一种大型船舶用低速机排气阀阀盘

技术领域

本发明涉及一种气阀阀盘及其制备方法，具体的说是一种大型船舶用低速机排气阀阀盘及其制备方法，属于船舶排气阀制备技术领域。

背景技术

高温腐蚀和燃气冲刷是船用二冲程发动机排气通道的一大难题，排气阀作为船用二冲程发动机的关键零部件，其使用寿命受高温腐蚀和燃气冲刷的影响最大。长期使用后，排气阀盘底面烧蚀，阀盘有效厚度减薄，阀盘的整体结构强度降低，将会引起阀盘变形，导致排气阀阀面密封性下降，增大阀面烧蚀穿孔失效的风险，因此船用二冲程发动机设计单位制定了排气阀杆阀盘厚烧蚀极限尺寸，当盘底面烧蚀深度超过极限的排气阀杆必须返修或报废处理。

经申请人研究后发现，船舶用二冲程发动机排气阀在实际工况中的长期使用后盘底面虽然如前文所述呈现烧蚀凹陷特征，但并不是均匀的整体向下烧蚀，而是在距离中心一定距离处出现最深烧蚀，由于局部区域烧蚀深度的超标，导致排气阀不具备继续使用。通过对不同材料的排气阀盘底烧蚀特征的对比，烧蚀特征一致，说明该特征的产生与排气阀盘底面的材料无关。根据船舶用二冲程发动机缸内燃烧模型分析，排气阀盘底面除承受高温烧蚀外，还受到燃气冲刷的影响，船舶用二冲程发动机气缸内的燃气在压缩燃烧的过程中，缸内燃气形成涡流团是造成排气阀盘底面不均匀烧蚀的原因。

出于上述原因，世界上主流船用二冲程发动机设计单位通过不断升级排气阀阀盘材料，选用具有性能优异的耐高温、耐腐蚀材料，公知的例子在镍基合金中添加一定量的Cr形成的高铬镍基高温合金（如DSA760），虽然可以有效地提高排气阀的使用寿命，但高性能材料受冶炼、成形技术及工艺、热处理工艺等关键技术的限制，导致排气阀的加工难度不断加大，因此，造成大型船舶用低速机排气阀的生产制造成本大幅上升，船舶的运用成本不断增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是克服现有技术的缺点，提供一种结构合理、性能稳定，能够抗高温耐腐蚀的大型船舶低速机排气阀阀盘。

为了解决以上技术问题，本发明提出了如下技术方案：一种大型船用低速机排气阀阀盘，包括阀盘、盘底及凸起部，所述阀盘部由奥氏体耐热材料或Ni基高温合金制造成型，其组织结构为单相固溶体，以等轴晶粒为特征，其包含成分为：SNCrW/NiCr20TiAl /NiCr22Mo9Nb/NiCr29Fe4/NiCr38Al4；所述凸起部位于盘底下方，以盘底中心为圆心，呈环形分布，所述凸起部位与盘底平面的连接为无尖角的弧形连接。

根据排气阀长期使用后盘端面的实际特征，结合缸内燃烧模型分析，判断在实际使用过程中，排气阀盘端面除承受高温烧蚀外，还受到燃气冲刷的影响。涡流团的顶端可能是排气阀盘底烧蚀最深的区域，由于该区域烧蚀深度的超标，导致排气阀不具备继续使用。因此，打破涡流团在盘底的冲刷烧蚀，就可以有效的提高排气阀的使用寿命。在气缸的外形尺寸和喷油角度不变的情况下，在冲刷烧蚀严重区域的前端增加环形凸起结构，即可改变涡流走向。降低对盘底面的冲刷烧蚀。本发明未通过高性能材料的升级来提高产品的寿命，而是另辟蹊径从一个全新的视角，即船用低速机排气阀在缸内燃烧的使用环境及盘底面独特高温吹蚀失效特征，对排气阀的阀盘盘底结构进行了设计，从而实现了本发明所需求的技术效果。

进一步的，所述盘底及凸起部的材料与阀盘材料一致，阀盘采用一体化模锻成形，盘底及凸出部采用车削加工一次成形。

进一步的，所述盘底及凸起部一体成型，并采用与阀盘不同的材料，包含Ni基高温合金NiCr22Mo9Nb或NiCr29Fe4，Ni基高温合金包含以质量百分比计的如下必要元素：Cr：22-35%，Fe ≤6%，Al：≤5%，Mo：5-25%，Cu：0.5%，余量为Ni。

进一步的，所述凸起部的数量为：1～5道，其中由中心向外的第一道距盘底中心的距离b：10～80mm、由中心向外的第二道距盘底中心的距离c：80～150mm。其中，环形凸起设计的位置和距离是根据船用低速机缸内燃油喷射及爆燃形成的涡流形状及位置所确定的，因为不同型号缸径的船用低速机缸内的涡流形状及位置有所不同，排气阀盘底环形凸起的设定距离也不相同，而本发明中的前两道环形凸起已可实现改变气缸内燃气涡流走向，打破涡流团在排气阀盘底面的冲刷烧蚀，破坏热量延阀盘底平面传递的作用，而增加更多的环形凸起则可以覆盖目前所有型号的产品。

