柴油发电机活塞用铝基材料探求进展及失效剖析

　　活塞作为柴油发电机的核心部件之一，恶劣的服役工况对其材料有特殊的要求。浅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、Al/Al基复合材料等），并引荐了不同材料的适合范围。同时，归纳了常见活塞铝基材料的失效制度，包括磨耗、机械磨耗以及顶部开裂等。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，主要可分为粘着损伤失效和磨粒磨损失效。关于活塞磨损失效提出了相关改善举措，如材料成分选择和制备方式取舍等。此外，关于柴油发电机在实际运转工况中，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损伤的问题，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小甚至抑制磨损，进而增长柴油发电机活塞的使用寿命。

　　活塞是柴油发电机中工作强度最大的零部件之一，被称为发电机的心脏[1]。作为发电机的心脏，活塞在运转工况中承受着巨大的机械负载和热负荷，作业条件十分苛刻，其质量的好坏直接决定了发电机的使用寿命。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，对缸套的磨耗严重；镶体活塞在镶圈和铝合金界面上易生热疲劳裂痕，使得活塞的疲劳强度、抗咬合性能减少；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，通过纤维和颗粒提升两种形式加工制成，对活塞的整体和局部起到提升的作用[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升，且其线膨胀系数过低，于是受到了各国学者的关注[8-11]。活塞在发电机中的功用是承受气体压力，通过活塞销传给连杆驱动曲轴旋转。因为所处工况恶劣，活塞极易受损而致失效，常规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制度中所占比例较大，详细有两种形式——粘着损伤致使拉缸和磨粒磨耗引起密封面破坏[14]。此外，关于柴油发电机实际工况运行中，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，使之与相应的提升相反应，在其表面生成自润滑膜，进而减小甚至抑制磨损[15]。随着柴油发电机升功率的提升，活塞的服役情形将变得更为恶劣，从而对活塞所用材料的性能提出了更高的要求。

　　铝合金的密度小，能显着减小活塞的品质及其往复运动时所发生的惯性力，所以活塞用铝合金常常应用于中、小缸径的中、高速柴油发电机上，且以应用在康明斯发电机中最为常见[1，16-18]。在承受同样强度的情形下，铝合金制得的活塞在使用工况下发生的惯性力比钢铁材料制得的急剧降低，铝合金材料在活塞中的使用对增加高速柴油发电机的减振能力和减小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，在缸壁处所出现的侧压力及冲击力均较小，由此进一步减少了活塞组与活塞销及缸壁的摩擦力，且减少它们的损伤量。此外，铝合金的导热性能好，铝合金活塞在运转步骤中，其表面温度比铸铁低，顶部的积炭也较少。常规的铝活塞材料有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系因为线膨胀系数大、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，减小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。关于这些问题，可采用适当的变质细化及热解决进行改进，但热解决会增加活塞的成本，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。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中调节了 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，一般用来铸造中强度的复杂铸件，如发电机壳体、气缸体、发电机活塞等。

　　铝基复合材料以Al为基体，具有较好的可塑性和强韧性，随着提高相的加入，材料的抗拉、抗压强度以及耐磨、耐压、耐蚀性得到质的提升[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，故在选择时应考虑其与提高相的润湿性、性能互补性及实际应用对基体材料的要求。而常规的增强相有 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程序中，因为活塞同时承受较强的热负荷和机械负荷，引起复合材料中的提升相与基体的界面产生磨耗，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产生失效现状。随着柴油发电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除，因此活塞用铝基材料失效问题的解除对该类材料在活塞中的发展起着至关重要的作用。

　　活塞是柴油发电机中工作强度最大的零配件之一，且其所处工作环境十分恶劣，加之不当的使用和错误的修复，使得活塞容易发生磨耗而失效。目前活塞常见的失效形式有：磨损、机械磨损及顶部开裂。据不完全统计，活塞因损伤造成的失效在整个失效制度中所占比例较大。

