熱障涂層對(duì)活塞材料平板溫度場(chǎng)的影響規(guī)律研究

葛廣彬,王龍飛,繆奇峰,張宇,劉震濤

(1.浙江大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及車輛工程研究所,浙江 杭州 310027;2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津),天津 300400;3.浙大城市學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)系,浙江 杭州 310015)

發(fā)動(dòng)機(jī)不斷向著高強(qiáng)化、緊湊化、低油耗、低排放等方向發(fā)展,單位時(shí)間內(nèi)的放熱量大幅增加,發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度和壓力也隨之升高,缸內(nèi)環(huán)境越發(fā)惡化[1],這也對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)受熱零部件的可靠性提出了更高的要求?；钊鳛榘l(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件,工作時(shí)直接受到高溫高壓燃?xì)獾淖饔?承受著更高的熱負(fù)荷,工作壽命受到了很大影響,也為發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作埋下隱患。因此,為保障發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作,需采取有效措施改善活塞的工作環(huán)境。此外,目前內(nèi)燃機(jī)的熱效率一般在38%～45%[2],燃料燃燒所釋放的熱量,1/3由冷卻介質(zhì)帶走,1/3傳入廢氣中,只有剩下的1/3熱量能被利用,故采取措施減少發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率具有重要意義[3-4]。綜合考慮提升熱效率及改善活塞工作環(huán)境的需求,采用隔熱防護(hù)涂層是可行途徑之一。

隔熱防護(hù)涂層,常稱為熱障涂層(Thermal Barrier Coatings,TBCs),這一概念最早出現(xiàn)在20世紀(jì)40年代,在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用[5],多用于燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件[6]。隨著TBCs材料的相關(guān)研究越來(lái)越多,以及TBCs的噴涂制備工藝不斷進(jìn)步,TBCs在汽車、內(nèi)燃機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用與研究也不斷拓展。S. K. Rupangudi等[7]研究了柴油機(jī)活塞頂部加工TiO2涂層后的發(fā)動(dòng)機(jī)性能,發(fā)現(xiàn)TiO2涂層提升了發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率及排氣溫度。Muhammet Cerit等[8]通過(guò)有限元方法研究了MgZrO3涂層對(duì)鋁合金活塞溫度和熱應(yīng)力分布的影響,發(fā)現(xiàn)最高溫度出現(xiàn)在燃燒室中心和燃燒室喉口的活塞表面,且有涂層活塞較無(wú)涂層活塞燃燒室中心的最高溫度提高了32.7%。牛小強(qiáng)等[9]以柴油機(jī)活塞為對(duì)象,采用硬度塞法試驗(yàn)測(cè)試了無(wú)涂層活塞的特征點(diǎn)溫度值,并通過(guò)有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)熱障涂層能有效降低活塞頭部和環(huán)槽區(qū)域的工作溫度,但活塞基體頂面黏結(jié)層區(qū)域的熱應(yīng)力會(huì)急劇升高。劉陽(yáng)等[10]建立了不同厚度的熱障涂層活塞有限元仿真分析模型,分析了熱障涂層對(duì)活塞基體溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力及熱變形分布特點(diǎn)和變化規(guī)律的影響。

綜上所述,現(xiàn)階段的相關(guān)研究大多只考慮了某一種熱障涂層的單一參數(shù)影響,且研究手段大多局限于仿真或試驗(yàn)的一種,沒(méi)有系統(tǒng)綜合地同時(shí)分析涂層的不同參數(shù)對(duì)隔熱效果的影響規(guī)律。因此,本研究以由活塞材料制成的平板為對(duì)象,建立有限元仿真分析模型,并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)溫對(duì)仿真結(jié)果的規(guī)律進(jìn)行了驗(yàn)證,同時(shí)選取某平頂活塞模型進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算,從涂層材料種類、涂層厚度、活塞頂面形狀等多方面分析不同參數(shù)下涂層對(duì)活塞隔熱效果影響規(guī)律的普適性,為后續(xù)熱障涂層活塞的試驗(yàn)研究提供試驗(yàn)設(shè)計(jì)參考依據(jù),利于簡(jiǎn)化熱障涂層活塞試驗(yàn)設(shè)計(jì),降低試驗(yàn)成本。

