CN113931761B - 一种轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞及制备方法，属于汽车活塞结构设计及加工技术领域。该钛合金点阵结构活塞包括，火力岸高度较小的活塞头部；具有扇形减重凹槽、减重圆孔和圆弧形减重凹槽的活塞销座；具有内部点阵结构和外部壁板的活塞裙部。该钛合金点阵结构活塞的制备方法包括，构建三维模型；对三维模型切片并利用路径规划软件处理得到填充和轮廓的成形路径；以钛合金粉末等为原料，利用金属3D打印设备的3D打印系统，依次进行所述填充和所述轮廓的打印成形；直到成形完整钛合金点阵结构活塞。本发明的钛合金点阵结构活塞及制备方法具有应力集中较小、兼顾轻质、高强和耐高温，生产周期短以及稳定性好等优点。

Description

一种轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞及制备方法
技术领域
本发明属于汽车活塞结构设计及加工技术领域，具体涉及一种轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞及制备方法。
技术背景
活塞是发动机中将燃料的内能转化为动能的核心零部件，需在汽缸内承受高温、高速摩擦和往复循环载荷，对发动机的可靠性和耐久性具有决定性作用。活塞的重量会显著影响高速运动过程中惯性力的大小，对发动机的总重量起到决定性影响；另外，随着发动机功率密度的进一步提升，燃气爆发压力不断增大，对活塞的强度和耐高温能力均提出了更高的要求。因此，开发轻质、高强和耐高温的活塞具有重要意义，是目前活塞的重要发展方向。
传统的活塞多为铝硅合金等铝合金材料，通过铸造和机械加工等方式制备，存在强度较低、耐高温能力不足、生产周期长和稳定性差等缺点。而且为了满足活塞各部分的功能要求，铝合金活塞的结构通常为体积和厚度较大的实体结构，具有重量较大和局部容易产生应力集中等缺点。针对这些问题，目前已有的解决措施主要有以下两种：
(1)使用钢铝组合式活塞。在耐高温能力和强度要求较高的活塞顶面部分使用钢，活塞其余部分使用重量较轻的铝，两部分通过螺栓连接等方式组合在一起。这种方式兼顾了活塞的轻量化和强度的提升，但钢铝连接部位在使用中应力集中较为严重，易出现失效等问题，且其重量依然较大。
(2)对活塞进行轻量化设计及结构优化。例如，增加减重凹槽、使用窗型结构和增大过渡圆角等。这些方式在一定程度上降低了活塞的重量，但受限于材料强度和传统制备方法，这些轻量化设计和结构优化的减重及减小应力集中的效果较为有限，且无法兼顾活塞强度的提升。
因此，开发生产周期短，稳定性好，应力集中小，兼顾轻质、高强和耐高温的新型活塞及其制备方法，具有十分重要的意义。
发明内容
针对传统活塞及其制备方法存在的应力集中大，无法兼顾轻质、高强和耐高温，生产周期长以及稳定性差等不足，本发明的目的是提供一种轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞及制备方法。该轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞采用比强度高且耐高温能力强的钛合金作为活塞材料，并根据活塞不同部位的功能要求，对活塞进行差异性轻量化设计，同时将轻质、比强度高和抗冲击的点阵结构引入活塞轻量化结构设计中，解决传统活塞无法兼顾轻质、高强和耐高温的问题，并通过对点阵单胞结构和形状的设计，使活塞工作过程中点阵结构能够充分弹性变形，将受力较大的活塞头部的应力分散到受力较小的活塞裙部，减小活塞头部的应力集中；通过金属3D打印技术对所设计的轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞进行一体化成形，解决传统活塞制备方法存在的生产周期长和稳定性差等问题。
根据本发明的第一方面，提供一种轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞，所述轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞包括活塞头部、活塞销座和活塞裙部。所述活塞头部的顶面厚度为2～5mm、强度为900～1500MPa，能够承受600～1800℃的高温燃气和10～25MPa的爆发压力；所述活塞头部的侧面具有三道相互平行的第一环槽、第二环槽和第三环槽，用于安装活塞环；所述第一环槽距所述活塞头部的顶面的距离为3～7mm，用于使所述活塞头部的高度缩小至8～15mm。所述活塞销座由深度为5～10mm销孔及周围的扇形减重凹槽组成；在所述扇形减重凹槽受力较小的左右两侧壁面上，具有两个直径为3～10mm的减重圆孔；在所述销孔受力较小的左右两侧内壁上，具有四个深度与所述销孔相同、弧长为5～10mm的圆弧形减重凹槽；所述销孔的内壁的硬度值为300～600HV，用于承受活塞销的往复运动载荷及摩擦磨损。所述活塞裙部由内部的点阵结构和外部的壁板组成；所述点阵结构由点阵单胞周期排列组成，用于缓冲所述轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞受到的冲击，并通过所述点阵结构的弹性变形减小所述活塞头部的应力集中；所述点阵单胞的边长在不同方向上互不相同，沿活塞运动轴向边长为1～3mm，沿所述活塞裙部厚度方向边长为2～5mm，沿活塞周向边长为5～10mm，所述点阵单胞的单胞杆的直径为0.2～1mm；所述壁板的厚度为0.2～0.5mm，用于保护和支撑所述点阵结构。
