高爆发压力工况下增材制造钛合金活塞多物理场耦合特性研究，对比分析钛合金与铝合金活塞传热规律，量化隔热减重效果并总结适用于内燃机钛制活塞的全套设计制造技术

引言

随着内燃机不断追求高功率密度、高强化程度、高可靠性、轻量化，活塞作为把化学能转化为机械能的关键部件，需要承受更高的周期性热负荷和机械负荷，这对活塞的材料和结构提出了新要求。钛合金作为一种新兴结构材料，与传统活塞多采用的铝合金、铸铁、铸钢等材料相比，具有比强度高、力学性能及高温性能优良、导热系数小等特点而成为理想替代材料，但其复杂的成型工艺及小批量铸造加工的高昂制造成本制约了工程应用。

增材制造(即3D打印技术)为上述问题提供了创新解决方案，可发挥其无模具近终成形、结构设计高度柔性化和反应快速[1]的优势以缩短生产周期、降低开发试验成本。与传统切削技术相比,3D打印可以实现“自由制造”[2]。自20世纪80年代美国人Charles Hall发明了第一台3D打印机[3]以来，近年已在航空航天、生物医疗等领域广泛应用，如美国Sciaky公司制备的钛合金零件力学性能满足AMS4999标准要求[4],中国商飞公司利用TC4钛合金的3D打印技术制造的中央翼肋已通过性能测试并应用于C919大飞机[5]等。

目前钛合金在内燃机上的应用还较少，主要集中在连杆、气门、紧固件及排气系统的零部件[6-9],活塞的摩擦磨损研究也有了一定进展[10]，但基于3D打印技术的钛合金活塞的设计与应用尚处空白。本研究基于某型号柴油机活塞参数，采用试验和仿真计算相结合的方法，对3D打印TC4材料的力学、热学性能进行测试和分析，评估其作为活塞材料的可行性与合理性;并在轻量化结构设计、基于热机耦合的系统仿真分析、表面处理研究的工程应用等方面进行深入探索，为活塞的材料选择与加工方式提供了新思路。

1、3D打印 TC4材料性能试验

本文中综合考虑了技术成熟度、研究和制造成本等多方面因素，选用TC4钛合金(组成为Ti-6Al-4V)作为活塞材料。该种材料具有综合力学性能优良、比强度大、耐腐蚀性能优良等一系列优点;另外,本研究采用3D打印技术作为生产手段，以充分利用其高柔性、无需模具近终成形的技术优势。

由于3D打印钛合金性能与传统锻造、铸造材料存在差异，需要测定材料在常用工作条件下的力学性能和热学性能，以评估3D打印TC4的可靠性，同时用于活塞性能分析的有限元计算。本文中涉及的TC4钛合金试件及活塞均由德国EOS M290机器采用直接金属烧结工艺(direct metal laser sintering,DMLS)制得,并委托钢研纳克检测技术股份有限公司开展试验。

1.13D打印TC4试件力学性能测试

本研究根据国家标准GB/T228.1-2021《金属材料拉伸试验》中《室温试验方法》和国家标准GB/T228.2-2015《金属材料拉伸试验》中《高温试验方法》制取所需3D打印TC4试棒,并使用微机控制电液伺服万能试验机进行单轴拉伸试验。将拉伸试验的温度设置为常温及100~700℃每隔100℃的高温工况，所得结果如表1所示。其中规定塑性延伸强度是指塑性延伸为0.2%时对应的强度值，在工程上一般可用来代替屈服强度。

表1不同温度下3D打印TC4材料力学性能

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

1.23D打印TC4试件热学性能测试

热学性能方面,本文中主要关注的指标是材料的线膨胀系数和热导率这2个参数,线胀系数与活塞热变形有直接关系,热导率反映了热传导能力。根据GB/T4339-2008标准,制得3D打印TC4金属试件,其尺寸为 Φ6 mm × 20 mm,使用热膨胀仪对试件进行热膨胀特性参数的测量，试验温度区间设置为从室温20℃开始、100~700℃每隔100℃测取一次线胀系数值，得到各工况平均线胀系数如表2所示。

表2 20~700℃平均线胀系数

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

依据GB/T22588-2008标准,使用耐驰激光热导仪LFA457对试件热扩散系数进行测量(试验温度区间设置同上),得到3D打印TC4材料在不同温度下的热容、热扩散系数和导热系数如表3所示。

