Применение теплозащитных покрытий для двигателей внутреннего сгорания (Обзор)

Обобщены литературные данные о применении теплозащитных покрытий для защиты деталей двигателей внутреннего сгорания. Рассмотрены методы нанесения теплозащитных покрытий и материалы, которые используются для их нанесения....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2012
1. Verfasser:	Цымбалистая, Т.В.
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2012
Schriftenreihe:	Автоматическая сварка
Schlagworte:	Производственный раздел
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101223
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Применение теплозащитных покрытий для двигателей внутреннего сгорания (Обзор) / Т.В. Цымбалистая // Автоматическая сварка. — 2012. — № 6 (710). — С. 38-43. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101223
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1012232025-02-09T14:42:02Z Применение теплозащитных покрытий для двигателей внутреннего сгорания (Обзор) Application of heat-protective coatings for internal combustion engines (Review) Цымбалистая, Т.В. Производственный раздел Обобщены литературные данные о применении теплозащитных покрытий для защиты деталей двигателей внутреннего сгорания. Рассмотрены методы нанесения теплозащитных покрытий и материалы, которые используются для их нанесения. Literature data on application of thermal barrier coatings for protection of internal combustion engines components have been generalised. The methods used to apply the thermal barrier coatings and the consumables used to deposit them are considered . 2012 Применение теплозащитных покрытий для двигателей внутреннего сгорания (Обзор) / Т.В. Цымбалистая // Автоматическая сварка. — 2012. — № 6 (710). — С. 38-43. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101223 621.791:621.43 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Производственный раздел Производственный раздел
spellingShingle	Производственный раздел Производственный раздел Цымбалистая, Т.В. Применение теплозащитных покрытий для двигателей внутреннего сгорания (Обзор) Автоматическая сварка
description	Обобщены литературные данные о применении теплозащитных покрытий для защиты деталей двигателей внутреннего сгорания. Рассмотрены методы нанесения теплозащитных покрытий и материалы, которые используются для их нанесения.
author	Цымбалистая, Т.В.
author_facet	Цымбалистая, Т.В.
author_sort	Цымбалистая, Т.В.
title	Применение теплозащитных покрытий для двигателей внутреннего сгорания (Обзор)
title_short	Применение теплозащитных покрытий для двигателей внутреннего сгорания (Обзор)
title_full	Применение теплозащитных покрытий для двигателей внутреннего сгорания (Обзор)
title_fullStr	Применение теплозащитных покрытий для двигателей внутреннего сгорания (Обзор)
title_full_unstemmed	Применение теплозащитных покрытий для двигателей внутреннего сгорания (Обзор)
title_sort	применение теплозащитных покрытий для двигателей внутреннего сгорания (обзор)
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Производственный раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101223
citation_txt	Применение теплозащитных покрытий для двигателей внутреннего сгорания (Обзор) / Т.В. Цымбалистая // Автоматическая сварка. — 2012. — № 6 (710). — С. 38-43. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT cymbalistaâtv primenenieteplozaŝitnyhpokrytijdlâdvigatelejvnutrennegosgoraniâobzor AT cymbalistaâtv applicationofheatprotectivecoatingsforinternalcombustionenginesreview
first_indexed	2025-11-26T23:34:55Z
last_indexed	2025-11-26T23:34:55Z
_version_	1849897883097104384
