SiC顆粒對汽油機活塞頂面鍍層應力影響的有限元分析

孫偉，張淑婷，杜開平，歐陽佩旋，楊謹赫

SiC顆粒對汽油機活塞頂面鍍層應力影響的有限元分析

孫偉1，張淑婷1，杜開平2，歐陽佩旋1，楊謹赫1

（1.北方工業大學 機械與材料工程學院，北京 100144；2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

研究汽車發動機活塞頂面Ni基復合鍍層中SiC顆粒的含量和粒徑對活塞?鍍層界面熱應力的影響規律。利用ABAQUS軟件和Python語言建立頂面帶有SiC顆粒增強Ni基復合電鍍涂層活塞的二維有限元模型，結合熱傳遞和熱彈性相關理論及活塞的實際服役工況，確定活塞的換熱邊界條件及其頂面所受的載荷，采用順序熱力耦合的有限元分析方法，系統地研究熱?機載荷共同作用下SiC顆粒含量和粒徑對涂層?活塞界面應力的影響規律。有限元仿真結果表明，當活塞頂面承受高溫、高壓時，SiC顆粒的含量是顯著影響涂層?基體界面等效應力的因素之一，當SiC顆粒的體積分數為1%～15%時，涂層?活塞界面峰值等效應力隨著顆粒含量的增加而增大，從437.08 MPa增大到472.98 MPa；SiC顆粒的粒徑是影響涂層?基體界面耦合熱應力的次要因素，當SiC顆粒的粒徑為0.3～1 μm時，涂層?活塞界面峰值等效應力基本保持不變，約為437 MPa。綜合考慮活塞頂面復合電鍍涂層的性能需求，以及鍍層?活塞界面應力與結合性能的關系，結合實際復合電鍍工藝，確定Ni?SiC復合鍍層中SiC顆粒的體積分數以10%左右為宜，SiC顆粒的粒徑以0.4～0.8 μm為宜。

活塞；Ni基復合鍍層；SiC顆粒；有限元分析；Python；界面應力

活塞作為汽車發動機內的關鍵零部件，其頂面在工作過程中直接承受燃燒室高溫燃氣的熱沖擊，同時還承受燃氣壓力和往復運動慣性力等機械載荷。在熱應力和機械載荷的共同作用下，極易產生不均勻應力導致活塞變形[1-3]，甚至誘發疲勞破壞，導致失效[4-6]。隨著工業的快速發展，對活塞等零部件的性能要求越來越高。為了提高活塞的服役性能，延長其使用壽命，在活塞頂面制備涂層是一種行之有效的方法[7-9]。活塞的結構較復雜，作為特異構件，其表面涂層的均勻性是影響活塞使用壽命的關鍵。復合電鍍技術基于共沉積原理[10]，通過在化學鍍液中加入第二相固體粒子，使其彌散分布于基質金屬中，從而在基體表面形成一層特殊鍍層[11-12]，該方法制備的涂層具有涂覆面積完整、均勻性好、精度高等優點，因此在表面工程領域獲得了廣泛的應用[13-17]。

在各類復合電鍍涂層中，Ni–SiC鍍層[18-20]具有優異的高溫力學性能，受到廣泛的關注，被認為是保護活塞頂面的理想涂層材料。Ni–SiC復合鍍指使用電沉積或化學鍍的方法使金屬Ni與SiC顆粒共同沉積而獲得復合材料的工藝過程。Ni–SiC復合鍍層在硬度、耐磨、耐蝕等主要性能上與傳統的硬鉻鍍層相當或更優，電鍍液中SiC的粒徑一般為60 nm～25 μm。在實際生產過程中，往往使用機械攪拌，避免SiC顆粒團簇現象的發生，使鍍層更加致密、均勻。由于活塞結構的特異性、傳熱的不均勻性，以及復合鍍層中Ni、SiC與活塞基體之間熱力學性能存在差異等，當活塞頂面受到熱應力和機械載荷的共同作用時，鍍層與活塞基體之間往往會產生大量的熱量，從而在涂層–活塞界面兩側形成較大的應力梯度。涂層–活塞界面處的耦合應力對涂層的質量和服役狀態有著重要的影響[21]，特別是SiC顆粒作為鍍層中的增強相，其顆粒特性（如含量、粒徑、分布情況等）直接影響涂層–基體的界面應力，而針對該方面的研究鮮有報道，因此研究SiC顆粒特性對涂層–活塞界面應力的影響對復合電鍍技術的發展具有重要意義。

