宋慶軍 李文平 王明明 王吉洋 鄧飛 邵亮

摘要：以汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金活塞為研究對(duì)象，建立等離子噴涂涂層隔熱性能分析仿真模型，綜合分析粘接層材料及孔隙率對(duì)涂層隔熱性能的影響，并對(duì)涂層樣塊進(jìn)行隔熱性能試驗(yàn)。結(jié)果表明：隔熱涂層的存在使活塞金屬基體的溫度顯著降低，其中ZrO2隔熱層+NiCrAlY粘接層的組合隔熱性能最好，且隨著粘接層孔隙率的增加，涂層隔熱性能提升，但孔隙率過(guò)大會(huì)導(dǎo)致涂層與基體的機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度降低，綜合考慮隔熱性能與結(jié)合強(qiáng)度結(jié)果，涂層粘接層的最佳材料為NiCrAlY、最佳孔隙率為10%，噴涂上述隔熱涂層后，在實(shí)際工況條件下活塞的等效熱應(yīng)力值滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：隔熱涂層 活塞 溫度場(chǎng) 應(yīng)力場(chǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TK415? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230030

Abstract： With aluminum alloy piston of automobile engine as the research object， a thermal insulation performance analysis simulation model of plasma spraying coating was established， the influences of bonding layer material and porosity on thermal insulation performance of coating were analyzed comprehensively， and the thermal insulation performance of coating sample block was verified by test. The test results show that， the thermal insulation coating can significantly reduce the temperature of piston metal matrix， and the thermal insulation performance of ZrO2 thermal insulation layer +NiCrAlY bonding layer is the best. With the increase of porosity of bonding layer， the thermal insulation performance of coating improves， but the mechanical bonding strength between coating and matrix decreases due to excessive porosity， considering the results of thermal insulation and bonding strength， the best material for bonding layer is NiCrAlY， and the best porosity is 10%. After spraying the thermal insulation coating， the equivalent thermal stress value of the piston meets the design requirements of the product under actual working conditions.

Key words： Thermal insulation coating， Piston， Temperature field， Stress field

1 前言

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件和主要運(yùn)動(dòng)部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和使用壽命[1]。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，受到高溫燃?xì)獾闹芷谛宰饔茫钊麜?huì)承受很高的熱負(fù)荷，活塞頂部易形成顯微孔洞和裂紋，影響使用壽命[2]，目前在活塞頂面噴涂隔熱涂層是降低其熱負(fù)荷的有效方法之一。隔熱涂層通常由陶瓷材料組成，其導(dǎo)熱性差、耐高溫，可有效降低傳遞到活塞基體熱量，減小基體熱負(fù)荷，同時(shí)由于增加了活塞頂面溫度并減少了活塞基體的散熱量，可使發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率顯著提升，燃油消耗和排放降低，對(duì)解決能源危機(jī)具有積極作用[3]。

隔熱涂層應(yīng)用的材料多為ZrO2陶瓷，其與活塞鋁合金基體的熱物理性能差異較大，在周期性熱負(fù)荷的作用下容易從基體上脫落，因此在ZrO2隔熱層和鋁合金基體之間需添加粘接層，提高兩者的機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度。目前應(yīng)用較多的粘接層材料有NiCrAlY、NiCoCrAlY和NiCr等，本文采用Abaqus有限元軟件分析ZrO2隔熱層配合不同材料的粘接層對(duì)活塞溫度場(chǎng)變化的影響，并結(jié)合隔熱性能試驗(yàn)及結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)得到粘接層的最佳材料種類(lèi)和孔隙率，并分析最優(yōu)涂層下活塞的熱應(yīng)力值是否滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

2 仿真模型建立

首先利用CAD軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的三維實(shí)體模型，然后將其導(dǎo)入到Abaqus軟件中建立隔熱性能仿真模型，采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最大單元尺寸為3 mm，相應(yīng)得到包含185 827個(gè)單元的無(wú)涂層網(wǎng)格模型和201 079個(gè)單元的有涂層網(wǎng)格模型，其三維實(shí)體模型及網(wǎng)格模型分別如圖1、圖2所示。

在活塞基體頂面通過(guò)等離子噴涂工藝形成涂層，該涂層包含隔熱層和粘接層，其中粘接層介于隔熱層和活塞基體之間，2層厚度均為0.5 mm，模擬分析中采用Tie約束將三者連接為整體，隔熱層材料選擇ZrO2陶瓷，粘接層材料分別選擇NiCrAlY、NiCoCrAlY和NiCr，活塞基體材料為Al-Si合金，材料熱物理參數(shù)如表1所示。

