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1汽車發動機關鍵零部件用鈦鋁基合金的制備技術

1.1常用汽車用TiAl合金制備技術TiAl基合金同Ti合金一樣，在高溫時具有高的化學活性，因此一般沿用熔煉Ti合金的方法進行熔煉[5]。但相對于熔煉Ti合金來說，熔煉TiAl基合金又具有自身的典型特點，如其合金元素在熔煉過程的反應熱高，對間隙元素的敏感性高；存在合金元素含量高，成分容錯度小，各元素物性差別大等特征，且其性能對組織敏感性高等問題，這使TiAl基合金熔煉和鑄錠變得更加困難。目前已有三種冶金熔煉方法被成功地應用于TiAl基合金的生產[7]：即感應凝殼熔煉、真空電弧熔煉和等離子束熔煉。日本、俄羅斯等國均有采用以上方法熔煉TiAl基合金的方法。日本大同特殊鋼公司設計制造了水冷銅坩堝感應熔煉爐—懸浮熔煉爐，再將懸浮熔煉方法與真空吸鑄法相結合，開發出了LEVICAST技術，可以熔煉出高質量的TiAI基合金，用于大規模生產。真空自耗電弧熔煉法熔化能力大、熔煉時間短及工藝過程簡單，俄羅斯VSMPO公司已經澆注出了直徑達到960mm，質量達到1.0-25噸的鑄錠。但這種方法必須用較大的壓力機制備自耗電極，殘料利用率低，不能有效去除低密度夾雜(LDI)和高密度夾雜(I-IDI)等。現有應用感應凝殼熔煉主要用于制備尺寸為75-125mm的小直徑鑄錠，真空電弧熔煉和等離子束熔煉方法主要用于制備直徑尺寸為200-350mm的鑄錠。采用后兩種工藝應注意大直徑尺寸鑄錠溫度場不均勻引起的熱應力造成TiAl基合金鑄錠開裂[8]。但這些方法熔煉TiAl基合金均有所不足，如所形成的熔池較淺，熔體溫度難以維持，這對成分精確度和均勻性要求較高的TiAl基合金構成不利影響。在TiAl基合金的制備工藝中，除了研究零部件的近凈形加工工藝，還需進一步研究增壓器渦輪與合金鋼軸的結合方式及發動機閥門表面的耐磨處理等相關技術[6]。針對加工現狀復雜的汽車發動機關鍵零部件鈦鋁合金的制備而言，因其室溫延展性和高溫熱加工性較差，常采用熔模精密鑄造工藝一次性鑄成形狀復雜、壁薄的零部件，且采用該工藝加工的工件的精度準確、表面粗糙度低，大幅度提高了TiAl合金的利用率[9]。目前，發達國家車用發動機部件使用TiAl合金的研究已取得實用化成功。另外，在發動機用鈦鋁基合金的制備方面，美國GE公司，德國GKSS研究所、漢堡大學及日本京都大學、日本川崎重工株式會社和我國的哈爾濱工業大學等相繼成功研制了不同用途的汽車用TiAl金屬間化合物部件[10]。

1.2汽車發動機進/排氣閥采用輕質TiAl合金排氣閥對改善發動機的性能具有重要意義，它可以使發動機能耗節省5-8%，轉速提高300rpm，并能減輕噪音和環境污染。因此各國工業界對此非常重視。汽車發動機排氣閥是在600-900℃高溫下工作的往復部件。在實際運行中，在交變的沖擊載荷、蠕變載荷、高溫、腐蝕和燃燒氣氛等惡劣條件下，常常由于排氣閥過早疲勞、蠕變、磨損而引起發動機故障和動力性能下降。因此，要求排氣閥材料應具有足夠的硬度、耐熱、耐沖擊、耐磨損、耐腐蝕、不彎曲變形、質輕等特點。為了使得發動機有高輸出能，并提高轉速，節能減排，對長桿件排氣閥的研究就顯得尤為重要。但采用精密鑄造方法制備該類零件時，由于TiAl熔體流動性和充型性差，易在桿部及端部形成縮孔。這些缺陷在后續熱等靜壓過程可以消除，但會改變零件形狀，造成彎曲、凹陷等新的缺陷。日本住友公司、美國福特公司、通用電器公司和德國的一些公司都已相繼開發出相應零件。另外，金屬型離心鑄造方法最適y-TiA1合金排氣閥的中、大批量生產，在美國、德國和日本等發達國家，這方面的研究工作相繼展開，該工藝在文獻中給出其原理圖，如圖1所示。針對TiAl合金用于汽車零部件而言，國內對TiAl合金鑄造技術也開展多年的研究，蘇彥慶等利用真空感應凝殼熔煉設備熔鑄了TiAl合金483Q發動機排氣閥門坯件，經過等靜壓及機械加工后制得的TiAl合金排氣閥門重量比原材質的減少了49.3%。經483Q柴油機臺架試驗測試結果表明，TiAl合金適宜于制作高熱負荷條件下的排氣閥門零件。長春工業大學的陳華發明公開了一種鈦鋁基粉末冶金汽車發動機排氣閥材料及其制造方法[15]，其冶金粉末材料的成分及含量(at%)為：Ti45.7-48.9%、Al45.7-47.5%、Nb5.4-6.8%，按一定成分配制的粉末首先經高能球磨，球磨預合成后的粉末置于模具中，進行熱壓真空燒結，所制備出的TiAl基合金排氣閥具有超細晶/納米晶組織，其中TiAl相晶粒尺寸＜500nm，Ti3Al相晶粒尺寸＜100nm，成分均勻、性能優異。關于元素粉末冶金徑向熱壓法制備汽車發動機進/排氣閥的過程如文獻[14]中給出的原理圖，如圖2所示。

