低速機(jī)排氣閥桿噴涂過程中的溫度場和熱應(yīng)力分析

劉利軍，王 奎，戴文濤

（1.中船動力研究院有限公司，上海 200129；2.滬東重機(jī)有限公司，上海 200129）

0 引 言

船用柴油機(jī)排氣閥桿尺寸較大，在工作過程中會受高溫和高腐蝕性氣體的影響，工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常出現(xiàn)斷裂的情況［1-3］。此外，閥桿與導(dǎo)套位置承受著摩擦的影響，為提高此處的強(qiáng)度，多采用滾壓和涂層方式處理［4-5］。船用柴油機(jī)排氣閥桿的噴涂過程：利用氧氣、煤油和氮氣完成對排氣閥桿的噴涂加工，氧氣與煤油結(jié)合發(fā)生燃燒，產(chǎn)生高溫氣體，同時經(jīng)過干燥處理的合金粉末由送粉器輸送至噴槍中，與高溫、高速運(yùn)動的氮氣一同從噴槍中噴出。排氣閥桿固定在噴涂工作臺面上，與臺面卡盤一同轉(zhuǎn)動，非噴涂區(qū)域用工裝保護(hù)，通過移動噴槍將高溫合金粉末噴涂在排氣閥桿表面，形成表面涂層，最終經(jīng)過冷卻之后，使合金粉末與母材緊密結(jié)合。某船用低速機(jī)排氣閥桿噴涂場景見圖1。

圖1 某船用低速機(jī)排氣閥桿噴涂場景

排氣閥桿在噴涂過程中會產(chǎn)生很高的溫度和應(yīng)力，國內(nèi)學(xué)者［6-7］基本上均采用有限元仿真的方式對噴涂過程進(jìn)行研究，由此得到排氣閥桿的溫度場和熱應(yīng)力。本文以某低速柴油機(jī)排氣閥桿為例，為有效控制因噴涂而產(chǎn)生的變形，分析其在噴涂過程中的溫度和熱應(yīng)力的變化規(guī)律，采用有限元分析與試驗測試相結(jié)合的方法研究排氣閥桿在噴涂過程中的溫度場分布情況，并根據(jù)溫度場研究結(jié)果對熱應(yīng)力進(jìn)行分析。

1 有限元模型

1.1 網(wǎng)格劃分

排氣閥桿三維模型見圖2。排氣閥桿在噴涂過程中立在旋轉(zhuǎn)平臺上，通過控制平臺的旋轉(zhuǎn)速度，使噴涂均勻。采用有限元軟件建立涂層粒子流和排氣閥桿有限元模型，采用瞬態(tài)分析方法對噴涂過程進(jìn)行模擬。在噴涂過程中，火焰（涂層粒子流）沿閥桿掃描的速度為10 mm／s，閥桿繞其中心軸自轉(zhuǎn)的速度為220～230 r／min。閥桿自轉(zhuǎn)的速度遠(yuǎn)大于火焰掃描的速度，因此可認(rèn)為噴涂過程中閥桿周向是均勻受熱的。閥桿幾何外形也沿其中心軸對稱，因此可將問題簡化為二維軸對稱問題，劃分的網(wǎng)格模型見圖3。該模型由排氣閥桿和粒子流2部分組成，其中排氣閥桿噴涂區(qū)域的長度為390 mm。由于火焰的寬度為10 mm，因此粒子流模型的寬度取10 mm。

圖2 排氣閥桿三維模型

圖3 排氣閥桿有限元網(wǎng)格模型

1.2 材料參數(shù)

排氣閥桿材料為NiCr20TiAl。在計算過程中考慮材料的非線性因素，材料的泊松比為0.3，楊氏模量隨溫度的變化曲線見圖4。其中材料的熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)和比熱等參數(shù)隨溫度的變化曲線見圖5。

圖4 楊氏模量隨溫度的變化曲線

圖5 材料參數(shù)隨溫度的變化曲線

1.3 傳熱過程和邊界條件

排氣閥桿傳熱過程參數(shù)對仿真模擬結(jié)果有重要影響［8］。本文在計算時根據(jù)計算的目的，忽略粒子的流動效應(yīng)。同時，考慮到粒子流與排氣閥桿基體進(jìn)行熱交換的時間極短，忽略輻射和相變潛熱的影響。

