SiC颗粒对汽油机活塞顶面镀层应力影响的有限元分析
2022-11-08孙伟张淑婷杜开平欧阳佩旋杨谨赫
孙伟，张淑婷，杜开平，欧阳佩旋，杨谨赫
SiC颗粒对汽油机活塞顶面镀层应力影响的有限元分析
孙伟1，张淑婷1，杜开平2，欧阳佩旋1，杨谨赫1
（1.北方工业大学 机械与材料工程学院，北京 100144；2.矿冶科技集团有限公司，北京 100160）
研究汽车发动机活塞顶面Ni基复合镀层中SiC颗粒的含量和粒径对活塞−镀层界面热应力的影响规律。利用ABAQUS软件和Python语言建立顶面带有SiC颗粒增强Ni基复合电镀涂层活塞的二维有限元模型，结合热传递和热弹性相关理论及活塞的实际服役工况，确定活塞的换热边界条件及其顶面所受的载荷，采用顺序热力耦合的有限元分析方法，系统地研究热−机载荷共同作用下SiC颗粒含量和粒径对涂层−活塞界面应力的影响规律。有限元仿真结果表明，当活塞顶面承受高温、高压时，SiC颗粒的含量是显著影响涂层−基体界面等效应力的因素之一，当SiC颗粒的体积分数为1%～15%时，涂层−活塞界面峰值等效应力随着颗粒含量的增加而增大，从437.08 MPa增大到472.98 MPa；SiC颗粒的粒径是影响涂层−基体界面耦合热应力的次要因素，当SiC颗粒的粒径为0.3～1 μm时，涂层−活塞界面峰值等效应力基本保持不变，约为437 MPa。综合考虑活塞顶面复合电镀涂层的性能需求，以及镀层−活塞界面应力与结合性能的关系，结合实际复合电镀工艺，确定Ni−SiC复合镀层中SiC颗粒的体积分数以10%左右为宜，SiC颗粒的粒径以0.4～0.8 μm为宜。
活塞；Ni基复合镀层；SiC颗粒；有限元分析；Python；界面应力
活塞作为汽车发动机内的关键零部件，其顶面在工作过程中直接承受燃烧室高温燃气的热冲击，同时还承受燃气压力和往复运动惯性力等机械载荷。在热应力和机械载荷的共同作用下，极易产生不均匀应力导致活塞变形[1-3]，甚至诱发疲劳破坏，导致失效[4-6]。随着工业的快速发展，对活塞等零部件的性能要求越来越高。为了提高活塞的服役性能，延长其使用寿命，在活塞顶面制备涂层是一种行之有效的方法[7-9]。活塞的结构较复杂，作为特异构件，其表面涂层的均匀性是影响活塞使用寿命的关键。复合电镀技术基于共沉积原理[10]，通过在化学镀液中加入第二相固体粒子，使其弥散分布于基质金属中，从而在基体表面形成一层特殊镀层[11-12]，该方法制备的涂层具有涂覆面积完整、均匀性好、精度高等优点，因此在表面工程领域获得了广泛的应用[13-17]。
在各类复合电镀涂层中，Ni–SiC镀层[18-20]具有优异的高温力学性能，受到广泛的关注，被认为是保护活塞顶面的理想涂层材料。Ni–SiC复合镀指使用电沉积或化学镀的方法使金属Ni与SiC颗粒共同沉积而获得复合材料的工艺过程。Ni–SiC复合镀层在硬度、耐磨、耐蚀等主要性能上与传统的硬铬镀层相当或更优，电镀液中SiC的粒径一般为60 nm～25 μm。在实际生产过程中，往往使用机械搅拌，避免SiC颗粒团簇现象的发生，使镀层更加致密、均匀。由于活塞结构的特异性、传热的不均匀性，以及复合镀层中Ni、SiC与活塞基体之间热力学性能存在差异等，当活塞顶面受到热应力和机械载荷的共同作用时，镀层与活塞基体之间往往会产生大量的热量，从而在涂层–活塞界面两侧形成较大的应力梯度。涂层–活塞界面处的耦合应力对涂层的质量和服役状态有着重要的影响[21]，特别是SiC颗粒作为镀层中的增强相，其颗粒特性（如含量、粒径、分布情况等）直接影响涂层–基体的界面应力，而针对该方面的研究鲜有报道，因此研究SiC颗粒特性对涂层–活塞界面应力的影响对复合电镀技术的发展具有重要意义。
与其他方法相比，有限元数值模拟[22-23]可以直观地显示复合镀层活塞的温度和应力分布情况，具有效率高、成本低和数据可靠等特点，已在国内外得到了广泛的发展与应用，特别是针对涂层–活塞界面处温度和应力的大小和分布情况，有限元分析提供了更加便利的途径[24-26]。由此，文中基于活塞所服役的热–机载荷工况，利用ABAQUS和Python语言建立具有不同结构参数的复合电镀Ni–SiC涂层–活塞有限元模型，系统研究SiC颗粒含量和粒径对涂层–活塞界面峰值等效应力的影响规律，以期对活塞顶面复合电镀涂层结构的优化设计提供参考。
