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柴油发动机活塞用铝基材料研究进展及失效分析

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柴油发动机活塞用铝基材料研究进展及失效分析

责任编辑:澳门威尼斯app下载??? 发布时间:2020-08-31 ??? 【

摘 要:活塞作为柴油发动机的核心部件之一,恶劣的服役工况对其材料有特殊的要求。概述了活塞用铝基材料的发展状况,包括合金系(Al-Cu-Si系、Al-Cu-Ni-Mg系、共晶型 Al-Si-Cu-Mg系和过共晶型A1-Si-Cu-Mg系)与复合材料系(SiC/Al基复合材料、Al2O3/Al基复合材料和TiC、TiB2/Al基复合材料等),并先容了不同材料的适用范围。同时,归纳了常见活塞铝基材料的失效机制,包括磨损、机械损伤以及顶部开裂等。其中,活塞因磨损造成的失效在统计活塞失效机制中所占比例较大,具体可分为粘着磨损失效和磨粒磨损失效。针对活塞磨损失效提出了相关改善措施,如材料成分选取和制备方法选取等。此外,针对柴油发动机在实际运行工况中,因活塞所处部位存在润滑油不完全燃烧造成的含硫、氮等腐蚀性气氛而加速磨损的问题,可依托该气氛与相应增强相的反应,使其接触表面生成自润滑膜而减少甚至抑制磨损,进而延长柴油发动机活塞的使用寿命。

关键词:活塞;铝基材料;磨损失效;改善措施;腐蚀性气氛;自润滑膜

活塞是柴油发动机中工作强度最大的零部件之一,被称为发动机的心脏[1]。作为发动机的心脏,活塞在运行工况中承受着巨大的机械负荷和热负荷,工作条件十分苛刻,其质量的好坏直接决定了发动机的使用寿命。而材料是决定活塞性能的关键因素,常用的活塞材料有铸铁活塞、铸钢活塞、镶体活塞、陶瓷活塞、铝合金活塞以及铝基复合材料活塞。其中铸铁、铸钢活塞密度大,加工麻烦,成本高,对缸套的磨损严重;镶体活塞在镶圈和铝合金界面上易生热疲劳裂纹,使得活塞的疲劳强度、抗咬合性能降低;陶瓷活塞脆性大,热导率低;这些缺点均在一定程度上限制了它们在活塞中的使用[2-4]。活塞用铝基复合材料以铝为基体,通过纤维和颗粒增强两种形式加工制成,对活塞的整体和局部起到增强的作用[5-7]。同时,其材质轻、耐磨性好、动载荷小,与基体合金相比,材料的抗热疲劳性能和高温强度有明显提高,且其线膨胀系数较低,故而受到了各国学者的关注[8-11]。活塞在发动机中的功能是承受气体压力,通过活塞销传给连杆驱动曲轴旋转。由于所处工况恶劣,活塞极易受损而致失效,常见的活塞失效机制有磨损、机械损伤以及顶部开裂[12-13]。其中,活塞因磨损造成的失效在统计活塞失效机制中所占比例较大,主要有两种形式——粘着磨损导致拉缸和磨粒磨损导致密封面破坏[14]。此外,针对柴油发动机实际工况运行中,活塞所处部位存在润滑油不完全燃烧造成的含硫、氮等腐蚀性气氛而加速磨损的问题,可依托该腐蚀性气氛,使之与相应的增强相反应,在其表面生成自润滑膜,进而减小甚至抑制磨损[15]。随着内燃机升功率的提高,活塞的服役状况将变得更为恶劣,从而对活塞所用材料的性能提出了更高的要求。