fulltext	УДК 621.791:621.43 ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (Обзор) Т. В. ЦЫМБАЛИСТАЯ, инж. (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины) Обобщены литературные данные о применении теплозащитных покрытий для защиты деталей двигателей внутреннего сгорания. Рассмотрены методы нанесения теплозащитных покрытий и материалы, которые используются для их нанесения. К л ю ч е в ы е с л о в а : теплозащитные покрытия, двига- тели внутреннего сгорания, детали цилиндропоршневой группы, плазменное напыление, частично стабилизирован- ный диоксид циркония В настоящее время основным видом двигателей, используемых в приводах автомобильного, судо- вого и железнодорожного транспорта, сельскохо- зяйственной техники и целого ряда других машин и агрегатов, являются двигатели внутреннего сго- рания (ДВС) [1]. Основными причинами снижения и потери ра- ботоспособности ДВС являются абразивный из- нос в парах трения (поршневые кольца и гильзы, подшипники скольжения коленчатых валов, ку- лачки распределительных валиков и т. п.), кави- тационный износ (гильзы цилиндров) и корро- зионно-механический износ (тарелка и седло кла- пана) [1]. Кроме того, немаловажное значение имеет эффективная изоляция камеры сгорания теплозащитным покрытием (ТЗП), которая поз- воляет перераспределить рассеянное тепло таким образом, чтобы свести его потери к минимуму через охлаждающую систему и систему удаления выхлопных газов. Коррозия на поршне вызыва- ется отложениями оксидов и сульфидов ванадия, весьма агрессивными при температурах поверх- ности деталей камеры сгорания (400…500 °С). Улучшение антифрикционных свойств контакти- рующих поверхностей деталей позволяет снизить потери на трение, которые составляют в указан- ных узлах около 50 % общих механических по- терь в двигателе, и, таким образом, повысить эко- номичность его работы. Наиболее перспективным способом снижения температуры деталей ДВС, повышения износостойкости трущихся пар, защи- ты от коррозии является создание теплозащитных, износостойких, коррозионностойких покрытий поверхности деталей. На рис. 1 представлены де- тали автомобилей с ТЗП. «SULZER METCO» — наиболее известная за рубежом фирма, занимающаяся разработкой и продажей оборудования и изготовлением матери- алов (порошков, проволок) для нанесения покры- тий различного назначения. Ниже приведены све- дения о наиболее часто применяемых фирмой ма- териалах для покрытий, используемых для ремон- та деталей автомобиля. При ремонте деталей тор- мозной системы (тормозные диски, колодки тор- мозные) для улучшения процесса торможения, снижения массы, увеличения срока эксплуатации дисков и колодок применяют плазменные покрытия из порошков Al2O3⋅3TiO2, Ni5Mo5,5Al, молибдена. Для деталей системы двигателя, которые работают в условиях износа (поршневые кольца, форсунка дизеля, распределительный вал, коленчатый вал), применяют плазменные покрытия из порошков мо- либдена и Mo–NiCrBSi, газопламенные покрытия из проволок Fe38Ni10Al и Fe13Cr, покрытия, на- пыленные с помощью электродуговой металли- зации из проволоки (WC–12Co)38,8Ni6Cr, и пок- рытия, напыленные сверхзвуковым газопламен- ным напылением из порошков Cr3C2 и Cr3C2– NiCr, которые обеспечивают высокое сопротив- ление заеданию, высокую износостойкость, уменьшение трения, экономию средств, увеличе- ние срока службы компонентов. При коррозии (стержни клапанов, датчик выхлопа) применяют плазменные покрытия из порошков шпинели и покрытия, напыленные с помощью электродуго- вой металлизации из алюминиевой проволоки, ко- торые увеличивают срок службы клапанов и обес- печивают контроль кислорода. При окислении (датчики кислорода) для защиты от эрозии при- меняют плазменные покрытия из порошков кера- мики, а при высоких температурах (днище пор- шня) — плазменные покрытия из порошков ZrO2– Y2O3, которые обеспечивают уменьшение разгара поверхности и потери тепла, теплоизоляцию, по- вышение эффективности работы двигателя, уве- личение срока эксплуатации поршня. Для избе- жания увеличения массы за счет тяжелых чугун- ных вставок на цилиндрах двигателя применяют плазменные покрытия из порошков Mo, MoFe, Fe и др., которые снижают размеры двигателя и пот- ребление масла и топлива. При проблеме сцеп- ления на границе раздела между гильзой цилиндра© Т. В. Цымбалистая, 2012 38 6/2012 и литым