La_%282%29Zr_%282%29O_%287%29–8YSZ双陶瓷层热障涂层活塞热–机耦合应力分析.pdf

第 44卷 第 4 期2023年 8月Vol.44 No.4August 2023内燃机工程Chinese Internal Combustion Engine EngineeringLa2Zr2O78YSZ 双陶瓷层热障涂层活塞热 机耦合应力分析林旭1，2，陈为欢3，代鹏2（1.青海民族大学 土木与交通工程学院，西宁 810007；2.天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；3.江铃汽车股份有限公司，南昌 330006）Thermal Mechanical Coupling Stress Analysis of A Piston with La2Zr2O78YSZ Double Ceramic Layer Thermal Barrier CoatingsLIN Xu1，2，CHEN Weihuan3，DAI Peng2（1.School of Civil and Transportation Engineering，Qinghai Minzu University，Xining 810007，China；2.State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3.Jiangling Motor Company，Nanchang 330006，China）Abstract：Taking the piston of an automotive engine as the research object，the model of a pistion with La2Zr2O78YSZ double ceramic layer thermal barrier coatings was established based on the finite element method.The thermal-mechanical coupling behaviors of the ceramic surface layer，bottom layer，substrate，as well as the influence of double ceramic layer on the piston were studied.The results showed that when the thickness of ceramic surface layer was 0.15 mm，the maximum temperatures of La2Zr2O78YSZ coating piston substrate，ceramic surface layer，and bottom ceramic layer were 271，438，and 363，respectively.With the increase of the ceramic surface layer thickness，the temperature of the piston substrate decreased while the temperature of the piston top surface increased.The maximum thermal stress of the uncoated piston was 64 MPa，which appeared in the ring groove，while the maximum thermal stress of coated piston substrate appeared in the top edge and the throat of combustion chamber.Due to the effects of the mechanical load，the maximum coupling stresses of uncoated piston and coated piston substrate appeared at the pin seat.The maximum thermal stresses of ceramic surface layer and bottom ceramic layer appeared at the bottom.With the increase of the ceramic surface layer thickness，the maximum coupling stresses of ceramic surface layer and bottom ceramic layer decreased slowly，and the coupling stress of piston substrate remained constant.摘要：以某车用发动机活塞为研究对象，基于有限元法建立 La2Zr2O7 8YSZ 双陶瓷层热障涂层活塞模型，研究陶瓷面层、底部陶瓷层、基体的热 机耦合应力及其双陶瓷层结构对活塞基体的影响。根据温度场分析，陶瓷面层厚度为 0.15 mm 时，La2Zr2O7 8YSZ 涂层活塞基体、陶瓷面层、底部陶瓷层的最高温度分别是 271、438、363。随着陶瓷面层厚度增加，活塞基体温度降低，活塞顶面温度升高。热应力分析表明无涂层活塞的最大热应力出现在环槽处，最大值是 64 MPa，而涂层活塞基体的最大热应力出现在燃烧室喉口及其顶部边缘部分。受机械负荷影响，无涂层活塞和涂层活塞基体耦合应力最大值均出现在销座处，陶瓷面层和底部陶瓷层最大热 机耦合应力出现在各自底面。