激光表面强化技术在船舶柴油机气缸盖再制造中的应用研究开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

目的及意义

气缸盖是柴油机的一种紧固件,也是柴油机燃烧室的组成部分。制造气缸盖常用的材料为灰铸铁、合金铸铁或铝合金。船用柴油机各种型式的气缸盖的共同特点是结构复杂,孔道较多,壁厚不均[1]。它不仅受到高温高压气体的强烈作用,而且周期性地承受较高的机械负荷与热负荷,也受到因冷却水造成的局部冷热不均影响,同时还由于螺栓预紧力使气缸盖承受着压应力,并与燃气压力共同作用使气缸盖受到弯曲作用,此外,还在截面变化处容易产生应力集中等,正是由于气缸盖如此恶劣的工作条件,致使气缸盖很容易失效损坏[2]。通常失效损坏形式为:其底面和冷却水腔产生裂纹,这是柴油机经常出现的损坏现象,还有气阀底面和导套容易磨损,冷却水侧被腐蚀等[3]。因此,柴油机气缸盖就会丧失其原有的功能,就很产生很多旧件,此时就需要进行再制造,再制造是是一种对废旧产品实施高技术修复和改造的产业,它针对的是损坏或行将报废的零部件,在性能失效分析、寿命评估等分析的基础上,进行再制造工程设计,采用一系列相关的先进制造技术,使再制造产品质量达到或超过新品。而且再制造产品与同类新产品相比,价格平均只有后者的30%-40%。再制造产品相对于新品而言也大大减少了对环境的污染,所以,将再制造技术运用在船用柴油机气缸盖上将能大大减少经济损失。激光具有普通光源无法比拟的高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大优异性能[4-5]。其光束直径和发散角很小,聚焦后小光斑的功率密度可达105~109w/cm2(焊接电弧约104~105w/cm2),能使物质迅速熔化、气化或改变性能[3]。这一特性使普通热源难以实现的加工工艺成为可能。将高能束激光幅射金属表面,控制其功率密度、扫描速度以及表面层的合金成分等各种参数,可实现对材料表面改性处理[6-7]。其加热区域小、加热速度极快,冷却迅速、工艺过程精确可控[6]。激光表面强化技术包括激光相变硬化、激光重熔、激光合金化、激光熔覆、激光冲击强化等[8]。以激光光斑为能量源的激光表面强化技术,相对其他表面强化技术,存在如下显著特点[9]:(1)相对于表面堆焊,激光表面加工不存在将焊材以高温液态迁移到电弧熔池中的过程,对熔池的保护要求低,速度快;激光涂层在成分和工艺上不需要造渣和排渣,有利于减少涂层中的缺陷,提高激光熔池的运动速度和涂层的质量[10-11]。此外,一般认为激光涂层比焊接层的稀释率和热影响区更小。(2)相对于电镀或化学镀,激光表面加工以粉体为原料,粉体成分与配比的灵活性大,对环境无污染,涂层中增强相的选择性大,含量易调控,不存在镀液配比复杂、工艺要求高、有毒有害等问题[12]。而且激光涂层的冶金结合比电镀层更为牢靠。(3)相对于热喷涂,等离子体喷涂等喷涂技术,激光表面加工过程的噪音低,涂层无孔隙,对基底的热输入小;为了提高和改善镀层或喷涂层的组织和性能,近年来对镀层和喷涂层进行激光熔覆或重熔的工艺,也受到了研究人员的开发和应用[13]。(4)相对于必须将基底加热到高温,并长时间保温扩散的表面渗碳、渗氮、渗硼等化学热处理技术,激光表面加工不需要对基底加热、速度快、能耗低、镀层厚、对基底影响小的优点十分明显。(5)相对于溅射、电子束、离子注入等其他现代先进表面制造和强化技术,激光表面加工不需要真空,对前置材料的要求低、工艺简单、效率高、成本低、适合现场加工等优点显著。所以将激光表面强化技术运用到气缸盖再制造中不仅能减少经济,而且能减少对环境的影响。

国内外对该方向研究现状及分析

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2. 研究的基本内容与方案

研究的基本内容


(1)舶柴油机气缸盖的失效分析,气缸盖失效的具体分析:1.气门的机械运动及积碳附着均可以造成座圈及导管的磨损。2.冷热负荷冲击下长期工作导致缸盖底平面变形从而影响缸盖密封性。3.因气门断裂、连杆螺栓断裂或其他异物进入燃烧室导致顶缸。4.缸盖因交变温度变化过大导致气门间鼻梁区产生裂纹。5.运输过程中因防护不到位而产生的磕碰伤以及拆解安装过程中造成的螺纹损伤。

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3. 研究计划与安排

(1)第一周-第三周:完成文献综述及开题报告。

(2)第四周-第五周:完成柴油机气缸盖的失效机理分析,了解气缸盖材质以及腐蚀磨损的过程与影响,完成外文翻译工作。

(3)第六周-第七周:通过收集国内外针对气缸盖腐蚀磨损的应对方法并分析各方法的可行性经济性等来评价提高船舶柴油机气缸盖使用寿命的方法。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]王锦辉.船舶柴油机汽缸盖的裂纹产生原因分析及修理[j].中国修船,2005(05):9-11.

[2]邓忠起,戴丽杰.船舶柴油机汽缸盖裂纹产生的原因、修理及预防[j].船艇,2007(08):22-25.

[3]殷开松,董宗宜,包志毅.汽缸盖失效模式分析及再制造工艺研究,2015第十期

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