活塞作為集裝箱發(fā)電機(jī)組的核心部件之一，惡劣的服役工況對其材料有特殊的要求。細(xì)說了活塞用鋁基材料的發(fā)展情形，包括合金系（Al-Cu-Si系、Al-Cu-Ni-Mg系、共晶型 Al-Si-Cu-Mg系和過共晶型A1-Si-Cu-Mg系）與復(fù)合材料系（SiC/Al基復(fù)合材料、Al/Al基復(fù)合材料等），并介紹了不同材料的適用范圍。同時(shí)，歸納了常見活塞鋁基材料的失效機(jī)制，包括損傷、機(jī)械損傷以及頂部開裂等。其中，活塞因磨耗造成的失效在統(tǒng)計(jì)活塞失效制度中所占比例較大，詳細(xì)可分為粘著損傷失效和磨粒磨耗失效。針對活塞損傷失效提出了相關(guān)改良方法，如材料成分選購和制備方法選擇等。此外，針對移動式靜音發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行工況中，因活塞所處部位存在潤滑油不完全燃燒造成的含硫、氮等腐蝕性氣氛而加載磨損的問題，可依托該氣氛與相應(yīng)增強(qiáng)相的反應(yīng)，使其接觸表面生成自潤滑膜而降低甚至抑制磨耗，進(jìn)而延長低噪聲柴油發(fā)電機(jī)組活塞的使用年限。

　　活塞是靜音發(fā)電機(jī)組中作業(yè)強(qiáng)度最大的零部件之一，被稱為發(fā)電機(jī)組的心臟[1]。作為發(fā)電機(jī)組的心臟，活塞在運(yùn)轉(zhuǎn)工況中承受著巨大的機(jī)械負(fù)載和熱負(fù)載，工作要素十分苛刻，其品質(zhì)的好壞直接決定了發(fā)電機(jī)組的使用時(shí)限。而材料是決定活塞性能的關(guān)鍵要素，常載的活塞材料有鑄鐵活塞、鑄鋼活塞、鑲體活塞、陶瓷活塞、鋁合金活塞以及鋁基復(fù)合材料活塞。其中鑄鐵、鑄鋼活塞密度大，加工麻煩，成本高，對缸套的損傷嚴(yán)重；鑲體活塞在鑲?cè)弯X合金界面上易生熱疲勞裂痕，使得活塞的疲勞強(qiáng)度、抗咬合性能降低；陶瓷活塞脆性大，熱導(dǎo)率低；這些缺點(diǎn)均在一定程度上限制了它們在活塞中的使用[2-4]?；钊娩X基復(fù)合材料以鋁為基體，通過纖維和顆粒增強(qiáng)兩種形式加工制成，對活塞的整體和局部起到提高的功用[5-7]。同時(shí)，其材質(zhì)輕、耐磨性好、動載荷小，與基體合金相比，材料的抗熱疲勞性能和高溫強(qiáng)度有明顯增強(qiáng)，且其線膨脹系數(shù)較低，所以受到了各國學(xué)者的關(guān)注[8-11]?；钊诎l(fā)電機(jī)組中的功能是承受氣體壓力，通過活塞銷傳給連桿驅(qū)動曲軸旋轉(zhuǎn)。因?yàn)樗幑r惡劣，活塞極易受損而致失效，易損的活塞失效機(jī)制有磨損、機(jī)械磨耗以及頂部開裂[12-13]。其中，活塞因磨耗造成的失效在統(tǒng)計(jì)活塞失效機(jī)制中所占比例較大，詳細(xì)有兩種形式——粘著磨損致使拉缸和磨粒磨耗致使密封面破壞[14]。此外，針對低噪音發(fā)電機(jī)組實(shí)際工況運(yùn)轉(zhuǎn)中，活塞所處部位存在潤滑油不完全燃燒造成的含硫、氮等腐蝕性氣氛而加載磨損的問題，可依托該腐蝕性氣氛，使之與相應(yīng)的提升相反應(yīng)，在其表面生成自潤滑膜，進(jìn)而減少甚至抑制磨損[15]。隨著撬裝發(fā)電機(jī)升功率的提升，活塞的服役狀況將變得更為惡劣，從而對活塞所用材料的性能提出了更高的要求。

