激光喷丸对21-4N发动机气阀钢抗疲劳及耐磨性能的影响

作     者：祁义鑫 

作者单位：集美大学 

学位级别：硕士

导师姓名：戴乐阳

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0802[工学-机械工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：21-4N气阀钢 表面完整性能 疲劳性能 摩擦磨损性能 热腐蚀性 

摘      要：气阀磨损会使气阀的气密性受到影响,影响发动机的安全运行。因此,提高发动机气阀钢抗疲劳性能、摩擦磨损性能和造成磨损的热腐蚀性能十分关键。本文以21-4N发动机气阀钢为研究对象,利用激光喷丸强化技术（LSP）对21-4N气阀钢表面进行强化处理。为了进一步探究LSP处理对21-4N气阀钢的强化效果,通过金相分析及扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）等检测手段对LSP处理后的试样进行微观结构观察及表面特性分析,利用旋转弯曲疲劳机测试在LSP处理下前后21-4N气阀钢的抗疲劳性能,采用摩擦磨损试验机对不同温度条件下试样的摩擦学特性进行测试,利用马弗炉测试LSP处理前后试样在热腐蚀条件下的性能,并探究其强化机理。本文的主要研究内容包括:（1）研究经过LSP处理前后材料表面完整性能的变化。结果表明,LSP处理后,21-4N气阀钢材料的表面平均晶粒尺寸显著细化,晶粒大小约为10-50μm,同时材料表面产生了较高的残余压应力和较高的表面硬度,与未处理试样相比,材料表面残余应力提高了131%,达到-632Mpa,表面硬度提高了23.5%。（2）对LSP处理前后试样的疲劳性能进行测试和分析。在0.7σ条件下,对LSP处理试样进行了旋转弯曲疲劳实验。结果表明,21-4N气阀钢材料在加载应力水平为665Mpa（0.7σ）下,未处理试样的疲劳寿命为5.3×10～5次,经过10J激光冲击能量处理后,试样的疲劳寿命为6.31×10～6次,试样的旋转弯曲疲劳寿命得到明显提升。21-4N气阀钢LSP工艺处理后,疲劳裂纹的发生源头从试样的表层转移至其亚表层区域。（3）对LSP处理前后材料在不同温度下的摩擦磨损性能进行分析。实验结果表明,经过LSP处理试样摩擦系数较未处理试样有明显降低,磨损质量也有所降低。可见LSP处理后的材料较未处理的有较大的摩擦性能有较大提高,这表明LSP处理技术可以有效提高材料的摩擦学性能,以增强材料的耐磨性能。（4）对经过LSP处理前后试样的热腐蚀性能进行分析。在800℃下分别在Na Cl和Na SO混合盐及残油中进行热腐蚀实验。试验表明,两种试样在混合盐条件下的腐蚀过程中,经过LSP处理的试样失重量更低,表面的腐蚀凹坑数量更少;在残油条件下的腐蚀过程中,经过LSP处理的试样有较低的失重量,组织相对紧密且剥落较少。LSP改变了21-4N发动机气阀钢的微观结构,使其位错发生增殖,晶粒发生细化,此外,该过程会致使位错活动受阻,从而增强晶界的力学强度,更有效地阻挡热腐蚀过程中有害杂质硫的渗透行为。LSP所产生的残余压应力同样能够限制氧化膜的破裂和脱落现象,从而降低了试样因热腐蚀而加快损耗的速度,并减轻了试样的整体热腐蚀程度。在LSP进程中,激光作用下瞬间产生的高温效应会使材料表层部分汽化形成等离子体,这些等离子体随后汇聚并形成冲击波,对材料内部施加塑性形变,在试样内产生明显的残余压应力。这一系列变化会在试样内部催生出高密度的位错结构和孪晶界面,促使试样内部晶粒得到细化,从而提高发动机气阀钢的抗疲劳性能、摩擦磨损性能和耐热腐蚀性能。对发动机气阀性能强化可以减少气阀的磨损,很大程度上提高气阀的经济性能,提高了发动机在运行过程中的安全性。