1 有限元模拟
1.1 有限元模型
1.1.1 活塞模型
基于ABAQUS/CAE平台建立活塞的有限元几何模型。活塞外圆和内圆的几何尺寸分别为50 mm和38 mm，活塞裙部高度为26 mm，环槽直径为4 mm，活塞顶面涂层厚度为10 μm。活塞的几何尺寸示意图如图1所示。根据复合电镀涂层的结构可知，SiC颗粒弥散分布于金属基体中，由于SiC颗粒的粒径较小，三维活塞表面涂层范围内的颗粒数目庞大，因此文中选取活塞的二维截面建立模型。对活塞进行了网格划分，如图2所示。由于仿真研究重点在于涂层–活塞界面的位置，因此对涂层区域进行了加密网格处理，从活塞底面到顶面网格逐渐细化，共划分了1 663个网格单元，网格单元类型分别采用DC2D4（热传递）和CPS4R（平面应力）。
图1 活塞几何尺寸示意图
图2 二维活塞网格划分
1.1.2 颗粒模型
将活塞顶面涂层作为颗粒的生成位置，几何范围为6 mm×10 μm。为了提高计算效率，假设颗粒（圆）面积占涂层总面积的比值近似为颗粒的体积分数，且颗粒随机分布于金属基体中。经计算，镀层内所需SiC颗粒数量在763～11 459内，仿真所需颗粒数目如表1所示。
SiC以微纳米级的颗粒形式存在，它在复合镀层中的数目较多，且随机分布于基体中。采用手动建模的方式存在效率低、难度大等问题，基于此，这里采用Python语言对ABAQUS软件进行二次开发[27-28]，采用循环语句重复生成颗粒，从而快速建立多颗粒随机分布于镀层的有限元模型。Python脚本主要包括4个部分：多颗粒部件生成、颗粒装配、随机位置坐标的获取、随机位置的平移等。Ni–SiC复合镀层与活塞基体的局部有限元模型如图3所示。
图3 Ni–SiC复合镀层与活塞有限元模型示意图
1.2 材料属性
活塞基体材料为ZL104铝合金，涂层为Ni与SiC组成的复合材料。其中，Ni基体和SiC颗粒按照不同的材料属性分别进行指派，再利用ABAQUS中的内嵌约束实现Ni–SiC的复合。为了提高计算效率，假设活塞和涂层材料的弹性模量、密度、热膨胀系数等参数不随温度发生变化。为了研究SiC颗粒含量和粒径对涂层–活塞界面应力及其分布的影响，文中将粒径为1 μm、体积分数为1%的SiC颗粒作为参照，采用控制变量法设计了不同的SiC颗粒含量（体积分数为1%～15%）和颗粒粒径（0.3～1 μm）。仿真所涉及的材料参数如表2[29-30]所示。
1.3 热–力边界条件
为了更真实地反映活塞在服役条件下的热应力分布，仿真过程采用顺序热力耦合分析方法，将活塞的稳态温度场作为已知条件，同时在其顶面施加一定的机械载荷，最终获得活塞的耦合应力场。在稳定工况下，活塞的热传导可看作稳态导热，根据活塞各部位热边界条件的差异，可将活塞分为4个部分，如图4所示。
表1 复合镀层内SiC颗粒的数量
Tab.1 Number of SiC particles in the composite electroplating coating
表2 活塞及涂层的材料参数
Tab.2 Material parameters of piston and coating
图4 活塞热边界分区
根据第3类边界条件，通过定义各面换热系数和环境温度来描述换热行为，各区域换热边界条件如表3所示。在热力分析过程中，取活塞实际工况中的最大燃气压力（9.14 MPa）[31]为此次仿真活塞顶面（涂层表面）单位面积受到的载荷，定义活塞运动速度为10 m/s，并对活塞方向的转角UR3进行约束，活塞的仿真工况如图5所示。
表3 活塞不同区域的换热边界条件
Tab.3 Boundary conditions of heat transfer in different regions of piston
图5 热–机载荷工况示意图
2 结果与讨论
2.1 SiC颗粒含量的影响
SiC颗粒的含量是复合电镀涂层中第二相颗粒的重要特性之一。当SiC颗粒的粒径为1 μm、体积分数为1%时，活塞的温度分布云图如图6所示。从图6可以看出，活塞顶部的温度相对最高，从活塞顶面到底面温度呈下降趋势。这是由于在工作状态下活塞顶部与高温燃气直接接触，热量从活塞顶面传至内腔和裙部，最后传至活塞底面，因此活塞顶面涂层区域是整个零件工况最恶劣的部位。