　　鋁合金的密度小，能顯著降低活塞的質(zhì)量及其往復(fù)運(yùn)動時(shí)所發(fā)生的慣性力，于是活塞用鋁合金常常應(yīng)用于中、小缸徑的中、高速低噪音發(fā)電機(jī)上，且以應(yīng)用在發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)組中最為多見[1，16-18]。在承受同樣強(qiáng)度的狀況下，鋁合金制得的活塞在使用工況下產(chǎn)生的慣性力比鋼鐵材料制得的急劇減小，鋁合金材料在活塞中的使用對增加高速低噪音柴油發(fā)電機(jī)的減震能力和減小其比品質(zhì)有著重要的意義。同時(shí)，材質(zhì)較輕的鋁合金活塞運(yùn)動時(shí)，在缸壁處所發(fā)生的側(cè)壓力及沖擊力均較小，由此進(jìn)一步減少了活塞組與活塞銷及缸壁的摩擦力，且減小它們的損傷量。此外，鋁合金的導(dǎo)熱性能好，鋁合金活塞在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，其表面溫度比鑄鐵低，頂部的積炭也較少[3]。易損的鋁活塞材料有Al-Cu系和Al-Si系，目前使用較廣泛的是 Al-Si系合金，而 Al-Si系合金的發(fā)展又可分為Al-Cu-Si系、Al-Cu-Ni-Mg系、共晶型Al-Si-Cu-Mg系和過共晶型A1-Si-Cu-Mg系。其中Al-Cu-Si系和Al-Cu-Ni-Mg系由于線膨脹系數(shù)大、比重大等劣勢，已被淘汰。過共晶鋁硅合金未經(jīng)過變質(zhì)解除時(shí)，合金中存在粗大長針狀共晶硅及大塊狀初晶硅組織，導(dǎo)致基體嚴(yán)重割裂，降低材料的機(jī)械性能及切削加工性能，同時(shí)活塞的熱導(dǎo)率也嚴(yán)重下降。關(guān)于這些問題，可采用適當(dāng)?shù)淖冑|(zhì)細(xì)化及熱消除進(jìn)行改良，但熱清除會增加活塞的成本，因而除了特殊需要，如賽車、高速摩托的活塞外，該類合金很少使用[19-20]。當(dāng)下國內(nèi)使用的活塞用鋁合金詳細(xì)是共晶型鋁硅合金，如ZL108、ZL109。ZL108中所含主要元素是Al、Si、Cu、Mg，具有優(yōu)良的鑄造性能和氣密性；而ZL109中調(diào)節(jié)了 Al、Si、Cu、Mg元素所占比例，且添加了 Ni元素，因而具有較好的高溫性能，一般用來鑄造中強(qiáng)度的復(fù)雜鑄件，如發(fā)電機(jī)殼體、汽缸體、發(fā)電機(jī)組活塞等[21]。

　　鋁基復(fù)合材料以Al為基體，具有較好的可塑性和強(qiáng)韌性，隨著提升相的加入，材料的抗拉、抗壓強(qiáng)度以及耐磨、耐壓、耐蝕性得到質(zhì)的提高[22-24]。目前易發(fā)的鋁合金基體主要有Al-Si、Al-Mg和Al-Cu等。不同的鋁合金基體具有不同的性質(zhì)，故在選擇時(shí)應(yīng)考慮其與提升相的潤濕性、性能互補(bǔ)性及實(shí)際應(yīng)用對基體材料的要求[25]。而常見的提高相有 SiC、Al2O3、TiC、TiB2、TiN等。它們的共同特征是熔點(diǎn)高，比強(qiáng)度及比剛度高，并具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性[26]?；钊娩X基復(fù)合材料在服役流程中，由于活塞同時(shí)承受較強(qiáng)的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，引起復(fù)合材料中的提升相與基體的界面產(chǎn)生磨耗，進(jìn)而使材料的力學(xué)與損傷性能大幅下降，使得活塞用鋁基復(fù)合材料容多見生失效狀況。隨著靜音柴油發(fā)電機(jī)組強(qiáng)化程度的提高和更新?lián)Q代的要求，活塞的服役情況將變得更為惡劣，這就要求材料具有更優(yōu)異的性能和更高的服役安全性。此外，材料的發(fā)展離不開失效問題的解決，因此活塞用鋁基材料失效問題的排查對該類材料在活塞中的發(fā)展起著至關(guān)重要的功能。

　　活塞是低噪音發(fā)電機(jī)組中工作強(qiáng)度最大的零部件之一，且其所處工作環(huán)境十分惡劣，加之“非法”的使用和錯誤的修復(fù)，使得活塞容多發(fā)生損傷而失效。目前活塞多見的失效形式有：磨耗、機(jī)械損傷及頂部開裂。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，活塞因損傷造成的失效在整個(gè)失效機(jī)制中所占比例較大。