алюминиевым блоком цилиндра приме- няют покрытия, напыленные с помощью элект- родуговой металлизации из проволоки AlSi, и га- зопламенные покрытия из проволоки NiAl, кото- рые улучшают поверхности алюминиевой отлив- ки и функциональность. При диэлектрической изоляции (крышка генератора) применяют плаз- менные покрытия из порошков Al2О3. Для ком- понентов выхлопной системы при увеличенном тепловом излучении и повышенной температуре выхлопных газов применяют плазменные покры- тия из порошков керамики, газопламенные пок- рытия из алюминиевой проволоки для теплоизо- ляции, тепловой защиты, снижения температуры, сокращения расходов, а в условиях коррозии на выхлопном глушителе применяют газопламенные покрытия из алюминиевой проволоки для увели- чения более длительного срока службы при низ- кой стоимости. Основным направлением увеличения мощнос- ти ДВС является повышение температуры и сте- пени сжатия рабочего газа при сжигании топлива [2]. Поэтому актуальной становится проблема по- вышения рабочей температуры в камере сгорания за счет снижения потерь тепла в системе охлаж- дения. Наиболее перспективным способом реше- ния этой задачи является применение ТЗП, при нанесении которых оптимизируется режим рабо- ты двигателей, повышается их КПД, сокращается расход топлива и смазочных материалов. Разработке ТЗП для двигателестроения уделя- ется большое внимание в США, Японии, Вели- кобритании, Германии и Норвегии. В странах СНГ (Россия, Украина и Республика Беларусь) ведутся исследования по разработке различных покрытий (в том числе ТЗП) для повышения эф- фективности и надежности ДВС. В настоящее вре- мя в Украине ТЗП нашли широкое применение для защиты лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) [3] и практически отсутствует разработка ТЗП для деталей ДВС. Основное назначение ТЗП в ДВС — снижение потерь тепла в камере сгорания и защита метал- лической основы от воздействия высоких темпе- ратур. Как правило, ТЗП состоит из изолирую- щего внешнего керамического слоя (верхний) и металлического подслоя (связующий слой) между керамикой и основой (рис. 2) [4, 5]. Теплозащит- ные функции выполняет внешний керамический слой. Основной функцией подслоя является плас- тическая релаксация напряжений в покрытии, воз- никающих из-за несогласованного изменения объ- емов керамических и металлических материалов при нагреве и охлаждении изделия. В качестве керамических материалов для ТЗП в основном используют диоксид циркония, частично стабилизированный оксидами (7...8 % Y2O3, 22 % МgО, 25 % MgO, 5 % CaO), оксид алюминия, оксид хрома [5, 6]. Наибольшее распространение получил диоксид циркония, частично стабилизированный ок- сидом иттрия [4, 5]. Широкое применение ZrO2 обус- ловлено его низким коэффициентом теплопровод- ности (1,95 Вт⋅м–1⋅К–1), высоким коэффициентом ли- нейного расширения (α = 5…5,6⋅10–6 К–1), жарос- тойкостью и высокой вязкостью разрушения. В качестве материала подслоя используют жа- ростойкие сплавы на основе МеCrAlY (Me = Ni, Co, Ni–Co, Fе), а также NiCr. Наиболее применя- емым для этой цели является NiCrAlY, что обус- ловлено его высокой стойкостью к окислению (до 900…1000 °С) и хорошей способностью релакси- ровать напряжения в покрытии. Для напыления функциональных защитных покрытий деталей ДВС применяют такие методы напыления, как плазменный метод (на открытом воздухе [1, 2, 4, 5, 7–13], при низком давлении или в атмосфере инертного газа [5, 8]). Основным методом нанесения керамического слоя ТЗП является плазменное напыление в воз- Рис. 1. Детали ДВС с ТЗП: а — цилиндры двигателя; б — поршень; в — выхлопные клапаны; г — датчики выхлопа и датчики кислорода Рис. 2. Микроструктура (×200) двухслойного ТЗП: 1 — керамический слой; 2 — металлический подслой; 3 — основа 6/2012 39 душной среде (до 90 % разработок) [5]. Преиму- щественное распространение плазменного напы- ления ТЗП обусловлено его высокой производи- тельностью и универсальностью, что позволяет наносить металлические и керамические