按傳熱分析中的第三類邊界條件對模型進(jìn)行分析，有

式（1）中：T為溫度；K為傳熱系數(shù)；LP為顆粒潛熱為沉積模型的凝固速率。

仿真模擬中載荷和邊界條件設(shè)置如下：

1）噴涂過程中排氣閥桿與空氣自然對流換熱，對流換熱系數(shù)取10 W／（m2K）。噴涂停止之后開啟壓縮空氣風(fēng)機(jī)對排氣閥桿進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，對流換熱系數(shù)取為100 W／（m2K）。

2）排氣閥桿與粒子流熱傳導(dǎo)，傳熱系數(shù)取為2 000 W／（m2K）。

3）排氣閥桿初始溫度為20℃。

4）火焰溫度為800℃，因此粒子流一直保持800℃。

5）排氣閥桿底部固定。

6）火焰沿閥桿掃描的速度為10 mm／s。

7）噴涂1個來回時長為80 s。

2 計算和測試結(jié)果

2.1 噴涂過程模擬計算結(jié)果

采用熱-固直接耦合的計算方法完成對溫度場和熱應(yīng)力的仿真計算。此次計算模擬噴涂4個來回、冷卻1 min的過程，計算結(jié)果如下。

1）前3個噴涂周期結(jié)束之后，排氣閥桿溫度場分布云圖見圖6，最高溫度分別為158℃、177℃和195℃。從分布情況來看：正在噴涂的位置溫度最高；噴涂區(qū)域的溫度場表面溫度比內(nèi)部高。

圖6 前3個噴涂周期結(jié)束之后排氣閥桿溫度場分布云圖

2）冷卻1 min之后，排氣閥桿溫度場分布云圖見圖7，最高溫度為163.98℃，噴涂區(qū)兩端溫度場呈對稱分布。

圖7 冷卻1 min之后排氣閥桿溫度場分布云圖

2.2 溫度場模擬計算結(jié)果驗證

測溫采樣點布置示意圖見圖8，在周向分為A、B、C和D等4個區(qū)域，在軸向布置8個測點，其中測點3、測點4和測點5在噴涂區(qū)域內(nèi)。噴涂4個來回并冷卻3 min之后，排氣閥桿噴涂區(qū)域表面溫度模擬計算結(jié)果與試驗測量結(jié)果對比見圖9。從圖9中可看出，試驗測量得到的溫度場結(jié)果與模擬計算結(jié)果基本一致，驗證了仿真方法的正確性。

圖8 測溫采樣點布置示意圖

圖9 排氣閥桿噴涂區(qū)域表面溫度模擬計算結(jié)果與試驗測量結(jié)果對比

3 結(jié)果分析與討論

3.1 溫度場分析

對火焰噴槍噴涂4個來回之后各測點的溫度進(jìn)行整理，結(jié)果見圖10。從圖10中可看出：周向4個區(qū)域各測點的溫度基本相同；噴涂區(qū)域溫度最高，向兩端不斷減小；測點4的溫度最高，約為152℃；測點8的溫度最低，約為28℃。圖11為火焰掃描30.7 s時排氣閥桿與涂層粒子流（火焰）界面處的溫度場分布云圖。從圖11中可看出：隨著噴涂的進(jìn)行，形成的溫度場影響區(qū)域不斷增大，呈現(xiàn)一個拖著尾巴的彗星狀溫度分布；在界面徑向的排氣閥桿在深度方向產(chǎn)生很高的溫度梯度。形成這種形狀的溫度分布的原因是：隨著噴涂的進(jìn)行，排氣閥桿表面的溫度先迅速升高，然后往閥桿的深度方向傳導(dǎo)，噴涂中心的溫度很高。圖12為排氣閥桿界面128號節(jié)點（排氣閥桿噴涂區(qū)域中間的一個節(jié)點）在整個噴涂過程（320 s）中的溫度變化曲線。從圖12中可看出，該點的溫度變化經(jīng)歷了8個循環(huán)，每個循環(huán)中火焰掃描閥桿1次（40 s）。下面以第一個掃描循環(huán)（0～40 s）為例進(jìn)行說明。