1 帶涂層的活塞材料平板數(shù)值計(jì)算分析

1.1 熱能傳遞的基本理論

熱能的傳遞有3種基本方式[11],即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。以涂有熱障涂層的鋁合金平板為分析對(duì)象,涂層氣孔尺度為納米級(jí),通過(guò)涂層氣孔的對(duì)流傳熱比較小,且本研究的溫度范圍內(nèi)輻射傳熱的影響也較小,因此為簡(jiǎn)化分析,忽略了涂層內(nèi)部的對(duì)流和輻射傳熱的影響,主要考慮涂層與平板間的熱傳導(dǎo)。

對(duì)于無(wú)限大平板,其長(zhǎng)度和寬度都遠(yuǎn)大于厚度,故平板兩側(cè)保持均勻邊界條件的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱就可以歸納為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題。通過(guò)單層無(wú)限大平板(見(jiàn)圖1)的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的數(shù)學(xué)描述為

(1)

式中:q為熱流密度;λ為導(dǎo)熱系數(shù);t1和t2為平板兩側(cè)的溫度值;δ為平板厚度。

同樣地,對(duì)于n層板的導(dǎo)熱(見(jiàn)圖2),若邊界條件為第三類邊界條件,并假定層與層之間接觸良好沒(méi)有引入接觸熱阻,則熱流密度q可表示為

(2)

式中:T0和Tn+2分別為n層板兩側(cè)的環(huán)境溫度;h1和h2為兩側(cè)表面的傳熱系數(shù);δi和λi為第i層板的厚度及導(dǎo)熱系數(shù)。

解得熱流密度q后,利用界面連續(xù)性條件,各層分界面上乃至層間位置的未知溫度均可求出。

圖2 n層板導(dǎo)熱模型

1.2 有限元模型建立

1.2.1 帶涂層平板的有限元模型建立

首先利用CAD軟件建立帶涂層平板的三維實(shí)體模型,為保證與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證的準(zhǔn)確性,平板的三維模型參照實(shí)際平板,于平板模型底部中心處設(shè)置直徑4 mm,深度13 mm的圓孔,將三維模型導(dǎo)入HYPERMESH軟件后進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并利用ANSYS軟件進(jìn)行后續(xù)數(shù)值仿真計(jì)算。

帶涂層平板的模型包括平板基體層、黏結(jié)層、陶瓷面層,其中基體層尺寸為Φ110 mm×h15 mm,黏結(jié)層尺寸為Φ110 mm×h0.1 mm,陶瓷面層徑向尺寸與基體層及黏結(jié)層相同,為Φ110 mm,而厚度尺寸依據(jù)分析需求變化,變化范圍為0.3～1.2 mm。由于平板模型較為簡(jiǎn)單且規(guī)則,網(wǎng)格劃分選取六面體網(wǎng)格,基體層網(wǎng)格數(shù)量為2 796 563,黏結(jié)層網(wǎng)格數(shù)量為376 800,陶瓷面層網(wǎng)格數(shù)量隨其厚度變化也相應(yīng)變化。帶涂層平板的有限元模型如圖3所示。

1.2.2 材料屬性及邊界設(shè)置

1.2.2.1 活塞材料的選擇

發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)環(huán)境惡劣,活塞承受著高溫高壓的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷,其對(duì)材料要求一般有:熱膨脹系數(shù)小、密度小、導(dǎo)熱好、高溫強(qiáng)度好、耐腐蝕、物化性能穩(wěn)定等[12]。目前已產(chǎn)業(yè)化的活塞有鋁合金活塞、鑄鋼活塞、鑄鐵活塞等,其中鋁合金活塞兼有質(zhì)輕、高比強(qiáng)、成形性佳、經(jīng)濟(jì)性較好等優(yōu)勢(shì),成為目前的主流選擇。為此,本研究的平板材料選擇鋁合金。