матери- алы заданного химического и фазового состава в виде покрытий значительной толщины. Для нанесения жаростойкого подслоя приме- няют методы плазменного напыления в инертной среде или динамическом вакууме, вакуумное электронно-лучевое осаждение для предотвраще- ния окисления материала подслоя в процессе на- пыления. К настоящему времени наибольшее количест- во разработок по покрытиям деталей ДВС при- ходится на долю поршневой группы (более 90 %, в том числе на поршневые кольца около 70 %) [2, 5, 7, 8, 10–13]. Установлено [2], что одним из важных факто- ров служебных свойств покрытий из ZrO2 явля- ется толщина напыленного слоя. Покрытия из ZrO2 толщиной 0,1…0,5 мм на чугунных поршнях снижают температуру «горячих» точек поршня на 45…50, температуру днища поршня на 25, а в районе верхнего поршневого кольца на 10 °С, ока- зывают выравнивающее действие на температур- ное поле головки поршня, что способствует сни- жению термических напряжений, являющихся причинами возникновения трещин в поршнях из чугуна. Эффективность применения покрытия тем существеннее, чем выше температура поршня при работе без покрытия. После 9490 ч работы пок- рытия из ZrO2 с указанными толщинами (0,1…0,5 мм) не имели отколов, а после 12854 ч работы появились незначительные отколы на кромке днища, покрытия продолжали работать до 22548 ч (6 лет эксплуатации) [2]. При нанесении ZrO2 покрытия на стальной поршень передача тепла в системе охлаждения снизилась на 26 %, что позволило в двигателе с пониженной отдачей тепла уменьшить на 21 % рабочую поверхность радиатора и снизить потребление на 3 кВт мощ- ность вентилятора охлаждения [8]. В работе [12] установлено, что покрытие на алюминиевом пор- шне из ZrO2 толщиной 1 мм после 50 ч работы не имеет никаких повреждений слоя, а при толщине покрытия 2 мм наблюдается крошение и скалыва- ние керамического слоя. Покрытие на алюминиевом поршне судового двигателя из ZrO2, стабилизиро- ванного 5 % CaO, после 3,5 лет эксплуатации ос- талось невредимым, хотя и имело на себе слой уг- лерода [7]. Плазменные покрытия на поршне из Al2O3 тол- щиной 0,45…0,5 мм снижают температуру в цен- тре днища на 31, а в районе поршневого кольца на 12 °С. На поршнях ТЗП из Al2O3 после 500 ч работы показали хорошую работоспособность, разрушений покрытий внутри камеры не наблю- далось, а на чугунных поршнях только после 12854 ч работы в ТЗП появились незначительные отколы на кромке днища, но покрытия продол- жали работать до 22548 ч (6 лет эксплуатации). Покрытие из Al2O3 толщиной более 1 мм на чу- гунном поршне оказалось неработоспособным, а при меньших толщинах оно работает без разру- шения. На алюминиевых поршнях работоспособ- ная толщина этого покрытия не превышает 0,4 мм при предварительном подогреве поршня перед на- несением покрытия. Без предварительного подог- рева алюминиевой основы указанная толщина яв- ляется неработоспособной вследствие значитель- ных отрывных и растягивающих остаточных нап- ряжений, а также циклических термических нап- ряжений, возникающих при работе на дизеле [2]. Двухслойные покрытия с общей толщиной 1 мм на алюминиевом поршне из стабилизиро- ванного ZrO2–24 % MgO и подслоя FeCrAlY пос- ле испытаний в течение 5000 ч не разрушились [10]. Испытания на термоциклирование при тем- пературе от 0 до 950 °С двухслойных покрытий из ZrO2–20 % MgO + NiCrAlY, ZrO2–8 % Y2O3 + NiCrAlY, ZrO2–25 % MgO + CoNiCrAlY, ZrO2– 20 % MgO + NiCoCrAlY толщиной менее 1 мм на алюминиевых поршнях показали, что ТЗП име- ют достаточную стойкость по отношению к цик- лическим изменениям температуры. Разрушение покрытия происходит по причине окисления ниж- него слоя МСrАlY. Покрытие из стабилизирован- ного ZrO2–7/8 % Y2O3 при температуре свыше 1000 °С проявило себя более стойким [9]. Двух- слойное покрытие на алюминиевом поршне из стабилизированного ZrO2–5 % CaO с подслоем 20Ni80Cr толщиной 1,5 мм после 50 ч (2800 цик- лов нагрева-охлаждения) растрескивается и раз- рушается [12]. На чугунном поршне