图1  活塞销方向上燃烧室边缘开裂引起底部开裂外观

本文介绍了一种用于铸造活塞的全新的过共晶铝合金，改进的活塞铸造工艺以及先进的金属重熔技术。这些技术获得的新的材料微观组织提高了现代柴油机活塞燃烧室在高温高负荷循环中的疲劳强度。与目前使用的过共晶合金金相比较，新的合金因成分和材料属性的改变而提高了材料的性能。新的铸造工艺极大地减少了铸造时产生的氧化物杂质，从而保持原材料的机械性能。

现今柴油机技术发展，给活塞能够承受的热负荷和机械载荷提出了更高的要求，同时对活塞的体积以及重量也有更加严格的限制。而如今普遍采用的硅铝合金活塞越来越无法满足现代活塞设计的要求，因此活塞材料性能的提高事在必行。由于活塞室内温度和压力可迅速达到甚至超过400℃和20MPa，热机械疲劳（TMF）和高周疲劳（HCF）的相互作用导致燃烧室喉口和底部过早出现疲劳裂纹。

燃烧室过早疲劳失效结构

在燃烧优化应用中，高速柴油机应用具有特色的燃烧室设计，采用较小喉口高度以及减小边缘半径，增加了气缸内的涡流、紊流运动，使燃烧更清洁，更富有效率。某些应用过程中暴露在喉口边缘的急燃气体最高温度会超过420℃，从而导致热机械负荷增加。高速循环中燃烧压力增加使得机械压力随之增高，在当前过共晶合金的应用中会产生难题，过共晶合金的熔点，仅仅超出了最大燃烧温度60～70℃。

在发动机负荷作用下，活塞的加热或冷却产生温度梯度，进而引起活塞燃烧室边缘热机械疲劳的产生。局部的热应力约束条件受到影响，在加热压缩过程和冷却拉伸过程中引起热应力波动变化。燃烧室的TMF循环可描述为脱离了与几何设计尺寸、零部件热惯量、发动机负荷情况等有函数关系的循环。根据微观术语，在铝化合物和过共晶铝硅合金表面因热循环引起膨胀、压缩会减少压力。经常改变热应力标准（热循环）和微观塑性会导致裂纹产生。

活塞负荷中存在两个TMF循环，第一循环定义为活塞循环中经每720°由温度波动引起的高速循环。第二个循环描述为低速循环，伴随发动机负荷变动会引起短暂的温度变化。TMF高速循环现象仅仅发生在活塞顶部表面，如同快速循环时间（0.03s，4000r/min）相对活塞的热惯量性能作用一样，高速循环对于相对表面下的相对较小穿透深度的作用也受到了限制。

图1显示了位于活塞燃烧室底部在销孔方向的活塞失效情况。对于机械负荷较大变化的区域，因为TMF循环的重合而加速了销孔方向失效的进程。图2显示活塞主推力面的燃烧室边缘失效。这种活塞失效发生往往是高速循环机械负荷受压的区域，定义为TMF循环剧烈运动时，在高速循环压力作用下的产物。

图2  由HCF和TMF压应力造成的活塞燃烧室裂纹外观

措施

活塞燃烧室边缘或底部的过早疲劳失效会引起整个发动机故障。考虑到温度和压力对于现代柴油燃烧室的不利影响，而且它们在未来发展中要求不断提高，必须找到新材料来解决问题，这些材料必须具有改进合金主要性能和潜能、优化铸造过程结果、改进最大负荷区域微观结构等特点。

合金特性的含义

高性能柴油发动机对活塞要求越来越高，考虑到TMF和HCF对活塞造成过早破坏的机理，可以看出，材料的开发必须把重点放在如何获得一个在高温循环工况下具有较强抗拉能力的材料。伴随燃烧室温度不断升高，随之产生的热负荷使得在合金开发中重心落在TMF强度性能上。然而，这个材料必须在其他高速循环正常工作，汽车活塞应用中不使用过共晶合金材料性能情况下得以发展。任何新材料都需要具备以下属性：在更长的使用寿命期间，在温度200～440℃之间增加高周疲劳强度；在超强的TMF和HCF运行工况下具有高的疲劳强度；低热膨胀性；高热传导性；优良的耐磨损性能；具有优良的铸造性，进而有较低的收缩率及疏松性。

