CN113250848B - 活塞及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种活塞及其制造方法，涉及内燃机技术领域，旨在解决活塞的隔热层与活塞顶的结合强度低，隔热层容易由活塞顶脱落的问题。该活塞包括活塞头和活塞裙部，活塞头的一端具有活塞顶，活塞裙部设置在活塞头背向活塞顶的一端。活塞顶由钢合金制成，活塞顶的表面设有隔热层，隔热层包括与活塞顶的表面连接的钛铝合金层。活塞的制造方法包括对活塞的活塞顶进行预处理；在活塞顶上形成钛铝合金层；处理钛铝合金层，并在钛铝合金层的至少部分表面形成钛铝陶瓷层。钛铝合金的线膨胀系数与钢的线膨胀系数接近，活塞顶在处于高温的环境下时，活塞顶与钛铝合金层的膨胀程度相近，使得隔热层与活塞顶结合紧密，避免隔热层由活塞顶脱落。

Description

活塞及其制造方法

技术领域

本申请涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种活塞及其制造方法。

背景技术

活塞是在内燃机的汽缸中作往复运动的机件，活塞朝向汽缸内的一端具有活塞顶，活塞顶与汽缸盖、汽缸壁共同组成燃烧室。燃料在燃烧室内燃烧生成高温气体，高温气体推动活塞运动以向外输出动力。由于活塞顶会直接与燃烧室内的高温气体接触，活塞的温度会迅速升高，并引起与活塞连接的其他零部件升温，增大这些零部件的热负荷。

相关技术中，为了降低活塞的温度，会在活塞顶上增加隔热层，隔热层在活塞顶与高温气体之间形成屏障，以限制活塞的温度升高。

然而，相关技术中，隔热层与活塞顶的结合强度低，隔热层容易由活塞顶脱落。

发明内容

为了解决背景技术中提到的隔热层与活塞顶的结合强度低，隔热层容易由活塞顶脱落的问题，本申请实施例提供的活塞及其制造方法，活塞的隔热层与活塞顶结合紧密，避免隔热层由活塞顶脱落。

本申请实施例提供的活塞，包括活塞头和活塞裙部，所述活塞头的一端具有活塞顶，所述活塞裙部设置在所述活塞头背向所述活塞顶的一端；

所述活塞顶由钢合金制成，所述活塞顶的表面设有隔热层，所述隔热层包括与所述活塞顶的表面连接的钛铝合金层。

钛铝合金的线膨胀系数与钢的线膨胀系数接近，活塞顶在处于高温的环境下时，活塞顶与钛铝合金层的膨胀程度相近，使得隔热层与活塞顶结合紧密，避免隔热层由活塞顶脱落。

另外，钛铝合金的热传导系数较小，强度高，稳定性好，即使长时间处于高温的环境下，也不容易变形、损坏，能够提升隔热层的使用寿命。

在一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的活塞，所述隔热层还包括钛铝陶瓷层，所述钛铝陶瓷层位于所述钛铝合金层的表面。

钛铝陶瓷层具有较低的热传导系数，能够提升隔热层的隔热能力，使隔热层能更好地降低高温气体对活塞的热量传递，减缓活塞温度的上升。相应地，由于隔热层的隔热能力得到提升，更多的热量将保留在燃烧室内，减少了热量损失。

在一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的活塞，所述钛铝陶瓷层的厚度为0.05-1mm，和/或，所述钛铝合金层的厚度为0.05-4mm。

本申请实施例还提供一种活塞的制造方法，能够在活塞顶上形成与活塞顶紧密连接的隔热层，避免隔热层由活塞顶脱落。

本申请实施例提供的活塞的制造方法，用于制造上述活塞，所述活塞的制造方法包括：

对活塞的活塞顶进行预处理；

在所述活塞顶上形成钛铝合金层；

处理所述钛铝合金层，并在所述钛铝合金层的至少部分表面形成钛铝陶瓷层。

在一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的活塞的制造方法，所述在所述活塞顶上形成钛铝合金层的步骤包括：