1.2.2.2 熱障涂層材料的選擇

隔熱涂層一般是指具有一定厚度的陶瓷面層和金屬黏結(jié)層的復(fù)合涂層[13]。從涂層結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō),主要有三種形式:雙層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)和梯度結(jié)構(gòu)[14]。最常用的是由金屬黏結(jié)層和陶瓷面層組成的雙層結(jié)構(gòu)形式。

(1) 黏結(jié)層:基底層與陶瓷面層之間的過(guò)渡層,通常與基底層有相近的物化性質(zhì),不與陶瓷面層發(fā)生反應(yīng),可增強(qiáng)陶瓷面層與基底層的機(jī)械結(jié)合,協(xié)調(diào)兩者之間的熱膨脹系數(shù),避免陶瓷面層在寬溫域范圍內(nèi)的分離等。根據(jù)加工方法的不同,黏結(jié)層厚度常為0.075～0.15 mm[13]。本研究選取常用黏結(jié)層NiCrAl,取厚度為0.1 mm。

(2) 陶瓷面層:常要求有高熔點(diǎn)、低導(dǎo)熱、與基底層相近的熱膨脹系數(shù)、高溫下機(jī)械強(qiáng)度高、良好的耐腐蝕性能、從環(huán)境溫度到操作溫度沒(méi)有相變、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、低比重、低成本等[15]性質(zhì),可適用于高溫?zé)嵴贤繉拥奶沾刹牧现饕衂rO2、Al2O3、氧化釔/氧化鈰穩(wěn)定氧化鋯、莫來(lái)石、稀土氧化物、硅酸鋯、鈦酸鋯陶瓷等?？紤]后續(xù)試驗(yàn)加工等多種因素,陶瓷面層材料選取ZrO2,Al2O3,Cr2O3等3種材料。

具體的材料物性參數(shù)見(jiàn)表1[16-17]。

1.2.2.3 邊界條件設(shè)置

在常規(guī)的活塞熱分析中常采用的邊界條件為第三類邊界條件,故參照活塞的頂面、環(huán)岸、裙部等邊界條件設(shè)置形式,結(jié)合后續(xù)試驗(yàn)條件及相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,對(duì)平板模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置,具體如下:頂面區(qū)域環(huán)境溫度743 K,傳熱系數(shù)473 W/(m2·K);側(cè)面區(qū)域環(huán)境溫度313 K,傳熱系數(shù)148 W/(m2·K);底面區(qū)域環(huán)境溫度303 K,傳熱系數(shù)43 W/(m2·K)。

1.3 有限元熱分析

1.3.1 不同涂層材料的平板仿真

仿真計(jì)算得到使用不同涂層材料時(shí)(陶瓷面層厚度統(tǒng)一設(shè)置為0.3 mm)的涂層表面溫度場(chǎng)分布云圖,如圖4所示。Al2O3涂層、Cr2O3涂層、ZrO2涂層的涂層表面最高溫度分別約為551.3 K,555.9 K,560.9 K。

圖4 不同涂層材料的涂層表面溫度

為方便研究使用不同涂層后平板基體表面的溫度變化,比較無(wú)涂層及使用不同涂層后的平板基體表面溫度場(chǎng)分布云圖,如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn),無(wú)涂層、有Al2O3涂層、有Cr2O3涂層以及有ZrO2涂層時(shí),平板基體上表面的最高溫度分別為550.6 K,548.2 K,541.5 K,534.8 K。使用3種涂層后,平板基體上表面的最高溫度分別降低了2.4 K,9.1 K,15.8 K,降幅分別為0.44%,1.65%,2.87%。