與其他方法相比，有限元數值模擬[22-23]可以直觀地顯示復合鍍層活塞的溫度和應力分布情況，具有效率高、成本低和數據可靠等特點，已在國內外得到了廣泛的發展與應用，特別是針對涂層–活塞界面處溫度和應力的大小和分布情況，有限元分析提供了更加便利的途徑[24-26]。由此，文中基于活塞所服役的熱–機載荷工況，利用ABAQUS和Python語言建立具有不同結構參數的復合電鍍Ni–SiC涂層–活塞有限元模型，系統研究SiC顆粒含量和粒徑對涂層–活塞界面峰值等效應力的影響規律，以期對活塞頂面復合電鍍涂層結構的優化設計提供參考。

1 有限元模擬

1.1 有限元模型

1.1.1 活塞模型

基于ABAQUS/CAE平臺建立活塞的有限元幾何模型。活塞外圓和內圓的幾何尺寸分別為50 mm和38 mm，活塞裙部高度為26 mm，環槽直徑為4 mm，活塞頂面涂層厚度為10 μm。活塞的幾何尺寸示意圖如圖1所示。根據復合電鍍涂層的結構可知，SiC顆粒彌散分布于金屬基體中，由于SiC顆粒的粒徑較小，三維活塞表面涂層范圍內的顆粒數目龐大，因此文中選取活塞的二維截面建立模型。對活塞進行了網格劃分，如圖2所示。由于仿真研究重點在于涂層–活塞界面的位置，因此對涂層區域進行了加密網格處理，從活塞底面到頂面網格逐漸細化，共劃分了1 663個網格單元，網格單元類型分別采用DC2D4（熱傳遞）和CPS4R（平面應力）。

圖1 活塞幾何尺寸示意圖

圖2 二維活塞網格劃分

1.1.2 顆粒模型

將活塞頂面涂層作為顆粒的生成位置，幾何范圍為6 mm×10 μm。為了提高計算效率，假設顆粒（圓）面積占涂層總面積的比值近似為顆粒的體積分數，且顆粒隨機分布于金屬基體中。經計算，鍍層內所需SiC顆粒數量在763～11 459內，仿真所需顆粒數目如表1所示。

SiC以微納米級的顆粒形式存在，它在復合鍍層中的數目較多，且隨機分布于基體中。采用手動建模的方式存在效率低、難度大等問題，基于此，這里采用Python語言對ABAQUS軟件進行二次開發[27-28]，采用循環語句重復生成顆粒，從而快速建立多顆粒隨機分布于鍍層的有限元模型。Python腳本主要包括4個部分：多顆粒部件生成、顆粒裝配、隨機位置坐標的獲取、隨機位置的平移等。Ni–SiC復合鍍層與活塞基體的局部有限元模型如圖3所示。

圖3 Ni–SiC復合鍍層與活塞有限元模型示意圖

1.2 材料屬性

活塞基體材料為ZL104鋁合金，涂層為Ni與SiC組成的復合材料。其中，Ni基體和SiC顆粒按照不同的材料屬性分別進行指派，再利用ABAQUS中的內嵌約束實現Ni–SiC的復合。為了提高計算效率，假設活塞和涂層材料的彈性模量、密度、熱膨脹系數等參數不隨溫度發生變化。為了研究SiC顆粒含量和粒徑對涂層–活塞界面應力及其分布的影響，文中將粒徑為1 μm、體積分數為1%的SiC顆粒作為參照，采用控制變量法設計了不同的SiC顆粒含量（體積分數為1%～15%）和顆粒粒徑（0.3～1 μm）。仿真所涉及的材料參數如表2[29-30]所示。

1.3 熱–力邊界條件

為了更真實地反映活塞在服役條件下的熱應力分布，仿真過程采用順序熱力耦合分析方法，將活塞的穩態溫度場作為已知條件，同時在其頂面施加一定的機械載荷，最終獲得活塞的耦合應力場。在穩定工況下，活塞的熱傳導可看作穩態導熱，根據活塞各部位熱邊界條件的差異，可將活塞分為4個部分，如圖4所示。

