涡轮增压柴油机铝合金活塞烧蚀研究

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中文摘要：明确柴油机活塞的烧蚀机理对提高柴油机的可靠性、工作稳定性和优化材料具有重大意义，但目前对其烧蚀机理尚存在较大争议，并且在低温、怠速环境下极易引发烧蚀问题，使材料设计与优化陷入瓶颈。本课题针对大功率涡轮增压柴油机活塞在此工况下的烧蚀问题采用台架测试实验、热暴露和热疲劳实验、氧乙炔燃气烧蚀实验来进行研究。本文借助表面粗糙度仪及3D共聚焦激光显微镜、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)等手段对合金的表面粗糙度、微观形貌、成分、物相进行分析与表征，并测试了合金的硬度，研究得到了台架测试活塞的烧蚀机理、活塞铝合金组织性能与温度的对应关系、活塞铝合金在高温燃气短时高频加载后的烧蚀机理。通过上述研究，烧蚀机理被相互补充和印证，获得的主要结果及结论如下: (1)台架测试活塞烧蚀机制包括以下过程:未燃烧的燃油裂解碳化形成积碳，积碳附着于磷化膜并与表层合金发生反应，积碳层与反应层由于合金软化和高速燃气冲击而被剥离并裸露出合金，各相在不同相界面处由于热应力引起开裂，以大块团簇形式剥落。烧蚀属于表层损伤，破坏深度约几百微米，活塞烧蚀区布氏硬度和铝基体显微硬度均随着烧蚀程度的增加而明显降低，且距离活塞表面越近硬度下降越显著，从原始合金的132MPa下降到约80MPa。 (2)活塞合金在不同温度热暴露2h后，表面粗糙度随温度的增加而增加，在500℃到550℃间显著升高，带有磷化膜涂层合金的表面粗糙度增长速率大于无涂层合金;在550℃时硅相、Al3CuNi相与基体界面出现严重开裂，初晶硅相在基体中形成孤岛，Al3CuNi相间的基体发生脱落，合金表面形成大量孔洞，粗糙度的增加是由合金相变和氧化引起。500℃热疲劳后合金表面粗糙度明显高于450℃，450℃热疲劳后无明显裂纹和孔洞出现，而500℃热循环200次后，形成150μm深的曲折粗化裂纹，热循环500次后整个缺口处各相发生溃散，即将破碎。450℃不同升温速率热震时，升温速率为2.25℃/s时是加热温度和时间耦合的最大破坏点。在热暴露和热疲劳实验中，合金表面粗糙度的最大值与台架测试后轻微烧蚀程度接近。 (3)在氧乙炔碳化焰烧蚀后活塞合金表面粗糙度随冲击次数的增加而增加，在2000次后达到最大，此时粗糙度介于台架测试活塞的轻微烧蚀和中度烧蚀之间，约为中度烧蚀的0.5倍;含有磷化膜涂层的合金表面粗糙度明显大于无涂层合金，这一规律与合金热暴露后的变化规律相同;烧蚀后合金表面被大量积碳覆盖，积碳与铝基体反应生成Al4C3，由于陶瓷相(Al4C3)与合金热膨胀系数差异较大，形成热失配使材料表层开裂剥离，这一结论与台架测试相一致。

作者：

保彤

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关键词：

涡轮增压柴油机铝合金活塞烧蚀机理微观组织力学性能热疲劳

授予学位：

硕士

学科专业：

材料工程

导师：

李建平；颜君衡

学位年度：

2020

学位授予单位：

西安工业大学

语种：

中文

中图分类号：