【摘 要】
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柴油机在工作时燃烧室内壁直接与高温高压燃气接触,油气混合与燃烧做功同步进行,雾化柴油难以充分燃烧,会在活塞环岸及活塞顶产生覆碳。随着功率密度提升,燃烧室工作温度进一步提高,积碳可能与活塞铝合金产生化学反应,导致活塞表面特性发生改变,进而诱发活塞快速损伤失效。但高温下Al-C反应对合金表面特性的影响尚不清楚,极大的限制柴油机功率密度的提升。因此,阐明Al-C反应对活塞铝合金表面特性的影响规律和作用机
【基金项目】
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陕西省教育基金项目（项目编号:19JK0400,19JK0402）； 陕西省创新能力支撑计划项目（项目编号:2017KCT-05）； 中国北方发动机研究所“XXXXXXX柴油机烧蚀机理研究”外协横向课题； 铝合金活塞金相分析及烧蚀成因研究基金（编号:DL8F2018-KY-JS-066
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柴油机在工作时燃烧室内壁直接与高温高压燃气接触,油气混合与燃烧做功同步进行,雾化柴油难以充分燃烧,会在活塞环岸及活塞顶产生覆碳。随着功率密度提升,燃烧室工作温度进一步提高,积碳可能与活塞铝合金产生化学反应,导致活塞表面特性发生改变,进而诱发活塞快速损伤失效。但高温下Al-C反应对合金表面特性的影响尚不清楚,极大的限制柴油机功率密度的提升。因此,阐明Al-C反应对活塞铝合金表面特性的影响规律和作用机制,具有重要的工程价值和科学意义。本课题以Al-x%Si（x=7、12、18wt.%）合金为研究对象,采用高温热暴露和燃气冲击试验来研究不同碳源与活塞铝合金在稳态及非稳态热源下的反应动力学条件及其对表面特性的影响。使用表面粗糙度仪、布氏硬度仪研究合金的表面粗糙度及硬度的演变规律;借助光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）及X射线衍射仪（XRD）分析了合金的微观形貌、成分与物相。研究结果表明:（1）热处理态的Al-Si合金,其表面粗糙度随热暴露温度的升高持续增大,主要由Al/Si相界开裂导致;随着Si含量的增加,粗糙度增幅减小,Si含量的增加可有效降低Al-Si合金的相界开裂趋势,使得合金在较低温度下难以发生相界开裂。铸态为初始态的Al-Si合金,其中Al-12%Si粗糙度随热暴露温度升高呈现先降低后升高的趋势,Al-1 8%Si粗糙度呈现不断升高的趋势,Al-x%Si合金的粗糙度基本遵循RaT6>Ra热暴露>Ra铸态,合金表面粗糙度的变化由Al/Si相界开裂和稀土相的析出协同作用,随着Si含量的增加,Al-x%Si合金高温稳定性增强。不同含气量的Al-12%Si合金高温下表面粗糙度变化趋势为先降低后升高,随含气量的增大,表面粗糙度变化逐渐减小,30min除气后各个温度热暴露粗糙度已均在RaT6以下。说明内部缺陷的产生会加速、诱导Al/Si相界开裂加剧。与铸态的Al-Si合金相比,热处理为初始态下表面粗糙度的变化幅度明显减少,热处理会使得合金表面产生残余应力,导致不同位置的应力集中,促进Al/Si相界的开裂,且较大的表面粗糙度在热暴露下更容易发生破坏。（2）覆碳的Al-12%Si合金热暴露后,表面粗糙度变化显著,碳粉的扩散会使合金表面粗糙度轻微增大,A14C3的生成会导致表面粗糙度急剧增大,且随着温度升高,Al-C反应愈发剧烈,表面粗糙度增长幅度明显升高。Al-12%Si合金与2000目碳粉会在一定条件下发生反应,生成白色针状易水解相Al4C3,随热暴露温度的升高,Al-C反应所需时间大幅减小,分别在550℃/8h、500℃/32h、450℃/64h及400℃/164h时发生反应。当改变碳源的物理化学特性,Al-12%Si合金随比表面积的增大,Al-C反应加剧,随碳源的吉布斯自由能增大,Al-C反应越易发生,Al-12%Si与1000目碳粉/2000目碳黑分别在550℃/16h、550℃/4h发生反应,与石墨粉即使在550℃/96h时也未发生反应。（3）在燃气冲击环境下,当加载总时长一定时,随单次加载时间的减小,Al-x%Si合金的宏观形貌破坏减弱,表面粗糙度增幅减少,线烧蚀率与质量烧蚀率减小;随Si含量的升高,表面粗糙度减小,线烧蚀率与质量烧蚀率也呈现减小趋势,Si含量的增大提升了Al-x%Si合金的高温稳定性;当单次加载时间超过一定的范围后,合金的破坏随单次加载时间减小而加剧,热力耦合导致合金破坏加剧,表面粗糙度突增,Al-Si合金发生烧蚀主要是由于合金内部高硅物质的析出聚集与气流冲刷的相互作用。对涂覆树脂的Al-12%Si合金进行燃气冲击,随单次加载时间的减小,合金表面粗糙度增大幅度减少,线烧蚀率与质量烧蚀率均减小,且减小幅度逐渐减弱,在燃气冲击较为严重时会出现Al/C扩散现象,在单次加载50s的燃气冲击下,合金表面出现白色针状Al4C3相。
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