发动机是舰船的心脏。舰船的发展与发动机的进步有着直接的关系。内燃机动力在未来 30～50 年仍是舰船的主要动力，但必须面对低碳减排和节油的挑战。活塞作为发动机的极其重要部件之一，其结构设计和材料的选择直接影响着发动机效率、油耗、噪声、排放、寿命等[1]。目前，发动机的发展方向主要朝着高功率、高转速、低油耗、低排放量进展[2][3]。发动机效率的逐步提升，随着热负荷的增加，随之而来的负面影响也在增多。例如：缸内最大爆发压力过大，会导致各零部件(缸盖、缸体和活塞等)承受机械负荷变大，强度不足发生破坏；工作温度超过材料承受能力，产生烧熔、蠕变、热疲劳和变形等；活塞温度过高，发生卡环现象。虽然提高发动机的转速可以减少缸内的热量损失，但同时会增加 NO 的排放量，造成环境污染。为解决此类问题，人们开始寻求热障涂层的帮助。

所谓热障涂层(TBCs)是指由金属缓冲层或称金属粘结层和陶瓷表面涂层组成的涂层系统。陶瓷层是借助于这一中间的抗氧化作用的合金粘结层而与基体连结的。这一中间过渡层减少了界面应力,避免了陶瓷层的过早剥落。随着科学技术的进步,航天、航空、燃气发电、化工和冶金等众多领域促进了热障涂层的研究与发展。高炉的送风口和出渣口要在1100～ 1450℃下经受高速煤粉的冲刷和铁水的溶蚀,而应用TBCs作为耐热防护涂层,则可使其使用寿命显著提高;应用TBCs的新型雾化金属喷嘴具有极佳的抗腐蚀和抗热震性能,工作寿命长且对于保证超细粉末质量有显著作用;在汽车工业方面,发动机进出气口采用TBCs的阀座可降低该部件的损耗;TBCs也多用于以轻金属铝合金为基体材料的活塞式气缸顶部和边缘。一些专家认为,在未来10年,TBCs将会用到更加广阔的领域[4,5]。

1.2国内外的研究现状分析：

国内热障涂层的研究开始比较晚，加之热障涂层在工业发达国家被列为保密技术，对我国一直实行封锁，因此我国的热障涂层与国外先进技术水平相比尚有明显的差距。为满足我国航空航天、船舶、能源、核工业等领域高速发展对高温防护涂层的迫切需求，。中科院金属所提出的微晶涂层、双相合金高温氧化机理在国际上产生了重要的影响；广州有色院、北京航空材料研究院等单位先后发展了1150℃以下抗高温氧化MCrAlY涂层并获得成功的应用；上海硅酸盐所研制的纳米陶瓷涂层及制备技术、北京科技大学研制的微弧氧化涂层及制备技术促进了高温防护涂层结构与制备技术的发展；金属所、长春应化所、清华大学、北京理工大学、大连理工大学等单位相继开展的热障涂层材料技术及高温氧化行为研究对热障涂层的发展起到了重要的作用。

北航自“九五”期间引进我国第一台用于热障涂层制备的大功率EB—PVD设备，率先在国内开展了EBPVD热障涂层研究，突破了燃气涡轮叶片YSZ/MCrAIY热障涂层制备关键技术，掌握了MCrAIY粘结层成分和组织控制技术、陶瓷层柱状晶生长取向控制技术、叶片涂层厚度控制技术、涂层后气膜冷却孔尺寸控制技术等多个涡轮叶片热障涂层制备关键技术，研制的YSZ/MCrAIY热障涂层已经在多个型号燃气涡轮发动机叶片上获得应用。北航针对传统结构热障涂层服役寿命低的问题，提出了一种新型梯度结构热障涂层GB-TBC，掌握了梯度涂层成分和结构的精确控制技术，采用EB-PVD制备的GB-TBC已经在我国燃气涡轮发动机涡轮叶片上获得应用。

与国外热障涂层技术的研究相比，无论是装备、工艺、材料和基础研究等方面，都存在较大的差距，特别是对厚层—低应力热障涂层技术缺乏研究，涂层难以有高的疲劳寿命和可靠性，这已严重制约着我国发动机及相关产业的发展，亟须开展高性能热障涂层技术研究。热障涂层未来的研究方向主要有以下几个方面：①耐高温、高隔热、抗烧结的新一代热障涂层陶瓷层材料研究；②抗高温氧化、与新型陶瓷层以及先进的高温合金单晶界面匹配的热障涂层粘结层材料研究；③高可靠、经济性的新型热障涂层制备技术研究；④先进的热障涂层寿命评估方法和技术研究。

2. 研究的基本内容与方案

2.1

2.1 以传热学为理论基础，综合实验与数值计算对发动机活塞稳态温度场进行测量。

2.2 采用Creo三维建模软件建立发动机活塞的三维模型以及运用AutoCAD制图软件绘制发动机活塞二维图形。

2.3 分别运用硬度塞和热电偶测温法测量活塞稳态温度场，从测量精准度和测量成本及方便程度等多角度考量和评估。