随着陶瓷面层厚度增加，陶瓷面层和底部陶瓷文章编号：1000-0925（2023）04-0101-08440053收稿日期：2023-02-13修回日期：2023-04-10基金项目：青海省自然科学基金项目（2022-ZJ-757）Foundation Item：Natural Science Foundation of Qinghai Province（2022-ZJ-757）作者简介：林旭（1989），男，讲师，博士生，主要研究方向为发动机热防护、振动与噪声，E-mail：。2023年第 4期内燃机工程层最大耦合应力缓慢减小，活塞基体耦合应力基本不变。关键词：活塞；双陶瓷层结构；温度场；热应力；耦合应力Key words：piston；double ceramic layer structure；temperature field；thermal stress；coupling stressDOI：10.13949/ki.nrjgc.2023.04.013中图分类号：TK4220概述近年来，随着增压技术的不断发展，发动机的功率密度越来越高，活塞、气缸盖等零部件承受的热负荷和机械负荷越来越高，导致发动机容易发生疲劳失效，对其安全运行有重大影响。为了提高活塞热效率和疲劳可靠性，热障涂层作为隔热材料被广泛应用于现代发动机中，一些学者在利用热障涂层降低热损失、提高活塞寿命等方面做了大量的工作，结果表明，在燃烧室应用热障涂层后，发动机的效率、性能、燃烧温度均有所提高13。典型的热障涂层由隔热陶瓷涂层、抗氧化金属粘结涂层（MCrAlY，M=Co/Ni）组成。7%8%质量分数 Y2O3稳定的氧化锆（8YSZ）具有熔点高、硬度高、热导率低、热循环寿命高等优点，是过去几十年来应用最广泛的顶级陶瓷涂层材料45。虽然针对传统热障涂层的制备方法、隔热效果、热循环寿命等方面的研究较完善，但随着内燃机工作温度的不断升高，8YSZ 热障涂层不能满足较高工作温度的要求。长期稳定运行的 8YSZ 温度上限为 1 200，当工作温度过高时，相变和加速烧结引起的体积变化导致热障涂层过早失效67。因此，国内外学者致力于开发新的热障涂层材料，如稀土掺杂氧化锆、A2B2O7型焦氯石或萤石化合物、钙钛矿结构化合物等810。锆酸镧（La2Zr2O7）因较低的导热系数、优异的耐烧结性能、较高的相稳定性、更好的耐腐蚀性而受到广泛关注。但由于其断裂韧性较低，与金属层的热膨胀系数不匹配，导致残余应力增加，其使用寿命较短1112。La2Zr2O7和 8YSZ 结合组成双陶瓷涂层结构大大提高了耐烧结能力，是提高热障涂层系统整体性能的有效方法。文献 13 中采用等离子喷涂法制备了单层氧化锆（YSZ）、La2Zr2O7涂层、La2Zr2O7YSZ双层热障涂层进行热循环测试。研究结果表明，与单层 YSZ 热障涂层相比，单层 La2Zr2O7涂层的使用寿命较低，而双陶瓷层热障涂层使用寿命更高，并且可以使表面温度升高至少 100 K。文献 14 中在单缸柴油机燃烧室表面、气缸盖喷涂 NiCoCrAl/YSZ/La2Zr2O7双陶瓷层结构热障涂层，研究了双陶瓷层热障涂层材料对发动机转矩、气缸压力、热释放率的影响。试验结果表明，使用双陶瓷涂层后缸内压力、热释放率、压力、转矩和排气温度升高，发动机效率得到提升。文献 15 中采用大气等离子体喷涂法制备了单层和双层的 La2Zr2O7涂层并进行了微观结构、相位分析和热导率测量和温度场分析。研究结果表明，在不同的操作温度下，YSZ 基涂层的导热系数在 0.881.00 W/（m K）之间变化；稀土掺杂锆酸镧基热障涂层的导热系数在 0.380.68 W/（m K）之间。在使用热障涂层后，活塞表面的最高温度和最低温度分别提高了 69.0%和 60.0%，活塞基底的最高温度降低了 6.5%。在热障涂层活塞的温度场、热应力、热 机耦合应力研究方面，目前针对传统热障涂层活塞的温度场和热应力分析较多。文献 16 中针对 MgZrO3/NiCiAl涂层的活塞进行温度场和热应力分析，燃烧室温度和发动机的热效率随着涂层厚度的增加而升高，最大法向应力和最大剪应力出现在粘结涂层表面。文献17 中利用有限元软件建立 YSZ 单涂层活塞三维模型并进行稳态热分析，研究结果表明燃烧室温度随着 YSZ 厚度的增加而升高。文献18中利用ABAQUS 软件建立传统涂层活塞有限元模型进行热分析，研究结果表明热障涂层对活塞头部温度分布影响较大，对活塞裙部影响较小。此外，随着陶瓷层厚度增加，活塞热变形降低。文献19中基于ANSYS 软件建立 La2Ce2O7涂层活塞有限元模型，研究结果表明，涂层厚度为 0.4 mm 时活塞顶面温度比无涂层活塞增加 45.5%，发动机内部燃烧室温度随涂层厚度增加而升高。目前针对双陶瓷层结构热障涂层活塞的热应力、热 机耦合应力分析较少，本文中基于有限元数值方法建立双陶瓷层结构热障涂层活塞的有限元模型，利用稳态对流边界条件研究双陶瓷层结构热障涂层的隔热效果及陶瓷面层、底部陶瓷层和基体的温度场分布规律。在此基础上，进一步分析热应力和热 机耦合应力，确定陶瓷面层、底部陶瓷热应力、热 机耦合应力及其双陶瓷层结构对活塞基体的影响，为双陶瓷层结构在车用发动机上的应用提供参考。102内燃机工程2023年第 4期1试验方法活塞表面温度测量采用硬度塞法。图 1 为活塞温度测量点的位置分布。在燃烧室中心 A 点、燃烧室边缘 B 点、燃烧室喉部 C 点、顶面边缘 D 点、第二环 E 点布置测量点。硬度塞由 GCr15 轴承钢材料制成。在测试点加工螺纹孔，并在相应位置安装螺纹硬度塞。硬度塞的顶面不得高于活塞表面。试运转后，发动机在最大转矩条件下运行 2 h，然后取出硬度塞。在硬度塞上选择 5 个点，用电子显微硬度计对其硬度进行测量。2有限元建模及其材料2.1有限元模型及其材料建立双陶瓷层热障涂层活塞三维模型，底部陶瓷层采用常规材料 8YSZ。顶部陶瓷面层是锆酸镧La2Zr2O7。由于 NiCoCrAlY 具有抗氧化能力好、强度高等优点2021，粘结层采用 NiCoCrAlY。活塞基体材料是 ZL109 硅铝合金。双陶瓷层结构热障涂层活塞用于某车用发动机，各部分材料的热物理性能如表 1 所示。双陶瓷层热障涂层活塞有限元