表3 3D打印TC4试件热容、热扩散系数和导热系数

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

1.3材料性能对比

铝合金是目前使用较为广泛的活塞材料,本小节中将BH137铝合金材料、3D打印TC4材料和《中国航空材料手册》[11]中提供的普通TC4棒材这三者的性能参数进行对比,以分析3D打印TC4作为活塞材料的性能特征。

1.3.13D打印TC4与普通TC4力学性能对比

BH137铝合金材料在不同温度下的屈服强度如表4所示。普通TC4棒材的力学性能可由《中国航空材料手册》查得。

将BH137、普通TC4材料及3D打印TC4棒材的抗拉强度和条件屈服强度作图进行对比,如图 1和图 2所示。

由图1、图2可知,同一温度下3D打印TC4材料的抗拉强度和屈服强度均高于常规TC4棒材;且同一温度下钛合金的屈服强度远大于BH137铝合金。3D打印钛合金的性能优势是由其按层平铺烧结加工的技术特点决定的，其微观组织呈现为细小而致密的网篮状 [12]。

表4 BH137屈服强度

Table 4 Yield strength of BH137 aluminum alloy

对于3D打印TC4材料而言，从其中可知，当温度高于600℃时,其抗拉强度和屈服强度均下降较快,该种材料是否能满足活塞在高温下强度的要求,应在有限元仿真分析中进行讨论。

另外要强调的是,出于成本考虑本文中所采用的3D打印钛合金试棒未经过固溶和时效热处理或热等静压处理等后续处理，若进行热处理其力学性能可以得到进一步提高[13]。因此有理由说,采用TC4钛合金材料、借助于3D打印技术制得的活塞将更有利于提高其综合力学性能和保证活塞的可靠性;且同等条件下可以减少材料的堆积,这为活塞的轻量化设计提供了可能。

1.3.2 3D打印TC4与普通TC4热学性能对比

普通退火态TC4材料的导热系数同样可由《中国航空材料手册》查得。BH137、3D打印TC4与普通TC4材料的导热系数对比如图3所示，由图3可以看出2种钛合金材料的导热系数较为接近，3D打印TC4的热导率略微高于普通TC4试件，而两者均远远小于BH137铝合金，相差一个数量级。

作为活塞材料，一般要求其应具有良好的导热性能，这是为了降低活塞头部温度，以防高温下材料强度变差造成活塞失效。但是从前面的分析可知，TC4钛合金具有极为优良的高温性能，在结构设计合理的前提下无需担心材料强度方面的限制。此外，钛合金远低于铝合金等传统材料的热导率有其独特优势:热导率低意味着可减少燃烧室热量向下部传递，钛合金优良的隔热性能一方面可以保证活塞第一环槽处温度不至于过高，避免机油结焦、活塞环卡死等问题;另一方面减小钛合金材料的厚度即可达到与原铝合金材料相当的性能，进而达到轻量化的目标;此外，良好的隔热性能对提高活塞热效率、减少热损失、降低碳氢排放均有积极作用。

2、钛合金活塞轻量化设计与有限元分析

2.1钛合金活塞轻量化分析与三维模型建立

原铝合金活塞的质量为 1.285kg,TC4钛合金的密度约为铝合金的 1.57倍,如不改进活塞结构得到的活塞质量为2.04 kg。对于活塞组而言,运动时最大往复惯性力的计算式为

式中: F_jmax 为活塞的最大往复惯性力; m为活塞组(包括活塞、活塞环、活塞销)质量; r为曲柄半径; ω为曲柄旋转的角速度;λ为曲柄半径与连杆长度之比。若使用原铝合金活塞结构，惯性力的增大会导致机械负荷和振动噪声的增大。由前节分析可知，在同等载荷条件下，钛合金的性能优势决定了不需要大量材料的堆积来满足活塞的正常工作，基于此从活塞轻量化的角度出发、并结合3D打印的技术特点对活塞结构进行重新设计。

对于本文中的3D打印钛合金活塞而言,可充分利用钛合金材料强度高、隔热性能好的性能优势，并参照较为成熟的钢活塞结构[14],同时关注3D打印的技术特点和生产限制,在保证强度的前提下达到轻量化目标。本文中的钛合金活塞轻量化设计侧重点与结构特点如下:

