热障涂层对活塞温度场影响的三维分析＊

马志军，郭永春，畅 沛，高培虎，吴永兴，刘继林

（1．西安工业大学 材料与化工学院，西安710021；2中国人民解放军驻616厂军代室，大同037036）

热障涂层利用陶瓷涂层来保护金属基体，在航空、航天、汽车和大型火力发电等方面都有广泛而重大的应用价值，不仅可以提高抗腐蚀、进一步提高发动机工作温度，而且可以减少燃油消耗，延长发动机的使用寿命［1-3］．自20世纪80年代以来，热障陶瓷涂层技术在航空发动机工业中应用卓有成效，逐步向汽车、内燃机行业推广应用，并取得显著进展［2，4-5］．

活塞作为内燃机燃烧室中最主要的受热零件之一，长期工作在恶劣环境下，承受很高的热负荷，其顶部直接与燃气接触，是需进行隔热的主要部位之一，因此在活塞顶部制备热障涂层在提高内燃机效率方面具有广泛的应用前景［6-8］．用作隔热的陶瓷材料主要有 ZrO2、Al2O3、SiC 和 Si3N4等［7］．目前，已有较多关于内燃机绝热层涂料的实验性研究［9］，在这些实验工作的基础上，随着计算机技术和数值仿真技术的飞速发展，对热障涂层的隔热性能进行数值分析已经可以取得较为准确的结果，并可取代部分实验［10-12］．孙力平等人［12］基于有限元对柴油机陶瓷涂层活塞进行了热分析，并就涂层对铝合金和钢制活塞温度场影响进行了对比分析，指出涂层应选择导热系数较小的材料．Ekrem Buyukkaya［5，10］研究了梯度涂层和普通涂层对活塞温度场的影响，不同涂层都在一定程度上提高了活塞的使用温度．目前这方面的研究主要存在两个基本问题：①研究的涂层较为单一，无法进行横向比较；②对涂层的温度场分布没有单独进行剥离研究，而涂层的温度梯度变化却最大．为了进一步提高热障涂层在内燃机行业的应用，带涂层内燃机活塞模型的三维结构和热分析的数值研究亟待进一步加强．

本文借助有限元分析软件，考察了不同陶瓷材料热障涂层对活塞工作状态下温度场的影响；选取隔热效果显著的ZrO2陶瓷涂层，探讨了热障涂层厚度对活塞工作状态下温度场的影响，为活塞热障涂层材料的选择和制备工艺提供一定的理论和技术支持．

1 有限元模型建立

1．1 活塞有限元模型的建立

本文首先利用CAD软件建立了活塞的三维实体模型，将其导入有限元分析软件后并进行网格划分等后续处理得到相应的有限元模型．活塞为缩口ω型活塞，其三维实体模型和三维有限元网格模型如图1所示．为了保证计算精度，获得准确的计算结果，同时又能节约时间，在有限元分析软件中对活塞进行自由网格划分，手动控制网格的密度和网格的形状［13］．在考察了网格细化前后计算结果的基础上，最终选取最大单元尺寸为3mm的四面体单元［14］，相应得到了56 022个节点，276 825个单元的活塞网格模型．

图1 活塞的三维模型Fig．1 Three-dimensional model of the piston

在活塞三维实体模型的基础上，建立热障涂层活塞的三维实体模型，如图2所示．首先固定涂层厚度［4-5］为0．4mm，对比不同陶瓷材料热障涂层的隔热效果；然后固定一种涂层材料，选取6种不同的涂层厚度，从0．35～0．60mm，每次增加0．05 mm，考察涂层厚度对活塞温度场的影响．热障涂层和金属基体的单元类型相同，均为4节点四面体单元．

图2 带热障涂层活塞三维实体模型Fig．2 Three dimensional physical model of piston with TBC

1．2 活塞金属基体和陶瓷涂层的物性参数

活塞金属基体材料为Al-Si合金，活塞镶环材料为铸铁，热障涂层选用4种经典的陶瓷涂层材料Al2O3、Si3N4、SiC和 ZrO2．活塞金属基体、镶环和不同陶瓷材料的热物性参数见表1．