进一步的，所述轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞的等效密度为2.0～4.0g/cm3。
进一步的，所述轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞采用喷油冷却。
进一步的，所述点阵单胞为体心立方型或面心立方型中的至少一种。
根据本发明的第二方面，提供一种轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：构建所述轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞的三维模型；
步骤2：利用分层切片软件对所述三维模型按照20～200μm的层厚进行切片处理；
步骤3：利用路径规划软件将切片处理后的所述三维模型分为填充和轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理，获得所述填充的成形路径和所述轮廓的成形路径；
步骤4：以钛合金粉末、钛合金线材或钛合金块体为原料，利用金属3D打印设备的3D打印系统，根据所述填充的成形路径和所述轮廓的成形路径，依次进行所述填充和所述轮廓的单层打印成形，所述单层打印成形的扫描间距为50～500μm、扫描速度为10～1000mm/s；
步骤5：重复上述步骤4，直到一体化成形得到所述轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞。
进一步的，所述3D打印系统为基于激光束的3D打印系统、基于电子束的3D打印系统、基于离子束的3D打印系统或基于液流快冷的3D打印系统中的至少一种。
进一步的，对所述轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞进行热处理强化。
根据本发明的第三方面，提供一种轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞的3D打印系统，所述系统包括：
处理器和用于存储可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令，以执行如上任一方面所述的轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞的制备方法。
根据本发明的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一方面所述的轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞的制备方法。
本发明的有益效果：
(1)本发明的轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞通过使用比强度高和耐高温能力较好的钛合金作为材料，克服了传统铝合金活塞强度低和耐高温能力差等问题。
(2)本发明的轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞针对活塞不同部位的功能进行差异性轻量化结构设计，对活塞头部采用减小顶面厚度，缩小火力岸高度，降低活塞头部高度来减重；对活塞销座受力较小部位采用扇形减重凹槽、减重圆孔和圆弧形减重凹槽进行减重；对活塞裙部采用点阵结构减重，并通过对点阵单胞的结构和形状的设计，使点阵结构在受力方向上具有更高的强度和变形能力，其余方向上具有更好的减重效果，从而使活塞在兼顾高强度和耐高温能力的基础上，实现减小应力集中和大幅减重的目的。
(3)本发明的轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞的制备方法采用金属3D打印方法对活塞进行一体化成形，具有生产周期短、稳定性高和活塞综合性能好等优点。
附图说明
图1为本发明的轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞整体示意图。其中，1为活塞头部，2为活塞销座，3为活塞裙部，4为第一环槽，5为第二环槽，6为第三环槽，7为销孔，8为扇形减重凹槽，9为减重圆孔，10为圆弧形减重凹槽。
图2为本发明的轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞的剖面视图和活塞裙部局部放大示意图。其中，11为点阵结构，12为壁板。
图3为本发明的体心立方点阵单胞示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
结合附图1、附图2和附图3对本发明的轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞具体说明如下：
轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞包括活塞头部1、活塞销座2和活塞裙部3。活塞头部1的顶面厚度为2～5mm、强度为900～1500MPa，能够承受600～1800℃的高温燃气和10～25MPa的爆发压力；活塞头部1的侧面具有三道相互平行的第一环槽4、第二环槽5和第三环槽6，用于安装活塞环；第一环槽4距活塞头部1的顶面的距离为3～7mm，用于使活塞头部1的高度缩小至8～15mm。活塞销座2由深度为5～10mm销孔7及周围的扇形减重凹槽8组成；在扇形减重凹槽8受力较小的左右两侧壁面上，具有两个直径为3～10mm的减重圆孔9；在销孔7受力较小的左右两侧内壁上，具有四个深度与销孔7相同、弧长为5～10mm的圆弧形减重凹槽10；销孔7的内壁的硬度值为300～600HV，用于承受活塞销的往复运动载荷及摩擦磨损。活塞裙部3由内部的点阵结构11和外部的壁板12组成；点阵结构11由点阵单胞周期排列组成，用于缓冲轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞受到的冲击，并通过点阵结构11的弹性变形减小活塞头部1的应力集中；点阵单胞的边长在不同方向上互不相同，沿活塞运动轴向边长为1～3mm，沿活塞裙部3厚度方向边长为2～5mm，沿活塞周向边长为5～10mm，点阵单胞的边长为1～10mm，点阵单胞的单胞杆的直径为0.2～1mm；壁板12的厚度为0.2～0.5mm，用于保护和支撑点阵结构11。