двухслойное покрытие из Al2O3 толщиной 0,6 мм с подслоем из NiCr толщиной 0,1 мм обеспечивает снижение темпе- ратуры наиболее «горячих» точек днища поршня в зоне воздействия факела пламени на 40…48, а в зоне верхней поршневой канавки на 8…10 °С. На алюминиевом поршне покрытие из Al2O3 с подслоем NiCr снизило температуру на 15…20, а в зоне верхней канавки — на 5…7 °С [2]. Двухслойное покрытие из стабилизированного ZrO2–22 % MgO с подслоями NiCoCrAlY и NiCrAlY с толщиной примерно 0,4 мм на днище чугунного поршня после 500 ч испытаний оста- лось без изменений, а покрытие из ZrO2–8 % Y2O3 с подслоями NiCoCrAlY и NiCrAlY сохранилось даже после 9000 ч испытаний [11]. Покрытие из ZrO2 на днище стального поршня толщиной до 2 мм уменьшает передачу тепла в систему охлаж- дения на 30,4, увеличивает эффективную мощ- ность на 3,75, уменьшает удельный расход топ- лива на 3,58 % [8]. 40 6/2012 На головках поршней из жаростойкой стали 2X13 покрытия из Al2O3 и ZrO2 на подслое из NiCr с толщиной более 0,4 мм после пробега 163332 км имеют небольшие отколы, остальная поверхность покрытий сохраняет хорошее состо- яние и без трещин [2]. Двухслойное покрытие из ZrO2–7 % Y2O3 с подслоем NiCrAlY на головке алюминиевого поршня уменьшает удельный от- вод тепла на 30 %, при этом экономия топлива составила 5…10 % [13]. Для снижения температур поршня и тепловых потоков через поршень применяют покрытия кер- метного состава [2]. Покрытие керметного состава ZrO2–Ni толщиной 0,7 мм с более высокой теп- лопроводностью имеет тепловое сопротивление меньшее чем покрытие из Al2O3 толщиной 0,6 мм, поэтому и эффективность его меньше. При этом с увеличением толщины покрытия тепловое соп- ротивление повышается, но непропорционально толщине слоя. Длительные испытания в течение 917 ч работы керметных покрытий на поршнях показали, что покрытия не имеют разрушений [2]. Многослойные покрытия керметного состава с постепенно изменяющимся коэффициентом ли- нейного расширения являются более работоспо- собными по сравнению с чисто керамическими и могут успешно применяться на чугунных, сталь- ных и алюминиевых поршнях. Многослойные покрытия с поверхностным керамическим слоем ZrO2–Ni толщиной 0,3…0,4 мм с подслоем NiCr толщиной 0,1 мм на алюминиевых поршнях от- работали на различных режимах в течение 397…1104 ч [2]. Покрытие из Al2O3 толщиной 0,25…0,35 мм на гильзе цилиндра под действием тепловых ударов отработало без разрушений, при толщине 0,5 мм в процессе испытаний отколов оно не имело, но на более нагретых участках наблюдалось растрески- вание покрытий под действием растягивающих нап- ряжений [2]. Проведенные испытания на термоцик- лирование при температурах от 50 до 1100 °С двух- слойных ТЗП из ZrO2, стабилизированного оксида- ми MgO, Y2O3 и CaO, с подслоем CoNiCrAlY на гильзах цилиндров показали, что покрытие из ZrO2–7 % Y2O3 выдержало 20000 циклов, ZrO2– 20 % Y2O3 — 2500, ZrO2–24 % MgO — 12000, ZrO2–5 % CaO — 3000 циклов. В покрытии из ZrO2–7 % Y2O3 с подслоем CoNiCrAlY после ис- пытаний на термоциклирование присутствуют два типа растрескивания — перпендикулярное (сег- ментирование) и параллельное [7]. На головке цилиндра покрытие из ZrO2 тол- щиной 2 мм и двухслойное покрытие из ZrO2– 24 % MgO с подслоем FeCrAlY после испытаний в течение 5000 ч не имеют следов деградации и не разрушаются [10]. При использовании покры- тия из ZrO2 толщиной 3 мм на втулке цилиндра после 50 ч работы крошения и скалывания пок- рытия не наблюдается [12]. Результаты испытаний плоской огневой повер- хности крышки цилиндра с покрытиями из ZrO2 толщиной 0,4…0,5 мм показали, что покрытие снижает температуру и незначительно повышает температуру поршня и втулки цилиндра и при- водит к перераспределению тепловых потоков, проходящих через детали [2]. Анализ факторов, определяющих тепловую и механическую напряженности выпускных клапа- нов, показывает целесообразность применения ТЗП на тарелках выпускных клапанов [2]. ТЗП на клапанах снижают не только температуру