陶瓷/金属热障层活塞的研究

【摘要】： 本文主要依据“低散热发动机”的研究思想，从提高活塞的抗热裂和降低活塞温度及热损失、热机效率出发，研制新型铝活塞——陶瓷／金属热障层内燃机活塞。研究的实质是：将功能梯度材料(FGMs)的概念引入热障涂层，形成陶瓷／金属梯度热障涂层。本文从理论分析、数值计算和实验研究三个方面对陶瓷／金属热障涂层进行了系统的研究。 通过材料特性组合和优化设计，确定了活塞表面热障涂层的材料及结构：基体层+纯金属(Ni)层+陶瓷／金属梯度层+纯陶瓷涂层(ZrO_2+MgO)，其中梯度层由金属粉末NiCrCoAlY及陶瓷ZrO_2形成粘接层。 为验证活塞表面热障涂层残余应力的梯度缓解，进行了理论计算与实验对比，其结果是相符的。 为了实现应用型研究，本文进行了新型活塞的装机试验。 在此基础上，利用金相显微镜、岩相显微镜，扫描电镜及能谱分析等手段，分析了热障涂层的结合方式。研究结果表明，本文制备的梯度涂层中的氧化铝与镍合金间形成了化学键结合，同时又存在机械结合、物理结合和扩散结合等多种结合方式。由于化学键的形成和梯度技术的引入，大大提高了热障涂层的结合强度，为解决陶瓷／金属热障涂层活塞涂层的可靠性问题提供了新途径。