圖5 不同涂層材料的平板基體表面溫度

為便于后續(xù)仿真與試驗(yàn)值的對(duì)比分析,記錄仿真中不同條件下的平板中心孔底溫度Thole,同時(shí)定義一個(gè)溫差值ΔT1,其值為涂層表面溫度的最大值TTBC與中心孔底最高溫度Thole的差值,即ΔT1=TTBC-Thole,ΔT1的值越大,則表示涂層隔熱效果越好。對(duì)于Al2O3涂層,TTBC=551.3 K,Thole=546 K,ΔT1=5.3 K;對(duì)于Cr2O3涂層,TTBC=555.9 K,Thole=539.4 K,ΔT1=16.5 K;對(duì)于ZrO2涂層,TTBC=560.9 K,Thole=532.7 K,ΔT1=28.2 K?？砂l(fā)現(xiàn),不同涂層的ΔT1值變化明顯,即不同涂層的隔熱效果有明顯差異。

為進(jìn)一步分析涂層導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)隔熱效果的影響,繪制ΔT1隨導(dǎo)熱系數(shù)變化的曲線圖,如圖6所示?？梢?jiàn)涂層的導(dǎo)熱系數(shù)越小,ΔT1值越大,且ΔT1值隨導(dǎo)熱系數(shù)的變化呈非線性趨勢(shì),導(dǎo)熱系數(shù)小于8 W/(m·K)時(shí),ΔT1變化更為劇烈,導(dǎo)熱系數(shù)大于8 W/(m·K)時(shí),ΔT1的變化相對(duì)平緩,涂層的隔熱效果有限。

圖6 ΔT1隨涂層導(dǎo)熱系數(shù)的變化

1.3.2 不同涂層厚度的平板仿真

由前文知,ZrO2涂層的隔熱效果較佳,為研究涂層厚度對(duì)平板溫度場(chǎng)分布的影響,選定ZrO2涂層,并分別設(shè)置厚度為0.3 mm,0.4 mm,0.5 mm,0.6 mm,0.7 mm,0.9 mm,1 mm,1.2 mm,計(jì)算得到涂層表面的溫度分布情況,如圖7所示。

圖7 不同厚度的涂層表面溫度分布

由圖7可見(jiàn),涂層表面的最高溫度隨涂層厚度增加而增加。結(jié)合平板基體表面最高溫度、中心孔底的最高溫度Thole,計(jì)算ΔT1,繪制不同涂層厚度時(shí)的溫度場(chǎng)分析結(jié)果,如圖8和圖9所示。由圖8、圖9可知,平板基體表面的最高溫度及中心孔底的最高溫度均隨涂層厚度的增加而降低,而涂層表面最高溫度隨涂層厚度增加而增加。當(dāng)涂層厚度由0.3 mm增加至1.2 mm時(shí),涂層表面的最高溫度值由560.9 K上升至593.5 K,平板基體表面的最高溫度值由534.8 K下降至490.7 K,且兩者的變化速度不一致。故分析ΔT1值,由圖可見(jiàn),隨著涂層厚度增加ΔT1值增加,但增長(zhǎng)速度逐漸變緩,在厚度0.3～0.4 mm段,ΔT1值的增長(zhǎng)幅度明顯高于其他厚度變化段,即該厚度變化段內(nèi)的單位厚度變化帶來(lái)的隔熱效果最明顯。

從無(wú)限長(zhǎng)平板的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析可知,相同涂層厚度變化引起的溫度變化值理應(yīng)相同,這是因?yàn)橐痪S穩(wěn)態(tài)熱分析中忽略了平板的側(cè)面?zhèn)鳠?而在帶涂層平板的三維數(shù)值仿真中,側(cè)面?zhèn)鳠岵⒉荒芎雎?平板的側(cè)面溫度自上向下呈下降趨勢(shì),其與外界的對(duì)流換熱也逐漸變?nèi)?故涂層厚度超過(guò)某一值后,厚度變化雖仍能帶來(lái)ΔT1值增加,但增速逐漸放緩。

