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摘要：随着我国社会主义市场经济的飞速发展，我国各行各业的发展水平都有了极大的提升，航空业亦是如此。航空活塞式发动机是通航飞机和无人机的主要动力装置,拥有庞大的市场规模和市场需求。航空活塞式发动机常处于间歇操作、全功率运转和不稳定冷却等苛刻工况下,主要机件的工作条件十分恶劣,汽缸–活塞组件的摩擦磨损失效是航空活塞式发动机的主要机械故障之一。
关键词：航空活塞发动机；缸体再制造；强化研究
引言
航空活塞发动机具有体积小、结构简单、维护方便、造价更低、油耗更少的特点，基本性能已经能满足绝大部分通用航空活动的需求，因此，在通用航空领域中占据主导地位。但航空活塞发动机在服役过程中，其缸体的工作环境极为苛刻（通常为高温、高压、高载），缸套内壁产生明显的摩擦磨损现象，导致气缸与活塞组件之间失配，直接影响装备的使用性能。目前，航空活塞发动机的修理方式为换件修理法，即将失配的零件整体更换为新品零件，但该方法资源能源浪费严重，也不符合节能减排的要求。因此，废旧航空活塞发动机的再制造具有重要的研究意义。
1活塞发动机研制技术现状
1980年以来，通航飞机销量大幅下跌直接影响了发动机生产商创新和开发热情。为节约成本，各活塞发动机生产商纷纷减少新产品开发投入，将重心转移到现有产品的维护和改型上。目前多数活塞发动机仍然是二十世纪中期的产品或改型产品，如应用最为广泛的Lycoming系列发动机。国内很多单位开始了航空活塞发动机的研发，但绝大多数研究均基于国外成熟的发动机改型，如将使用航空汽油点燃形式的活塞发动机改型为航空煤油点燃，真正意义上自主正向开发的研究单位并不多见。
2航空活塞发动机的失效与再制造
气缸-活塞组件的工作环境为高温、高压，苛刻的工作环境导致其内壁摩擦磨损严重，进一步加剧和缩短了装备的使用寿命。针对换件修理法存在资源能源浪费严重的特点，为达到节能减排的目的，需要有效改善这种修理方式。国外针对磨损失效的航空活塞发动机气缸，采用“减法修理法”来保证装备的可靠性服役，但由于气缸壁较薄，可维修的次数较少，限制了航空活塞发动机的发展。再制造技术作为典型的“加法修理法”，通过在基体表面增加异质材料，获得比零件整体更佳的性能，因此在对废旧机电产品性能提升方面具有广泛意义。由于航空活塞发动机为半开放的内孔空间，采用外圆喷涂无法达到提升涂层质量的要求。而内孔喷涂技术作为新兴的热喷涂技术，利用火焰、电弧、等离子弧等为热源，对飞行材料粒子进行加速并加热，在内曲面上制备涂层。
3全新研制或者由汽车发动机改型
航空活塞发动机研制路线主要有两条，一条路线是针对飞行器的需求全新研制；另一条路线是由汽车发动机经航空适应性改型研制，本文称其为“汽车改”。全新研制的活塞发动机一般设计成水平对置的结构形式，以便于在飞机上布局。同时在轻量化方面考虑得更多，重量方面具有较大优势。目前在用的活塞发动机很大比例都是该类型，如Lycoming及Rotax系列产品。该类发动机虽在装机布局和轻量化方面有较大优势，但受制于实际用量小的限制，需要经过很长时间的使用和改进才能促成发动机的成熟完善。因为用量小，其供应链维系、生产组织成本及研发成本摊销造成了发动机成本居高不下。更高投入、更长回报周期是全新研制活塞发动机路线难以解决的问题。一款航空发动机研发后，往往会应用数十年而不会做根本性的技术改动，导致技术水平相对落后。
相对全新研制路线存在的问题，基于汽车发动机进行航空适应性改进成为一条简单可行的路线。大批量的汽车应用，大幅度拉低了“汽车改”航空发动机核心机的成本摊销，使其具有更大市场竞争力。