　　作為低噪音發(fā)電機(jī)工作要素最苛刻的零部件之一，活塞在高速往復(fù)運(yùn)動中傳遞著整個(gè)低噪聲發(fā)電機(jī)的原動力。一方面，活塞在低噪音發(fā)電機(jī)中直接與高溫燃?xì)饨佑|，承受極高的熱負(fù)荷；另一方面，它同時(shí)受到燃?xì)獗l(fā)壓力、活塞銷支反力、與缸套的接觸力及摩擦力、與活塞環(huán)的接觸力及摩擦力、慣性力等機(jī)械力作用，又承受極高的機(jī)械負(fù)載。活塞在高溫（工作溫度頂部高達(dá)約430 ℃）、高壓（3~5 MPa）及腐蝕工況（含 SO2、SO3、NOx等）下運(yùn)行，承受反復(fù)交變載荷，且在汽缸中往復(fù)運(yùn)動的轉(zhuǎn)速很高（10~14 m/s），導(dǎo)致其承受腐蝕、摩擦和磨耗等破壞[13，27]。

　　按照磨損形式，活塞磨損失效可分為兩類。一是粘著損傷致使拉缸。集裝箱發(fā)電機(jī)組在工作流程中溫度較高，活塞環(huán)與缸套之間的滑動油膜隨溫度升高而變薄，油膜表面承載能力下降，當(dāng)油膜破裂后摩擦副之間直接接觸，發(fā)生固相焊合，從而導(dǎo)致粘著損傷。二是磨粒磨損引起密封面破壞。在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行流程中，由于吸入硬顆粒或油料不潔帶入硬顆粒引起缸套和活塞環(huán)接觸面的材料破壞，分離出的磨屑造成磨粒損傷[28]。目前，國內(nèi)外對活塞材料磨損失效的討論詳細(xì)集中在室溫，干、油潤滑狀態(tài)下，對含硫、氮等腐蝕性氣氛下的磨損失效討論較少[29]。根據(jù) ASTM G181-11標(biāo)準(zhǔn)[30]，靜音發(fā)電機(jī)組活塞材料在含硫、氮等腐蝕性氣氛下的邊界潤滑示意圖如圖1所示。

　　按照磨損部件，活塞損傷又分為活塞環(huán)槽磨耗、頂部燃燒室燒毀、活塞裙部擦傷磨耗。在靜音柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中，活塞環(huán)槽與活塞、拖車電站活塞銷座孔與活塞銷、活塞裙與缸壁分別組成相應(yīng)的摩擦副。隨著高溫高壓燃?xì)獾脑黾?，活塞所承受的熱?fù)載與機(jī)械負(fù)荷越來越大，且在潤滑條件極差的缸套內(nèi)高速往復(fù)運(yùn)動，承受著極大的慣性力，故而這些摩擦副磨損程度迅速增大[12]。

　　低噪聲發(fā)電機(jī)組活塞產(chǎn)生機(jī)械損傷有兩個(gè)詳細(xì)緣由：燃燒室存在異物和活塞頂與氣門頭部的撞擊[12]，具體見表1。

　　活塞頂開裂具體是因?yàn)榈驮胍舨裼桶l(fā)電機(jī)載荷反復(fù)變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力循環(huán)，氣缸內(nèi)燃燒壓力周期性變化而發(fā)生的機(jī)械應(yīng)力循環(huán)，活塞頂表面的高溫，以及鋼頂和鋁裙安裝間隙“非法”而產(chǎn)生的附加應(yīng)力等條件綜合作用的結(jié)果[31-32]。

　　隨著低噪聲柴油發(fā)電機(jī)組升容量的增強(qiáng)，活塞的服役工況將變得更加惡劣，從而對活塞的磨損抗力提出了更高的要求，于是解決滑動面的磨損非常關(guān)鍵。眾所周知，材料的耐磨性能與其本身所含成分及存在形式密切相關(guān)。對于最近幾年發(fā)展勢頭較好的活塞用鋁合金及鋁基復(fù)合材料而言，可通過復(fù)合材料中提高相及其制備方案的選購、合金元素的選購來改善材料的耐磨性。此外，也可采用活塞表面強(qiáng)化等保護(hù)方法來提升撬裝發(fā)電機(jī)組活塞的損傷抗力，降低活塞失效行為產(chǎn)生的頻率。

　　易損的鋁合金基體具體有Al-Si、Al-Mg和Al-Cu等。Al-Si系鋁合金有良好的鑄造性能和耐磨性能，熱脹系數(shù)?。籄l-Cu系鋁合金的高溫強(qiáng)度過高，可用于制作承受大的動、靜載荷和形狀不復(fù)雜的砂型鑄件；Al-Mg系鋁合金的密度小、強(qiáng)度高，室溫下有良好的綜合力學(xué)性能和可切削性?？筛鶕?jù)集裝箱發(fā)電機(jī)組不同服役工況及升功率的要求選取相應(yīng)的基體材料。