圖8 不同涂層厚度時(shí)的各點(diǎn)最高溫度

圖9 ΔT1隨涂層厚度的變化

2 帶涂層的活塞材料平板的試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)對(duì)象為Φ110 mm×h15 mm鋁合金平板,平板分別進(jìn)行涂層加工。熱障涂層的制備工藝已有了較為成熟的發(fā)展,目前應(yīng)用最為廣泛的是APS大氣等離子噴涂技術(shù)[18],本研究采取等離子噴涂工藝對(duì)平板分別進(jìn)行ZrO2、Al2O3、Cr2O3涂層的加工,黏結(jié)層材料均為NiCrAl。等離子噴涂過(guò)程示意以及試驗(yàn)采用的平板加工樣件分別見(jiàn)圖10和圖11。

圖11 原始試件及加工有涂層的平板試件

試驗(yàn)的測(cè)溫方式為熱電偶測(cè)量,選用K型露點(diǎn)鎧裝熱電偶,其穩(wěn)定測(cè)溫范圍為-50～800 ℃,最大測(cè)溫不超過(guò)1 100 ℃,熱電偶容差為±0.4%。溫度數(shù)據(jù)采集選用CompactDAQ系列硬件構(gòu)成的溫度采集系統(tǒng),其中主要選用NIcDAQ-9184機(jī)箱及9213溫度采集模塊。試驗(yàn)利用加熱臺(tái)對(duì)帶涂層的鋁合金平板的涂層側(cè)加熱,熱電偶測(cè)溫并由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集、上傳至計(jì)算機(jī),以便后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

2.1.2 熱電偶布點(diǎn)設(shè)計(jì)

為便于布置熱電偶,以在高溫環(huán)境下準(zhǔn)確測(cè)量并采集記錄熱障涂層系統(tǒng)在活塞材料樣件上的溫度數(shù)據(jù),需對(duì)試件進(jìn)行鉆孔處理。為了匹配熱電偶的安裝尺寸,鉆孔直徑約為4 mm?？紤]需進(jìn)行的試驗(yàn)數(shù)量較多,為提高試驗(yàn)效率,需對(duì)試件溫度場(chǎng)的測(cè)試梯度進(jìn)行設(shè)計(jì),首先對(duì)鉆孔深度的選擇進(jìn)行試驗(yàn)分析。

取一塊帶涂層的平板試件,在同一圓周上進(jìn)行鉆孔處理,深度控制在5～13 mm,即孔底距離平板涂層側(cè)的基體上表面分別為2 mm,4 mm,6 mm,8 mm,10 mm,對(duì)涂層表面進(jìn)行加熱,測(cè)量并記錄平板各深度孔底的溫度值。分析發(fā)現(xiàn),在設(shè)定試驗(yàn)條件下,距平板上表面2 mm處孔的溫度上升較其他孔更快,溫度終值更高,溫度變化更大,更有利于分析涂層的隔熱效果,故后續(xù)試驗(yàn)組的熱電偶布點(diǎn)統(tǒng)一設(shè)置為距平板上表面2 mm的中心孔。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 不同涂層材料的平板

分別對(duì)平板噴涂0.3 mm的ZrO2、Al2O3、Cr2O3涂層,加熱平板試件至溫度穩(wěn)定。參考前文仿真計(jì)算中評(píng)價(jià)隔熱效果的ΔT1,再定義一個(gè)溫差值ΔT2,其值為試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的涂層側(cè)表面溫度T上與中心孔處溫度T孔的差值,即ΔT2=T上-T孔,ΔT2值越大,則表示涂層隔熱效果越好。

試驗(yàn)各組的測(cè)點(diǎn)溫度如圖12所示。由圖可知,3種涂層材料相比,帶有ZrO2涂層試件的涂層上表面溫度最高,T上=515 K,中心孔溫度最低,T孔=489.1 K,而Al2O3涂層試件的上表面溫度最低,T上=506.5 K,中心孔溫度最高,T孔=501.6 K,Cr2O3涂層試件介于兩者之間,T上=510.8 K,T孔=495.7 K。就隔熱效果ΔT2值進(jìn)行排序,隔熱效果依次為ZrO2,Cr2O3,Al2O3。