表1 復合鍍層內SiC顆粒的數量

Tab.1 Number of SiC particles in the composite electroplating coating

表2 活塞及涂層的材料參數

Tab.2 Material parameters of piston and coating

圖4 活塞熱邊界分區

根據第3類邊界條件，通過定義各面換熱系數和環境溫度來描述換熱行為，各區域換熱邊界條件如表3所示。在熱力分析過程中，取活塞實際工況中的最大燃氣壓力（9.14 MPa）[31]為此次仿真活塞頂面（涂層表面）單位面積受到的載荷，定義活塞運動速度為10 m/s，并對活塞方向的轉角UR3進行約束，活塞的仿真工況如圖5所示。

表3 活塞不同區域的換熱邊界條件

Tab.3 Boundary conditions of heat transfer in different regions of piston

圖5 熱–機載荷工況示意圖

2 結果與討論

2.1 SiC顆粒含量的影響

SiC顆粒的含量是復合電鍍涂層中第二相顆粒的重要特性之一。當SiC顆粒的粒徑為1 μm、體積分數為1%時，活塞的溫度分布云圖如圖6所示。從圖6可以看出，活塞頂部的溫度相對最高，從活塞頂面到底面溫度呈下降趨勢。這是由于在工作狀態下活塞頂部與高溫燃氣直接接觸，熱量從活塞頂面傳至內腔和裙部，最后傳至活塞底面，因此活塞頂面涂層區域是整個零件工況最惡劣的部位。

圖6 活塞溫度分布云圖

沿涂層–活塞界面定義一條路徑，如圖7所示。圖8顯示了沿路徑上的溫度分布情況。從圖8可以看出，鍍層–活塞界面的峰值溫度約為248.17 ℃，活塞頂面距離內腔點2.04 mm處的溫度最高，但與界面上其他點的溫度相差不大。仿真結果表明，當SiC顆粒含量發生變化時，涂層–活塞界面的峰值溫度基本保持不變。這是由于活塞頂面為復合電鍍薄涂層，厚度僅為10 μm，當活塞達到穩態溫度場時，涂層對傳熱效果的影響十分有限，因此活塞頂面復合電鍍涂層主要起到高強耐磨的作用，應重點研究其對應力場的影響。

圖7 鍍層–活塞界面路徑OA的創建

以1 μm的SiC顆粒為研究對象，在SiC顆粒的體積分數分別為1%、3%、10%、15%時活塞整體及涂層–活塞局部區域的Mises等效應力分布云圖如圖9—10所示。從圖9可以看出，活塞頂面的等效應力相對最大，且等效應力從活塞頂面至底面逐漸降低，與溫度的變化趨勢一致。從整體來看，各個云圖之間的差異不大，即SiC顆粒含量對活塞的應力場分布未產生明顯影響。粒徑為1 μm、體積分數為1%的SiC顆粒在涂層–活塞界面上耦合應力的分布情況如圖11所示。從圖10—11可以看出，沿路徑涂層–活塞界面的等效應力呈先減小后增大的趨勢，涂層–活塞界面兩端的應力相對最大。提取路徑上的峰值數據進行分析，得到了涂層–活塞界面峰值應力與SiC顆粒含量的關系曲線，如圖12所示。從圖12可以看出，當復合鍍層中SiC顆粒的體積分數從1%增加到15%時，涂層–活塞界面的峰值等效應力逐漸增大，從437.08 MPa增至472.98 MPa，峰值應力與SiC顆粒的含量近似為線性關系。

活塞基體、Ni和SiC的熱膨脹系數分別為23×10–6、13.3×10–6和4×10–6，在熱負荷的作用下，鍍層–活塞界面因兩側材料的熱膨脹系數不匹配產生了熱失配應力。由于活塞結構的特異性，其界面邊緣棱角處的熱阻較大，鍍層–活塞界面往往在邊緣棱角處發生了應力集中。隨著SiC顆粒含量的增加，界面兩側材料熱物性的差異越來越大，界面峰值應力也隨之增加。

圖8 沿OA路徑距活塞內腔O點的距離與溫度的關系（SiC顆粒的粒徑為1 μm，體積分數為1%）

圖9 SiC顆粒的體積分數不同時活塞的等效應力分布云圖（頂面為涂層–活塞界面）

圖10 SiC顆粒的體積分數不同時活塞右上角的等效應力分布云圖

圖11 路徑OA距活塞內腔距離與應力的關系

圖12 涂層–活塞界面峰值溫度和應力與SiC顆粒含量的關系

一方面，涂層–活塞界面的應力分布會影響涂層與基體的結合狀態，涂層–活塞界面峰值等效應力越大，就越容易在界面萌生裂紋，從而導致涂層的剝落。基于此，活塞頂面復合鍍層以選取較小的SiC顆粒含量為宜。另一方面，SiC含量過低會降低鍍層的強度與耐磨性[32]，進而導致對活塞的保護性不足。綜合考慮活塞頂面性能需求，依據鍍層–活塞界面峰值應力與活塞結合狀態的關系，SiC顆粒的體積分數選取10%左右為宜。