1 活塞用铝基材料的发展

铝合金的密度小,能显著减少活塞的质量及其往复运动时所产生的惯性力,故而活塞用铝合金常常应用于中、小缸径的中、高速内燃机上,且以应用在汽车发动机中最为常见[1,16-18]。在承受同样强度的情况下,铝合金制得的活塞在使用工况下产生的惯性力比钢铁材料制得的急剧减小,铝合金材料在活塞中的使用对增加高速内燃机的减振能力和降低其比质量有着重要的意义。同时,材质较轻的铝合金活塞运动时,在缸壁处所产生的侧压力及冲击力均较小,由此进一步减小了活塞组与活塞销及缸壁的摩擦力,且降低它们的磨损量。此外,铝合金的导热性能好,铝合金活塞在运行过程中,其表面温度比铸铁低,顶部的积炭也较少[3]。常见的铝活塞材料有Al-Cu系和Al-Si系,目前使用较广泛的是 Al-Si系合金,而 Al-Si系合金的发展又可分为Al-Cu-Si系、Al-Cu-Ni-Mg系、共晶型Al-Si-Cu-Mg系和过共晶型A1-Si-Cu-Mg系。其中Al-Cu-Si系和Al-Cu-Ni-Mg系由于线膨胀系数大、比重大等劣势,已被淘汰。过共晶铝硅合金未经过变质处理时,合金中存在粗大长针状共晶硅及大块状初晶硅组织,致使基体严重割裂,降低材料的机械性能及切削加工性能,同时活塞的热导率也严重下降。针对这些问题,可采用适当的变质细化及热处理进行改善,但热处理会增加活塞的成本,因而除了特殊需要,如赛车、高速摩托的活塞外,该类合金很少使用[19-20]。当下国内使用的活塞用铝合金主要是共晶型铝硅合金,如ZL108、ZL109。ZL108中所含主要元素是Al、Si、Cu、Mg,具有优良的铸造性能和气密性;而ZL109中调整了 Al、Si、Cu、Mg元素所占比例,且添加了 Ni元素,因而具有较好的高温性能,通常用来铸造中强度的复杂铸件,如电动机壳体、汽缸体、发动机活塞等[21]

铝基复合材料以Al为基体,具有较好的可塑性和强韧性,随着增强相的加入,材料的抗拉、抗压强度以及耐磨、耐压、耐蚀性得到质的提高[22-24]。目前常见的铝合金基体主要有Al-Si、Al-Mg和Al-Cu等。不同的铝合金基体具有不同的性质,故在选取时应考虑其与增强相的润湿性、性能互补性及实际应用对基体材料的要求[25]。而常见的增强相有 SiC、Al2O3、TiC、TiB2、TiN等。它们的共同特点是熔点高,比强度及比刚度高,并具有良好的化学稳定性[26]。活塞用铝基复合材料在服役过程中,由于活塞同时承受较强的热负荷和机械负荷,导致复合材料中的增强相与基体的界面产生损伤,进而使材料的力学与磨损性能大幅下降,使得活塞用铝基复合材料容易发生失效现象。随着柴油发动机强化程度的提高和更新换代的要求,活塞的服役状况将变得更为恶劣,这就要求材料具有更优异的性能和更高的服役安全性。此外,材料的发展离不开失效问题的解决,因此活塞用铝基材料失效问题的解决对该类材料在活塞中的发展起着至关重要的作用。

2 活塞用铝基材料的失效机制

活塞是柴油发动机中工作强度最大的零部件之一,且其所处工作环境十分恶劣,加之错误的使用和不当的维修,使得活塞容易发生损伤而失效。目前活塞常见的失效形式有:磨损、机械损伤及顶部开裂。据不完全统计,活塞因磨损造成的失效在整个失效机制中所占比例较大。

2.1 磨损

作为内燃机工作条件最苛刻的零部件之一,活塞在高速往复运动中传递着整个内燃机的原动力。一方面,活塞在内燃机中直接与高温燃气接触,承受极高的热负荷;另一方面,它同时受到燃气爆发压力、活塞销支反力、与缸套的接触力及摩擦力、与活塞环的接触力及摩擦力、惯性力等机械力作用,又承受极高的机械负荷。活塞在高温(工作温度顶部高达约430 ℃)、高压(3~5 MPa)及腐蚀工况(含 SO2、SO3、NOx等)下运行,承受反复交变载荷,且在气缸中往复运动的速度很高(10~14 m/s),导致其承受腐蚀、摩擦和磨损等破坏[13,27]