圖12 不同涂層材料平板的測(cè)點(diǎn)溫度

同時(shí)類比仿真分析,繪制ΔT2隨涂層導(dǎo)熱系數(shù)的變化曲線,如圖13所示。與仿真所得規(guī)律一致,涂層的導(dǎo)熱系數(shù)越小,ΔT2值越大,涂層隔熱性能越好,且ΔT2值隨導(dǎo)熱系數(shù)的變化呈非線性趨勢(shì),導(dǎo)熱系數(shù)大于8 W/(m·K)時(shí),ΔT2的變化較為平緩,因此選用熱障涂層時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮導(dǎo)熱系數(shù)小于8 W/(m·K)的材料。

圖13 ΔT2隨涂層導(dǎo)熱系數(shù)的變化

2.2.2 不同涂層厚度的平板

理論上,涂層厚度增加,熱源向基體的傳熱更加困難,涂層的隔熱效果更好,由仿真計(jì)算也能得出相似規(guī)律。但是,厚度增加可能帶來(lái)涂層微觀結(jié)構(gòu)的改變,實(shí)際隔熱效果的變化與仿真計(jì)算規(guī)律是否相符具有不確定性。為此,需通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證涂層厚度變化對(duì)隔熱效果的影響規(guī)律。對(duì)平板試件加工ZrO2涂層,厚度分別為0.3 mm,0.4 mm,0.5 mm,0.6 mm,0.7 mm,0.9 mm,1 mm,1.2 mm。加熱試件至溫度穩(wěn)定,記錄采用不同厚度涂層時(shí)的溫度,如圖14所示。

圖14 不同涂層厚度時(shí)的試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)溫度

計(jì)算試驗(yàn)所得的不同涂層厚度時(shí)的ΔT2值,并結(jié)合仿真結(jié)果繪制測(cè)點(diǎn)溫差值隨涂層厚度的變化曲線圖,如圖15所示。可以發(fā)現(xiàn),在仿真及試驗(yàn)中,ΔT1與ΔT2的值均隨涂層厚度的增加而增加,且增加速度趨緩,變緩趨勢(shì)也較為一致,兩者均在0.3～0.4 mm段上升更為迅速。

圖15 ΔT1及ΔT2隨涂層厚度的變化

ΔT1與ΔT2存在誤差,對(duì)其分析可知,由于涂層平板的加熱試驗(yàn)并未在完全封閉的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行,從熱源到試件之間的換熱存在部分熱損失,這是導(dǎo)致試驗(yàn)中的上表面溫度測(cè)量值較仿真計(jì)算結(jié)果小的主要原因。同時(shí),熱電偶本身的精度問(wèn)題也會(huì)帶來(lái)實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差,試驗(yàn)加工的涂層材料的實(shí)際物性參數(shù)以及實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境下試件表面的對(duì)流傳熱系數(shù)等數(shù)值也無(wú)法與仿真計(jì)算的參數(shù)設(shè)置保持完全吻合,這些因素都能引起誤差?？紤]數(shù)值仿真與試驗(yàn)值的誤差保持在10%以內(nèi),故可認(rèn)為數(shù)值仿真的計(jì)算結(jié)果可靠。上述研究方法和結(jié)果可對(duì)后續(xù)試驗(yàn)研究提供指導(dǎo),如需對(duì)不同熱障涂層的最佳厚度進(jìn)行選值試驗(yàn),可通過(guò)仿真結(jié)果獲取隔熱效果變化規(guī)律較為明顯的涂層厚度段,對(duì)隔熱收益較低的厚度可不進(jìn)行涂層加工及相應(yīng)試驗(yàn),縮小了試驗(yàn)的選值范圍,以此降低試件的涂層加工成本,并減少實(shí)際試驗(yàn)的工作量。