图6 活塞温度分布云图
沿涂层–活塞界面定义一条路径，如图7所示。图8显示了沿路径上的温度分布情况。从图8可以看出，镀层–活塞界面的峰值温度约为248.17 ℃，活塞顶面距离内腔点2.04 mm处的温度最高，但与界面上其他点的温度相差不大。仿真结果表明，当SiC颗粒含量发生变化时，涂层–活塞界面的峰值温度基本保持不变。这是由于活塞顶面为复合电镀薄涂层，厚度仅为10 μm，当活塞达到稳态温度场时，涂层对传热效果的影响十分有限，因此活塞顶面复合电镀涂层主要起到高强耐磨的作用，应重点研究其对应力场的影响。
图7 镀层–活塞界面路径OA的创建
以1 μm的SiC颗粒为研究对象，在SiC颗粒的体积分数分别为1%、3%、10%、15%时活塞整体及涂层–活塞局部区域的Mises等效应力分布云图如图9—10所示。从图9可以看出，活塞顶面的等效应力相对最大，且等效应力从活塞顶面至底面逐渐降低，与温度的变化趋势一致。从整体来看，各个云图之间的差异不大，即SiC颗粒含量对活塞的应力场分布未产生明显影响。粒径为1 μm、体积分数为1%的SiC颗粒在涂层–活塞界面上耦合应力的分布情况如图11所示。从图10—11可以看出，沿路径涂层–活塞界面的等效应力呈先减小后增大的趋势，涂层–活塞界面两端的应力相对最大。提取路径上的峰值数据进行分析，得到了涂层–活塞界面峰值应力与SiC颗粒含量的关系曲线，如图12所示。从图12可以看出，当复合镀层中SiC颗粒的体积分数从1%增加到15%时，涂层–活塞界面的峰值等效应力逐渐增大，从437.08 MPa增至472.98 MPa，峰值应力与SiC颗粒的含量近似为线性关系。
活塞基体、Ni和SiC的热膨胀系数分别为23×10–6、13.3×10–6和4×10–6，在热负荷的作用下，镀层–活塞界面因两侧材料的热膨胀系数不匹配产生了热失配应力。由于活塞结构的特异性，其界面边缘棱角处的热阻较大，镀层–活塞界面往往在边缘棱角处发生了应力集中。随着SiC颗粒含量的增加，界面两侧材料热物性的差异越来越大，界面峰值应力也随之增加。
图8 沿OA路径距活塞内腔O点的距离与温度的关系（SiC颗粒的粒径为1 μm，体积分数为1%）
图9 SiC颗粒的体积分数不同时活塞的等效应力分布云图（顶面为涂层–活塞界面）
图10 SiC颗粒的体积分数不同时活塞右上角的等效应力分布云图
图11 路径OA距活塞内腔距离与应力的关系
图12 涂层–活塞界面峰值温度和应力与SiC颗粒含量的关系
一方面，涂层–活塞界面的应力分布会影响涂层与基体的结合状态，涂层–活塞界面峰值等效应力越大，就越容易在界面萌生裂纹，从而导致涂层的剥落。基于此，活塞顶面复合镀层以选取较小的SiC颗粒含量为宜。另一方面，SiC含量过低会降低镀层的强度与耐磨性[32]，进而导致对活塞的保护性不足。综合考虑活塞顶面性能需求，依据镀层–活塞界面峰值应力与活塞结合状态的关系，SiC颗粒的体积分数选取10%左右为宜。
2.2 SiC颗粒粒径的影响
以体积分数为1%的SiC颗粒为研究对象，研究颗粒粒径分别为0.3、0.6、0.8、1 μm时活塞整体及涂层–活塞局部区域的Mises等效应力分布，云图如图13—14所示。从图13可见，在热–机载荷的共同作用下，从活塞顶面至底面其应力逐渐降低，变化趋势与2.1的结果一致。通过对比可以看出，各云图应力分布情况基本相同。
基于图7中定义的路径，提取涂层–活塞界面路径上的等效应力数据，得到涂层–活塞界面峰值应力与SiC颗粒粒径的关系，如图15所示。从图15可见，活塞在热–机载荷的服役条件下，当SiC颗粒粒径为0.3～1 μm时，涂层–活塞界面处的峰值应力基本保持不变。这表明与SiC颗粒的含量相比，SiC颗粒的粒径是影响涂层–活塞界面峰值应力的次要因素。
有限元模拟结果表明，虽然SiC颗粒粒径对涂层–活塞界面峰值应力的影响十分有限，但在复合电镀工艺中，当 SiC 颗粒粒径过小时，其在电镀液中的分散情况将会变差，容易发生团聚。相关研究也表明[33]，含微米级颗粒复合镀层的磨损率较低，而含纳米级颗粒复合镀层的硬度和耐蚀性能较好。SiC颗粒的粒径过大时会使其在镀层中的沉积量减小，且过大的颗粒容易发生应力集中，从而产生裂纹，导致涂层失效[34-36]。为了提高活塞的服役性能、延长涂层的使用寿命，综合考虑活塞顶面Ni–SiC镀层的性能需求及复合电镀工艺，SiC颗粒的粒径选取0.4～0.8 μm为宜。