将所述活塞埋入钛铝合金粉末中，所述活塞顶朝向所述钛铝合金粉末的表层；

将所述活塞朝向所述钛铝合金粉末的表层移动；

当所述活塞顶到达目标位置时，通过激光热源逐层融化位于所述活塞顶上层的所述钛铝合金粉末，并形成熔融态的钛铝合金；

逐层冷却固化位于所述活塞顶的表面的所述熔融态的钛铝合金，并形成所述钛铝合金层。

钛铝合金的线膨胀系数与钢的线膨胀系数接近，在活塞顶在处于高温的环境下时，活塞顶与钛铝合金层的膨胀程度相近，钛铝合金层与活塞顶结合紧密，不容易脱落。

在一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的活塞的制造方法，所述目标位置与所述钛铝合金粉末的表层之间的距离为0.1-5mm。

在一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的活塞的制造方法，所述在所述活塞顶上形成钛铝合金层的步骤包括：

将熔融态的钛铝合金喷涂到所述活塞顶的表面，并形成所述钛铝合金层。

在一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的活塞的制造方法，所述在所述活塞顶上形成钛铝合金层的步骤包括：

提供钛铝合金板，将所述钛铝合金板焊接在所述活塞顶的表面，并形成所述钛铝合金层。

在一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的活塞的制造方法，所述对活塞的活塞顶表面进行预处理包括：

对所述活塞顶的表面进行喷砂，使所述活塞顶的表面达到目标粗糙度。

通过对活塞顶的表面进行喷砂，使得活塞顶的表面粗化，能够增强活塞顶与隔热层的结合强度。

在一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的活塞的制造方法，所述处理所述钛铝合金层，并在所述钛铝合金层的至少部分表面形成钛铝陶瓷层的步骤包括：

等离子体电解氧化所述钛铝合金层，使所述钛铝合金层的至少部分表面被氧化，并形成钛铝陶瓷层。

位于钛铝合金层表面的部分被氧化形成钛铝陶瓷层，剩余未被氧化的钛铝合金层依然与活塞顶紧密结合。钛铝陶瓷层具有较低的热传导系数，隔热能力强，能降低高温气体对活塞的热量传递，减缓活塞温度的上升。钛铝陶瓷层的微观组织中具有空洞状的形貌，使钛铝陶瓷层的体积比热低，不容易吸收热量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的活塞的结构示意图；

图2为图1中A处的放大示意图；

图3为本申请实施例提供的活塞的制造方法的流程示意图；

图4为本申请实施例提供的活塞的制造方法的对活塞顶预处理的流程示意图；

图5为本申请实施例提供的活塞的制造方法的形成钛铝合金层的流程示意图一；

图6为本申请实施例提供的活塞的制造方法的形成钛铝合金层的加工示意图；

图7为本申请实施例提供的活塞的制造方法的形成钛铝陶瓷层的流程示意图；

图8为本申请实施例提供的活塞的制造方法的形成钛铝合金层的流程示意图二；

图9为本申请实施例提供的活塞的制造方法的形成钛铝合金层的流程示意图三。

附图标记说明：

10-活塞；

11-活塞头；

111-活塞顶；

12-活塞裙部；

20-隔热层；

21-钛铝合金层；

22-钛铝陶瓷层；

30-粉池；

40-升降装置；

50-激光器；

60-激光束；

70-钛铝合金粉末。

具体实施方式

在相关技术的活塞中，隔热层与活塞顶的结合强度低，隔热层容易由活塞顶脱落。

例如，对于钢质活塞，通常是采用热浸镀的方式在活塞顶表面形成金属铝镀层，再将金属铝镀层通过电化学方法形成以氧化铝为主的陶瓷层，该陶瓷层即作为钢质活塞的隔热层。

但是，钢的线膨胀系数远小于铝的线膨胀系数，意味着钢在受热时的体积膨胀程度要远小于铝在受热时的体积膨胀程度。而内燃机在工作时，活塞顶又需直接与燃烧室内的高温气体接触，活塞顶长时间处于高温的环境下，使得活塞顶与隔热层的结合面容易因钢的膨胀程度与铝的膨胀程度差别过大而出现开裂，造成隔热层与活塞顶的结合强度低，导致隔热层容易由活塞顶脱落。