3 帶涂層的平頂活塞的數(shù)值計(jì)算分析

汽油機(jī)大多采用平頂活塞,與平板有相似之處,故選擇某型汽油機(jī)平頂活塞為對(duì)象,通過(guò)仿真計(jì)算分析改變涂層加工表面形狀后,涂層的參數(shù)變化對(duì)隔熱效果的影響規(guī)律。

3.1 有限元模型的建立及熱邊界條件

為提高仿真計(jì)算效率,利用活塞結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,取缸徑110 mm活塞的1/2為研究對(duì)象?；钊膸缀文Ｐ图坝邢拊Ｐ腿鐖D16所示。

平頂活塞的熱邊界條件依舊設(shè)置為第三類邊界條件,具體設(shè)置見(jiàn)表2[19]。

表2 活塞的熱邊界條件

3.2 涂層材料對(duì)平頂活塞頂面溫度的影響

由前文可知,涂層材料影響著隔熱效果,故在涂層材料對(duì)平頂活塞溫度場(chǎng)影響的研究中,選擇導(dǎo)熱系數(shù)差異較大的MgZrO3、ZrO2和Al2O3涂層。

比較無(wú)涂層及有涂層的活塞基體表面溫度,如圖17所示。同時(shí)對(duì)比圖5帶涂層平板的表面溫度分布,可以發(fā)現(xiàn),相較于平板的平整表面,活塞頂面的凹凸形狀對(duì)基體表面溫度分布有一定影響。對(duì)平板而言,上表面溫度最高值出現(xiàn)在中心處,且沿徑向呈環(huán)狀遞減;而對(duì)活塞而言,活塞上表面溫度變化不再是單一徑向遞減分布,而是呈現(xiàn)溫度變化交叉分布,高溫區(qū)域不再局限于中心處,燃燒室中心及頂面喉口位置溫度均較高,同時(shí)有涂層的平頂活塞基體表面較無(wú)涂層的活塞,雖未改變上表面的溫度分布趨勢(shì),但基體表面的高溫區(qū)域與低溫區(qū)域的溫差減小,基體表面的熱負(fù)荷分布得到改善。

圖17 活塞基體上表面溫度分布

進(jìn)一步比較不同涂層平頂活塞基體表面的溫度場(chǎng),發(fā)現(xiàn)活塞基體表面的最高溫度分布趨勢(shì)基本不變,但最高溫度值隨著涂層變化而變化。無(wú)涂層時(shí),活塞表面最高溫度為543.13 K,而涂有Al2O3、ZrO2、MgZrO3涂層后,活塞基體表面最高溫度值分別降低4.72 K,28.84 K,43.89 K,降幅分別達(dá)0.87%,5.31%,8.08%。使用不同涂層時(shí)的涂層表面溫度分布如圖18所示,活塞頂面噴涂熱障涂層后,涂層表面溫度整體升高,涂層表面溫度的最高值從大到小依次為MgZrO3涂層、ZrO2涂層、Al2O3涂層。

由圖17、圖18可見(jiàn),涂層的導(dǎo)熱系數(shù)越小,涂層表面溫度越高,活塞基體表面溫度越低,即涂層表面與活塞基體表面的溫差越大,涂層的隔熱效果也越好。由此繪制涂層表面溫度與活塞基體頂面溫度的溫差隨涂層導(dǎo)熱系數(shù)變化的曲線,如圖19所示。對(duì)活塞而言,涂層的隔熱效果隨著導(dǎo)熱系數(shù)的減小而改善,且改善呈非線性趨勢(shì),導(dǎo)熱系數(shù)小于8 W/(m·K)的材料帶來(lái)的隔熱效果更佳,這與平板研究中的影響規(guī)律是極其相近的。