进一步的，轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞的等效密度为2.0～4.0g/cm3。
进一步的，轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞采用喷油冷却。
进一步的，点阵单胞为体心立方型或面心立方型中的至少一种。
实施例1：
轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞的材料为TC11；活塞头部1的顶面厚度为5mm、强度为1400MPa，能够承受1800℃的高温燃气和25MPa的爆发压力；第一环槽4距活塞头部1的顶面的距离为7mm，活塞头部1的整体高度为15mm；销孔7的深度为10mm，销孔7周围的扇形减重凹槽8壁面上的减重圆孔9直径为5mm，销孔7的内壁上的圆弧形减重凹槽10的弧长为5mm，销孔7的内壁硬度值为500HV；周期排列的点阵单胞沿活塞运动轴向长度为1mm，沿活塞裙部3厚度方向长度为2mm，沿活塞周向长度为5mm，点阵单胞的单胞杆的直径为1mm；壁板12的厚度为0.5mm；活塞等效密度为4.0g/cm3。首先构建轻质高强耐高温TC11点阵结构活塞的三维模型；将模型导入分层切片软件按照40μm的层厚进行切片处理；将得到的切片文件导入路径规划处理软件，分别对点阵结构活塞的填充和轮廓进行成形路径规划，获得填充的成形路径和轮廓的成形路径文件，并导入3D打印设备控制计算机中；以直径为10～60μm的TC11粉末为原料，利用基于激光束的3D打印系统，依次进行填充和轮廓的单层打印，单层打印成形的扫描间距为100μm、扫描功率300W、扫描速度为1000mm/s；重复上述步骤，直至成形得到完整轻质高强耐高温TC11点阵结构活塞。
实施例2：
轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞的材料为TA15；活塞头部1的顶面厚度为2mm、强度为1000MPa，能够承受1200℃的高温燃气和10MPa的爆发压力；第一环槽4距活塞头部1的顶面的距离为3mm，活塞头部1的整体高度为10mm；销孔7的深度为7mm，销孔7周围的扇形减重凹槽8壁面上的减重圆孔9直径为10mm，销孔7的内壁上的圆弧形减重凹槽10的弧长为10mm，销孔7的内壁硬度值为400HV；周期排列的点阵单胞沿活塞运动轴向长度为3mm，沿活塞裙部3厚度方向长度为5mm，沿活塞周向长度为8mm，点阵单胞的单胞杆的直径为0.5mm；壁板12的厚度为0.3mm；活塞等效密度为2.2g/cm3。首先构建轻质高强耐高温TA15点阵结构活塞的三维模型；将模型导入分层切片软件按照20μm的层厚进行切片处理；将得到的切片文件导入路径规划处理软件，分别对点阵结构活塞的填充和轮廓进行成形路径规划，获得填充的成形路径和轮廓的成形路径文件，并导入3D打印设备控制计算机中；以直径为10～60μm的TA15粉末为原料，利用基于激光束的3D打印系统，依次进行填充和轮廓的单层打印，单层打印成形的扫描间距为100μm、扫描功率500W、扫描速度为1000mm/s；重复上述步骤，直至成形得到完整轻质高强耐高温TA15点阵结构活塞。
实施例3：
轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞的材料为TC4；活塞头部1的顶面厚度为5mm、强度为1300MPa，能够承受1600℃的高温燃气和20MPa的爆发压力；第一环槽4距活塞头部1的顶面的距离为5mm，活塞头部1的整体高度为12mm；销孔7的深度为6mm，销孔7周围的扇形减重凹槽8壁面上的减重圆孔9直径为6mm，销孔7的内壁上的圆弧形减重凹槽10的弧长为8mm，销孔7的内壁硬度值为450HV；周期排列的点阵单胞沿活塞运动轴向长度为2mm，沿活塞裙部3厚度方向长度为4mm，沿活塞周向长度为10mm，点阵单胞的单胞杆的直径为0.5mm；壁板12的厚度为0.4mm；活塞等效密度为2.5g/cm3。首先构建轻质高强耐高温TC4点阵结构活塞的三维模型；将模型导入分层切片软件按照30μm的层厚进行切片处理；将得到的切片文件导入路径规划处理软件，分别对点阵结构活塞的填充和轮廓进行成形路径规划，获得填充的成形路径和轮廓的成形路径文件，并导入3D打印设备控制计算机中；以直径为10～60μm的TC4粉末为原料，利用基于激光束的3D打印系统，依次进行填充和轮廓的单层打印，单层打印成形的扫描间距为80μm、扫描功率95W、扫描速度为500mm/s；重复上述步骤，直至成形得到完整的轻质高强耐高温TC4点阵结构活塞。
对比例1：
