Применение керамических материалов в двигателестроении

Применение керамических материалов в двигателестроении. Исследование керамики, как возможного конструкционного материала для двигателей внутреннего сгорания, начались в 50-е годы, когда американская фирма Chicago and Eastern Jllinois испытала керамические покрытия толщиной 0,1-0,2 мм на тепловозном двигателе EMD-567. К настоящему времени накоплен большой опыт по изготовлению и испытанию керамических деталей в различных двигателях.

Но, несмотря на то, что за последние 15-20 лет проведн большой объм научно-исследовательских работ во всех наиболее технически развитых странах, применение конструкционной керамики в двигателестроении ещ не вышло за рамки производственных экспериментов.

Широкому применению керамических изделий в двигателестроении препятствует отсутствие керамических материалов, которые удовлетворяли бы всей гамме требований, предъявляемых к ним. Они имеют ряд существенных недостатков, таких как низкая ударная вязкость и отсутствие пластичности, что обуславливает трудности формирования и получения изделий без внутренних дефектов пустот, трещин и т.п хрупкость, которая приводит к трещинообразованию и отколам в рабочих условиях, а также высокая стоимость деталей, изготовленных из керамических материалов, вследствие сложности применяемого оборудования и процессов их изготовления и последующей механической обработки.

Несмотря на эти недостатки керамические и керметные материалы по праву считаются материалами будущего для двигателестроения, и их изучению уделяется большое внимание. Это обусловлено тем, что целые классы керамических материалов, таких как оксидная, нитридная, карбидная керамика и др. имеют уникальное сочетание физико-механических свойств. Основное достоинство керамических материалов заключается в том, что они могут эксплуатироваться при высоких температурах.

К примеру, успехи в области технологии бескислородной керамики на основе SiC, Si3N4 и AlN, позволяют получить материалы с прочностью при изгибе более 1000 МПа при комнатной температуре, незначительно уменьшающейся при температурах 1300-1500 оС. Плотность этих материалов около 3,0-3,5х103 кгм3. В то же время при температурах выше 1200 оС прочность жаропрочных сплавов падает практически до нуля при существенно более высокой плотности 7,5-8,0х103 кгм3. Ещ одно их немаловажное достоинство в том, что природные запасы керамических материалов неисчерпаемы, так как из них состоит практически вся земная кора. Вследствие того, что свойства керамических материалов мало изучены и, в настоящее время, создаются все новые керамические материалы и композиты на их основе, номенклатура этих материалов для двигателестроения очень многообразна и окончательно не определена.

Можно встретить самые разнообразные прогнозы.

Так на симпозиуме, проведнном секцией Технология материалов Общества немецких инженеров в 1985 году в Баден-Бадене, отмечалось, что, исходя из свойств керамических материалов, для изготовления цилиндровых втулок и поршней следует применять диоксид циркония PSZ и спечнный нитрид кремния SSN, для впускных и выпускных каналов титанат алюминия Al2TiO5 и для деталей турбокомпрессора спечнные нитрид Si3N4 и карбид SiC кремния.

Французские специалисты придерживаются такого же мнения, отмечая при этом перспективность применения сплавов PSZ диоксид циркония не только на основе циркония, но и на основе титаната алюминия. Peter W Hartmut H и Manfred C. также выделяют для двигателестроения двуокись циркония и бескислородную керамику, такую, как, к примеру, алюминиево-магниевый силикат AMS. Японские специалисты кроме чисто керамических материалов уделяют также большое внимание композиционным материалам, содержащим керамические элементы только в виде усиливающей арматуры.

Японские фирмы Riken и Showa Denko разработали целое семейство композиционных Al-сплавов под общей маркой Shorik. Большое внимание изучению керамических материалов уделяется и в США. В армейском центре по исследованию материалов и механики, совместно с Мичиганским университетом были испытаны керамические материалы, содержащие хромоалюминиевое связывающее вещество с 10 гафние-циркониевой дисперсной фазой.

После 500 часовой выдержки при температуре 1000 оС эти керамические материалы по механическим свойствам имели преимущества, по сравнению с магниево-циркониевым керамическим материалом. Таким образом, большая номенклатура и недостаточное знание свойств керамических материалов не дают возможность выбрать какие-либо конкретные материалы из этого многообразия. Отсутствие достаточного теоретического обоснования выбора этих материалов для конкретных деталей приводит к необходимости, на данном этапе, в основном к экспериментальному изучению, как керамических материалов, так и деталей из них. Поэтому имеющиеся керамические или адиабатные двигатели внутреннего сгорания носят, в первую очередь, демонстрационный характер.