　　作为柴油发电机作业要素最苛刻的零配件之一，活塞在高速往复运动中传递着整个柴油发电机的原动力。一方面，活塞在柴油发电机中直接与高温燃气接触，承受极高的热负载；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、惯性力等机械力用途，又承受极高的机械负载。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）下运转，承受反复交变载荷，且在汽缸中往复运动的转速很高（10~14 m/s），致使其承受腐蚀、摩擦和磨耗等破坏[13，27]。

　　按照磨损形式，活塞磨耗失效可分为两类。一是粘着损伤导致拉缸。柴油发电机在工作程序中温度较高，活塞环与缸0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，发生固相焊合，从而引起粘着损伤。二是磨粒磨损引起密封面破坏。在发电机运行程序中，因为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耗[28]。目前，国内外对活塞材料磨损失效的研讨主要集中在室温，干、油润滑状态下，对含硫、氮等腐蚀性气氛下的损伤失效研究较少[29]。根据 ASTM G181-11标准[30]，柴油发电机活塞材料在含硫、氮等腐蚀性气氛下的边界润滑示意图如图1所示。

　　按照磨损部件，活塞损伤又分为活塞环槽磨耗、顶部燃烧室烧毁、活塞裙部擦伤损伤。在柴油发电机运转流程中，活塞环槽与活塞、活塞销座孔与活塞销、活塞裙与缸壁分别组成相应的摩擦副。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，所以这些摩擦副损伤程度迅速增大[12]。

　　柴油发电机活塞出现机械磨损有两个主要原由：燃烧室存在异物和活塞顶与气门头部的撞击。

　　活塞顶开裂详细是因为柴油发电机组载荷反复变化而产生的热应力循环，汽缸内燃烧压力周期性变化而发生的机械应力循环，活塞顶表面的高温，以及钢顶和铝裙装配间隙错误而产生的附加应力等因素综合功能的结果[31-32]。

　　随着柴油发电机升功率的提升，活塞的服役工况将变得更加恶劣，从而对活塞的磨耗抗力提出了更高的要求，故而清除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定、合金元素的取舍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电机活塞的损伤抗力，减少活塞失效行为产生的频率。

　　常规的铝合金基体详细有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偏高，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。可根据柴油发电机不同服役工况及升容量的要求选择相应的基体材料。

　　颗粒提升铝基复合材料的性能具体由增强相的尺寸、体积分数、分布以及提高相与基体相的界面结合等决定。目前，国内外对颗粒提升复合材料的探讨已经较为广泛。李桂荣等[33]利用 Al-Zr(CO3)2-KBF4反应制备了ZrAl3、ZrB2和Al2O3提高铝基复合材料，摩擦磨耗性能测试表明，提高相显着提升了复合材料的耐磨性，同时磨耗原理由纯 Al的粘着磨耗转变为磨粒磨耗。邢建东等[34]探索了Al2O3提升Fe3Al基复合材料的磨耗性能，结果表明，添加Al2O3的 Fe3Al基复合材料，其摩擦因数和磨耗率均较Fe3Al低，证明提升相Al2O3的加入，提高了材料的耐磨性。Kang等[35]的探讨发现纳米 Al2O3颗粒的加入改良了铝基复合材料的硬度、抗磨耗以及拉伸性能，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颗粒提高纯铝复合材料，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]进一步探讨表明，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）双相提升铝基复合材料，力学性能测试结果表明，利用Al-TiO2-B2O3体系原位制备的颗粒提高铝基复合材料的硬度较ZL102铝合金提升了37.3%，故材料的耐磨性能也较ZL102铝合金有所提升。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]探求表明：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提高相不仅具有高硬度、高熔点、良好的耐磨耐蚀性及热稳定性等亮点，还存在与铝基体润湿性较好，且不与铝产生反应等特征，因此TiB2、TiC增强铝基复合材料在柴油发电机活塞领域具有显着的应用前景[41-44]。

　　复合材料中引入增强相不可避免地减小了复合材料的韧性，同时提升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进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、沉淀析出强化的用途，并进一步提高复合材料的力学性能、耐蚀和耐磨耗性能等。Beffort等[45]探讨了合金元素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提升到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。

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