圖10 火焰噴槍噴涂4個來回之后各測點的溫度

圖11 火焰掃描30.7 s時排氣閥桿與涂層粒子流（火焰）界面處的溫度場分布云圖

圖12 排氣閥桿界面128號節(jié)點在整個噴涂過程中的溫度變化曲線

圖13為排氣閥桿界面128號節(jié)點在第一個掃描循環(huán)（0～40 s）內(nèi)的溫度變化曲線。從圖13中可看出，噴射火焰束到該節(jié)點之前，該節(jié)點的溫度為排氣閥桿設(shè)置的初始溫度（20℃）；當(dāng)火焰束噴涂到該節(jié)點時，該節(jié)點的溫度迅速升高，并在火焰束中心偏后的位置達(dá)到最高，在離火焰流中心漸遠(yuǎn)的位置逐漸下降。該節(jié)點的溫度在2 s的時間內(nèi)經(jīng)歷了先從室溫到最高，再隨火焰的移動迅速下降的過程。

圖13 排氣閥桿界面128號節(jié)點在第一個掃描循環(huán)內(nèi)的溫度變化曲線

3.2 應(yīng)力場分析

圖14為排氣閥桿界面128號節(jié)點在整個火焰掃描過程（即4個噴涂來回）中的等效應(yīng)力變化曲線，反映了該節(jié)點在整個噴涂過程中的應(yīng)力變化情況。以第一個噴涂循環(huán)（即火焰掃描噴涂區(qū)域1次（0～40 s））為例，在火焰掃描到該節(jié)點之前，該節(jié)點的熱應(yīng)力值很小，隨著火焰的逼近，該節(jié)點的溫度急速上升，熱應(yīng)力值急速增大。當(dāng)火焰到達(dá)該節(jié)點時，該節(jié)點的熱應(yīng)力值達(dá)到最大。隨著火焰的繼續(xù)移動，該節(jié)點的溫度急速下降，熱應(yīng)力值逐漸減小。此后，隨著該節(jié)點的溫度逐漸下降，熱應(yīng)力值進(jìn)一步減小。

圖14 排氣閥桿界面128號節(jié)點在整個火焰掃描過程中的等效應(yīng)力變化曲線

由此可知，火焰掃描過程是一個典型的快速加熱快速冷卻的過程。在此過程中，排氣閥桿基體與涂層結(jié)合界面上會產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力。該殘余應(yīng)力可能會導(dǎo)致微裂紋在界面邊緣萌生，最終導(dǎo)致涂層剝落。

減小排氣閥桿內(nèi)部與表面過大的溫差是減小熱應(yīng)力最有效的措施。因此，對排氣閥桿采取噴涂前預(yù)熱、噴涂后緩冷的措施。同時，在噴涂之后進(jìn)行熱處理能明顯減小和釋放殘余應(yīng)力。

以噴涂前預(yù)熱為例，改變排氣閥桿的預(yù)熱溫度，排氣閥桿與涂層粘界面處的應(yīng)力水平隨之改變。閥桿預(yù)熱溫度升高，可有效改善涂層與閥桿黏接界面的應(yīng)力狀況。但是，預(yù)熱溫度不能過高，預(yù)熱溫度過高會引起表面氧化，影響噴涂之后涂層與排氣閥桿的結(jié)合強(qiáng)度，因此需將預(yù)熱溫度控制在一定的范圍內(nèi)。通過多輪的仿真分析，對預(yù)熱工藝中的預(yù)熱方式和預(yù)熱溫度要求等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過對噴涂過程進(jìn)行模擬分析，為最終獲得排氣閥桿的超音速噴涂（High Velocity Oxygen Fuel，HVOF）專利商首件認(rèn)可提供充足的理論支撐。

4 結(jié) 語

通過對低速機(jī)排氣閥桿噴涂過程中的溫度場和熱應(yīng)力變化進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論：

1）通過采用有限元仿真與試驗測試相結(jié)合的方式，驗證了排氣閥桿噴涂過程有限元模型的有效性及仿真分析結(jié)果的正確性；

2）通過對噴涂過程中的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行仿真分析，可得到噴涂過程中溫度和熱應(yīng)力的變化規(guī)律，為排氣閥桿變形控制提供理論支撐；

3）通過仿真分析，可有效分析低速柴油機(jī)排氣閥桿的涂層工藝過程，為優(yōu)化噴涂過程工藝參數(shù)提供依據(jù)。