1.3增壓器用渦輪轉子渦輪輕質化能使渦輪轉子的慣性降低，加速性能提高[16]。日本川崎重工業株式會社首先制作了TiAl合金精鑄增壓渦輪轉子，并在加速性實驗中達到24×104轉/分，與Inconel713（即K418）渦輪相比其加速響應性大為提高[3]。目前廢氣渦輪增壓存在的缺點是發動機的扭矩適應性系數降低，發動機的加速特性變差，由此影響車輛起動和加速時的排放標準。而用TiAl合金取代K418類高溫合金或耐熱鋼，可因渦輪轉子重量減小、轉子慣量降低而改善發動機的加速瞬時響應性。TiAl增壓渦輪轉子研究運用最成功的是在日本，日本開發了一種用于精鑄渦輪的TiAl基合金，其名義成分為Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si，采用反壓鑄造法新技術鑄造的TiAl金屬間化合物增壓渦輪已成功應用于三菱等跑車。同時，TiAl渦輪增壓器應用最成功的也是在日本，于1998裝備了1000臺左右的Lancer汽車，到2003年的時候，其數量已經增加到20000臺，這些渦輪增壓器的成分為Ti-46Al-6.5Nb和一些微量元素。2.4汽車發動機葉片德國材料研究所Wanger采用熔模精密鑄造工藝制成了TiAl合金發動機葉片，并在汽輪機工作條件下（700℃，1600r/min）成功進行了旋轉實驗。另外，日本川崎重工業株式會社和日本的大同特殊鋼稱采用熔模精密鑄造工藝制成了TiAl合金葉輪比耐熱合金葉輪達到170000r/min的時間縮短26%左右[3]，且可提高葉輪的最大轉速。

2鈦鋁基合金在汽車發動機零部件上的應用現狀

由于TiAl基合金室溫塑性低，高溫強度、抗氧化性不足，制造困難等不足，使實用化相當困難。日本大同特殊鋼公司自上世紀八十年代開展TiAl基合金的實用化研究以來，逐漸開發出了TiAl基合金近凈形加工的精密鑄造和接合等相關技術，于1998年實現了TiAl基合金的賽車發動機增壓器渦輪的實用化[17]。為進一步改善TiAl基合金的高溫抗氧化性能，常選用二元合金中性能最好的Ti-33.5%Al為基體合金，加入優化的Cr、Si、Nb各元素，并將其組織設計成韌性較高的γ/α2網籃組織，開發出了用于排氣閥的RNT004（Ti-33.5Al-1.0Nb-0.5Cr-0.5Si）和用于渦輪葉片的抗氧化性、蠕變強度都更好的RNT004（Ti-33.5Al-4.8Nb-1.0Cr-0.5Si）TiAl合金。在高溫下，RNT004和RNT650的比強度都比通常使用的Inconel751和Inconel713C超合金的高，抗氧化性比二元Ti-33.5Al合金有明顯改善。在900℃以下，RNT650顯示出與Inconel713C相當的抗氧化性。采用RNT004、RNT650的增壓器用渦輪，與傳統的Inconel713C的相比，慣性降低、加速性能提高，1998年初，實現了賽車用增壓器渦輪的實用化，1999年用LEVICAST鑄造法制造了抗氧化性更好的高鈮合金渦輪，用于市場售車。為了使發動機具有高輸出能和降低燃料費，以及提高轉速和減少動閥的磨損，對精密鑄造RNT004閥的發動機進行系統試驗很有必要。為改善閥表面及軸部的耐磨性，常采用等離子滲碳處理使表面形成了Ti2AlC相而提高耐磨性。TiAl基合金用于渦輪增壓器已有十余年的歷史，將其廣泛用于普通汽車，尤其是轎車，必須降低其制備成本。另外，在TiAl金屬間化合物的實用化研究進程中，既要從合金熔煉工藝及成分優化入手，又要結合制造工藝過程中和生產中所存在的問題提出系統的解決方案，以獲得制備車用輕質TiAl金屬間化合物合金的有效途徑。

3結論

經過二十余年的努力，以改善TiAl合金室溫脆性為目標的材料改性研究己取得突破，針對應用部件的制備技術及在制備過程中實現成分和組織設計的研究也有顯著進展，一些部件如車用增壓器渦輪已進入實際應用。金屬模加壓鑄造工藝有可能成為生產TiA1基合金氣門的實用方法之一。TiAl基合金的性能試驗結果及在某些高性能汽車上的成功應用，充分表明了TiA1基合金在汽車材料上的應用潛力。美國航空航天局(NASA)報告指出，到2020年鈦鋁基合金及其復合材料的用量在航空、航天發動機中將占有20%左右的份額。毫無疑問，TiAl基合金系化合物材料具有廣泛的應用前景，值得繼續進行系統和深入的研究。

作者：陳剛江義軍單位：成都市長江冶金制造有限公司