有鉴于此，本申请实施例提供一种活塞，其隔热层采用与活塞顶结合强度高的材料，使活塞的隔热层与活塞顶结合紧密，避免隔热层由活塞顶脱落。另外，本申请实施例还提供一种活塞的制造方法，能够在活塞顶上形成与活塞顶结合强度高的隔热层，使隔热层与活塞顶结合紧密，避免隔热层由活塞顶脱落。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请的优选实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

实施例一

图1为本申请实施例提供的活塞的结构示意图；图2为图1中A处的放大示意图。

参见图1和图2所示，本申请实施例提供一种活塞10，包括活塞头11和活塞裙部12，活塞头11的一端具有活塞顶111，活塞裙部12设置在活塞头11背向活塞顶111的一端。

其中，活塞顶111由钢合金制成，活塞顶111的表面设有隔热层20，隔热层20包括与活塞顶111的表面连接的钛铝合金层21。

钛铝合金的线膨胀系数与钢的线膨胀系数接近，活塞顶111在处于高温的环境下时，活塞顶111与钛铝合金层21的膨胀程度相近，使得隔热层20与活塞顶111结合紧密，避免隔热层20由活塞顶111脱落。

另外，钛铝合金的热传导系数要远小于铝和钢，能够提升隔热层20的隔热能力，使隔热层20能更好地降低高温气体对活塞10的热量传递，减缓活塞10温度的上升。并且，钛铝合金的强度高，稳定性好，即使长时间处于高温的环境下，也不容易变形、损坏，能够提升隔热层20的使用寿命。

继续参见图2所示，本申请实施例中，隔热层20还包括钛铝陶瓷层22，钛铝陶瓷层22位于钛铝合金层21的表面。

钛铝陶瓷层22具有较低的热传导系数，能够提升隔热层20的隔热能力，使隔热层20能更好地降低高温气体对活塞10的热量传递，减缓活塞10温度的上升。相应地，由于隔热层20的隔热能力得到提升，更多的热量将保留在燃烧室内，减少了热量损失。

具体的，钛铝合金层21的材质为Ti-6Al-4V合金。

本申请实施例中，钛铝合金层21为钛铝合金粉末70通过增材制造在活塞顶111的表面形成；或者，钛铝合金层21由喷涂到活塞顶111的表面的熔融态钛铝合金形成；亦或者，钛铝合金层21为焊接在活塞顶111的表面的钛铝合金板。

本申请实施例中，钛铝陶瓷层22由钛铝合金层21位于表面的部分通过等离子体电解氧化处理形成。

本申请实施例中，隔热层20的厚度为0.1-5mm，该隔热层20的厚度可以为1mm、2.5mm或者4mm。

本申请实施例中，钛铝陶瓷层22的厚度为0.05-1mm，该钛铝陶瓷层22的厚度可以为0.1mm、0.5mm或者0.8mm。作为一种可实现的实施方式，钛铝合金层21的厚度为0.05-4mm，该钛铝合金层21的厚度可以为0.5mm、1.5mm或者3mm。

