發(fā)動機(jī)氣門幾種常見的失效案例分析

張薇 劉柯軍 胥洲 李慶偉

（中國第一汽車股份有限公司材料與輕量化研究院，長春130011）

1 前言

氣門是發(fā)動機(jī)配氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，承擔(dān)著控制發(fā)動機(jī)氣體交換及密封燃燒室的功用，工作環(huán)境苛刻，不僅承受高速頻繁的沖擊，交變的拉壓和熱應(yīng)力的作用，還承受高溫腐蝕和高速燃?xì)獾臎_刷作用，加之冷卻條件不良，導(dǎo)致積存在氣門的熱量難于傳導(dǎo)出去，致使氣門工作溫度升高[1]。由于氣門擔(dān)負(fù)的特殊功用和惡劣的工作條件，導(dǎo)致其在運(yùn)行期間經(jīng)常出現(xiàn)不同形式的損壞，直接影響發(fā)動機(jī)的動力性能、經(jīng)濟(jì)性能、可靠性及耐久性。氣門的失效模式和原因多種多樣，涉及氣門設(shè)計選材、制造、裝配和使用等眾多方面，因此對氣門的失效診斷和改進(jìn)非常重要。

2 失效案例分析

2.1 燒蝕

某汽油機(jī)在全速全負(fù)荷試驗(yàn)中，性能下降，拆機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)某缸內(nèi)一支排氣門狀態(tài)異常，宏觀看該排氣門盤錐面磨損帶變寬，磨損量增大，并且盤部周圈產(chǎn)生臺階，見圖1。

該批次排氣門盤錐面處經(jīng)堆焊處理，正常堆焊層的形狀見圖2，而失效氣門盤錐面堆焊層的形狀明顯與正常氣門的不同，通過顯微鏡放大，可以從盤部殘留的堆焊層判斷盤部部分堆焊合金已脫落，從而與未脫落的堆焊合金分界，在盤部周圈形成臺階，見圖3。

圖1 失效排氣門盤部形貌

圖2 排氣門堆焊層

圖3 排氣門堆焊層脫落

在低倍顯微鏡下觀察，失效排氣門的盤錐面有許多凹坑（圖4），另外盤表面（圖5）和盤底面（圖6）均有被高溫氣體沖刷的痕跡，表層物質(zhì)融化流動，甚至耐高溫的堆焊層也因沖蝕而脫落；除了氣門盤部，氣門盤部與桿徑的結(jié)合處也經(jīng)受高溫氣體的沖刷，造成此部位產(chǎn)生過熱組織（圖7）。

以上樣件的宏觀和微觀特征是典型的由于氣門盤錐面密封不嚴(yán)，高溫燃?xì)庑孤?，造成的氣門燒蝕特征[2]，排查事故中的其他零件，發(fā)現(xiàn)與失效排氣門配合的氣門導(dǎo)管發(fā)生偏磨，說明氣門桿部施加給導(dǎo)管的應(yīng)力增大。

圖4 盤錐面形貌

圖5 盤表面形貌

圖6 盤底面形貌

圖7 盤部與桿徑結(jié)合處的過熱組織

進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)該發(fā)動機(jī)裝配過程中，氣門導(dǎo)管與座圈的同軸度超差，從而使氣門與座圈貼合不良，氣門盤錐面周圈受力不均，局部接觸點(diǎn)應(yīng)力加大，一方面加劇導(dǎo)管的磨損，另一方面加劇盤錐面偏磨，導(dǎo)致密封不嚴(yán)，高溫氣體泄漏。

因此在發(fā)動機(jī)裝配時，一般氣門導(dǎo)管孔與氣門座圈孔的同軸度允差控制在0.015～0.025 mm，確保二者的同軸度滿足技術(shù)要求，可以減少氣門盤錐面的異常磨損，從而保證密封性。

2.2 機(jī)械疲勞

某柴油機(jī)臺架試驗(yàn)300 h左右，氣門出現(xiàn)故障，其中有一支排氣門斷裂于盤頸部，見圖8，另外多支排氣門在盤部出現(xiàn)周圈裂紋，見圖9。對比圖8中氣門斷裂的位置與圖9氣門盤周圈裂紋的位置一致，說明兩種不同表現(xiàn)形式的失效機(jī)理相同，斷裂的氣門初始也是先在盤部產(chǎn)生裂紋，然后裂紋逐漸擴(kuò)展直至斷裂。

