1、柴油机钛合金活塞裙部失效分析研究张卫正1，刘雯钦1，陈国争1，丁博强1，梅冰昂1，高晓波2（1.北京理工大学 机械车辆学院，北京100081；2.山东滨州渤海活塞股份有限公司，山东，滨州256600）摘 要：针对某适度隔热柴油机在标定工况下，TC4 钛合金活塞裙部两侧发生磨损失效的问题，采用金相组织分析、电镜扫描等方法对活塞裙部磨损区域进行微观分析，再结合有限元分析软件 ABAQUS 对活塞裙部进行变形量的宏观分析，共同探究柴油机活塞裙部的磨损失效机理.分析结果表明，活塞裙部变形量最大区域与磨损区域相吻合，失效的主要原因是活塞裙部刚度不足，在高温高压作用下产生变形与缸套发生黏着磨损.通过改进活
2、塞主要结构参数，使得裙部变形小于二次修正值，从而避免活塞裙部四点磨损失效问题.关键词：失效分析；钛合金；活塞裙部；有限元法中图分类号：TK422 文献标志码：A 文章编号：1001-0645(2023)03-0283-06DOI：10.15918/j.tbit1001-0645.2021.309Analysis on Titanium Alloy Piston Skirt Failure of Diesel EngineZHANG Weizheng1，LIU Wenqin1，CHEN Guozheng1，DING Boqiang1，MEI Bingang1，GAO Xiaobo2（1.Scho
3、ol of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.Shandong Binzhou Bohai Piston Co.,Ltd.,Binzhou,Shandong 256600,China）Abstract：To solve the problem of wear failure occurred on both sides of the TC4 titanium alloy piston skirt in ahigh power density diesel engine un
4、der standard operating conditions,a microscopic analysis on the wear area ofthe piston skirt was carried out by combining metallographic analysis,electron microscope scanning and otherphysical and chemical detection methods firstly.And then,a finite element analysis software ABAQUS was usedto conduc
5、t a macroscopic research on the stress and deformation of the piston skirt.The microscopic and macro-scopic analysis methods were combined to explore the wear failure mechanism of the piston skirt.The resultsshow that the area of maximum piston skirt deformation coincides with the wear area.The anal
6、ysis results indic-ate that main reason of the failure is the insufficient stiffness of the piston skirt,deformation occurred under thehigh temperature and high pressure,and adhesive wear with the cylinder liner.Finally,some improved pistontests were carried out.Improving the main structural paramet
7、ers of the piston,it can make the skirt deformationless than the predetermined secondary correction value,avoiding the problem of four-point wear on the pistonskirt.Key words：failure analysis；titanium alloy；piston skirt；finite element method 随着军用机械需求的不断提升，内燃机也向着高功率、高强化、高负荷的方向发展.活塞作为核心零部件直接承受高温高压燃气的加
8、热及气体力、自身的惯性力、侧向力等1 2，并长期处于循环往复运动状态，使得活塞材料的强度和刚度降低、结构的可靠性降低3 4，这对活塞材料和结构提出了更高的要求.为使活塞具有更好的高温性能和更轻的质量，开发新型活塞材料以适应不同工作状态和环境成为一种新的发展趋势.钛合金作为一种新兴的结构材料，与铸铁、铸钢、铝合金等传统活塞材料相比具有许 收稿日期：2021 11 16基金项目：北京市自然科学基金资助项目（3214055）作者简介：张卫正（1962），男，教授，E-mail：.通信作者：刘雯钦（1997），女，硕士生，E-mail：.第 43 卷第 3 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.43