2.2 SiC顆粒粒徑的影響

以體積分數為1%的SiC顆粒為研究對象，研究顆粒粒徑分別為0.3、0.6、0.8、1 μm時活塞整體及涂層–活塞局部區域的Mises等效應力分布，云圖如圖13—14所示。從圖13可見，在熱–機載荷的共同作用下，從活塞頂面至底面其應力逐漸降低，變化趨勢與2.1的結果一致。通過對比可以看出，各云圖應力分布情況基本相同。

基于圖7中定義的路徑，提取涂層–活塞界面路徑上的等效應力數據，得到涂層–活塞界面峰值應力與SiC顆粒粒徑的關系，如圖15所示。從圖15可見，活塞在熱–機載荷的服役條件下，當SiC顆粒粒徑為0.3～1 μm時，涂層–活塞界面處的峰值應力基本保持不變。這表明與SiC顆粒的含量相比，SiC顆粒的粒徑是影響涂層–活塞界面峰值應力的次要因素。

有限元模擬結果表明，雖然SiC顆粒粒徑對涂層–活塞界面峰值應力的影響十分有限，但在復合電鍍工藝中，當 SiC 顆粒粒徑過小時，其在電鍍液中的分散情況將會變差，容易發生團聚。相關研究也表明[33]，含微米級顆粒復合鍍層的磨損率較低，而含納米級顆粒復合鍍層的硬度和耐蝕性能較好。SiC顆粒的粒徑過大時會使其在鍍層中的沉積量減小，且過大的顆粒容易發生應力集中，從而產生裂紋，導致涂層失效[34-36]。為了提高活塞的服役性能、延長涂層的使用壽命，綜合考慮活塞頂面Ni–SiC鍍層的性能需求及復合電鍍工藝，SiC顆粒的粒徑選取0.4～0.8 μm為宜。

圖13 SiC顆粒粒徑不同時活塞的等效應力分布云圖

圖14 SiC顆粒粒徑不同時活塞右上角等效應力分布云圖

圖15 涂層–活塞界面峰值應力與SiC顆粒粒徑的關系

2.3 鍍層顯微硬度表征

為了研究SiC顆粒特性與鍍層力學性能的關系，將汽車發動機用活塞的硬質合金塊作為基體，在其表面制備Ni–P–SiC復合鍍層。在電沉積過程中，采用鎳板為陽極，采用活塞樣品切片為陰極，工藝參數：硫酸鎳（NiSO4·6H2O）240 g/L、氯化鎳（NiCl2·6H2O）30 g/L、硼酸（H3BO3）40 g/L、次磷酸鈉（NaH2PO2·H2O）16 g/L、改性納米SiC顆粒1.2 g/L。采用IT6333A型直流電源進行電沉積，電流密度為3～15 A/dm2，電鍍時間為1 h，同時采用恒溫磁力攪拌，以保證電沉積液的均勻性。

利用Phenom XL型掃描電子顯微鏡及其配備的能譜儀（EDS）對鍍層的成分進行分析，利用HXD–1000TMSC/LCD型數字式顯微硬度計測試鍍層表面的顯微硬度，載荷為1.96 N。Ni–P–SiC復合鍍層顯微硬度與電流密度的關系如圖16所示。測試結果表明，當電流密度為3～15 A/dm2時，鍍層硬度隨著電流密度的增大呈先增大后減小的趨勢。當電流密度為7 A/dm2時，鍍層中的SiC顆粒含量最高，其顯微硬度也達到最大值，為599.02 HV，可見鍍層的硬度隨著SiC顆粒含量的增大而增大。當活塞頂面受到熱–機載荷共同作用時，鍍層硬度越大，在鍍層表面及鍍層–活塞界面產生的應力也越大，硬度測試結果側面反映了仿真結果的可靠性。

圖16 電流密度對鍍層顯微硬度的影響

3 結論

1）在熱–機載荷的模擬工況下，活塞頂面兩側邊緣處的Mises等效應力最為集中，明顯高于其他區域，且等效應力從活塞頂面至底面逐漸降低。隨著SiC顆粒含量和粒徑的變化，活塞的應力分布趨勢不變，應力場無明顯變化。