圖8 氣門斷裂

圖9 盤部周圈裂紋

該氣門表面氮化處理，圖10可見裂紋內(nèi)無氮化層，說明裂紋產(chǎn)生于氮化工序后，不是加工裂紋，而是在使用過程中產(chǎn)生的。

圖10 氮化層

分析氣門的斷口，裂紋源起始于盤表面，起始區(qū)呈快速開裂特征，見圖11，說明氣門承受的外力過大。斷口微觀形貌呈現(xiàn)冰糖狀，屬于沿晶斷口，見圖12，說明材料強(qiáng)度不足，另外在晶粒內(nèi)部可以看到疲勞輝紋，見圖13，由此斷定該氣門為高應(yīng)力低周疲勞斷裂。

氣門的金相組織為奧氏體，晶粒度4～5級，見圖14，并且合金碳化物主要沿晶界析出，晶內(nèi)析出的碳化物較少，見圖15。JB/T 6012.2—2008《內(nèi)燃機(jī)進(jìn)、排氣門第2部分：金相檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)對奧氏體氣門的晶粒度要求為大于3級，而隨著柴油機(jī)的不斷強(qiáng)化，爆發(fā)壓力的增高，致使氣門所承受的機(jī)械負(fù)荷與熱負(fù)荷大幅度提高，柴油機(jī)氣門的晶粒也相應(yīng)的根據(jù)使用工況進(jìn)行不同程度的細(xì)化。雖然在高溫下，粗晶粒鋼具有較高的抗蠕變能力和持久強(qiáng)度，但是低溫下，晶粒粗大，將降低其彎曲疲勞強(qiáng)度和塑性，在氣門頸部或盤部容易因疲勞應(yīng)力的作用而出現(xiàn)裂紋。顯而易見，該批氣門所匹配的發(fā)動機(jī)本身爆發(fā)壓力大，氣門的晶粒度處于標(biāo)準(zhǔn)的下限，由于材料晶粒粗大，強(qiáng)度不足而導(dǎo)致機(jī)械疲勞。

圖11 斷裂起始區(qū)

圖12 斷口沿晶形貌

圖13 疲勞輝紋

因此氣門在進(jìn)行熱處理時，應(yīng)通過調(diào)節(jié)固溶處理的工藝，來調(diào)整金相組織，一般將晶粒度控制在6～10級，以兼顧材料的高溫性能和低溫性能，并且通過增加晶內(nèi)彌散碳化物的析出，也可以提高疲勞強(qiáng)度。

圖14 金相組織

圖15 碳化物沿晶界析出

2.3 伴隨高溫氧化的熱疲勞

某增壓發(fā)動機(jī)在耐久性試驗(yàn)過程中，有一支排氣門發(fā)生斷裂，斷裂位置在桿部和盤部交接處（第二熱點(diǎn)）。

排氣門斷口平直，屬于疲勞斷口，斷口表面有多處撞擊的痕跡，見圖16；桿部表面多處粘附大塊兒的氧化物，見圖17。

圖16 疲勞斷口

圖17 桿部表面氧化皮

觀察氣門斷口附近沿軸向剖面的金相組織，見圖18。桿部表面有20μm左右的灰黑色氧化皮，而氧化皮上有許多微小裂紋，有的裂紋已經(jīng)向基體內(nèi)部的晶界擴(kuò)展。

圖18 斷裂氣門的金相組織

次表層有50μm左右的層狀析出組織，不同于心部組織。文獻(xiàn)[3]表明，當(dāng)工作溫度超過840℃時，奧氏體基體將析出聚焦長大成帶尖角與鋒棱且相當(dāng)部分沿奧氏體晶界分布的粗片碳化物，所以次表層的層狀析出組織證明該氣門工作的溫度極高。

除了斷裂的氣門以外，排查其他氣門第二熱點(diǎn)的組織，發(fā)現(xiàn)與斷裂氣門的一致，表面布滿氧化皮和微裂紋；次表層析出“類珠光體”層狀組織，見圖19，說明該發(fā)動機(jī)整體工作溫度過高。

圖19 層狀析出組織

高溫的工作環(huán)境及腐蝕氣氛使氣門表面發(fā)生氧化，形成一層薄且脆的氧化皮，在冷熱循環(huán)的工作過程中，氣門基體發(fā)生膨脹及收縮，而表面的氧化皮對基體形成約束，由于氧化皮沒有彈性，會在內(nèi)部基體的反復(fù)抻縮過程中撕裂，氧化皮粘附在氣門表面，所以氣門表層組織隨氧化皮的撕裂而開裂，且裂紋沿著晶界向內(nèi)部擴(kuò)展，直至斷裂。

