3D打印钛合金燃烧室的内燃机铝合金活塞及其制备方法技术

本发明专利技术提供3D打印钛合金燃烧室的内燃机铝合金活塞及其制备方法，属于金属材料复合制备技术领域，该内燃机铝合金活塞包括活塞主体以及采用3D打印技术在所述活塞主体的顶部逐层打印3D打印层，用于隔热；所述3D打印层采用的材料的高温抗拉强度高于所述活塞主体采用的材料的高温抗拉强度。该铝合金活塞采用3D打印技术在活塞主体的顶部表层逐层打印耐热性高、导热系数较低的3D打印层，用于隔热，在有效提高活塞工作温度的同时，保证轻量化。该方法采用3D打印技术在活塞主体的顶部打印一层3D打印层，工艺简单，效率高，精确度高，毛坯加工余量少，且3D打印层与活塞主体的结合强度高。

【技术实现步骤摘要】
3D打印钛合金燃烧室的内燃机铝合金活塞及其制备方法
本专利技术属于3D打印
，具体涉及一种3D打印钛合金燃烧室的内燃机铝合金活塞及其制备方法。
技术介绍
3D打印是一种快速成型技术，主要以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。3D打印技术由开始的模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，之后逐渐用于产品的直接制造，目前，已经有使用这种技术打印而成的零部件。但是在内燃机活塞上的应用还未见报道。随着人们对内燃机轻量化和小型化要求日益增长，同时功率也需要大幅提高，因此需要提高内燃机的功率密度，而高压共轨喷油和涡轮增压技术的发展为我们提高功率密度得到保障。但是功率密度的提升使得内燃机燃烧室关键构件需要承受高温、高压及高工作频率，尤其是活塞，因而要求燃烧室关键构件材料必须满足高强韧、高抗热机疲劳性、高热稳定性及低热膨胀系数的要求。目前使用的整体铸造铝合金活塞在高功率密度工况下，极易产生开裂、烧蚀、拉缸和碎裂，主要是因为活塞铝合金材料高温性能已经达到极限，活塞燃烧室经常出现烧蚀，造成内燃机故障，因而现有的铝合金活塞已经不能满足大于400℃的高温工况下的使用要求，所以迫切需要开发一种新的内燃机活塞结构来解决上述问题，同时保证轻量化要求。现有内燃机活塞的制造形式主要有：一、采用金属模具整体铸造铝合金活塞、液态模锻铝合金活塞及电子束焊接锻造铝合金头部和裙部活塞，其耐热温度最高到400℃，已经不能满足当前发展需求；二、模具锻造钢活塞，其不符合现在轻量化发展理念；三、模具锻造铝合金裙部和钢头部进行铰接活塞，其工艺复杂、轻量化程度低、铰接的地方容易断裂；四、铝合金活塞顶部镶嵌耐磨层和活塞燃烧室进行隔热镀层或涂层，其制备工艺复杂，镀层和涂层厚度太薄只能达到几十微米，隔热效果不明显；镀层和涂层与铝合金的结合强度较低，容易脱落，脱落碎片很容易造成内燃机故障。因此，为了解决上述问题，急需开发一种新的内燃机活塞以及铸造方法，在提高制造效率及结合强度的同时具有耐高温、轻量化的特点。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种3D打印钛合金燃烧室的内燃机铝合金活塞，该铝合金活塞采用3D打印技术在活塞主体的顶部表层逐层打印耐热性高、导热系数较低的3D打印层进行隔热，在有效提高活塞工作温度的同时，保证轻量化。本专利技术的另一个目的在于提供一种3D打印钛合金燃烧室的内燃机铝合金活塞的制备方法，该方法采用3D打印技术在活塞主体的顶部逐层打印3D打印层，工艺简单，效率高，精确度高，毛坯加工余量少，且3D打印层与活塞主体的结合强度高。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下。一种3D打印钛合金燃烧室的内燃机铝合金活塞，该内燃机铝合金活塞包括活塞主体以及采用3D打印技术在所述活塞主体的顶部逐层打印3D打印层，用于隔热；所述3D打印层采用的材料的高温抗拉强度高于所述活塞主体采用的材料的高温抗拉强度。进一步，所述活塞主体的材料为铝合金；所述3D打印层的材料为TC4钛合金与铝合金的混合物，且所述3D打印层的表层材料为TC4钛合金。进一步，所述3D打印层的材料包括第一粉体和第二粉体，所述第一粉体为TC4钛合金粉，所述第二粉体为铝合金粉；所述3D打印层是采用3D打印技术在所述活塞主体的顶部依次打印第一打印层、第二打印层和第三打印层；所述第一打印层由送粉速度为3-6g/min的第一粉体以及送粉速度为6-9g/min的第二粉体打印而成；所述第二打印层由送粉速度为5-8g/min的第一粉体以及送粉速度为4-7g/min的第二粉体打印而成；及所述第三打印层由送粉速度为8-15g/min的第一粉体打印而成。更进一步，所述3D打印层的厚度为3-15mm。更进一步，所述第一打印层的厚度为1mm；所述第二打印层的厚度为1mm。进一步，所述活塞主体是采用整体铸造方式形成的一体化结构；所述活塞主体的顶部外侧设置有一圈铸铁镶圈，所述活塞主体内设置有环形冷却油道，所述环形冷却油道设置于所述铸铁镶圈的内侧，所述活塞主体的裙部设置有销孔。上述3D打印钛合金燃烧室的内燃机铝合金活塞的制备方法，包括以下步骤：S1、采用整体铸造方式浇注制备活塞主体毛坯件；S2、计算机辅助建立3D打印层的三维结构模型，并利用3D打印设备在活塞主体毛坯件的顶部逐层打印3D打印层。进一步，S2中，在打印出3D打印层之前，还包括预合金化粉末，所述预合金化粉末中采用的金属粉末包括第一粉体和第二粉体，所述第一粉体为TC4钛合金粉，所述第二粉体为铝合金粉。其中，TC4钛合金粉的球形率>90％，松装密度>5.5g/cm3，粒度为75-100μm；铝合金粉的球形率>90％，松装密度：>2.6g/cm3，粒度：100-200μm。更进一步，S2中，3D打印层的打印方法包括以下步骤：S2.1将干燥后的第一粉体和第二粉体分别装入与其对应的送粉系统的储粉罐中，启动3D打印机和送粉系统；S2.2、将第一粉体采用3-6g/min的送粉速度，第二粉体采用6-9g/min的送粉速度在活塞主体的顶部进行第一打印层的打印；S2.3、将第一粉体采用5-8g/min的送粉速度，第二粉体采用4-7g/min的送粉速度在第一打印层上进行第二打印层的打印；S2.4、将第一粉体采用8-15g/min的送粉速度在第二打印层上进行第三打印层的打印。进一步，S1中，所述活塞主体毛坯件的具体制备过程包括以下步骤：S1.1、利用电阻炉熔炼活塞主体用铝合金a和铸铁镶圈渗铝用铝合金b，同时将可溶盐芯置于保温炉中保温；S1.2、用熔炼的铝合金a进行模具预热，待模具温度达到250-350℃后用铝合金b开始在铸铁镶圈渗铝；S1.3、将保温好的盐芯和渗铝后的铸铁镶圈分别安置在模具内的定位装置中，用熔炼的铝合金a浇注模具，得到活塞主体毛坯件。更进一步，铝合金a是耐热铝合金，用来制备活塞主体；铝合金b是普通的Al-7Si合金，用来预热镶圈及在镶圈上渗入部分铝液，以满足镶圈和活塞主体的粘结度。本专利技术的有益效果：1、本专利技术的3D打印钛合金燃烧室的内燃机铝合金活塞，活塞主体采用整体铸造方式制造，制造工艺简单，制造效率高。2、本专利技术在活塞主体的顶部表层采用送粉方式逐层打印3D打印层，且3D打印层靠近燃烧室的顶层为TC4钛合金。TC4钛合金的导热系数约为10w/m·k左右，密度为4.51g/cm3，室温力学性能(25℃)Rm≥895MPa，抗拉强度(400℃)Rm≥620MPa，持久强度σ100h≥570MPa。大大提高了内燃机铝合金活塞的耐热性，并且比整体铸造的活塞主体的重量只增加了0.5-2％，保证轻量化，并且可以在500℃下正常工作。当活塞工作过程中，3D打印层的温度达到500℃时，因有油道冷却作用，活塞主体和3D打印层的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印钛合金燃烧室的内燃机铝合金活塞，其特征在于，该内燃机铝合金活塞包括活塞主体(1)以及采用3D打印技术在所述活塞主体(1)的顶部逐层打印3D打印层(2)，用于隔热；/n所述3D打印层(2)采用的材料的高温抗拉强度高于所述活塞主体(1)采用的材料的高温抗拉强度。/n