活塞熱量傳遞方式主要是對(duì)流換熱，因此活塞熱分析通常采用第3類(lèi)邊界條件，即給定邊界的外圍介質(zhì)溫度和換熱系數(shù)[4]，并據(jù)此邊界條件求解出活塞溫度場(chǎng)分布。合理制定傳熱邊界條件是保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，由于活塞內(nèi)部溫度分布極其復(fù)雜，通常通過(guò)特定位置實(shí)測(cè)的表面溫度來(lái)反復(fù)修正邊界條件。本文選擇的活塞第三類(lèi)熱邊界條件如表2所示。

3 涂層對(duì)活塞溫度場(chǎng)的影響分析

3.1 粘接層材料對(duì)溫度場(chǎng)的影響

選取ZrO2陶瓷層配合3種不同材料的粘接層形成隔熱涂層，分析粘接層材料對(duì)活塞溫度場(chǎng)的影響。在活塞工作過(guò)程中，理論上的最高溫度一般出現(xiàn)在活塞頂面的中心區(qū)域，圖3為無(wú)隔熱涂層時(shí)活塞在上述邊界條件下的溫度場(chǎng)分布，圖4、圖5、圖6分別為頂面噴涂3種不同材料的涂層后活塞的溫度場(chǎng)分布，可以看出無(wú)隔熱涂層時(shí)，活塞的最高溫度出現(xiàn)在頂面中心處，達(dá)到308 ℃，而頂面分別噴涂ZrO2+NiCrAlY、ZrO2+NiCoCrAlY和ZrO2+NiCr 3種不同材料的涂層后，最高溫度均分布在涂層上表面的中心區(qū)域，分別達(dá)到544 ℃、499 ℃和489 ℃，相比無(wú)涂層時(shí)的最高溫度明顯升高，而活塞鋁基體的最高溫度相比無(wú)涂層時(shí)則明顯下降，分別為210 ℃、229 ℃和233 ℃，因此噴涂隔熱涂層后，活塞鋁合金基體所受的熱沖擊作用相比無(wú)涂層時(shí)明顯降低，其使用壽命顯著提升，同時(shí)從云圖可以看出，涂層起到了明顯的隔熱效果，熱量向活塞方向的傳遞受到阻礙，表面涂層外部的熱量大量聚集，使得活塞基體的散熱量明顯降低，有助于提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

通過(guò)3種粘接層材料的隔熱性能對(duì)比可以看出，采用隔熱層ZrO2+粘接層NiCrAlY的涂層組合，其涂層上表面的溫度最高，活塞鋁基體的溫度最低，因此隔熱性能最好，可作為后續(xù)研究中的首選涂層材料，同時(shí)由不同涂層材料的溫度云圖和其熱物理參數(shù)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，涂層隔熱性能與其導(dǎo)熱系數(shù)顯著相關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)越小，隔熱性能越好。

3.2 粘接層孔隙率對(duì)溫度場(chǎng)的影響

采用等離子噴涂技術(shù)制備的隔熱涂層，由于噴涂工藝的原因，涂層內(nèi)部會(huì)存在孔隙，從而影響涂層的隔熱效果[5]，結(jié)合上述分析，選擇ZrO2+NiCrAlY作為涂層材料，分別設(shè)置NiCrAlY粘接層的孔隙率為5%、10%和15%，研究粘接層孔隙率對(duì)涂層隔熱性能的影響?？紫堵逝c涂層導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系可表示如下：

[λp=λ01-β?p]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，λp為帶孔隙材料的導(dǎo)熱系數(shù)；λ0為致密材料的導(dǎo)熱系數(shù)；β為常數(shù)，通常取2.1～2.6；p為涂層的孔隙率[6]。

由式（1）可通過(guò)涂層孔隙率計(jì)算出涂層實(shí)際的導(dǎo)熱系數(shù)，可以看出λp始終小于λ0，即孔隙率可以降低涂層的導(dǎo)熱系數(shù)。

本文模擬過(guò)程選取β=2.3，3種孔隙率對(duì)應(yīng)的活塞溫度場(chǎng)分布如圖7所示，可以看出孔隙率為5%、10%和15%時(shí)，活塞涂層上表面的最高溫度分別為553 ℃、563 ℃和575 ℃，可見(jiàn)隨著孔隙率的增加，熱量更容易聚集在涂層外部表面，涂層的隔熱性能更佳。