1．3 活塞的热边界条件

对活塞进行温度场的有限元计算时，合理地给出传热边界条件是计算活塞温度场的关键．由于活塞内部的温度分布极为复杂，通常通过实测的表面温度场来反复修正边界条件［15-16］．在确定热交换边界条件时，先参照经验或半经验公式（Woschni公式［4，13，17］、Eichelberg 公 式［8］或 Hohenberg［18-20］公式），其中，利用 Woschni公式或Eichelberg公式计算燃气与活塞的换热系数．

表1 金属基体、镶环和不同陶瓷涂层材料的物性参数Tab．1 Physical parameters of metal matrix，piston ring carrier and different coating materials

Woschni公式表达式为

式中：D为气缸直径（m）；T为燃气温度（K）；Pm为燃气压力（MPa）；vm为活塞的平均速度（m·s-1）；Vh为气缸工作容积（m3）；p1，V1，T1均为压缩始点的气体参数；Δp为工作循环与拖动循环的瞬时压力差（MPa）；c1为系数，换气过程为7．14，压缩过程为2．99；c2＝6．2×10-3．

Eichelberg公式表达式为

式中：vm为活塞平均速度（m·s-1）；pa，Ta分别为燃气的瞬时压力（MPa）和温度（K）．得出初始值，利用有限元软件计算温度场，比较实测值与计算值，依据传热学原理修正其边界条件后再重新计算，反复修正，最终获得较为准确的边界条件［21］．本文根据已有的实验数据和资料，结合Hohenberg公式

式中：hgas（t）为瞬时燃气与活塞的对流换热系数W·m-2·K-1；Vc（t）为瞬时气缸容积（m3）；P（t）为瞬时气缸压力（bar）；T（t）为瞬时气缸温度（K）；为活塞平均速度（m·s-1）；a＝130；b＝1．4．对边界条件进行修正后，采用第三类边界条件（已知对流换热系数和介质温度）对活塞进行温度场计算，活塞的第三类热边界条件见表2．

表2 活塞的第三类热边界条件Tab．2 The third class thermal boundary condition of piston

2 结果与分析

2．1 无热障涂层情况下活塞的温度场分布

活塞在没有热障涂层的情况下的温度场分布如图3所示，图3（a）和图3（b）分别为活塞x-z剖面和y-z剖面温度场分布情况．

图3 无热障涂层活塞的温度场分布云图Fig．3 Temperature field of piston without TBC

由图3可以看出，活塞温度场的分布层次清晰，温度沿活塞轴线方向从上往下，温度迅速下降，高温区域主要集中在活塞头部，裙部温度相对较低．活塞的最高温度为367．9℃，出现在活塞顶内边缘处，活塞裙底部温度最低，最低值约为109．7℃．活塞头部金属的温度梯度很大，尤其是在活塞火力岸上和冷却油道的上部．活塞喉口处（顶内边缘的棱角上）的最高温度超过350℃，这是由于此区域受热面积大、散热条件差造成的．活塞第一环岸的温度明显高于第二环岸，其最高温度为264℃．活塞内腔顶部温度较高，大部分区域温度在230℃以上，油槽以下的活塞裙部和内腔的温度不高，最高温度大约为177℃，冷却油道起了关键的冷却作用．

2．2 不同陶瓷材料的热障涂层活塞的温度场分布

不同陶瓷材料的热障涂层活塞y-z剖面的温度场分布如图4所示．由温度分布云图可直观看出，在活塞顶面喷涂热障陶瓷涂层后，活塞陶瓷涂层顶面的温度整体升高，活塞裙部以下温度几乎没有变化．不同陶瓷涂层的隔热效果明显不同，ZrO2陶瓷隔热效果最好，活塞陶瓷涂层顶面的最高温度升高到454．6℃，SiC陶瓷的隔热效果最差，活塞陶瓷涂层顶面的最高温度为375．3℃，Si3N4和Al2O3陶瓷的隔热效果介于SiC和ZrO2之间，其活塞陶瓷涂层顶面的最高温度分别382．9℃和381．4℃．