活塞材料为ZL109，活塞为实体结构，活塞顶面厚度为10mm、强度为280MPa，能够承受800℃的高温燃气和5MPa的爆发压力；第一环槽距活塞头部的顶面的距离为8mm；活塞头部的整体高度为20mm；销孔的深度为10mm，销孔内壁硬度为100HV，活塞的密度为2.8g/cm3。通过铸造成形结合后续机械加工制备而成。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以仅通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机、计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
上面对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞，包括活塞头部、活塞销座和活塞裙部，其特征在于，
所述活塞头部的侧面具有三道相互平行的第一环槽、第二环槽和第三环槽，用于安装活塞环，所述活塞头部的顶面厚度为2～5mm，所述第一环槽距所述活塞头部的顶面的距离为3～7mm，用于使所述活塞头部的高度缩小至8～15mm；
所述活塞销座由销孔及周围的扇形减重凹槽组成，在所述扇形减重凹槽受力较小的左右两侧壁面上具有两个减重圆孔，在所述销孔受力较小的左右两侧内壁上，具有四个深度与所述销孔相同的圆弧形减重凹槽，所述销孔的深度为5～10mm，所述减重圆孔的直径为3～10mm，所述圆弧形减重凹槽的弧长为5～10mm；
所述活塞裙部由内部的点阵结构和外部的壁板组成，所述点阵结构由点阵单胞周期排列组成，用于缓冲所述轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞受到的冲击，使活塞工作过程中点阵结构能够充分弹性变形，将受力较大的活塞头部的应力分散到受力较小的活塞裙部，减小所述活塞头部的应力集中，所述点阵单胞为体心立方型或面心立方型中的至少一种，所述点阵单胞的边长在不同方向上互不相同，沿活塞运动轴向边长为1～3mm，沿所述活塞裙部厚度方向边长为2～5mm，沿活塞周向边长为5～10mm；所述点阵单胞的单胞杆的直径为0.2～1mm；所述壁板的厚度为0.2～0.5mm；所述壁板用于保护和支撑所述点阵结构。
2.根据权利要求1所述的轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞，其特征在于，所述活塞头部的强度为900～1500MPa，能够承受600～1800℃的高温燃气和10～25MPa的爆发压力。
3.根据权利要求1所述的轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞，其特征在于，所述销孔的内壁的硬度值为300～600HV，用于承受活塞销的往复运动载荷及摩擦磨损。
4.根据权利要求1所述的轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞，其特征在于，所述轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞的等效密度为2.0～4.0g/cm3。
5.一种轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备根据权利要求1至4中任一项所述的轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：构建所述轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞的三维模型；
步骤2：利用分层切片软件对所述三维模型进行切片处理；
步骤3：利用路径规划软件将切片处理后的所述三维模型分为填充和轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理，获得所述填充的成形路径和所述轮廓的成形路径；
步骤4：以钛合金粉末、钛合金线材或钛合金块体为原料，利用金属3D打印设备的3D打印系统，根据所述填充的成形路径和所述轮廓的成形路径，依次进行所述填充和所述轮廓的单层打印成形；
步骤5：重复上述步骤4，直到一体化成形得到所述轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞。
6.根据权利要求5所述的轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞制备方法，其特征在于，所述3D打印系统为基于激光束的3D打印系统、基于电子束的3D打印系统、基于离子束的3D打印系统或基于液流快冷的3D打印系统中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞制备方法，其特征在于，对所述轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞进行热处理强化。
8.一种轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞的3D打印系统，其特征在于，所述系统包括：
处理器和用于存储可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令，以执行根据权利要求5至7中任一项所述的轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞的制备方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求5至7中任一项所述的轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞的制备方法。
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