图13 SiC颗粒粒径不同时活塞的等效应力分布云图
图14 SiC颗粒粒径不同时活塞右上角等效应力分布云图
图15 涂层–活塞界面峰值应力与SiC颗粒粒径的关系
2.3 镀层显微硬度表征
为了研究SiC颗粒特性与镀层力学性能的关系，将汽车发动机用活塞的硬质合金块作为基体，在其表面制备Ni–P–SiC复合镀层。在电沉积过程中，采用镍板为阳极，采用活塞样品切片为阴极，工艺参数：硫酸镍（NiSO4·6H2O）240 g/L、氯化镍（NiCl2·6H2O）30 g/L、硼酸（H3BO3）40 g/L、次磷酸钠（NaH2PO2·H2O）16 g/L、改性纳米SiC颗粒1.2 g/L。采用IT6333A型直流电源进行电沉积，电流密度为3～15 A/dm2，电镀时间为1 h，同时采用恒温磁力搅拌，以保证电沉积液的均匀性。
利用Phenom XL型扫描电子显微镜及其配备的能谱仪（EDS）对镀层的成分进行分析，利用HXD–1000TMSC/LCD型数字式显微硬度计测试镀层表面的显微硬度，载荷为1.96 N。Ni–P–SiC复合镀层显微硬度与电流密度的关系如图16所示。测试结果表明，当电流密度为3～15 A/dm2时，镀层硬度随着电流密度的增大呈先增大后减小的趋势。当电流密度为7 A/dm2时，镀层中的SiC颗粒含量最高，其显微硬度也达到最大值，为599.02 HV，可见镀层的硬度随着SiC颗粒含量的增大而增大。当活塞顶面受到热–机载荷共同作用时，镀层硬度越大，在镀层表面及镀层–活塞界面产生的应力也越大，硬度测试结果侧面反映了仿真结果的可靠性。
图16 电流密度对镀层显微硬度的影响
3 结论
1）在热–机载荷的模拟工况下，活塞顶面两侧边缘处的Mises等效应力最为集中，明显高于其他区域，且等效应力从活塞顶面至底面逐渐降低。随着SiC颗粒含量和粒径的变化，活塞的应力分布趋势不变，应力场无明显变化。
2）SiC颗粒含量对涂层–活塞界面的应力状态有显著影响。有限元模拟结果表明，当SiC颗粒粒径为1 μm、体积分数为1%～15%时，涂层–活塞界面峰值等效应力随着颗粒含量的增加而增大，从437.08 MPa增大到472.98 MPa，增大了约8.21%。综合考虑活塞顶面镀层的性能需求，以及涂层–活塞界面应力与结合性能的关系，确定SiC颗粒选取体积分数10%左右为宜。
3）SiC颗粒粒径对涂层–活塞界面应力的影响并不明显。有限元模拟结果表明，当SiC颗粒的体积分数为1%、粒径为0.3～1 μm时，涂层–活塞界面峰值等效应力基本保持不变，约为437 MPa。综合考虑活塞顶面Ni–SiC镀层的性能需求及复合电镀工艺，SiC颗粒粒径选取0.4～0.8 μm为宜。
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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
国家重点研发计划（2018YFB2002000）；北京市基金−市教委联合资助项目（KZ201910009010）；北方工业大学高层次人才科研启动项目（XN277，110051360002）；毓杰团队项目（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)
孙伟（1997—），男，硕士，主要研究方向为表面工程。
SUN Wei (1997-), Male, Master, Research focus: surface engineering.
张淑婷（1978—），女，博士，教授，主要研究方向为表面工程。
ZHANG Shu-ting (1978-), Female, Doctor, Professor, Research focus: surface engineering.
孙伟, 张淑婷, 杜开平, 等. SiC颗粒对汽油机活塞顶面镀层应力影响的有限元分析[J]. 表面技术, 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.
责任编辑：彭颋