Исследования по созданию так называемого адиабатного двигателя можно разделить на четыре направления, каждое из которых имеет самостоятельное значение нанесение термобарьерных покрытий из керамических или керметных материалов на металлические детали создание отдельных деталей двигателя из керамических или керметных материалов создание минимально охлаждаемого двигателя создание полностью керамического двигателя, не требующего охлаждения и смазки жидкими смазочными маслами.

Нанесение термобарьерных покрытий из керамических или керметных материалов на металлические детали, как уже отмечалось, началось еще в 50-е годы, но до настоящего времени этот процесс находится на стадии исследований.

В нашей стране наиболее изучен вопрос нанесения теплозащитных покрытий из различных керамических материалов на поршень и в несколько меньшей степени на клапана и крышку цилиндров. Эффективность снижения температуры детали, при прочих равных условиях, зависит от теплопроводности материала покрытия. К тому же, как показали многочисленные испытания, керамические покрытия на днище поршня выполняют не только защитную функцию, но и выравнивают температуру по защищенному днищу поршня.

Для дизеля типа 1Ч 10,513 максимальный градиент температур в радиальном направлении для чугунного поршня без покрытия равен 4,74 оСмм, а с покрытием 3,84 оСмм. Керамическое покрытие из двуокиси циркония толщиной 0,1 мм уменьшает температурный градиент в осевом направлении в среднем на 20 , а при увеличении толщины до 0,4 мм дополнительно еще на 10 . При выборе толщины покрытия следует учитывать, что снижение температуры детали под покрытием происходит не пропорционально толщине покрытия.

Так покрытие из двуокиси циркония толщиной 0,1 мм снижает температуру горячих точек на 45-50 оС. При увеличении толщины этого покрытия до 0,2 мм снижает температуру в этих точках еще на 20 оС. Но при дальнейшем увеличении толщины этого покрытия с 0,8 до 0,9 мм температура поршня в этих же точках дополнительно снижается только на 5 оС. Подобные зависимости получены для различных типов дизелей и носят общий характер, что подтверждено реализацией различных расчтных методов и моделированием.

Проводятся исследования по нанесению керамических покрытий на тарелки клапанов. Так покрытие из двуокиси циркония толщиной 0,5-0,6 мм, нанеснное на тарелку клапана, снижает температуру в центре тарелки на 60 оС. Представляют интерес предлагаемые анизотропные покрытия, состоящие из чередующихся слов окиси алюминия и ковара, что позволяет не только снизить температуру клапана, но и существенно выравнить е от центра к кромкам клапана. Теплоизоляция деталей камеры сгорания дизеля керамическими покрытиями оказывает существенное влияние на рабочий процесс. Это влияние не однозначно и зависит главным образом от того, достаточно ли будет при этом количество воздуха для сгорания впрыснутого в дизель топлива.

Таким образом, теплоизоляция камеры сгорания керамическими покрытиями целесообразна в основном для двигателей с наддувом. При испытании в ЦНИДИ одноцилиндрового отсека 1Ч1822 с деталями камеры сгорания, имеющими керамическое покрытие, эффективный расход топлива при оптимальном режиме снизился на 6,80-9,52 гкВтч, на номинальном режиме до 40,80 гкВтч при 25 нагрузке.

Испытания покрытий проводились также на разврнутом дизеле 6ЧН1518 с газотурбинным наддувом. Они показали, что при неизменном оп28 градусов поворота коленчатого вала покрытие улучшает экономичность на 6,26 гкВтч по всей нагрузочной характеристике, а при оп32 градуса поворота коленчатого вала расход топлива снизился на 10,88-13,60 гкВтч. Исследования в области нанесения защитных покрытий показали, что наиболее технологическим методом является плазменное напыление.

Так, например, компания FCS США в течение последних пяти лет наносит керамическое покрытие на детали дизелей, образующих камеру сгорания. Двигатели с керамическим покрытием отработали уже более 20 тыс. ч, что свидетельствует о прочности покрытия. Американское бюро по судостроению рекомендовало тонкое керамическое покрытие, толщиной 0,381 мм, компании FCS для деталей судовых дизелей.

С участием Департамента транспорта США были проведены испытания дизеля, установленного на буксире. Керамическое покрытие имели днища поршней, выхлопные клапана и крышки цилиндров. Дизель проработал в течение двух лет около 14 тыс. ч. Во время испытаний дизель с керамическим покрытием работал более мягко, лучше принимал нагрузку, развивал большую мощность и имел более низкий примерно на 5 удельный расход топлива. Период окупаемости дизеля снизился до шести месяцев, увеличился интервал между ремонтами дизеля.

Анализ результатов испытаний дизеля показал, что тепловой барьер, создаваемый керамическим покрытием, снижает температуру металла и тем самым уменьшает термические напряжения в деталях. Результаты анализа индикаторных диаграмм показали, что керамическое покрытие сокращает период задержки воспламенения, скорость нарастания давления, снижает величину максимального давления сгорания и сдвигает точку z вправо от ВМТ, что приводит к увеличению индикаторной работы, а, следовательно, и мощности дизеля.