4 不同涂層隔熱性能試驗(yàn)驗(yàn)證

本部分采用實(shí)際涂層樣品隔熱性能試驗(yàn)的方法驗(yàn)證上述模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，并通過(guò)隔熱性能和機(jī)械結(jié)合性能優(yōu)選出最佳的涂層材料和孔隙率。選擇3.1節(jié)中的3種涂層材料和3.2節(jié)中的3種粘接層孔隙率，在與實(shí)際活塞材料相同的鋁合金基體上采用等離子噴涂工藝分別制成不同材料及孔隙率的涂層樣品，并加工成尺寸為100 mm×100 mm×10 mm的方形試樣，僅在方形試樣的一側(cè)表面噴涂了涂層，將試樣作為馬弗爐的頂部蓋子，涂層面與爐腔同側(cè)，受爐腔熱輻射作用加熱試樣涂層，試驗(yàn)中爐溫恒定為800 ℃，同時(shí)測(cè)試該加熱區(qū)背面金屬表面溫度，獲得背面溫度隨時(shí)間的變化曲線，分析不同材料及孔隙率對(duì)涂層隔熱性能的影響。

4.1 不同粘接層材料的隔熱性能分析

分析不同粘接層材料對(duì)涂層隔熱性能的影響，結(jié)果如圖8所示，可以看出試樣表面無(wú)涂層時(shí)，其溫升速度要遠(yuǎn)高于有隔熱涂層時(shí)的溫升速度，并且穩(wěn)態(tài)溫度更高，達(dá)到410 ℃，而對(duì)于3種涂層樣品，噴涂ZrO2+NiCrAlY涂層的樣品溫升速度最小，穩(wěn)態(tài)溫度最低，僅為315 ℃，表面ZrO2+NiCrAlY涂層由于導(dǎo)熱系數(shù)小，其隔熱性能最好，這與前文的模擬結(jié)果相一致。

4.2 不同粘接層孔隙率的隔熱性能分析

選取隔熱性能最好的ZrO2+NiCrAlY涂層，分別設(shè)置NiCrAlY粘接層的孔隙率為5%、10%和15%，分析不同粘接層孔隙率對(duì)涂層隔熱性能的影響，結(jié)果如圖9所示，可以看出孔隙率對(duì)試樣溫升速度的影響不大，各組試樣幾乎均在850 s附近達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度，但孔隙率越高，試樣的穩(wěn)態(tài)溫度越低，表明其隔熱性能越好，這同樣與前文的模擬結(jié)果相一致，即涂層的孔隙率越高，導(dǎo)熱系數(shù)越小，隔熱性能越好，但由于涂層孔隙率增大會(huì)使其與基體的機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度降低，易造成涂層剝落失效，因此涂層孔隙率并不是越大越好，還需滿(mǎn)足與基體機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度要求。

4.3 涂層機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試

選取隔熱性能最好的ZrO2+NiCrAlY涂層，分別制成NiCrAlY粘接層孔隙率為5%、10%和15%的機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試樣品，分析孔隙率對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響，每組取5個(gè)試樣的破壞強(qiáng)度結(jié)果平均值。采用拉伸法測(cè)試涂層結(jié)合面的法向破壞強(qiáng)度。試樣為長(zhǎng)度100 mm、直徑25 mm的圓柱形，用環(huán)氧樹(shù)脂膠將2個(gè)試樣進(jìn)行粘接，其中一個(gè)試樣噴涂涂層，另一個(gè)試樣表面進(jìn)行噴砂處理，試樣形狀及尺寸如圖10所示，將試樣粘接后放入烘箱中進(jìn)行100 ℃加熱固化3 h，隨后進(jìn)行拉伸測(cè)試，拉伸速率為0.5 mm/min，得到3種粘接層孔隙率涂層對(duì)應(yīng)的機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度如表3所示，可以看出隨著孔隙率的升高，涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度顯著降低，3種孔隙率對(duì)應(yīng)的結(jié)合強(qiáng)度分別為37.5 MPa、33.5 MPa和21.8 MPa，失效形式均為粘接層與鋁合金基體分離。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，在活塞實(shí)際使用工況下，涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度需大于30 MPa，因此本文基于隔熱性能和機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度的綜合考慮，選擇NiCrAlY粘接層的孔隙率為10%。

5 涂層對(duì)活塞熱應(yīng)力場(chǎng)的影響分析

選取涂層材料為ZrO2+NiCrAlY，設(shè)置NiCrAlY粘接層的孔隙率為10%，分析涂層結(jié)構(gòu)及活塞基體的等效熱應(yīng)力分布，確認(rèn)是否滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，其中等效熱應(yīng)力分布曲線的節(jié)點(diǎn)選取路徑如圖11所示，起點(diǎn)為活塞頂面中心，沿著徑向向活塞邊緣擴(kuò)展，終點(diǎn)為活塞頂面邊緣處節(jié)點(diǎn)，分析此路徑上的等效熱應(yīng)力分布。