4基体物性参数
基体对于喷涂涂层质量的影响因素有基体材料、表面粗糙度、基体预热温度、喷涂倾斜角度等，由于在喷涂过程中的基体材料选择就是按照以往的经验进行，自然对其表面粗糙度也就相应的确定。航空活塞发动机作为内孔热喷涂的喷涂对象，由于其喷涂空间的限制，因此通过改变基体预热温度是最方便与高效的方式。改变基体预热温度，在一定程度上是影响经过高温射流中加速加热的熔融状态粒子与基体撞击的传热与凝固过程，以此改变粒子在基体表面的铺展时间与凝固过程，便于粒子在基体上迅速铺展开，影响其铺展效率，形成较为均匀的“圆盘状”。基体预热温度存在“转化温度”，当基体预热温度低于转化温度时，粒子会出现溅射状态；当基体预热温度高于转化温度时，粒子会在基体上呈现“圆盘状”。对喷涂粒子的铺展率的影响，总体研究结果表明：基体预热温度越高，熔融喷涂粒子在基体表面的铺展状态越好，主要表现形式为“圆盘状”的粒子。从微观的角度上来看，“圆盘状”的粒子代表粒子在基体上铺展效果最佳，表现在宏观层面上为喷涂涂层的表面形貌、孔隙率、结合强度较高。基体预热温度越高，喷涂粒子与基体的润湿性或者说是润湿角比较小，有利于粒子在基体表面上进行铺展。从微观层面上改变基体预热温度，就是间接改变基体与喷涂粒子的润湿角，在不同温度下，喷涂粒子与基体之间的润湿角也发生相应的变化。首先，随着时间的推移，润湿角开始变大，而且后期润湿角的变化速度变化很快。其次，通过比较基体不同的预热温度可以明显看出，不进行预热的时候润湿角接近80～100℃。然后，将基体温度分别加热至300～500℃，两种状态下得到的润湿角曲线明显低于未预热状态，变化趋势基本上相同；并且温度越高，润湿角越小，这样粒子就能较好铺展在基体上，相应的宏观喷涂状态也就得到改善。
5基于摩擦学试验的航空活塞式发动机缸体修复、强化
要深入研究与涂层服役性能密切相关的涂层组织结构、力学性能和摩擦学性能,以确保经过表面涂层修复强化的航空活塞式发动机缸体在实际服役工况中具有较高的可靠性和较长的服役寿命。涂层组织结构表征和力学性能测试。通过涂层缺陷分析和结构完整性评定,获得涂层的内聚强度、界面结合强度、孔隙率和残余应力等数据;通过涂层元素分布测量、晶粒尺寸和生长方向表征、晶体结构和物相构成分析,获得涂层的微观凝聚结构;分析涂层典型缺陷可能导致的失效模式,建立涂层微观结构和服役性能间的映射关系。带涂层缸体试样摩擦学性能测试。在全面掌握活塞式航空发动机封存、冷/热起动、起飞、巡航和停车等环节中汽缸运行工况和对应损伤机理的基础上,通过摩擦磨损试验机模拟缸体实际服役条件,对比测试原始汽缸试样和带涂层试样的综合摩擦学性能和服役寿命。
结语
通用航空动力一直向着更安全、更高效、更清洁的方向持续发展，重油活塞式发动机无疑是这一发展方向的典型代表。点燃式重油活塞发动机由于其高功率质量比、结构紧凑、与传统航空汽油机技术继承性强的特点，在微小型无人机市场迅猛发展的背景下得到了快速的发展。美国等航空发达国家提出的“先进通用航空运输计划”指出未来通用航空将平民化。而小飞机运输系统是髙速交通运输的第四次革命。该设想的基础之一是低成本。相对于燃气涡轮发动机，作为通用航空主力的活塞式发动机成本优势更加明显，但是还需通过设计和制造进一步降低成本，减少采购与维修费用，扫除通用航空发展的障碍。
参考文献
[1]卢东亮，郑君，胡崇波，等．通用航空活塞发动机的发展现状研究[J]．内燃机与配件，284(8)：70-72．
[2]张奇，杜发荣．小功率航空活塞发动机重油技术进展[J]．小型内燃机与车辆技术，2014(4)：81-85．