制得約2μm厚的鍍層，在發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中，活塞與缸套間、活塞環(huán)槽與活塞環(huán)間的撞擊會(huì)導(dǎo)致較薄鍍層的破裂和剝落，起不到減磨的作用甚至碎片會(huì)進(jìn)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(xiàn)有可操作的技術(shù)條件,本研究選用TiO2電化學(xué)陶瓷鍍膜(electro ceramic coating, ECC)技術(shù)對(duì)活塞表面進(jìn)行處理,ECC鍍膜后的鈦合金與高鎳鑄鐵對(duì)磨的磨損量遠(yuǎn)低于未鍍膜時(shí)的磨損量 [14]。膜層微觀結(jié)構(gòu)如圖12所示。

這種方法制得的ECC薄膜具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)摩擦因數(shù)低、耐磨性好,厚度可達(dá)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(duì)活塞表面粗糙度要求;

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

4)ECC膜的微觀結(jié)構(gòu)具有較多的微孔,這些微孔可以儲(chǔ)存微量的潤滑油，這對(duì)活塞的潤滑是有利的。

對(duì)于長期與缸套接觸的活塞裙部，其與缸套的摩擦?xí)档蛢?nèi)燃機(jī)的有效效率,有必要對(duì)其表面進(jìn)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(jié)合力很弱,在摩擦力的作用下會(huì)發(fā)生滑移,是一種良好的減摩耐磨材料。對(duì)于本研究的鈦合金活塞而言，它在穩(wěn)定工作時(shí)裙部約為90~95℃,二硫化鉬在400℃以內(nèi)都具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，因此考慮對(duì)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(jié)論

1)試驗(yàn)表明3D打印TC4鈦合金材料常溫及高溫力學(xué)性能優(yōu)良，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均高于普通TC4，導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)鋁合金。鈦合金作為活塞材料應(yīng)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(shè)置加強(qiáng)肋等一系列措施進(jìn)行鈦合金活塞的設(shè)計(jì),得到的活塞質(zhì)量比原鋁合金活塞減小8.8%，滿足輕量化要求。ABAQUS有限元計(jì)算結(jié)果表明，新型活塞各關(guān)鍵部位強(qiáng)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(duì)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(jìn)行電化學(xué)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。

參考文獻(xiàn):

[1]楊德建,劉仁洪.大型復(fù)雜金屬零件3D打印技術(shù)及研究進(jìn)展[J].兵工自動(dòng)化,2017,36(2):8-12.

YANG Dejian,LIU Renhong. Research development of 3D printing for large complex metal parts[J]. Ordnance Indus-try Automation,2017,36(2):8-12.

[2]李滌塵,賀健康,田小永,等.增材制造:實(shí)現(xiàn)宏微結(jié)構(gòu)一體化制造[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013,49(6):129-135.

LI Dichen,HE Jiankang,TIAN Xiaoyong,et al. Additive manufacturing: integrated fabrication of macro/microstruc-tures[J].Journal of Mechanical Engineering,2013,49(6):129-135.

[3] SOODA K,OHDAR R K,MAHAPATRA S S.Parametric appraisal of mechanical property of fused deposition model-

ling processed parts[J].Materials& Design,2010,31(1):287-295.

[4]WANJARA P, BROCHU M, JAHAZI M. Electron beam freeforming of stainless steel using solid wire feed[J].Materials& Design,2007,28(8):2278-2286.

[5]王天元,黃帥,周標(biāo),等.航空裝備激光增材制造技術(shù)發(fā)展及路線圖[J].航空材料學(xué)報(bào),2023,43(1):1-17.

WANG Tianyuan,HUANG Shuai,ZHOU Biao,et al. Devel-opment and roadmap of laser additive manufacturing tech-nology for aviation equipment[J]. Journal of Aeronautical Materials,2023,43(1):1-17.

[6] KINURA A,NAKAMURA S. SAE technical paper series[Z].1991.

[7] FRIEDRICH H. Titanium in automotive applications night mare,vision or reality[M].Weinheim:TMS,2003:3393.

[8]QIU J W,LIU Y,LIU Y B,et al. Microstructures and me-chanical properties of titanium alloy connecting rod made by powder forging process[J]. Materials& Design,2012,33:213-219.

[9]郭思良,張健,王海軍,等.鈦合金氣門在高海拔環(huán)境中的應(yīng)用優(yōu)勢與表面處理[J].材料保護(hù),2024,57(5):105-118.

GUO Siliang,ZHANG Jian,WANG Haijun,et al. Applica-tion advantages and surface treatments of titanium alloy valves in high altitude environments[J]. Materials Protec-tion,2024,57(5):105-118.

[10]劉一鳴.鈦合金活塞耐磨性設(shè)計(jì)及鑄造缺陷影響研究[D].北京:北京理工大學(xué),2016.

LIU Yiming. Wearresistance design and influence of cast defects of Ti-alloy piston[D]. Beijing:Beijing Institute of Technology,2016.

[11]《中國航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì).中國航空材料手冊(cè)-第1卷-結(jié)構(gòu)鋼不銹鋼[M].2版.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

China Aviation Materials Manual Editorial Committee. China aviation materials manual[M]. Beijing:Standards Press of China,2002.