按照磨损形式,活塞磨损失效可分为两类。一是粘着磨损导致拉缸。柴油发动机在工作过程中温度较高,活塞环与缸套之间的滑动油膜随温度升高而变薄,油膜表面承载能力下降,当油膜破裂后摩擦副之间直接接触,产生固相焊合,从而导致粘着磨损。二是磨粒磨损导致密封面破坏。在发动机运行过程中,由于吸入硬颗粒或油料不洁带入硬颗粒引起缸套和活塞环接触面的材料破坏,分离出的磨屑造成磨粒磨损[28]。目前,国内外对活塞材料磨损失效的研究主要集中在室温,干、油润滑状态下,对含硫、氮等腐蚀性气氛下的磨损失效研究较少[29]。根据 ASTM G181-11标准[30],柴油发动机活塞材料在含硫、氮等腐蚀性气氛下的边界润滑示意图如图1所示。

图1 活塞边界润滑示意图[30]
Fig.1 Boundary lubrication of piston[30]

按照磨损部件,活塞磨损又分为活塞环槽磨损、顶部燃烧室烧毁、活塞裙部擦伤磨损。在柴油发动机运转过程中,活塞环槽与活塞、活塞销座孔与活塞销、活塞裙与缸壁分别构成相应的摩擦副。随着高温高压燃气的增加,活塞所承受的热负荷与机械负荷越来越大,且在润滑条件极差的缸套内高速往复运动,承受着极大的惯性力,所以这些摩擦副磨损程度迅速增大[12]

2.2 机械损伤和顶部开裂

2.2.1 机械损伤

柴油发动机活塞发生机械损伤有两个主要原因:燃烧室存在异物和活塞顶与气门头部的撞击[12],具体见表1。

表1 柴油发动机活塞机械损伤原因
Tab.1 The mechanical damage reasons of diesel engine piston

2.2.2 顶部开裂

活塞顶开裂主要是由于柴油机载荷反复变化而产生的热应力循环,气缸内燃烧压力周期性变化而产生的机械应力循环,活塞顶表面的高温,以及钢顶和铝裙装配间隙不当而产生的附加应力等因素综合作用的结果[31-32]

3 活塞用铝基材料性能改善方法

随着柴油发动机升功率的提高,活塞的服役工况将变得更加恶劣,从而对活塞的磨损抗力提出了更高的要求,所以解决滑动面的磨损非常关键。众所周知,材料的耐磨性能与其本身所含成分及存在形式密切相关。对于最近几年发展势头较好的活塞用铝合金及铝基复合材料而言,可通过复合材料中增强相及其制备方法的选取、合金元素的选择来改善材料的耐磨性。此外,也可采用活塞表面强化等保护方法来提高柴油发动机活塞的磨损抗力,减少活塞失效行为发生的频率。

3.1 活塞用铝合金及铝基复合材料的选取

3.1.1 基体和增强相选取

常见的铝合金基体主要有Al-Si、Al-Mg和Al-Cu等。Al-Si系铝合金有良好的铸造性能和耐磨性能,热胀系数小;Al-Cu系铝合金的高温强度较高,可用于制作承受大的动、静载荷和形状不复杂的砂型铸件;Al-Mg系铝合金的密度小、强度高,室温下有良好的综合力学性能和可切削性。可根据柴油发动机不同服役工况及升功率的要求选择相应的基体材料。