2）SiC顆粒含量對涂層–活塞界面的應力狀態有顯著影響。有限元模擬結果表明，當SiC顆粒粒徑為1 μm、體積分數為1%～15%時，涂層–活塞界面峰值等效應力隨著顆粒含量的增加而增大，從437.08 MPa增大到472.98 MPa，增大了約8.21%。綜合考慮活塞頂面鍍層的性能需求，以及涂層–活塞界面應力與結合性能的關系，確定SiC顆粒選取體積分數10%左右為宜。

3）SiC顆粒粒徑對涂層–活塞界面應力的影響并不明顯。有限元模擬結果表明，當SiC顆粒的體積分數為1%、粒徑為0.3～1 μm時，涂層–活塞界面峰值等效應力基本保持不變，約為437 MPa。綜合考慮活塞頂面Ni–SiC鍍層的性能需求及復合電鍍工藝，SiC顆粒粒徑選取0.4～0.8 μm為宜。

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Finite Element Analysis of Effect of SiC Particles on Stress of Composite Electroplating Coating on Gasoline Engine Piston Top Surface

1,1,2,1,1

(1. School of Mechanical and Material Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China; 2. Mining and Metallurgy Technology Group Co., Ltd., Beijing 100160, China)

The work aims to study the effect law of the content and size of SiC particles in Ni-based composite electroplating coating on the top surface of automobile engine piston on the thermal stress at the piston-electroplating coating interface. The two-dimensional finite element model of the piston with SiC particles reinforced Ni-based composite electroplating coating on the top surface was established by ABAQUS software and python language. Combined with the relevant theories of heat transfer and thermo-elasticity and the actual service conditions of the piston, the heat exchange boundary conditions and the load value on the top surface of the piston were determined. The effects of SiC particle content and size on the interfacial stress between coating and piston under the combined action of heat and airborne load were systematically studied by the sequential thermal mechanical coupling finite element analysis. According to the finite element simulation results, when the top surface of the piston was subject to high temperature and high pressure, the content of SiC particles was one of the factors that significantly affected the equivalent stress at the coating-matrix interface. The peak equivalent stress at the coating-piston interface increased with the increase of the particle content in the range of 1vol.%-15vol.%, rising from 437.08 MPa to 472.98 MPa. The size of SiC particle was a secondary factor affecting the coupling thermal stress at the coating-matrix interface. When the SiC particle size was in the range of 0.3-1 μm, the peak equivalent stress at the coating-piston interface remained unchanged, which was about 437 MPa. Considering the performance requirements of the composite electroplating coating on the top surface of the piston and the relationship between the stress at the coating-piston interface and the bonding property and combined with the actual electroplating process, it is determined that the volume fraction of SiC particles in Ni?SiC composite electroplating coating is about 10% and the diameter of SiC particles is about 0.4-0.8 μm.

piston; Ni-based composite electroplating coating; SiC particles; finite element analysis; Python; interfacial stress

TG174.441

A

1001-3660(2022)10-0209-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.10.021

2021?09?15；

2022?02?20

2021-09-15；

2022-02-20

國家重點研發計劃（2018YFB2002000）；北京市基金?市教委聯合資助項目（KZ201910009010）；北方工業大學高層次人才科研啟動項目（XN277，110051360002）；毓杰團隊項目（XN212/009）

National Key Research and Development Project (2018YFB2002000); Jointly Funded Project by Municipal Commission of Education and Municipal Natural Science Foundation of Beijing (KZ201910009010); Start-up Project of Scientific Research of North China University of Technology (XN277, 110051360002); Teamwork Project of YuJie (XN212/009)

孫偉（1997—），男，碩士，主要研究方向為表面工程。

SUN Wei (1997-), Male, Master, Research focus: surface engineering.

張淑婷（1978—），女，博士，教授，主要研究方向為表面工程。

ZHANG Shu-ting (1978-), Female, Doctor, Professor, Research focus: surface engineering.

孫偉, 張淑婷, 杜開平, 等. SiC顆粒對汽油機活塞頂面鍍層應力影響的有限元分析[J]. 表面技術, 2022, 51(10): 209-217.

SUN Wei, ZHANG Shu-ting, DU Kai-ping, et al. Finite Element Analysis of Effect of SiC Particles on Stress of Composite Electroplating Coating on Gasoline Engine Piston Top Surface[J]. Surface Technology, 2022, 51(10):209-217.

責任編輯：彭颋