[01615472]内燃机动力系统关键部件的制备及其强化技术与应用

内燃机工业是装备制造业的基础产业,是交通运输、机械制造及国防安全等行业的主要配套产业,也是环保的重要环节。传统内燃机的缸体-活塞-连杆等动力部件制备材料存在表面耐磨性能差、力学强度低、疲劳寿命短等缺点。具有低摩擦、高强、高可靠性等优势的动力部件成为低排放、高可靠性内燃机的关键研究热点。但仍存在合金表面材料体系不够完善、基体与表面协同调控难度大、复合组件制造指导准则缺乏等难题。本项目经过近十年联合攻关,研发了缸孔内壁涂层技术、连杆微合金强化技术、基体与涂层耦合调控技术以及复合组件的低摩擦和密封协同优化技术,推动内燃机行业的发展和进步。主要创新如下： 1、开发了缸孔内壁低摩擦共晶涂层材料体系,发明了多因素调控界面强化及孔隙率分布优化技术。结合活塞卡环材料磨损特性,利用材料密度和粉末形貌对其喷涂轨迹的差异化影响,开发了氧化铝/氧化锆共晶陶瓷增强铁基复合涂层材料,实现了梯度涂层的制备,形成了内孔等离子旋转喷涂的工艺流程,获得了孔隙分布与机油消耗率的匹配准则。制备的缸孔涂层摩擦系数低至0.08,孔隙率为3% ,粘结强度超40M Pa,解决了缸孔内壁表面摩擦磨损难题。 2、发明了微合金化连杆的材料体系及其强化设计方法,制定了高可靠性连杆的强化工艺流程。基于产品全生命期数据管理,研发了46MnVS5和36MnVS5等材料配方,开发了连杆表面复碳强化、基体强化和表面处理等关键技术。连杆的屈服强度超过750M Pa,延伸率超过8% ,冲击韧性超过80J/cm 2,疲劳可靠性提高9.9% 以上,实现国产替代,解决了连杆总成的疲劳可靠性问题。 3、发明了铝合金活塞弥散强化和隔热涂层耦合调控技术,获得了隔热铝合金活塞内部冷却设计准则及结构优化方法。利用钒在铝中低溶解度的本质,形成了钒短流程弥散强化铝合金高温力学强度技术,表面引入MgZrO3、YSZ陶瓷复合隔热涂层,获得了隔热活塞的高温内冷油道设计准则和活塞型线优化模型,并实现生产。铝合金活塞360℃高温抗拉强度超过80MPa,相比于传统活塞提高了15M Pa,活塞表面服役温度降幅为38～51℃,解决了活塞服役过程中高温易变形的问题。 4、开发了缸体-活塞-连杆复合组件的低摩擦和密封特性优化技术。通过数值仿真模拟,建立了活塞热障涂层、裙部型线、销控位置、缸套工作变形、配缸间隙、连杆结构等参数的多方案设计系统和准则,形成了活塞-缸孔-连杆组件的动态联动优化设计技术。新型复合组件发动机机油消耗率降低15% ,燃油消耗率降低3% ,应用于多个型号内燃机。 项目主持和参与制定国家标准1项,行业标准5项,企业标准6项,获授权专利26项,发表学术论文33篇。在四川、重庆、昆明等数十家内燃机或汽车企业实现产业化和应用,累计新增销售额达到40.31亿元,新增利润5.42亿元。成果对我国内燃机的动力系统材料强化及提升性能起到示范作用,达到国际领先水平,引领行业发展。