1)减小活塞整体高度

减小活塞高度是降低活塞重量的有效手段，但应当保证发动机的工作性能不改变，也即不改变活塞压缩比和燃烧室结构。这可以从2个方面展开:一是考虑适当缩短活塞裙部的长度，本钛合金活塞的裙长由原铝合金活塞的64.7mm减小至57.7mm;二是减小活塞火力岸的高度及环槽间的距离,火力岸的高度由原铝合金活塞的15.5mm减小至8.7mm,第一环槽处的温度即可得到保证。

2)活塞头部与裙部分隔布置

考虑将活塞头部与裙部相分隔，这种设计在减少材料使用达到减重目的的同时可以隔断热量沿活塞体从头部向裙部的传递，起到一定的隔热作用。本钛合金活塞头部与裙部间设置了9.7mm的间隔。

3)增大冷却油腔容积，缩短油腔顶面与燃烧室的距离

3D打印技术具有易于成型的制造特点,相较于传统的铸造、锻造的方法其对内部结构的限制较小，因而可以对冷却油腔进行“自由设计”,但是3D打印要求在自下而上打印时保证上部结构不“凭空”出现。此外，钛合金的导热系数很小,考虑采用容积较大的冷却油腔,这在达到轻量化目的的同时还能加强机油在冷却油腔内的振荡冷却。本课题中钛合金活塞的容积是原铝合金活塞的1.87倍。

同时提高冷却油腔的位置以降低第一环处的工作温度，以对环槽起到保护作用。

4)裙部采用等壁厚薄壁设计

TC4钛合金比强度高,在保证活塞裙部刚度的前提下可以适当减小裙部的壁厚。原铝合金活塞的裙部采用下窄上宽的渐变设计,底部最薄处 7mm,上部最厚处达 23mm,本钛合金活塞裙部采用等宽的筒形结构,壁厚为 5mm。

5)增大活塞拱形背腔占比

钛合金的高强度、低热导率决定了活塞燃烧室顶面到背腔顶面的距离可大大缩短,原铝合金活塞的燃烧室顶面中心到背腔中心的距离为 22mm,本文中钛合金活塞的两中心间距为 9mm,这一设计减小了活塞销轴方向和活塞轴向上的材料堆积。

6)减小销座宽度

本钛合金活塞的销座设为 16.4 mm,而原铝合金活塞的销座宽度为24.5mm,该种措施同样可减少销轴方向材料的堆积。

7)利于3D打印实现油腔底部封闭

本钛合金活塞去除了碟片的应用,改为采用一体化设计，将进出油孔直接打印出来，简化了后续机加工工艺流程。活塞整体结构如图4所示。

2.2有限元分析

2.2.1有限元模型的建立

将活塞三维模型作为基本结构,在保证计算精度的前提下,选取1/4模型作为计算模型,并使用了以下简化:

1)建模时不考虑侧压力,所以不将气缸纳入讨论范围;

2)建模时重点关注活塞环槽处的情况,不考虑活塞环的影响;

3)忽略连杆对本系统的影响，以活塞销处的约束代替连杆的作用。

本文采用四面体单元对活塞、衬套、活塞销部件分别进行网格的划分。对活塞头部与裙部连接处进行了网格加密处理,活塞部件的节点数16005,网格数72355,三维网格计算模型如图5所示。

2.2.2边界条件的确定

本文中研究的活塞采用第三类边界条件,活塞顶面分区如图6所示,结合Seale和Taylor [15]提出的半经验公式和热流流动规律得到活塞顶面和环区换热系数 [16]。对于受力边界条件,活塞最大爆发压力取值22MPa,其余各面受力情况可由高压燃气的流动规律计算得到。

表5 活塞顶面各分区换热系数

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

2.3活塞仿真计算与分析

将前述换热边界条件和受力边界条件施加到活塞模型上,经Abauqs计算可以得到活塞的温度场分布和热机耦合应力场分布,如图7所示。

从温度场云图可以看出，该种结构钛合金活塞的最高温度集中在燃烧室中心处，最高温度为603℃，活塞裙部平均温度为100℃,且裙部上端与下端的温度变化很小,仅为2.9℃,这由钛合金导热系数小的特点决定。另外，对于需要特别关注的第一环槽来说，如果温度较高机油会存在结焦的风险，从温度场计算中可知，活塞的第一环槽温度约为218.5℃，低于机油结焦温度，即温度场可以满足要求。