当涂层厚度为0．4mm时，不同陶瓷材料的热障涂层活塞金属基体顶面和陶瓷涂层顶面沿半径方向上的温度分布曲线如图5～6所示，并将无热障涂层时活塞基体顶面的温度曲线一同显示在图中作为参照．由图5～6可以看出，活塞金属基体顶面和陶瓷涂层顶面沿径向的温度分布规律性很强，在半径方向上温度有3个极大值和3个极小值，极大值均出现在棱角处和受热面积较大的部位，分别在活塞燃烧室中心、燃烧室底部两个浅圆之间形成的棱上和活塞顶的内边缘处，极小值均出现在散热较好的部位，分别在两个浅圆的底部和活塞顶的外边缘处．经过计算，SiC、Al2O3、Si3N4和ZrO2陶瓷涂层活塞金属基体顶面的平均温度较无热障涂层时分别下降1．6℃、3．3℃、3．8℃和28．9℃．陶瓷涂层顶面的平均温度较无热障涂层时分别上升3．6℃、7．1℃、8．0℃和56．9℃．对比可以看出，ZrO2陶瓷的隔热能力明显强于其它三种陶瓷材料，活塞金属基体顶面的平均温度较无涂层时降低了8．8%，陶瓷涂层顶面的平均温度较无涂层时升高了17．3%，其较低的导热系数和高的比热容是其主要原因，这为热障涂层材料的选择提供了一定的理论依据．

图4 不同陶瓷材料的热障涂层及其活塞基体的温度场分布云图Fig．4 Temperature field of piston with different ceramic coating materials of TBC

图5 不同材料的热障涂层活塞金属基体顶面半径方向的温度分布曲线Fig．5 Temperature distribution along the radial direction on the top surface of metal matrix of piston with different coating materials of TBC

图6 不同材料的热障涂层活塞陶瓷涂层顶面半径方向的温度分布曲线Fig．6 Temperature distribution along the radial direction on the top surface of ceramic coating of piston with different coating materials of TBC

2．3 涂层厚度对ZrO2热障涂层活塞温度场分布的影响

选取隔热效果最好的ZrO2热障涂层作为研究对象，选取6种不同的涂层厚度h，从0．35mm到0．60mm，每次增加0．05mm，考察涂层厚度对活塞温度场的影响．ZrO2热障涂层活塞金属基体和陶瓷涂层顶面的最高温度和平均温度随涂层厚度的变化曲线如图7所示．A为活塞金属基体顶面的平均温度；B为活塞金属基体顶面的最高温度；C为活塞陶瓷涂层顶面的平均温度；D为活塞陶瓷涂层顶面的最高温度．活塞金属基体顶面的最高温度和平均温度都随着涂层厚度的增加而降低，活塞陶瓷涂层顶面的最高温度和平均温度都随着涂层厚度的增加而升高．当涂层厚度从0．35mm增加到0．60mm时，活塞金属基体顶面的最高温度由340．2℃降低到322．1℃，平均温度由303．5℃降低到286．3℃，活塞陶瓷涂层顶面的最高温度由440．1℃升高到481．6℃，平均温度由379．9℃升高到407．8℃．经过计算，涂层厚度每增加0．05 mm时，活塞金属基体顶面的最高温度和平均温度的下降曲线几乎呈线性分布，其平均下降幅度分别为3．2℃和3．4℃，活塞陶瓷涂层顶面的最高温度和平均温度的上升幅度略有减小，其平均增加幅度分别为8．3℃和5．6℃．说明随着涂层厚度的增加，活塞金属基体顶面的最高温度和平均温度下降的幅度比活塞陶瓷涂层顶面的最高温度和平均温度上升的幅度小．但受制备工艺和热残余应力等因素的影响，陶瓷涂层的厚度不可能无限制的增加［4］．

图7 热障涂层厚度对活塞最高温度和平均温度的影响Fig．7 The Effect of TBC thickness on the average and the highest temperature of piston

3 结 论

1）在活塞顶面涂覆热障陶瓷涂层可以降低活塞金属基体的温度．ZrO2陶瓷的隔热效果明显优于SiC、Al2O3和Si3N4陶瓷，当其厚度为0．4mm时，活塞金属基体顶面的平均温度降低了28．9℃，较无涂层时降低了8．8%，陶瓷涂层顶面的平均温度升高了56．9℃，较无涂层时升高了17．3%．低导热系数和高比热容的陶瓷材料可获得隔热效果较佳的热障涂层．

2）通过增加热障涂层的厚度，可以使活塞金属基体顶面的温度显著下降，活塞陶瓷涂层顶面的温度显著上升，ZrO2涂层厚度每增加0．5mm，活塞金属基体顶面的最高温度下降约3．2℃，陶瓷涂层顶面的最高温度上升约8．3℃．

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