кла- пана, но, что самое главное, температурные пе- репады в тарелке клапана, а следовательно, и тер- мические напряжения в ней. С увеличением тол- щины ТЗП снижение температурных перепадов уменьшается. Покрытие обеспечивает наиболь- шее снижение температурных перепадов тарелки клапана при нанесении его не на всем диаметре, а на диаметре, меньшем полного на величину фа- сок. На центральной части тарелки клапана пок- рытие из ZrO2 толщиной 0,5…0,6 мм снижает температуру в центре тарелки на 60 и повышает температуру кромки клапана на 15…20 °С [2]. Покрытие из ZrO2 на выхлопном клапане после 180 ч функционирования было покрыто волося- ными трещинами, что ослабляет термические нап- ряжения и ведет к прекращению дальнейшего раз- рушающего растрескивания вдоль поверхности раздела керамика/металл. Клапан продолжал ра- ботать без серьезных повреждений до появления коррозии при загрязнении топлива, которая при- вела к образованию кратеров и после 800 ч ра- боты покрытие из ZrO2 разрушилось [7]. Испы- тания клапанов в течение 4000 ч с покрытиями из ZrO2, стабилизированного оксидами 24 % MgO и 8 % Y2О3, показали хорошую эксплуатацион- ную долговечность обоих покрытий на поверх- ности клапанов. Скорость потери массы керамики вследствие эрозии была выше для ZrO2, стабили- зированного MgO, чем для ZrO2, стабилизирован- ного 8 % Y2О3. При испытаниях в течение 5000 ч покрытия на клапанах не разрушились [10]. Для большего снижения температурных перепадов в клапане целесообразно применять анизотропные покрытия, характеризующиеся низкой теплопро- водностью в осевом направлении слоя покрытия и большей теплопроводностью вдоль слоя пок- рытия. Такие свойства имеют многослойные пок- рытия, состоящие из чередующихся слоев кера- мики и металла. Керамические слои препятствуют прохождению теплового потока от газов к тарелке клапана, а металлические — передают теплоту из центра к кромкам тарелки клапана. При правиль- ном подборе состава и толщины слоя покрытия можно добиться такого температурного поля кла- 6/2012 41 пана, которое обеспечивает в нем наименьшие термические напряжения [2]. Трехслойные пок- рытия на выхлопных клапанах из ZrO2–24% MgO с подслоями NiCr и NiCrAlY толщиной 0,7 мм снизили температуру металла на 50 °С, наимень- шее понижение температуры было зарегистриро- вано в области седла клапана (из-за наличия во- дяного охлаждения кольцевого седла) [10]. На уплотнительной поверхности клапанов двухслойные покрытия из ZrO2–8 % Y2O3 с под- слоями NiCoCrAlY и NiCrAlY после 500 ч испы- таний имеют локализованное мелкое отслоение в верхней части керамического покрытия. Покрытия из ZrO2–22 % MgO с подслоями NiCoCrAlY и NiC- rAlY после 500 ч испытаний на уплотнительной поверхности клапанов почти полностью осыпались с поверхности клапана из-за дестабилизации ZrO2 при протекании химической реакции между MgO и серой, а после 9000 ч испытаний поверхности клапанов разрушались, концентрация MgO в пок- рытии снизилась до 3 % [11]. Анализ результатов экспериментов показыва- ет, что ТЗП на деталях камеры сгорания, умень- шая теплоотвод, позволяют лучше их использо- вать для организации процесса сгорания и повы- шения эффективных показателей двигателя [2]. При испытании покрытий на деталях камеры сго- рания исследователи ставили задачу уменьшить теплоотвод в охлаждающую среду и улучшить за счет этого экономичность работы ДВС. ТЗП из ZrO2 толщиной 2,5 мм на камере сгорания повышает эф- фективность двигателя примерно на 7,5 %, а при толщине 3 мм потери тепла через стенки камеры сгорания снижаются примерно на 50 % [12]. Двух- слойное ТЗП из стабилизированного ZrO2–8 % Y2O3 с подслоем NiСrАlY на камере сгорания тол- щиной от 2 до 2,5 мм уменьшает количество те- ряемой энергии на нагрев охладителя и снижает потребление горючего двигателем до 10 г/л, пок- рытие выдерживает более 10000 термических уда- ров [12]. Анализ результатов работ, направленных на снижение температуры поршней ДВС при при- менении ТЗП в зависимости от