[发明专利]一种轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞及制备方法

说明书

本发明公开了一种轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞及制备方法，属于汽车活塞结构设计及加工技术领域。该钛合金点阵结构活塞包括，火力岸高度较小的活塞头部；具有扇形减重凹槽、减重圆孔和圆弧形减重凹槽的活塞销座；具有内部点阵结构和外部壁板的活塞裙部。该钛合金点阵结构活塞的制备方法包括，构建三维模型；对三维模型切片并利用路径规划软件处理得到填充和轮廓的成形路径；以钛合金粉末等为原料，利用金属3D打印设备的3D打印系统，依次进行所述填充和所述轮廓的打印成形；直到成形完整钛合金点阵结构活塞。本发明的钛合金点阵结构活塞及制备方法具有应力集中较小、兼顾轻质、高强和耐高温，生产周期短以及稳定性好等优点。

技术领域

本发明属于汽车活塞结构设计及加工技术领域，具体涉及一种轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞及制备方法。

技术背景

活塞是发动机中将燃料的内能转化为动能的核心零部件，需在汽缸内承受高温、高速摩擦和往复循环载荷，对发动机的可靠性和耐久性具有决定性作用。活塞的重量会显著影响高速运动过程中惯性力的大小，对发动机的总重量起到决定性影响；另外，随着发动机功率密度的进一步提升，燃气爆发压力不断增大，对活塞的强度和耐高温能力均提出了更高的要求。因此，开发轻质、高强和耐高温的活塞具有重要意义，是目前活塞的重要发展方向。

传统的活塞多为铝硅合金等铝合金材料，通过铸造和机械加工等方式制备，存在强度较低、耐高温能力不足、生产周期长和稳定性差等缺点。而且为了满足活塞各部分的功能要求，铝合金活塞的结构通常为体积和厚度较大的实体结构，具有重量较大和局部容易产生应力集中等缺点。针对这些问题，目前已有的解决措施主要有以下两种：

(1)使用钢铝组合式活塞。在耐高温能力和强度要求较高的活塞顶面部分使用钢，活塞其余部分使用重量较轻的铝，两部分通过螺栓连接等方式组合在一起。这种方式兼顾了活塞的轻量化和强度的提升，但钢铝连接部位在使用中应力集中较为严重，易出现失效等问题，且其重量依然较大。

(2)对活塞进行轻量化设计及结构优化。例如，增加减重凹槽、使用窗型结构和增大过渡圆角等。这些方式在一定程度上降低了活塞的重量，但受限于材料强度和传统制备方法，这些轻量化设计和结构优化的减重及减小应力集中的效果较为有限，且无法兼顾活塞强度的提升。

因此，开发生产周期短，稳定性好，应力集中小，兼顾轻质、高强和耐高温的新型活塞及其制备方法，具有十分重要的意义。

发明内容

针对传统活塞及其制备方法存在的应力集中大，无法兼顾轻质、高强和耐高温，生产周期长以及稳定性差等不足，本发明的目的是提供一种轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞及制备方法。该轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞采用比强度高且耐高温能力强的钛合金作为活塞材料，并根据活塞不同部位的功能要求，对活塞进行差异性轻量化设计，同时将轻质、比强度高和抗冲击的点阵结构引入活塞轻量化结构设计中，解决传统活塞无法兼顾轻质、高强和耐高温的问题，并通过对点阵单胞结构和形状的设计，使活塞工作过程中点阵结构能够充分弹性变形，将受力较大的活塞头部的应力分散到受力较小的活塞裙部，减小活塞头部的应力集中；通过金属3D打印技术对所设计的轻质高强耐高温钛合金点阵结构活塞进行一体化成形，解决传统活塞制备方法存在的生产周期长和稳定性差等问题。