实施例二

图3为本申请实施例提供的活塞的制造方法的流程示意图；图4为本申请实施例提供的活塞的制造方法的对活塞顶预处理的流程示意图。

参见图3和图4所示，本申请实施例提供一种活塞10制造方法，用于制造实施例1中的活塞10，活塞10的制造方法包括：

S1:对活塞的活塞顶进行预处理。在对活塞的活塞顶进行预处理的步骤中，可以包括：

S11：对所活塞顶的表面进行喷砂，使活塞顶的表面达到目标粗糙度。

通过对活塞顶111的表面进行喷砂，使得活塞顶111的表面粗化，能够增强活塞顶111与隔热层20的结合强度。

具体的，活塞10为钢质活塞10，活塞顶111表面的目标粗糙度为Ra3-Ra5。该活塞顶111表面的目标粗糙度可以为Ra3.2或者Ra4.0。

图5为本申请实施例提供的活塞的制造方法的形成钛铝合金层的流程示意图一；图6为本申请实施例提供的活塞的制造方法的形成钛铝合金层的加工示意图。

参照图3、图5和图6所示，在对活塞10的活塞顶111进行预处理后，还包括S2：在活塞顶上形成钛铝合金层。在活塞顶上形成钛铝合金层的步骤中，可以包括：

S201：将活塞埋入钛铝合金粉末中，活塞顶朝向钛铝合金粉末的表层。钛铝合金粉末70填充在粉床式增材制造机床的粉池30中，该钛铝合金粉末70可以包括Ti-6Al-4V合金粉末。

S202：将活塞朝向钛铝合金粉末的表层移动。活塞10由粉床式增材制造机床的升降装置40顶起，并朝向钛铝合金粉末70的表层移动。

S203：当活塞顶到达目标位置时，通过激光热源逐层融化位于活塞顶上层的钛铝合金粉末，并形成熔融态的钛铝合金。该激光热源为粉床式增材制造机床的激光器50。活塞顶111到达目标位置时，激光器50发射激光束60，将活塞顶111上层的钛铝合金粉末70由至钛铝合金粉末70表层逐层融化，目标位置与钛铝合金粉末70表层之间的距离H等于钛铝合金层21的厚度。

具体的，目标位置与钛铝合金粉末70的表层之间的距离H为0.1-5mm，该目标位置与钛铝合金粉末70的表层之间的距离H可以为1mm、2.5mm或者4mm。

S204：逐层冷却固化位于活塞顶的表面的熔融态的钛铝合金，并形成钛铝合金层。

钛铝合金的线膨胀系数与钢的线膨胀系数接近，在活塞顶111在处于高温的环境下时，活塞顶111与钛铝合金层21的膨胀程度相近，钛铝合金层21与活塞顶111结合紧密，不容易脱落。

图7为本申请实施例提供的活塞的制造方法的形成钛铝陶瓷层的流程示意图。参照图3和图7所示，在活塞顶上形成钛铝合金层后，还包括S3：处理钛铝合金层，并在钛铝合金层的至少部分表面形成钛铝陶瓷层。在处理钛铝合金层21，并在钛铝合金层21的至少部分表面形成钛铝陶瓷层22的步骤中，可以包括：

S31：等离子体电解氧化钛铝合金层，使钛铝合金层的至少部分表面被氧化，并形成钛铝陶瓷层。将活塞10放入等离子体电解氧化装置的氧化槽，氧化槽中盛有电解液，钛铝合金层21浸入电解液内，启动等离子体电解氧化装置，使位于钛铝合金层21表面的部分被氧化形成钛铝陶瓷层22，剩余未被氧化的钛铝合金层21依然与活塞顶111紧密结合。

钛铝陶瓷层22具有较低的热传导系数，隔热能力强，能降低高温气体对活塞10的热量传递，减缓活塞10温度的上升。钛铝陶瓷层22的微观组织中具有空洞状的形貌，使钛铝陶瓷层22的体积比热低，不容易吸收热量。钛铝陶瓷层22与钛铝合金层21共同形成活塞顶111上的隔热层20。

具体的，钛铝陶瓷层22的空隙率约为5％-25％，钛铝陶瓷层22的空隙率可以为8％、15％或者22％。

钛铝陶瓷层22的厚度为0.05mm-1mm，该钛铝陶瓷层22的厚度可以为0.1mm、0.5mm或者0.8mm。未被氧化的钛铝合金层21的厚度为0.05-4mm，该钛铝合金层21的厚度可以为0.5mm、1.5mm或者3mm。