Эти изменения в рабочем процессе позволяют работать двигателю на более дешвом топливе, что дополнительно снижает эксплуатационные расходы примерно на 5 . Применение керамического покрытия на деталях двигателя также положительно влияет и на экологические показатели. Так в двух малооборотных дизелях, мощностью по 19580 кВт каждый, металлокерамическое покрытие было нанесено на днища поршней и на огневую поверхность крышек цилиндров. Оба дизеля проработали более одного года на остаточном топливе вязкостью 600 сСт. Испытания двигателей показали, что выброс тврдых частиц снизился на 52 , а расход топлива на 5 , отработавшие газы были почти прозрачными.

После разборки дизелей обнаружено, что покрытие имеет светлый песочный цвет, без нагара или металлических отложений на поверхностях, образующих камеру сгорания. Толстые 0,5-0,15 мкм и сверхтолстые более 1,5 мкм покрытия, необходимые для деталей дизелей, могут успешно наноситься методом дугового плазменного напыления.

ZrO2 является наиболее удобным материалом для нанесения покрытий этим методом на детали двигателя. Но поскольку фазовые превращения ZrO2 могут привести к увеличению е объма до 9 , в порошок добавляют Y3O5 для стабилизации. Незащищнные кромки и разрывы покрытия быстро приводят к его разрушению. Для предотвращения этого было предложено заглублять покрытие в деталь. Это решение успешно апробировано в двигателе, имеющим толщину покрытия до 7 мм. Таким образом, керамические покрытия деталей камеры сгорания не только снижают теплонапряженность деталей, но и приводят к улучшению топливной экономичности двигателя. Основное внимание исследований направлено на повышение работоспособности покрытия и предотвращение его отслаивания во время работы.

Вторым направлением является создание отдельных деталей двигателя из керамических материалов, которые, наряду с нанесением термобарьерных покрытий, в настоящее время бурно развивается. Этому способствует не только заинтересованность в повышении экономичности и долговечности двигателя, но и возможность изучения керамических и керметных материалов в реальных рабочих условиях, что дат возможность корректировать их состав и технологию изготовления.

При создании адиабатного двигателя возник ряд проблем, на решение которых направлены усилия многих фирм и научно-исследовательских центров всех высокоразвитых стран. Одна из них, это получение и обработка керамических материалов. Кроме того, что этот процесс дорогой и сложный сам по себе, он дат ещ и нестабильные результаты. Например, отмечается значительный разброс физико-механических характеристик частично стабилизированной двуокиси циркония, производимой различными способами многими фирмами Японии, США, Австралии и других стран.

Поэтому одной из основных задач является разработка методов неразрушающего контроля для керамических материалов, которые позволили бы обнаруживать дефекты, линейные размеры которых находятся в пределах 10-100 мкм. Анализ математической модели адиабатного двигателя показал, что тепловой поток через стенку камеры сгорания уменьшается не пропорционально изменению коэффициента теплопроводности материала стенки, а значительно в меньшей степени.

И снижение теплоотвода через стенку, допустим с 13 до 8 от вводимого с топливом количества теплоты, а один цикл повышает индикаторный КПД цикла лишь на 1,2 . К примеру, рассмотрим распространение теплового потока через чугунную и керамическую стенки толщиной 10 мм при средней температуре газов в цилиндре двигателя tg800 оС и температуре охлаждающей воды или воздуха tcool80 оС. Коэффициент теплоотдачи от горячего газа в стенку принят равным 1200 ккалмчК. В случае охлаждения водой коэффициент теплоотдачи наружной стенки 25000 ккалмчК, а в случае неподвижного воздуха он не превышает 50 ккалмчК. Вычислим тепловой поток как стационарный по следующей формуле Принимаем коэффициент теплопроводности чугунной стенки 44 ккалмхчхК, а керамической стенки 8 ккалмхчхК. Принимая эти исходные данные для случая водяного охлаждения видно, что, несмотря на то, что коэффициент теплопроводности керамической стенки в 5,5 раза меньше, чем коэффициент теплопроводности чугунной стенки, тепловой поток Q падает с 155х103 до 130х103 Вт, то есть не более чем на 16 . В связи с этим представляет интерес модель теплового потока в двигателе, предложенная С. Фурухамой рис. 1-8. Из этой модели вытекает важный вывод при создании адиабатного двигателя без водяного охлаждения от керамических материалов, в первую очередь, требуется жаростойкость, так как хорошим теплоизолятором является окружающий воздух, а керамика будет служить как жаропрочный материал.