5.1 涂層結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力場(chǎng)

采用前文所述的涂層材料及孔隙率，分析路徑上涂層結(jié)構(gòu)表面的熱應(yīng)力分布，結(jié)果如圖12所示，可以看出活塞頂面中心處涂層的等效熱應(yīng)力值最高，為75.2 MPa，隨著距頂面中心距離的增加，等效熱應(yīng)力值逐漸降低，到達(dá)頂面邊緣處時(shí)，應(yīng)力值降為最低，僅為46.1 MPa，整個(gè)路徑上的等效熱應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的120 MPa，因此前文所述的涂層材料及孔隙率滿(mǎn)足實(shí)際使用工況下涂層的熱應(yīng)力要求。

5.2 活塞基體熱應(yīng)力場(chǎng)

采用前文所述的涂層材料及孔隙率，分析路徑上活塞基體表面的熱應(yīng)力分布，結(jié)果如圖13所示，可以看出當(dāng)活塞頂面噴涂有隔熱涂層時(shí)，基體表面的等效熱應(yīng)力值隨著距頂面中心距離的增加而逐漸降低，最大、最小應(yīng)力值分別為67.3 MPa和24.8 MPa；當(dāng)活塞頂面未噴涂隔熱涂層時(shí)，基體表面的等效熱應(yīng)力值隨著距頂面中心距離的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，最大熱應(yīng)力出現(xiàn)在距頂面中心距離約8 mm處，為115 MPa，遠(yuǎn)大于有隔熱涂層時(shí)的基體表面最大熱應(yīng)力，因此噴涂隔熱涂層后，有利于降低活塞基體表面的等效熱應(yīng)力，提高其使用壽命，同時(shí)無(wú)論是否噴涂隔熱涂層，路徑上活塞基體的等效熱應(yīng)力值均小于其產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的150 MPa，前文所述的涂層材料及孔隙率滿(mǎn)足實(shí)際使用工況下基體的熱應(yīng)力要求。

綜上，綜合考慮隔熱性能與機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度結(jié)果，涂層的最佳材料選擇為ZrO2+NiCrAlY，粘接層的最佳孔隙率選擇為10%，噴涂上述涂層后，在實(shí)際工況條件下活塞的等效熱應(yīng)力值滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金活塞為研究對(duì)象，利用Abaqus有限元軟件建立等離子噴涂涂層隔熱性能仿真模型，分析涂層中的粘接層材料及孔隙率對(duì)其隔熱性能的影響，并進(jìn)行涂層樣品的隔熱性能及機(jī)械結(jié)合性能試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)選出最佳的粘接層材料及孔隙率，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行活塞的熱應(yīng)力場(chǎng)分析，得出如下結(jié)論：

a. ZrO2+NiCrAlY、ZrO2+NiCoCrAlY和ZrO2+NiCr 3種涂層材料中，ZrO2+NiCrAlY涂層的隔熱性能最好。

b. 隔熱性能與涂層材料的導(dǎo)熱系數(shù)密切相關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)越小，隔熱性能越好。

c. 隨著涂層孔隙率的增加，其隔熱性能提升，但與基體的機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度顯著降低。

d. 綜合考慮隔熱性能與機(jī)械結(jié)合性能，涂層的最佳材料選擇為ZrO2+NiCrAlY，粘接層的最佳孔隙率選擇為10%。

e. 噴涂?jī)?yōu)選涂層后，在實(shí)際工況條件下活塞的等效熱應(yīng)力值滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 方學(xué)鋒， 王澤華， 劉騰彬. 鋁合金熱噴涂技術(shù)的研究進(jìn)展和應(yīng)用展望[J]. 輕合金加工技術(shù)， 2005（10）： 13-15+18.

[2] 胡艷嬌， 李敏， 劉宇平， 等. 高強(qiáng)化活塞等離子噴涂涂層隔熱性能研究[J]. 熱加工工藝， 2019， 48（6）： 141-145.

[3] 李闖， 張翼， 蔡強(qiáng)， 等. 熱障涂層鋼活塞和硅鋁合金活塞的熱分析[J]. 熱加工工藝， 2017， 46（18）： 182-186.

[4] 雷基林. 增壓柴油機(jī)活塞三維有限元分析及溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究[D]. 昆明： 昆明理工大學(xué)， 2005.

[5] 黃濤， 陳源， 周明剛， 等. 熱障涂層隔熱性能數(shù)值分析[J]. 湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2010， 25（2）： 92-94+100.

[6] 張紅松， 王富恥， 馬壯， 等. 等離子涂層孔隙研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào)， 2006（7）： 16-18+26.