　　顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能主要由增強(qiáng)相的尺寸、體積分?jǐn)?shù)、分布以及提升相與基體相的界面結(jié)合等決定。目前，國內(nèi)外對顆粒提高復(fù)合材料的討論已經(jīng)較為廣泛。李桂榮等[33]利用 Al-Zr(CO3)2-KBF4反應(yīng)制備了ZrAl3、ZrB2和Al2O3增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，摩擦磨損性能測試表明，提升相顯著提升了復(fù)合材料的耐磨性，同時(shí)損傷機(jī)理由純 Al的粘著磨耗轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤズ摹Ｐ辖|等[34]探索了Al2O3提升Fe3Al基復(fù)合材料的損傷性能，結(jié)果表明，添加Al2O3的 Fe3Al基復(fù)合材料，其摩擦因數(shù)和磨損率均較Fe3Al低，證明增強(qiáng)相Al2O3的加入，提升了材料的耐磨性。Kang等[35]的探討發(fā)現(xiàn)納米 Al2O3顆粒的加入改進(jìn)了鋁基復(fù)合材料的硬度、抗損傷以及拉伸性能，當(dāng)納米Al2O3顆粒的體積分?jǐn)?shù)超過4%時(shí)，提高相顆粒的團(tuán)聚可使提高效果減弱。Tang等[36]探求了 SiC顆粒增強(qiáng)純鋁復(fù)合材料，結(jié)果表明復(fù)合材料的強(qiáng)度隨SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加呈線性增加。Williams等[37]進(jìn)一步探討表明，該類復(fù)合材料的強(qiáng)度隨SiC相顆粒尺寸的減小而增大。蘭曄峰等[38]利用TiO2和B2O3與ZL102鋁合金通過熔體反應(yīng)法制備出（TiB2+Al2O3）雙相提升鋁基復(fù)合材料，力學(xué)性能測試結(jié)果表明，利用Al-TiO2-B2O3體系原位制備的顆粒提高鋁基復(fù)合材料的硬度較ZL102鋁合金提高了37.3%，故材料的耐磨性能也較ZL102鋁合金有所提升。但是，Al2O3、SiC等增強(qiáng)相所固有的與鋁基體潤濕性差等問題限制了其應(yīng)用。吉林大學(xué)姜啟川教授等[39-40]探討表明：TiCx/Al復(fù)合材料比TiB2/Al復(fù)合材料具有更強(qiáng)的應(yīng)變速率敏感性，而TiB2陶瓷顆粒因具有高于 TiCx的硬度值而具有更好的耐磨性。TiB2、TiCx增強(qiáng)相不僅具有高硬度、高熔點(diǎn)、良好的耐磨耐蝕性及熱穩(wěn)定性等亮點(diǎn)，還存在與鋁基體潤濕性較好，且不與鋁產(chǎn)生反應(yīng)等特征，因此TiB2、TiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在低噪音發(fā)電機(jī)組活塞領(lǐng)域具有顯著的運(yùn)用前景[41-44]。

　　復(fù)合材料中引入提升相不可防止地減少了復(fù)合材料的韌性，同時(shí)提升相與基體相之間的弱結(jié)合惡化了材料的耐腐蝕性，這將直接影響材料的使用壽命和服役安全性。合金化技術(shù)可通過添加合金元素改善鋁基復(fù)合材料的微觀組織、界面潤濕行為，從而起到固溶強(qiáng)化、沉淀析出強(qiáng)化的作用，并進(jìn)一步提升復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐蝕和耐磨損性能等。Beffort等[45]探求了合金元素Mg和Zn對60 vol.% SiC/Al復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明合金元素的加入使其彎曲強(qiáng)度由477 MPa增強(qiáng)到533 MPa。孫洪強(qiáng)等人[46]的研討發(fā)現(xiàn)：添加Mn元素可使(Al3Zr+A12O3)p/A356復(fù)合材料的界面結(jié)合有所改進(jìn)，且當(dāng)添加0.2wt.%Mn+0.2wt.%Cr+0.3wt.%RE。

-------------------------------------
康明斯動力設(shè)備（深圳）有限公司
靜音箱式柴油發(fā)電機(jī)組銷售供應(yīng)與價(jià)格咨詢-一站式預(yù)集成電力解決方案提供商
如果想要掌握更多低噪聲柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)資訊，請?jiān)诠倬W(wǎng)http://www.taowanyi.cn查詢電話聯(lián)系方式