[12]朱遠(yuǎn)志,李豪杰,彭歡.不同加工方式對(duì)TC4鈦合金組織與力學(xué)性能的影響[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2019,53(4):503-508,523.

ZHU Yuanzhi,LI Haojie,PENG Huan. Effect of different processing methods on microstructure and mechanical prop-erties of TC4 Titanium alloy[J]. Journal of Central China Normal University(Natural Sciences),2019,53(4):503-508,523.

[13]弭光寶,譚勇,陳航,等.增材制造600℃高溫鈦合金研究進(jìn)展[J].航空材料學(xué)報(bào),2024,44(1):15-30.

MI Guangbao,TAN Yong,CHEN Hang,et al. Progress on additive manufacturing of 600℃ high-temperature titanium alloys[J].Journal of Aeronautical Materials,2024,44(1):15-30.

[14]楊振宇.高強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)活塞的摩擦磨損設(shè)計(jì)[D].北京:北京理工大學(xué),2014.

YANG Zhenyu. Tribology design of high power diesel engine piston[D].Beijing:Beijing Institute of Technology,2014.

[15] SEALE W J,TAYLOR D H C. Spatial variation of heat transfer to pistons and liners of some medium speed diesel engines[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,1970,185(1):203-218.

[16]陳國爭,張衛(wèi)正,原彥鵬,等.活塞隔熱性能有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2021,41(6):603-610.

CHEN Guozheng,ZHANG Weizheng,YUAN Yanpeng,et al. Finite element analysis and experimental verification of heat insulation performance of piston[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology,2021,41(6):603-610.

[17]周佑君,張衛(wèi)正,原彥鵬,等.烏龜殼結(jié)構(gòu)的承力特點(diǎn)研究及應(yīng)用探討[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2006,23(3):37-40.

ZHOU Youjun,ZHANG Weizheng,YUAN Yanpeng,et al.Force-bearing characteristics of tortoiseshell structure and exploratory discussion of application[J].Journal of Machine Design,2006,23(3):37-40.

[18]唐超蘭,溫競青,張偉祥,等.鈦合金3D打印成形技術(shù)及缺陷[J].航空材料學(xué)報(bào),2019,39(1):38-47.

TANG Chaolan,WEN Jingqing,ZHANG Weixiang,et al.3D printing technology for titanium alloy and its defect[J].Journal of Aeronautical Materials,2019,39(1):38-47.

[19] DU PLESSISA,LE ROUX S G,ELSJ,et al. Application of microCT to the non-destructive testing of an additive manu-factured titanium component[ J]. Case Studies in Nonde-structive Testing and Evaluation,2015,4:1-7.

[20]趙揚(yáng),楊平華,王銘振,等.鈦合金增材制造孔隙缺陷的無損檢測研究進(jìn)展[J].激光技術(shù),2024,48(3):432-437.

ZHAO Yang,YANG Pinghua,WANG Mingzhen,et al. Pro-gress in nondestructive testing of pore defects in titanium al-loy additive manufacturing[J]. Laser Technology,2024,48(3):432-437.

[21]張曉化,劉道新,王小鋒,等.TiN/Ti復(fù)合膜與多層膜對(duì)Ti811合金高溫摩擦性能及微動(dòng)疲勞抗力的影響[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(4):311-318.

ZHANG Xiaohua,LIU Daoxin,WANG Xiaofeng,et al.The effect of TiN/Ti composite film and multilayer on fretting fatigue resistance of Ti811 alloy at elevated temperature[J].Tribology,2009,29(4):311-318.

[22]梁忠偉,林子順,唐薈,等.TC11鈦合金表面TiN顆粒強(qiáng)化層組織與性能分析[J].航空制造技術(shù),2025,68(3):41-49.

LIANG Zhongwei,LIN Zishun,TANG Hui,et al. Structure and properties of TiN particles strengthening layer on sur-face of TC11 titanium alloys[J]. Aeronautical Manufactur-ing Technology,2025,68(3):41-49.

[23] LIU W P,DUPONT J N.Fabrication of functionally graded TiC/Ti composites by Laser Engineered Net Shaping[J].Scripta Materialia,2003,48(9):1337-1342.

[24]張家豪,王磊磊,張彥霄,等.激光熔化沉積 TiC/TC4功能梯度材料微觀組織與拉伸性能研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2024,60(19):356-366.

ZHANG Jiahao,WANG Leilei,ZHANG Yanxiao,et al. Stud-y on the microstructure and tensile properties of TiC/TC4 functionally gradient materials by laser melting deposition[J].Journal of Mechanical Engineering,2024,60(19):356-366.

[25]崔坤杰,孫耀,陳祖亮,等.TC4表面織構(gòu)化DLC薄膜摩擦學(xué)特性研究[J].表面技術(shù),2025,54(1):161-170.

CUI Kunjie,SUN Yao,CHEN Zuliang,et al. Tribo logical properties of DLC films on textured titanium alloy surface[J].Surface Technology,2025,54(1):161-170.

（注，原文標(biāo)題：基于3D打印技術(shù)的鈦合金活塞輕量化設(shè)計(jì)及仿真研究）

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