уровня нагрузки, форсировки, частоты вращения, размерности ди- зеля и свойств покрытий, позволяет сделать вы- вод, что оно в основном определяется тепловым сопротивлением поршня и покрытия. Тепловое сопротивление поршня зависит от конструкции, диаметра и теплопроводности материала, а теп- ловое сопротивление покрытия — от его толщины и теплопроводности. В определенной мере на теп- ловое сопротивление поршня с покрытием ока- зывает влияние теплопроводность зоны контакта покрытия с поверхностью детали, а также шеро- ховатость покрытия. Гладкая поверхность покры- тия способствует большему снижению темпера- туры поршня, что приводит к улучшению его эко- номичности. Кроме перечисленных выше факто- ров, на снижение температуры поршня при при- менении ТЗП определенное влияние оказывает ха- рактер протекания рабочего процесса. Покрытие на днище поршня приводит также к перераспре- делению тепловых потоков через крышку и втул- ку цилиндра, увеличивает тепловой поток в крыш- ку цилиндра и снижает тепловой поток через втул- ку (кроме ее верхнего пояса). Тепловая защита этих деталей не только снижает их температуру и термические напряжения, но и уменьшает теплоотвод в систему охлаждения, что должно положительно сказаться на экономичности дви- гателя и снижении масс и габаритов теплообмен- ных устройств. Основными причинами разрушений в пок- рытии являются термические напряжения, выз- ванные температурным режимом в камере сгора- ния, конструкцией днища поршня, а также тол- щиной и физико-механическими свойствами са- мих керамических покрытий. Разрушение двухс- лойного ТЗП наиболее часто происходит в меж- слойной зоне из-за высоких напряжений сжатия в покрытии. На разрушение также влияют пер- пендикулярные и параллельные трещины в пок- рытии. Перпендикулярное растрескивание, вызы- ваемое полем растягивающих напряжений, счи- тается благоприятным для долговечности покры- тия, поскольку снимает напряжения, давая пок- рытию возможность расширяться и стягиваться, не испытывая значительных напряжений сдвига. Параллельное растрескивание, возникающее вследствие разрушительного сдвигового напряже- ния, приводит к разрушению покрытия. На базе длительных эксплуатационных испы- таний двигателей с покрытиями на поршнях ус- тановлено, что покрытия, снижая термические нап- ряжения в поршне, в значительной степени позво- ляют повысить надежность и срок их эксплуатации. Уменьшая тепловой поток через поршень, покрытие обеспечивает лучшие условия работы смазочного масла, предотвращая закоксовывание поршневых колец. При снижении динамических нагрузок и тем- пературы поршня покрытие значительно снижает износ деталей цилиндропоршневой группы. Все это способствует увеличению срока службы дизеля и смазочного масла. ТЗП повышают надежность и срок службы поршней не менее чем в 1,5 раза. Эти покрытия снижают температуру поршней и дина- мические нагрузки, а в соответствии с этим шум и вибрацию дизелей, токсичность их отработанных газов, износ и нагароотложения на деталях цилин- дропоршневой группы, а также улучшают эконо- мичность и условия работы смазочного масла и повышают надежность и срок службы поршней и всего дизеля в целом. На головке поршня ТЗП предназначено также для обеспечения коррозионной стойкости его ма- 42 6/2012 териала при высоких температурах, что снижает развитие процессов разгара. ТЗП на головке цилиндра повышает темпера- туру выхлопных газов примерно на 30 °С, пони- жает время запаздывания момента воспламенения топлива в цилиндре по сравнению с неизолиро- ванным двигателем примерно на 10 %. На выхлопных клапанах ТЗП уменьшают теп- лоподвод к клапану, что позволяет поддерживать температуру поверхности седла ниже порогового значения высокотемпературной коррозии в агрес- сивных средах. Данные испытаний показали, что при приме- нении ТЗП может быть уменьшен тепловой поток через камеру сгорания к охладителю приблизи- тельно на 30 %. Вследствие этого представляется возможность использования большего количества тепла от выхлопных газов, например, для нагне- тания. В результате повышается общий тепловой КПД. Более высокая средняя температура будет положительно влиять на процесс сжигания и количество дымности выхлопа. Использование ТЗП на деталях ДВС обеспе- чивает: экономию топлива до 11 %; повышает долговечность двигателя до 20 %; уменьшает ток- сичность выхлопа NOx < 5, CO < 15,5; НС < 1,3 и сажистых < 0,10 г/л с.