圖18 涂層表面溫度分布

圖19 涂層與基體表面溫差隨導(dǎo)熱系數(shù)的變化

3.3 涂層厚度對(duì)平頂活塞頂面溫度的影響

為分析涂層厚度對(duì)平頂活塞的隔熱效果影響規(guī)律,設(shè)置涂層厚度為0.1 mm,0.2 mm,0.3 mm,0.4 mm,0.5 mm,0.7 mm,0.9 mm,1.1 mm?；钊w上表面的最高溫度、涂層表面最高溫度以及兩者溫差值隨涂層厚度的變化如圖20所示。涂層厚度增加,涂層表面最高溫度上升,而活塞基體上表面最高溫度下降,兩者的溫差變大,且隨著厚度增加,兩者的溫度變化趨勢(shì)都是漸緩的,這與平板研究中的影響規(guī)律也是一致的。

圖20 測(cè)點(diǎn)最高溫度隨涂層厚度的變化

為分析具體厚度變化對(duì)隔熱效果改善的效率變化,分析各階段每增加0.1 mm涂層時(shí),活塞基體表面的溫降變化,如圖21所示?？紤]到涂層厚度0～0.1 mm段是有無(wú)涂層的區(qū)別,涂層對(duì)基體最高溫度的影響必然是最大的,故主要分析涂層厚度為0.1 mm后的變化規(guī)律?？梢园l(fā)現(xiàn),涂層厚度變化在0.2～0.3 mm及0.3～0.4 mm段時(shí),單位涂層厚度變化帶來(lái)的活塞基體表面溫降是最明顯的,表征該段的涂層厚度變化的隔熱效率是最大的,這也與平板研究中的規(guī)律相近。

圖21 活塞基體表面溫降隨涂層厚度的變化

由此可知,通過(guò)增加涂層厚度可以獲得更好的隔熱效果,但厚度增加帶來(lái)的隔熱效果增益是有限的,考慮實(shí)際情況中,過(guò)厚的涂層也增加了加工成本,故實(shí)際應(yīng)用中需結(jié)合隔熱需求、成本等多方面,選擇最佳厚度值,具體選擇原則有待進(jìn)一步研究總結(jié)。

4 結(jié)論

a) 熱障涂層可以有效降低平板基體表面溫度,不同涂層材料的隔熱效果不同,涂層的導(dǎo)熱系數(shù)越小,隔熱效果越好,且隔熱效果與導(dǎo)熱系數(shù)之間呈非線性關(guān)系,涂層的導(dǎo)熱系數(shù)大于8 W/(m·K)時(shí),涂層材料變化帶來(lái)的隔熱效果改善有限,應(yīng)優(yōu)先選擇導(dǎo)熱系數(shù)小于8 W/(m·K)的涂層材料;

b) 涂層厚度增加,涂層的隔熱效果也會(huì)隨之改善,但單位厚度變化帶來(lái)的隔熱效果改善效率隨涂層厚度的增加而減小;本研究中,涂層厚度從0.3 mm增長(zhǎng)至0.4 mm時(shí),隔熱效果增加約3.5%,而后每增加0.1 mm,隔熱效果增加約1.4%,可知0.3～0.4 mm是隔熱效率最高的厚度段;

c) 通過(guò)對(duì)涂層平板的數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值仿真計(jì)算得出的規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律具有較高的吻合度,兩者誤差在10%以內(nèi),因此可通過(guò)數(shù)值仿真的預(yù)先計(jì)算,尋找試驗(yàn)條件設(shè)置的合理區(qū)間,進(jìn)而減少試驗(yàn)工作量,控制試驗(yàn)成本;

d) 通過(guò)對(duì)汽油機(jī)平頂活塞的涂層仿真研究,發(fā)現(xiàn)實(shí)際活塞表面形狀對(duì)活塞傳熱性能的影響小于表面涂層的影響,通過(guò)研究平板獲得的涂層材料導(dǎo)熱系數(shù)、涂層厚度等參數(shù)對(duì)隔熱效果的影響規(guī)律,對(duì)于研究實(shí)際的活塞模型也具有參考意義。