某高功率柴油機活塞失效分析及解決方案

張濤

摘要：針對某高功率柴油發動機鑄造鋁合金活塞在冷熱沖擊臺架試驗后出現頂部開裂現象，綜合了活塞及對手件尺寸檢測、渦流探傷檢測、金相檢測及電鏡檢測的結果，經分析判定為鑄造工藝中鋁合金氧化皮夾雜是此次活塞出現開裂失效的根本原因。根據分析結果，針對活塞開裂情況提出了對手件設計方案及活塞鑄造工藝優化方案并對優化后的活塞進行了三輪冷熱沖擊臺架試驗+800小時耐久臺架試驗，均未再出現活塞開裂現象，可判斷為改良方案有效。

Abstract： A cast aluminum alloy piston of high power diesel engine cracked in thermal shock test。It is concluded that the mixed oxide scale of aluminum alloy in the casting process is the root cause of the piston cracking failure through size inspection， eddy current flaw detection， metallographic examination and electron microscope examination。The piston passed thermal shock test after optimizing the casting process。It can be judged that the improved scheme is effective.

關鍵詞：鋁合金活塞;開裂失效;氧化皮

Key words： cast aluminum alloy piston;cracking failure;oxide scale

中圖分類號：TG115? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0023-03

0? 引言

活塞是發動機最重要的零部件之一，其承擔著將燃燒爆炸產生的化學能轉化為往復運動機械能的職責，在運轉過程中需要傳遞動力，密封燃燒氣體并潤滑缸壁。而其工作環境也是最為惡劣，一方面需直接接觸高溫、高壓、腐蝕性氣體，承受往復變化所產生的巨大壓力，另一方面是與活塞銷及缸壁摩擦產生熱量積累及不斷磨損。

目前柴油發動機升功率不斷提升，甚至部分柴油機最大功率已接近同排量主流汽油機最大功率，故活塞在所承受的壓力越來越大的情況下，接觸到的燃氣溫度也越來越高，工作環境極端惡劣。在某些極端工況下，鋁制柴油機活塞頂部由于溫度上升而導致開裂或熔頂。為應對惡劣環境，增大活塞強度，大多數主機廠家采用鋼制活塞，但是鋼制活塞需采用分體鑄造再激光焊接的制造工藝，制造成本遠大于鋁制活塞（約為3～4倍）;且由于鋼制活塞重量大于鋁制活塞，在往復運動中會消耗發動機動力，降低發動機燃油經濟性及動力表現。

為保證發動機燃油經濟性及動力表現的同時避免開裂或熔頂情況的發生，各大活塞廠家努力優化燃燒室尺寸形狀、開發新型更優高溫性能的鋁合金材料，盡可能降低活塞工作溫度的同時，仍需優化制作工藝，避免制作缺陷導致失效。即使如此，由于工作環境的惡劣，在高性能柴油發動機開發驗證過程中仍存在較大失效風險。

1? 失效描述

4缸82mm缸徑雙增壓高功率柴油發動機在冷熱沖擊試驗完成后，工作人員在對發動機拆解檢查時發現第3缸活塞頂面出現裂紋（長度約6mm），活塞銷處無異常，如圖1、圖2所示。其他缸活塞并未出現相似裂紋。

2? 部件檢測

在進行失效部件檢測時應先充分進行外觀尺寸檢測，功能檢測，最后再進行破壞性檢測，以免無法復原部件而丟失重要信息。

①尺寸檢測：通過圖片或者單個故障件無法準確發現故障原因，亦無法排除后續開裂風險，故除了核對裝機前活塞尺寸數據與臺架后拆解活塞尺寸數據是否匹配，還檢測了對手件（活塞銷、活塞冷卻噴嘴、活塞環等）數據是否有異常。經檢測，活塞及其他零件尺寸功能等數據均符合要求。

②探傷檢測。對庫存300件活塞進行探傷檢測，沒有發現雜質夾雜情況。

③破壞檢測。

1）材料檢測：材質檢測符合設計要求，各成分請見表1，排除因材料成本不達標而導致活塞開裂的可能。

2）金相檢測：在破裂活塞上取樣制備為小塊，經鑲嵌及初步拋光后用HF水溶液浸蝕后再沖洗及吹干后，用金相顯微鏡進行觀察金相組織，結果如圖3 所示。

經觀察鋁合金組織晶格細致，α（Al）+（α+Si）共晶+少量AlCu+少量MgSi，而無明細Fe相或其他夾雜物，說明金相組織較好，符合相關標準的要求，排除因金相組織不達標而導致活塞開裂的可能。