ч, количество твердых веществ в выхлопных газах на 52 %, дымление двигателя на 75 %, шумовые показатели на 3 дБ, температуру двигателя на 100 °С; повышает дол- говечность выхлопных клапанов на 30 %; сни- жает стоимость двигателя за счет использования при прочих равных параметрах более дешевых и менее дефицитных материалов. Таким образом, ТЗП на поршне и других де- талях камеры сгорания существенно улучшают работу дизеля. Снижаются «жесткость» процесса сгорания и максимальное давление при сгорании, что уменьшает шум, вибрации дизеля и токсич- ность отработавших газов. Повышение скорости сгорания в основной фазе горения увеличивает полноту сгорания и обеспечивает более эконо- мичный рабочий процесс. При применении ТЗП необходимо руководс- твоваться целью их назначения для каждого кон- кретного дизеля. В каждом случае, варьируя толщину и состав покрытий, можно достичь их максимальной эффективности. 1. Борисов Ю. С., Кулик А. Я., Гольник В. Ф. Газотермичес- кие покрытия в дизелестроении и энергетике // Газотер- мические и вакуумные покрытия в энергетике и двигате- лестроении. — Киев: ИЭС им. Е. О. Патона, 1989. — С. 22–26. 2. Никитин М. Д., Кулик А. Я., Захаров Н. И. Теплозащит- ные и износостойкие покрытия деталей дизеля. — Л.: Машиностроение, 1977. — 168 с. 3. Мовчан Б. А., Гречанюк И. М., Грабин В. В. Coвременное состояние и перспективы создания теплозащитных пок- рытий для лопаток авиационных ГТД // Электронно-лу- чевые и газотермические покрытия: Сб. науч. тр. — Ки- ев: ИЭС им. Е. О. Патона, 1988. — С. 5–12. 4. Ильющенко А. Ф., Оковитый В. А., Кундас С. П., Форма- нек Б. Формирование газотермических покрытий: теория и практика / Под общ. ред. А. Ф. Ильющенко. — Минск: Беспринт, 2002. — 480 с. 5. Теплозащитные покрытия на основе ZrO2 / А. Ф. Иль- ющенко, В. С. Ивашко, В. А. Оковитый, С. Б. Соболевс- кий. — Минск: НИИ ПМ с ОП, 1998. — 128 с. 6. Высокоогнеупорные материалы из диоксида циркония / Д. С. Рутман, Ю. С. Торопов, С. Ю. Плинер и др. — М.: Металлургия, 1985. — 137 с. 7. Moorhouse P., Johnson M. P. Development of tribological surfaces and insulation coatings for diesel engines // SAE Techn. Pap. Ser. — 1987. — № 870161. — P. 211–221. 8. Design study for a low heat loss version of the dover engine / N. Hay, P. M. Watt, M. J. Ormerod et al. // Proc. Inst. Mech. Eng. D. — 1986. — 200. — P. 53–60. 9. Kvernes I., Heel R. Advanced coating developments for in- ternal combustion engine parts // SAE Techn. Pap. Ser. — 1987. — № 870160. — P. 187–209. 10. Kvernes I. Ceramic coatings as thermal barriers in diesel and gas turbine engine components // Proc. of the World Congr. High-Tech. Ceram. Techn. — 1987. — P. 2519–2536. 11. Levy A., Macadam S. The behavior of ceramic thermal barri- er coatings on diesel engine combustion zone component // Surface and Coatings Technology. — 1987. — 30, № 1. — P. 51–61. 12. Guillemani J. M., Dehaudt P., Ducos M. Diesel engine com- bustion chamber insulation by ceramic plasma spraying // Advances in Thermal Spraying. — 1986. — 30, № 1. — P. 513–521. 13. Kamo R., Bryzik W. Adiabatic engine trends-worldwide // SAE Techn. Pap. Ser. — 1987. — № 870018. — P. 1–13. Literature data on application of thermal barrier coatings for protection of internal combustion engines components have been generalised. The methods used to apply the thermal barrier coatings and the consumables used to deposit them are considered Поступила в редакцию 19.12.2011 6/2012 43

Применение теплозащитных покрытий для двигателей внутреннего сгорания (Обзор)

Institution

Ähnliche Einträge