颗粒增强铝基复合材料的性能主要由增强相的尺寸、体积分数、分布以及增强相与基体相的界面结合等决定。目前,国内外对颗粒增强复合材料的研究已经较为广泛。李桂荣等[33]利用 Al-Zr(CO3)2-KBF4反应制备了ZrAl3、ZrB2和Al2O3增强铝基复合材料,摩擦磨损性能测试表明,增强相显著提高了复合材料的耐磨性,同时磨损机理由纯 Al的粘着磨损转变为磨粒磨损。邢建东等[34]探索了Al2O3增强Fe3Al基复合材料的磨损性能,结果表明,添加Al2O3的 Fe3Al基复合材料,其摩擦因数和磨损率均较Fe3Al低,证明增强相Al2O3的加入,提高了材料的耐磨性。Kang等[35]的研究发现纳米 Al2O3颗粒的加入改善了铝基复合材料的硬度、抗磨损以及拉伸性能,当纳米Al2O3颗粒的体积分数超过4%时,增强相颗粒的团聚可使增强效果减弱。Tang等[36]研究了 SiC颗粒增强纯铝复合材料,结果表明复合材料的强度随SiC颗粒体积分数的增加呈线性增加。Williams等[37]进一步研究表明,该类复合材料的强度随SiC相颗粒尺寸的减小而增大。兰晔峰等[38]利用TiO2和B2O3与ZL102铝合金通过熔体反应法制备出(TiB2+Al2O3)双相增强铝基复合材料,力学性能测试结果表明,利用Al-TiO2-B2O3体系原位制备的颗粒增强铝基复合材料的硬度较ZL102铝合金提高了37.3%,故材料的耐磨性能也较ZL102铝合金有所提高。但是,Al2O3、SiC等增强相所固有的与铝基体润湿性差等问题限制了其应用。吉林大学姜启川教授等[39-40]研究表明:TiCx/Al复合材料比TiB2/Al复合材料具有更强的应变速率敏感性,而TiB2陶瓷颗粒因具有高于 TiCx的硬度值而具有更好的耐磨性。TiB2、TiCx增强相不仅具有高硬度、高熔点、良好的耐磨耐蚀性及热稳定性等优点,还存在与铝基体润湿性较好,且不与铝发生反应等特征,因此TiB2、TiC增强铝基复合材料在柴油发动机活塞领域具有显著的应用前景[41-44]

3.1.2 合金元素的选取

复合材料中引入增强相不可避免地降低了复合材料的韧性,同时增强相与基体相之间的弱结合恶化了材料的耐腐蚀性,这将直接影响材料的使用寿命和服役安全性。合金化技术可通过添加合金元素改善铝基复合材料的微观组织、界面润湿行为,从而起到固溶强化、沉淀析出强化的作用,并进一步提高复合材料的力学性能、耐蚀和耐磨损性能等。Beffort等[45]研究了合金元素Mg和Zn对60 vol.% SiC/Al复合材料力学性能的影响,结果表明合金元素的加入使其弯曲强度由477 MPa提高到533 MPa。孙洪强等人[46]的研究发现:添加Mn元素可使(Al3Zr+A12O3)p/A356复合材料的界面结合有所改善,且当添加0.2wt.%Mn+0.2wt.%Cr+0.3wt.%RE时,该复合材料的抗拉强度 σb和伸长率 δ分别达到了 378.8 MPa和7.5%,比添加 0.2wt.%Mn+0.2wt.%Cr时分别提高了16.16%和50%,比未添加合金元素的复合材料分别提高了 37.1%和 102.7%。白亚平等人[34]在课题研究中发现同时加入适量的合金元素Cr、Mo,不仅提高了Al2O3/Fe25Al复合材料的塑韧性,还大幅改善了复合材料的力学性能和摩擦磨损性能(摩擦因数降幅最大可达近70%)。于文花等[47]研究发现Ni元素可大幅改善铝基复合材料的高温稳定性和耐腐蚀性能。因此,可通过加入合金元素来进一步改善铝基复合材料的抗磨损性能。

3.1.3 制备方法的选取

众所周知,材料性能与制备工艺密切相关,因此适宜的材料组配设计结合相匹配的制备工艺才能制备具有优异综合性能的产品。目前,铝基复合材料的制备方法分为液态制备方法和固态制备方法,最常见的液态制备方法有搅拌熔铸法和喷射沉积法,固态制备方法有粉末冶金法和热压法。各制备方法的具体原理及特点[48-51]如表2所示。