3）電子顯微鏡微觀檢測：將活塞拆解為小塊后，經電子顯微鏡檢測，發現裂紋起始區出現氧化皮夾雜，尺寸為0.2×0.1mm，如圖4所示（超出渦流探傷檢測范圍，故庫存產品沒有發現雜質夾雜情況），經分析，存在因氧化皮夾雜而導致活塞開裂的可能性，需進一步驗證。

3? 失效結論

雖然此氧化皮夾雜尺寸屬于活塞供應商鑄造工藝的允許范圍內且在電渦流探測限值以下，但是由于此機型升功率較高，達到80kW/L，從而導致活塞壓力及溫度都處在此鋁合金材料（活塞供應商內部牌號：G91）應用的極限，并超出了活塞供應商使用經驗溫度。此狀態下，即使細小的氧化皮夾雜工藝缺陷也可能導致活塞開裂失效，故不能采用原有的制作工藝經驗，需要重新正向分析并解決問題。

4? 問題分析

4.1 鋁壓鑄時無法避免出現氧化皮夾雜的情況

鋁壓鑄時無法完全避免氧化皮夾雜的情況，其他同類鋁制活塞中也存在氧化皮夾雜的情況，屬于生產工藝固有缺陷。活塞制造廠商只能內控氧化皮的尺寸并通過渦流探傷抽檢來進行工藝確認。

4.2 細小氧化皮無法通過無損檢測（如渦流探傷等）

目前渦流探傷只能檢測尺寸大于0.3×0.3×0.3mm的氧化皮夾雜情況，且百分百檢測將會大大降低產能并大幅提升生產制造成本。

4.3 活塞溫度太高且壓力太大

通過溫度塞測試，活塞表面溫度已達到430℃;活塞供應商要求將活塞表面溫度降低至400℃;此款發動機對標德國某高性能柴油發動機，項目立項時明確此發動機性能需達到國際一流，國內領先水平;故無法通過更改標定，降低發動機功率的方式來降低活塞溫度。

5? 解決方案

5.1 增大活塞冷卻噴嘴的流量——降低活塞溫度

增大活塞冷卻噴嘴直徑，由2mm提升至3mm，全開狀態噴油量由13L/min提升到27L/min，借此方式以更多的機油帶走活塞熱量，來降低活塞表面溫度。

5.2 更改鋁水取用方式——減少鋁液氧化皮

由塔式熔煉爐取代傾斜式熔煉爐，專門用于G91鋁合金材料的熔煉，以替代目前的保溫爐。

原傾斜式熔煉爐取鋁液的方式為從上方傾倒（見圖5），此種取鋁液方式會導致鋁液與空氣大面積且長時間接觸并發生攪動，從而導致產生大量氧化皮夾雜;而塔式熔煉爐可以從鋁液中層進行取液（見圖6），此取液方式中鋁液與空氣接觸面積小且接觸時間短，大大降低了氧化皮的出現率。

5.3 增加去氧化皮頻率，減少鋁水使用時間——減少鋁液氧化皮

由于隨著鋁水靜置時間增長，鋁水中氧化皮數量會漸漸增多，故要求活塞供應商修改壓鑄工藝文件，將去氧化皮的操作頻次由30分鐘/次改為20分鐘/次;而鋁水使用時間由6小時改為5小時，到達規定的時間后需重新熔煉，不得繼續使用。

6? 臺架驗證

上述三種措施同步施行后，新狀態產品裝機經過3輪冷熱沖擊臺架試驗及3輪800小時耐久試驗后拆機檢測均未發現活塞開裂現象，故視為已解決此類失效問題。

7? 總結

隨著對柴油發動機性能的進一步要求和探索，活塞作為柴油發動機中功能最核心的零件之一，工作環境卻也是最惡劣的，只有更高性能的活塞才能保障發動機性能的進一步提升。鋁合金雖然具有導熱性良好、密度小、成本相對較低的優勢，但是已逐漸無法滿足柴油發動機性能提升的要求了。鍛鋼活塞將會是未來發展的趨勢，但是在鍛鋼活塞本身存在重量太大、激光焊接成品率低下及成本高昂的問題，在鍛鋼活塞解決這些問題前，鋁合金活塞仍會是主流的活塞方案。為滿足發動機性能，活塞廠商除了研制新型耐高溫材料外，仍需加強對加工工藝及設備進一步的改良提升的重視。人-機-料-法-環，各個因數均需同步提升，這樣才能在合理的成本下充分利用鋁合金活塞的各種優勢，進一步探索鋁合金活塞的使用極限。

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