进一步的，所述凸起部的表面呈圆弧过度，其剖面为倒梯形结构。

进一步的，所述凸起部与盘底连接面宽度d的范围：1～50mm。

本发明的特点是：本发明提供的气阀阀盘在船舶用低速机气缸的外形尺寸和喷油角度不变的情况下，在排气阀盘底面冲刷烧蚀严重区域的前端增加环形突出体，改变气缸内燃气涡流走向，打破涡流团在排气阀盘底面的冲刷烧蚀，破坏热量延阀盘底平面传递，在不改变现用材料、不大幅增加制造成本和工艺难度的情况下，仅通过排气阀盘底面结构的改进，就可以有效的提高排气阀的使用寿命，降低船舶的运用成本。

附图说明

图1为现有技术中船用二冲程发动机排气阀阀盘底面结构示意图。

图2为本发明中的船用二冲程发动机排气阀阀盘底面结构示意图。

图3为本发明中排气阀阀盘底面环形凸出体实形状示意图。

图4为实施例1中排气阀阀盘底面环形凸出体形状尺寸示意图。

图5为实施例2中排气阀阀盘底面环形凸出体形状尺寸示意图。

图6为排气阀在关闭状态下阀盘底面环形凸出体破坏燃气涡流冲刷示意图。

图7为排气阀在开启状态下阀盘底面环形凸出体破坏燃气冲刷示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例中的船用二冲程发动机排气阀阀盘、盘底及盘底面环形凸出体的结构图如图4所示，三者的材料相同，可选用的材料包含：奥氏体耐热钢SNCrW 或Ni基高温合金NiCr20TiAl /NiCr38Al4，其主要化学成分满足表1所示，室温力学性能满足表2所示。排气阀阀盘整体采用一体化模锻成形，盘底及盘底面环形凸出体外形采用车削加工一次成形。

表1

表2

对本实施例中的船用二冲程发动机排气阀阀盘直径为288.6mm，盘底面设计了2道环形凸出体，第1道环形凸出体距盘底中心的距离为40mm，第2道环形凸出体距盘底中心的距离为110mm。

如图6所示，本实施例中的排气阀盘底面环形凸出体剖面采用倒梯形，与盘底面连接面的宽度为24mm，另一平面的宽度为10mm，高度为3mm，尖角采用R3mm的圆弧过渡。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于船用二冲程发动机排气阀盘底及盘底面环形凸出体与阀盘采用不同材料，阀盘的材料与实施例1的材料一致，包含奥氏体耐热钢SNCrW或Ni基高温合金NiCr20TiAl /NiCr38Al4，盘底及盘底面环形凸出体堆焊的材料包含Ni基高温合金NiCr22Mo9Nb或NiCr29Fe4，其主要化学成分满足表3所示，室温力学性能满足表4所示。本实施例中盘底及盘底面环形凸出体采用在排气阀盘底增材的方式，一体GMAW堆焊成形，增材的高度包含阀盘合金的厚度和环形凸出体的高度，盘底及盘底面环形凸出体外形采用车削加工一次成形。

表3

表4

对本实施例中的船用二冲程发动机排气阀阀盘直径为534mm，盘底面设计了3道环形凸出体，第1道环形凸出体距盘底中心的距离为50mm，第2道环形凸出体距盘底中心的距离为150mm，第3道环形凸出体距盘底中心的距离为220mm。

如图7所示，本实施例中的排气阀盘底面环形凸出体剖面采用倒梯形，与盘底面连接面的宽度为30mm，另一平面的宽度为15mm，高度为5mm，尖角采用R5mm的圆弧过渡。

实施例3-5

表6 排气阀盘底面环形凸出体设计对比

实施例3-5所述大型船舶用低速机使用的排气阀阀盘底面结构，其材料及制造加工工艺可采用实施例1或实施例2，在此不累述。

图6及图7为本实施例的气阀阀盘底面环形凸出体在不同状态下破坏燃气涡流冲刷的示意图。

本发明中，排气阀盘底使用的材料中，增加了Cr及Al的含量，其中，Cr可以提高钢的强度和硬度，提高钢的高温机械性能，具有良好的抗腐蚀性能和抗氧化性。Al可以细化晶粒、降低钢的脆性转变温度；提高钢的抗氧化性能；提高对硫化氢的抗腐蚀性能。

其中，图6为排气阀在关闭状态下的示意图，当二冲程船用发动机排气阀处于关闭状态时，缸内压缩爆燃时，缸内燃气循环，此时燃气涡流上部的冲刷位置处于排气阀的盘底面，并沿着盘底面向外传递。缸内产生这样的燃气涡流循环的原因是由二冲程船用发动机燃油喷射的方式和缸内的形状所致，故燃气涡流在排气阀盘底的冲刷，造成了方框区域内的气阀盘底的烧蚀是最深的部位。经过对现有NI80A材料的排气阀盘底烧蚀特征的对比及大量试验检测，发现排气阀盘底均存在相同的特征，由此能够证明该烧灼特征的产生与材料无关，而经过前述实施例的论证，可以发现，由于本发明中的气阀盘底存在环形凸起的结构，能打破燃气涡流在盘底面的传递，不会造成局部烧蚀过深的现象发生，从而影响阀盘强度，导致报废。

而当排气阀处于开启状态时，缸内的高温燃气沿着排气阀的边缘流入排气阀道，并排放出去，如图7所示。在实际操作过程中，由于排气阀的边缘长时间被高温燃气冲刷后，其边缘的合金层被烧蚀消耗非常明显，而本发明的环形凸起能够抵挡高温燃气沿排气阀边缘表面传递，从而有效的降低排气阀边缘过渡的烧蚀损耗。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。