這是一種伴隨高溫氧化的熱疲勞失效，由于該氣門的材料是一種奧氏體鋼21-4NWNb，文獻(xiàn)[4]表明，奧氏體鋼氣門一般可承受700～760℃，而從失效氣門表層的金相組織來看，氣門的工作溫度遠(yuǎn)超過所能承受的范圍，因此建議更換更高耐熱等級的氣門材料，如Ni30、INCONEl751等，這些耐熱合金的工作溫度可達(dá)到870～900℃，其疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性均超過了奧氏體鋼[4]。另外也可通過改變氣門結(jié)構(gòu)來降低自身的溫度，如采用中空充鈉的方式，通過金屬鈉將熱量傳輸，防止熱量堆積，可使盤部區(qū)域最高溫度降低100℃以上[5]。

2.4 熱應(yīng)力開裂

某匹配工程機(jī)械的發(fā)動機(jī)在用戶使用過程中，相繼有排氣門斷裂現(xiàn)象發(fā)生，排氣門斷在桿部和盤部交接處（第二熱點(diǎn)），如圖20所示，斷口形態(tài)為疲勞斷口，見圖21。另外同缸中的另一支排氣門在大體相同的部位周圈上有多處裂紋存在，見圖22，裂紋打開后呈現(xiàn)為多個起始于表面的疲勞區(qū)，微觀形態(tài)為沿晶疲勞形態(tài)，見圖23、圖24。

圖20 斷裂位置

圖21 疲勞斷口

圖22 同缸另一支排氣門桿部裂紋

圖23 多源疲勞

圖24 沿晶疲勞

觀察桿部軸向剖面的組織，可見表面鍍鉻層的損壞和晶粒的擠出，見圖25、圖26。

次表層60μm內(nèi)，可以看到原有的合金化合物的溶解以及在晶界、欒晶上的重新析出，見圖27，這種組織的產(chǎn)生說明氣門工作在高溫沖擊性質(zhì)的工況下，表面承受極高的溫度；另外圖28顯示了欒晶析出物彎曲及擠壓剪切斷裂的初始微裂紋，由此說明晶粒受到擠壓并發(fā)生變形，有較高的擠壓應(yīng)力場存在和分布。

圖25 表面金相組織

圖26 鍍鉻層損壞和晶粒擠出

圖27 次表層析出組織

圖28 擠壓剪切撕裂的初始微裂紋

分析應(yīng)力的來源，是熱沖擊的工況，使氣門表層快速受熱而膨脹，而心部溫度還來不及升高，從而導(dǎo)致心部對表層形成束縛，表層晶粒不能自由膨脹而產(chǎn)生熱應(yīng)力場。在使用過程中由于零件被周期性反復(fù)的加熱和冷卻，在金屬內(nèi)部形成溫度梯度的交替循環(huán)，隨之所引起的熱應(yīng)力也反復(fù)變化，從而使金屬零件的材料受到熱疲勞損傷[6]

這種故障應(yīng)該與工程機(jī)械工作中偶有發(fā)生的“越障礙性”工況相關(guān)，每一次“越障”導(dǎo)致氣門表面溫度瞬時升高，而心部溫度還來不及升高，從而使內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，排氣門頻繁受到的短時高溫沖擊，熱應(yīng)力反復(fù)變化，致使表面層3～5個晶粒深度范圍內(nèi)晶界、欒晶擠壓變形，晶粒脫落，繼而誘發(fā)了后續(xù)的疲勞開裂。

由于工程機(jī)械發(fā)動機(jī)的氣門材料為21-4NWNb，該材料無法承受“越障礙性”工況所帶來的頻繁高溫沖擊，故氣門選材不合理，建議更換耐熱級別更高的材料。

3 結(jié)束語

發(fā)動機(jī)氣門的失效原因包括裝配問題，熱處理問題，選材問題及使用問題等，所表現(xiàn)的失效形式也各不相同。氣門的失效會引起嚴(yán)重的連帶問題，影響整臺發(fā)動機(jī)性能，因此應(yīng)關(guān)注氣門失效的真因。對幾種典型的氣門失效案例進(jìn)行深入分析研究，為氣門設(shè)計、制造、裝配和使用提供借鑒，以減少由此所帶來的失效，提高氣門的使用壽命，提升發(fā)動機(jī)的品質(zhì)和產(chǎn)品的信譽(yù)度。