铸造工艺的影响

如果活塞充分暴露在高温高负荷情况下，确保全工况下保持相对较低流动紊动性能就显得非常重要。因为氧化物杂质会降低铝合金性能，辉门公司开发出新的铸造工艺可充分利用材料的基本疲劳特性。这个过程中铸液先经过陶瓷滤器，再从模具底部灌入到模槽中。这种浇铸方法有以下优点：首先，过滤器中的平行管道保证铸液层流稳定流动。其次，需要填充的横截面逐渐减少，并被设计为与自然锥形融合相匹配，这样有助于减少相对流动条件。因此，融化过程是从底部伴随着无杂质的、缓慢的层流流动浇铸到模具中的。流动速度一般保持在50cm/s以内，熔体表面保持稳定。

总而言之，新型铸造工艺应用陶瓷过滤和底部灌注技术可以持续降低铸造成分中氧化物等杂质。经过疲劳实验验证，过早疲劳失效情况大量减少。

同时，考虑到底部灌注工艺的作用，辉门公司当前使用的水平轴向铸造方法还能够在更多适宜的系统下运行。铸造过程中产生的任何氧化物杂质，都会聚集在活塞裙上方气口区域，这个区域是活塞非重要的填充区域。

图3  HD燃烧室边缘重熔活塞和100%铸造活塞二者的使用寿命

燃烧室边缘强度

通过优化铸造工艺，提高了合金的疲劳强度。然而铸造工艺通常会导致整个活塞具有相同的材料属性。从应用的角度看，在设计中对局部负荷较大的区域进行强度加强是必要的。

1．燃烧室边缘重熔

尽管使用铝合金，燃烧室边缘和底部的热循环强度也会随着局部后处理工艺而提高。出于这个目的，辉门公司开发了名为“DuraBowl”的工艺。这种工艺利于钨极惰性气体焊接（TIG）。铸造后的活塞毛坯被部分加工，在活塞室边缘留有一定的公差。燃烧室周向边缘部分由多焊点机器人焊接，通过一定的循环程序，将能量输入到燃烧室边缘，使其局部熔化。

借助于精确的电子控制技术，通过检测经多次重熔工艺处理的活塞，可以看到重熔区域光滑和均匀的表面。燃烧室边缘重熔后的尺寸和最终活塞尺寸十分接近。经过机械加工后得到燃烧室的最终尺寸。

2．重熔工艺的局部加强效应归因于快速局部凝结。较大的温度梯度使得活塞合金比铸铁有更加良好的微观结构。重熔合金组织具有更高的强度。重熔后微观组织中的初级硅和金属化合物经细化为原来的十分之一。因此，活塞边缘的裂纹很大程度减少，尤其是在活塞进行热冲击实验充分暴露在剧烈热循环的情况下。

发展重熔工艺对于其中可能存在的风险也在大量探索研究中。在受热影响区域减小机械属性的主要风险有氧化物变形、产生气孔，热撕裂等。同样重熔处理深度不够也会导致重熔材料被加工去除，使得燃烧室边缘不再存有改善的材料。

3．燃烧室边缘加强后的发动机验证

燃烧室边缘区域局部应力加强的效果通过商用车的室内热循环实验和发动机实验得以验证。

在重型车应用中，增加的耐久效果非常明显。如图3所示，经过2000h的发动机实验，燃烧室边缘重熔区域没有任何损害产生。这充分表明燃烧室边缘经过这种方法局部应力加强之后，活塞使用寿命可以得到极大的延长。

结语

即使燃烧室温度、压力持续上升，铝铸活塞的疲劳强度潜能仍然没有被完全开发。新型FM-B3合金在瞬态负荷影响下的高温疲劳强度仍然可以不断得以优化在更多乘用车和商用车柴油发动机应用中。

为了利用这种材料或其他铝合金的基本强度特性，新型铸造工艺为制造提供了一种技术选择方法。具有陶制滤器和活塞底部填充的结构使得熔液的层流运动得到控制，防止下面产生新的氧化物杂质，减少了零部件在大负荷情况下的磁化失效，避免了结构上的铸造缺陷。

通过新型DuraBowl重熔工艺，使得燃烧室边缘和底部原本受压很大的区域得以加强。通过和铸造材料相比较，这种工艺证明可以有效的延长活塞的使用寿命。

通过个体发动机新型材料的应用，新型铸造工艺和新的局部处理方法可以分别使用或者针对个体发动机运行时适用于活塞疲劳强度。这些在早期任一发动机开发中的工艺都可应用于要求日益严格的活塞生产中。

总而言之，这些新技术的发展对于经济型铝制铸造活塞，甚至是高负荷情况下，都有助于延长使用寿命。