从热机耦合应力场可以得出，此种结构活塞的最大应力集中于活塞头部与裙部的连接处，最大应力为633.0MPa,这是由于高强化活塞承受的爆发压力大，而本活塞头部与裙部采用了分隔式布置，此部位类似于悬臂梁结构，缺少承力材料，因而此区域应力较大。从可靠性角度出发，考虑对该部位进行优化设计以提高结构强度。

2.4活塞结构优化分析

对于原活塞结构的应力集中现象，考虑在该部位添加加强筋结构以减缓应力集中现象、降低该处的最大应力[17]。经不断调整和循环优化设计,最终得到的带有加强肋的钛合金活塞结构如图8(a)所示,原铝合金活塞结构见图8(b)。

优化后钛合金活塞的温度场和热机耦合应力场的仿真计算方法与前文相同，此处不再赘述。其温度场和热机耦合应力场的计算结果见图9所示。

对比无加强肋和有加强肋的两仿真云图,可知加强肋的添加对于活塞温度场的分布几乎没有影响,这是由于 TC4隔热性能优良,活塞中下部局部微小结构的改变不会对整体造成影响。而应力场来看，加强肋的布置大大缓解了悬空位置处的应力集中现象，最大应力也由无加强肋的633.0MPa降低至459.1MPa,降低了26.4%,高强化活塞的可靠性得到保证。

表6给出了优化后钛合金活塞几个关键部位的温度值和热机耦合应力值,其中材料屈服强度由试验结果经线性插值得出。

表6 关键位置温度与应力数据

Table 6 Temperature and stress data at critical positions

结果显示，几个关键部位的应力值均远小于钛合金在该部位的屈服强度。对于1.3.1节中提到的温度高于600℃时钛合金强度下降很快的问题,可以看出活塞燃烧室中心处和喉口处的温度均为600℃左右，而其应力值远小于钛合金在该温度下的抗拉强度和屈服强度。上述仿真计算证明了该种钛合金活塞结构的合理性与可靠性。经测算，此钛合金活塞质量为1.172kg,比原铝合金活塞减重8.8%。

2.5轻量化钛合金活塞隔热性能分析

活塞部件在工作过程中其顶部直接与高温燃气相接触、燃气将热量由烧室处传到活塞，再经由冷却油腔、活塞环、活塞背部和裙部等部位传到气缸套和冷却介质。对于活塞来说，顶面温度越高即意味着向外传递的热量越少，从而可以达到降低热损失、提高热效率的目的。因此可以通过对比钛合金活塞和原铝合金活塞的顶面热流情况来评判其隔热性能。

由传热学知识可知,热流密度为

式中: h表示换热面的换热系数, W/ (m 2 . K) ; Δt表示换热温差; q表示单位时间内通过单位横截面积上的热流。

在分析活塞隔热情况时,以燃烧室各个换热面的热流输人之和为参考指标,其计算式为

式中: ΔT表示换热面区域平均温度与边界条件环境温度的差值; h表示换热面的换热系数; A表示换热面的面积。

在活塞温度场有限元计算结果中,分别提取图 6中活塞顶面各个换热区域的平均温度,求得该温度与环境温度的温差;再提取每个换热面的面积,可计算得到该换热面的输人热流大小;将所有换热面的热流量相加即可作为分析隔热性能的指标。可知环境温度与顶面温度的差值越大意味着Q值越大，则燃烧室向活塞传递的热量越多，即活塞隔热性能越差。

提取完整新型钛合金活塞和完整原铝合金活塞顶面各分区的平均温度、各区域面积等参数，运用上式进行热流统计计算,钛合金活塞模型的总输入热量Q值为6820.7W,传统铝合金活塞的Q值为9932.9W,计算可知钛合金活塞的隔热率比铝合金活塞提高约31.3%,从而证明了本课题中的轻量化钛合金活塞同时具有优良的隔热性能,这对提高发动机热效率、减少散热有积极作用。

3、钛合金活塞检测与镀膜分析

3.1 3D打印TC4活塞的缺陷与检测

钛合金3D打印技术能够弥补传统成形技术的不足,但是特定的工艺参数和结构特征会使得零件内部出现球化、裂纹、孔隙等缺陷，宏观上也有可能出现翘曲变形等缺陷[18]，粉末床受热不均、温度梯度大更会产生肉眼可见的翘曲。