铝基复合材料中常见的增强相加入方式有外加法和自生法。外加法因颗粒表面有污染、弥散性差、添加量受限、界面结合差且易生成脆弱性副产物,而严重影响复合材料的综合力学性能。自生法因增强相从金属基体中原位生成,从而具有热稳定性好、增强体表面洁净无污染、与基体界面相容性好、界面结合强度高、分布均匀等优点,成为铝基复合材料研究中的一个重要方向。Khodaei等[52]分别采用Fe-Al-Al2O3混合粉体进行机械合金化和机械合金化诱发Fe-Al-Fe2O3混合粉体发生自蔓延反应的方法制备了Al2O3/Fe3Al复合粉体,并对两种制备方法获得的粉体烧结后得到的块体形貌进行对比,得出结论:采用自生法制备的块体复合材料具有更高的致密度和烧结质量,而采用添加法制备的块体复合材料则具有较多孔洞,且烧结致密性较差。邢建东等[34]采用机械合金化诱发自蔓延反应技术制备自生/添加Al2O3增强Fe25Al基复合材料,结论与Khodaei等人的研究结果一致,即自生法制备的Al2O3增强Fe25Al基复合材料的组织更致密,性能更优异。李建平等[53-55]采用原位反应法制备了AlN、Al3Ti、Al2O3增强铝基复合材料,结果证实复合材料的力学、磨损性能均较铝合金有显著的提高。

表2 铝基复合材料的制备方法
Tab.2 Preparation of aluminum matrix composites

3.2 其他保护措施

3.2.1 表面强化

表面强化也是改善活塞磨损性能的途径之一,目前常见的活塞表面强化方法有:活塞表面镀铝、镀锡、镀铅、喷涂石墨、喷涂二硫化钼、喷涂聚四氟乙烯以及镀铁、镀铬等。为了进一步改善活塞的耐磨性和耐热性,还可以对活塞进行陶瓷化处理等[2]

3.2.2 合理选择配合间隙

对于柴油发动机活塞而言,其顶裙外圈接触面间的初始配合间隙对活塞应力状态的影响很大。若间隙过小,则活塞顶热变形在配合面受阻,使其所承受的热应力增大,将加快环槽磨损;当间隙过大时,活塞顶的热应力虽小,但机械应力太大,所以应当合理选择配合间隙。

3.2.3 外界保护

顶面磕碰极易造成活塞失效,因而应在后生产、检验、包装、运输及装机使用中做好各零部件的防护,避免磕碰。适当调整活塞燃烧室的结构,增加喉口的强度,可降低活塞燃烧室喉口开裂的几率。避免发动机长时间超负荷、超速工作,可减缓活塞所承受的热负荷和机械负荷[56]

4 展望

为了提高传统活塞材料的耐磨损及使用性能,满足21世纪柴油发动机大功率、低油耗、低排放和长寿命的要求,铝基材料用于活塞的开发和研究将变得越来越重要。其中,自生TiB2、TiCx双相作为增强相的铝基复合材料,因其兼顾优异的力学性能和磨损性能,有望成为新型活塞用铝基复合材料。同时,针对活塞在实际工况运行过程中,内部润滑油不完全燃烧导致产生含SOx、NOx复杂的腐蚀性气氛,进而加快活塞磨损失效速度的问题,可借鉴美国阿贡实验室的最新研究成果:利用摩擦过程中,润滑油促使材料表面涂层外侧形成一层均匀致密且有一定硬度的催化活性涂层——碳基润滑膜,以保护材料表面免受摩擦滑动磨损。将此研究成果用于柴油发动机活塞材料中,有望在含硫、氮等腐蚀性气氛的服役工况下,降低活塞磨损失效行为的发生,进而延长发动机的使用寿命。


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