9、No.32023 年 3 月Transactions of Beijing Institute of TechnologyMar.2023多独特的优点：比强度高、硬度较高、导热系数小、高温和低温性能优良、抗腐蚀性强等5 7.将钛合金作为活塞材料应用于发动机中可以很好地满足发动机高强化、轻量化等要求8 9，但其在高温下易氧化，且摩擦系数大、磨损性能较差，同时，钛合金活塞的应用案例又非常少，故对钛合金活塞进行针对性的失效分析是十分必要的.先前对于活塞的失效研究大多基于铝合金材料，而钛合金材料活塞的失效分析研究较少，本文针对钛合金活塞裙部在标定工况下磨损失效的问题，通过金相组织分析等方法对钛合金材料
10、进行微观分析，并运用有限元分析软件 ABAQUS 进行变形量的宏观分析，二者结合探究钛合金活塞的失效原因.最后通过活塞主要结构参数的改进，改善钛合金活塞裙部的磨损问题，为钛合金活塞裙部的低磨损设计提供相应的理论依据.1 故障描述故障活塞是基于 3D 打印技术，采用 TC4 钛合金材料设计制造的.活塞在进行普通单缸机磨合试验时工作正常，然后更换安装在高爆压发动机上，磨合后期发生严重拉缸（图 1）.在图 1 中可以清晰地看到活塞裙部主推力面的磨损情况，活塞主要磨损区域在图示 A、B 处，并呈对称分布，表面涂层已被完全磨损掉，涂层下的基体材料由于磨损而层层堆叠，堆积物形成光亮表面，而裙部推力面的中间
11、部分几乎没有磨损.AB图 1 活塞失效图Fig.1 Piston failure diagram 2 失效分析 2.1 微观分析将活塞裙部磨损处进行线切割得到观测试样，如图 2 所示，需对试样进一步微观检测以确定其磨损机理.首先对磨损侧面进行金相组织分析（图 3）.在图 3(a)可以观察到 3 个明显的分层，图中靠近磨损表面组织相对致密且颜色明显深于其他两层的层状组织，被称为摩擦层10 11，该颜色说明发生了严重的氧化，组织致密说明经过外力磨削碾压.在材料内部较深处未受到磨损影响的区域称为基体.摩擦层和基体部分中间的过度区域称为变质层，材料在该层内发生了塑性流动12.图 3(b)是 3(a)中
12、变质层的高倍显微图，可以清晰地看到材料因发生塑性流动而呈现出暗色的波浪曲线，上面存在孔隙和微裂纹，且摩擦层内存在密集的微裂纹和孔隙.对比未发生损伤的金相图 3(c)可以看到，损伤前，裙部基体组织内无孔隙和微裂纹，说明变质层与摩擦层中的缺陷是在发生磨损后产生的，而非活塞本身缺陷，且随着磨损进程的继续，缺陷累积，磨损程度进一步加大.线切割损伤部位侧面正面切割线AB图 2 活塞裙部检测试样Fig.2 Piston skirt test sample 对活塞磨损正面进行扫描电镜观测分析，结果如图 4 所示.在图中可以观察到大小不一的剥落坑和面积较大的片层剥落，在磨痕边缘可以观察到沿运动方向的犁沟.由图
13、 4 的显微特征可确定其磨损机理，在外力作用下，突起点接触，材料处于塑性变形状态，接触应力大，在磨损表面发生粘着作用，在切向力反复作用下粘着点断裂，形成剥落坑.随外力增大，脱落物被反复碾压、平铺到磨痕表面，随之被压实形成致密平面，称为第三体层13.在外力作用下脱落，第三体层形成片状磨屑，不断脱落、堆积形成最终的磨损形态.综上，活塞裙部在受高温和侧推力作用下发生膨胀变形，裙部侧面与缸套产生较大接触应力后，接触点温度升高发生黏着，在运动过程中，黏着点断裂，形成剥落坑.随后，脱落磨屑被反复碾压、平铺、压实成第三体层，经反复脱落、堆积成最终形态.经金相图与扫描电镜图的微观分析，确定活塞裙部损伤为缸套和
14、活塞在工作过程中发生黏着磨损.284北 京 理 工 大 学 学 报第 43 卷 2.2 有限元分析 2.2.1 有限元模型由于实际活塞模型十分复杂，在保证计算精度的前提下进行简化，取缸套、活塞的二分之一模型及连杆小头的部分模型进行有限元计算，如图 5 所示.活塞体使用四节点线性四面体实体网格进行网格划分，在应力分析中分配单元类型为 C3D4，同时在温度分析中分配单元类型为 DC3D4，包括 89 081 个单元和 20 026 个节点（图 5(a)）.为更贴近真实工况，缸套使用八节点线性六面体单元（图 5(b)），同时对活塞衬套及活塞销进行网格加密（图 5(c)），整个装配体共 504 592
15、 个单元和 129 383 个节点.(a)活塞装配体(b)缸套网格(c)局部加密网格图 5 活塞网格划分图Fig.5 Piston meshing diagram 2.2.2 边界条件对于本文研究的钛合金活塞而言，采用第三类边界条件，对整机性能进行分析，结合半经验公式和热流流动规律得到活塞顶面的换热边界条件及换热系数14.同时，根据高压燃气的流动规律得到受力边界条件，其中最大爆发压力取值 22 MPa.根据不同曲轴转角下的爆发压力计算对比活塞的侧推力，取侧推力最大位置工况进行仿真计算.2.2.3 变形分析通过设定上述边界条件，对装配体进行热机耦 100 m100 m20 m磨损方向磨损方向塑性
16、流动孔洞微裂纹摩擦层变质层基体(a)钛合金损伤部位金相图(b)钛合金损伤部位金相放大图(c)钛合金未发生损伤金相图图 3 钛合金活塞损伤部位金相图Fig.3 Metallographic diagram of the damaged part of the titanium alloy piston(a)钛合金损伤部位电镜图(b)钛合金损伤部位电镜放大图(c)钛合金损伤部位特征图40 m30 m50 m犁沟犁沟磨屑片状磨屑脆性特征剥落坑裂纹第三体层第三体层图 4 钛合金活塞损伤部位扫描电镜图Fig.4 Scanning electron micrograph of the damaged part of the titanium alloy piston第 3 期张卫正等：柴油机钛合金活塞裙部失效分析研究285合后计算得到变形结果（图 6）.图 6(a)显示了垂直销孔方向上的裙部形变分布，可以看到图示 C、D 为活塞裙部变形量最大区域.其中裙部纵向变形最大量为 29.87 mm 处，即图中曲线所在位置.在该曲线上取 200 个点，以活塞中心为 0 点，横轴 X 为沿活塞销轴向距活塞中心