【技术特征摘要】
1.一种3D打印钛合金燃烧室的内燃机铝合金活塞，其特征在于，该内燃机铝合金活塞包括活塞主体(1)以及采用3D打印技术在所述活塞主体(1)的顶部逐层打印3D打印层(2)，用于隔热；
所述3D打印层(2)采用的材料的高温抗拉强度高于所述活塞主体(1)采用的材料的高温抗拉强度。


2.根据权利要求1所述的内燃机铝合金活塞，其特征在于，所述活塞主体(1)的材料为铝合金；所述3D打印层(2)的材料为TC4钛合金与铝合金的混合物，且所述3D打印层(2)的表层材料为TC4钛合金。


3.根据权利要求2所述的内燃机铝合金活塞，其特征在于，所述3D打印层(2)的材料包括第一粉体和第二粉体，所述第一粉体为TC4钛合金粉，所述第二粉体为铝合金粉；
所述3D打印层(2)是采用3D打印技术在所述活塞主体(1)的顶部依次打印第一打印层(21)、第二打印层(22)和第三打印层(23)；
所述第一打印层(21)由送粉速度为3-6g/min的第一粉体以及送粉速度为6-9g/min的第二粉体打印而成；
所述第二打印层(22)由送粉速度为5-8g/min的第一粉体以及送粉速度为4-7g/min的第二粉体打印而成；
所述第三打印层(23)由送粉速度为8-15g/min的第一粉体打印而成。


4.根据权利要求3所述的内燃机铝合金活塞，其特征在于，所述3D打印层(2)的厚度为3-15mm。


5.根据权利要求4所述的内燃机铝合金活塞，其特征在于，所述第一打印层(21)的厚度为1mm；所述第二打印层(22)的厚度为1mm。


6.根据权利要求1所述的内燃机铝合金活塞，其特征在于，所述活塞主体(1)是采用整体铸造方式形成的一体化结构；
所述活塞主体(1)的顶部外侧设置有一圈铸铁镶圈(11)，所述活塞主体(1)内设置有环形冷却油道(12)，所述环形冷却油道(12)设置于所述铸铁镶圈(...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建平，郭永春，夏峰，杨伟，杨忠，李艳，
申请(专利权)人：西安康博新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61