本文中的3D打印钛合金活塞采用由活塞头部向裙部加工,加工制造的现场图片如图10所示(此时成形仓中激光正在对活塞裙部进行逐层烧结)。

对于有上机考核要求的轻量化钛合金活塞而言应保证其内部结构完整无缺陷，因此需要对成品进行无损检测。常用的无损检测方法如渗透检测、CT检测、激光超声在线无损检测等都在钛合金构件上得到了应用[19-20]。本文中采用工业CT检测的方法来评估钛合金活塞的内部情况,所得图像如图11所示。可以看出钛合金活塞组织致密,无明显的裂纹、孔隙等问题。

3.2钛合金活塞镀膜方案

为了提高钛合金的耐磨性,已经应用于钛合金基体上的涂层材料有沉积TiN/Ti复合膜 [21-22]、TiC/Ti功能梯度材料 [23-24]、类金刚石碳膜 [25]、TiO 2 镀膜等。在选取活塞外表面的镀膜方式和镀层材料时，应综合考虑活塞结构、经济性和技术便捷性等诸多因素:由于活塞结构较为复杂,尤其是环槽处，如果采用激光熔覆等方法将难以获得高质量的均匀镀膜;而类金刚石薄膜(diamond-like carbon coating,DCC)、氮化铝钛(TiAlN)这些镀膜虽有极高的硬度和良好的耐磨性、高温抗氧化性能,但是活塞厂家的现有技术条件限制了这2种涂层厚度的进一步加厚，仅可制得约2μm厚的镀层，在发动机在工作过程中，活塞与缸套间、活塞环槽与活塞环间的撞击会导致较薄镀层的破裂和剥落，起不到减磨的作用甚至碎片会进一步加剧磨损，因此这2种材料不适合用作活塞镀膜。

综合考虑镀层材料性能和现有可操作的技术条件,本研究选用TiO2电化学陶瓷镀膜(electro ceramic coating, ECC)技术对活塞表面进行处理,ECC镀膜后的钛合金与高镍铸铁对磨的磨损量远低于未镀膜时的磨损量 [14]。膜层微观结构如图12所示。

这种方法制得的ECC薄膜具有以下优点:

1)摩擦因数低、耐磨性好,厚度可达10μm左右,保证膜层可靠性;

2)薄膜表面粗糙度仅0.8μm左右,符合对活塞表面粗糙度要求;

3)本文中活塞在工作时燃烧室喉口处的温度可达600℃,而制备的ECC膜可以承受800℃的高温,并且具有优良的抗高温氧化性能,可对活塞基体起到保护作用;

4)ECC膜的微观结构具有较多的微孔,这些微孔可以储存微量的润滑油，这对活塞的润滑是有利的。

对于长期与缸套接触的活塞裙部，其与缸套的摩擦会降低内燃机的有效效率,有必要对其表面进行特殊处理以保证润滑。目前常用的提高活塞裙部耐磨性的方式包括喷涂石墨涂层、喷涂二硫化钼涂层等。二硫化钼是一种层排状的晶体,其层间的结合力很弱,在摩擦力的作用下会发生滑移,是一种良好的减摩耐磨材料。对于本研究的钛合金活塞而言，它在稳定工作时裙部约为90~95℃,二硫化钼在400℃以内都具有良好的热稳定性和化学稳定性，因此考虑对钛合金活塞的裙部除二氧化钛镀膜外还做加镀二硫化钼涂层的处理。最终得到的成品如图13所示。

4、结论

1)试验表明3D打印TC4钛合金材料常温及高温力学性能优良，抗拉强度和屈服强度均高于普通TC4，导热系数远小于传统铝合金。钛合金作为活塞材料应用潜力巨大。

2)通过减小活塞整体高度、将活塞头部与裙部分隔、增大冷却油腔和背腔容积、活塞裙部长度、减小销座宽度、设置加强肋等一系列措施进行钛合金活塞的设计,得到的活塞质量比原铝合金活塞减小8.8%，满足轻量化要求。ABAQUS有限元计算结果表明，新型活塞各关键部位强度满足要求;钛合金活塞隔热性能比原铝合金活塞提高31.3%。

3)针对钛合金高温抗氧化能力不足、耐磨性差等问题，提出活塞镀膜方案，即活塞整体进行电化学TiO2陶瓷镀膜处理，裙部加镀二硫化钼涂层，以提高钛合金活塞可靠性。

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（注，原文标题：基于3D打印技术的钛合金活塞轻量化设计及仿真研究）

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