实施例三

图8为本申请实施例提供的活塞的制造方法的形成钛铝合金层的流程示意图二。参见图3和图8所示，本申请实施例与实施例二的区别在于，S2：在活塞顶上形成钛铝合金层所包括的步骤不同。

在活塞顶111上形成钛铝合金层21的步骤中，可以包括：

S211：将熔融态的钛铝合金喷涂到活塞顶的表面，并形成钛铝合金层。用等离子喷涂装置的喷枪将钛铝合金粉末70加热成熔融态，并均匀喷涂在活塞顶111的表面，形成结构致密、结合强度高的钛铝合金层21。

实施例四

图9为本申请实施例提供的活塞的制造方法的形成钛铝合金层的流程示意图三。参见图3和图9所示，本申请实施例与实施例二、实施例三的区别在于，S2：在活塞顶上形成钛铝合金层所包括的步骤不同。

在活塞顶111上形成钛铝合金层21的步骤中，可以包括：

S221：将钛铝合金板焊接在活塞顶的表面，并形成钛铝合金层。该钛铝合金板的与活塞顶111表面相贴合，将钛铝合金板放置在活塞顶111的表面，通过焊接装置将钛铝合金板与活塞顶111表面焊接。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种活塞的制造方法，其特征在于，用于制造一种活塞，所述活塞包括活塞头和活塞裙部，所述活塞头的一端具有活塞顶，所述活塞裙部设置在所述活塞头背向所述活塞顶的一端；所述活塞顶由钢合金制成，所述活塞顶的表面设有隔热层，所述隔热层包括与所述活塞顶的表面连接的钛铝合金层；所述隔热层还包括钛铝陶瓷层，所述钛铝陶瓷层位于所述钛铝合金层的表面，所述活塞的制造方法包括：

对活塞的活塞顶进行预处理；

在所述活塞顶上形成钛铝合金层；

处理所述钛铝合金层，并在所述钛铝合金层的至少部分表面形成钛铝陶瓷层。

2.根据权利要求1所述的活塞的制造方法，其特征在于，所述在所述活塞顶上形成钛铝合金层的步骤包括：

将所述活塞埋入钛铝合金粉末中，所述活塞顶朝向所述钛铝合金粉末的表层；

将所述活塞朝向所述钛铝合金粉末的表层移动；

当所述活塞顶到达目标位置时，通过激光热源逐层融化位于所述活塞顶上层的所述钛铝合金粉末，并形成熔融态的钛铝合金；

逐层冷却固化位于所述活塞顶的表面的所述熔融态的钛铝合金，并形成所述钛铝合金层。

3.根据权利要求2所述的活塞的制造方法，其特征在于，所述目标位置与所述钛铝合金粉末的表层之间的距离为0.1-5mm。

4.根据权利要求1所述的活塞的制造方法，其特征在于，所述在所述活塞顶上形成钛铝合金层的步骤包括：

将熔融态的钛铝合金喷涂到所述活塞顶的表面，并形成所述钛铝合金层。

5.根据权利要求1所述的活塞的制造方法，其特征在于，所述在所述活塞顶上形成钛铝合金层的步骤包括：

提供钛铝合金板，将所述钛铝合金板焊接在所述活塞顶的表面，并形成所述钛铝合金层。

6.根据权利要求1-5任一所述的活塞的制造方法，其特征在于，所述对活塞的活塞顶表面进行预处理包括：

对所述活塞顶的表面进行喷砂，使所述活塞顶的表面达到目标粗糙度。

7.根据权利要求1-5任一所述的活塞的制造方法，其特征在于，所述处理所述钛铝合金层，并在所述钛铝合金层的至少部分表面形成钛铝陶瓷层的步骤包括：

等离子体电解氧化所述钛铝合金层，使所述钛铝合金层的至少部分表面被氧化，并形成钛铝陶瓷层。

8.根据权利要求1所述的活塞的制造方法 ，其特征在于，所述钛铝陶瓷层的厚度为0.05-1mm，和/或，所述钛铝合金层的厚度为4mm。

Images