汽车发动机部件的制备及应用范文

1汽车发动机关键零部件用钛铝基合金的制备技术

1.1常用汽车用TiAl合金制备技术TiAl基合金同Ti合金一样，在高温时具有高的化学活性，因此一般沿用熔炼Ti合金的方法进行熔炼[5]。但相对于熔炼Ti合金来说，熔炼TiAl基合金又具有自身的典型特点，如其合金元素在熔炼过程的反应热高，对间隙元素的敏感性高；存在合金元素含量高，成分容错度小，各元素物性差别大等特征，且其性能对组织敏感性高等问题，这使TiAl基合金熔炼和铸锭变得更加困难。目前已有三种冶金熔炼方法被成功地应用于TiAl基合金的生产[7]：即感应凝壳熔炼、真空电弧熔炼和等离子束熔炼。日本、俄罗斯等国均有采用以上方法熔炼TiAl基合金的方法。日本大同特殊钢公司设计制造了水冷铜坩埚感应熔炼炉—悬浮熔炼炉，再将悬浮熔炼方法与真空吸铸法相结合，开发出了LEVICAST技术，可以熔炼出高质量的TiAI基合金，用于大规模生产。真空自耗电弧熔炼法熔化能力大、熔炼时间短及工艺过程简单，俄罗斯VSMPO公司已经浇注出了直径达到960mm，质量达到1.0-25吨的铸锭。但这种方法必须用较大的压力机制备自耗电极，残料利用率低，不能有效去除低密度夹杂(LDI)和高密度夹杂(I-IDI)等。现有应用感应凝壳熔炼主要用于制备尺寸为75-125mm的小直径铸锭，真空电弧熔炼和等离子束熔炼方法主要用于制备直径尺寸为200-350mm的铸锭。采用后两种工艺应注意大直径尺寸铸锭温度场不均匀引起的热应力造成TiAl基合金铸锭开裂[8]。但这些方法熔炼TiAl基合金均有所不足，如所形成的熔池较浅，熔体温度难以维持，这对成分精确度和均匀性要求较高的TiAl基合金构成不利影响。在TiAl基合金的制备工艺中，除了研究零部件的近净形加工工艺，还需进一步研究增压器涡轮与合金钢轴的结合方式及发动机阀门表面的耐磨处理等相关技术[6]。针对加工现状复杂的汽车发动机关键零部件钛铝合金的制备而言，因其室温延展性和高温热加工性较差，常采用熔模精密铸造工艺一次性铸成形状复杂、壁薄的零部件，且采用该工艺加工的工件的精度准确、表面粗糙度低，大幅度提高了TiAl合金的利用率[9]。目前，发达国家车用发动机部件使用TiAl合金的研究已取得实用化成功。另外，在发动机用钛铝基合金的制备方面，美国GE公司，德国GKSS研究所、汉堡大学及日本京都大学、日本川崎重工株式会社和我国的哈尔滨工业大学等相继成功研制了不同用途的汽车用TiAl金属间化合物部件[10]。

1.2汽车发动机进/排气阀采用轻质TiAl合金排气阀对改善发动机的性能具有重要意义，它可以使发动机能耗节省5-8%，转速提高300rpm，并能减轻噪音和环境污染。因此各国工业界对此非常重视。汽车发动机排气阀是在600-900℃高温下工作的往复部件。在实际运行中，在交变的冲击载荷、蠕变载荷、高温、腐蚀和燃烧气氛等恶劣条件下，常常由于排气阀过早疲劳、蠕变、磨损而引起发动机故障和动力性能下降。因此，要求排气阀材料应具有足够的硬度、耐热、耐冲击、耐磨损、耐腐蚀、不弯曲变形、质轻等特点。为了使得发动机有高输出能，并提高转速，节能减排，对长杆件排气阀的研究就显得尤为重要。但采用精密铸造方法制备该类零件时，由于TiAl熔体流动性和充型性差，易在杆部及端部形成缩孔。这些缺陷在后续热等静压过程可以消除，但会改变零件形状，造成弯曲、凹陷等新的缺陷。日本住友公司、美国福特公司、通用电器公司和德国的一些公司都已相继开发出相应零件。另外，金属型离心铸造方法最适y-TiA1合金排气阀的中、大批量生产，在美国、德国和日本等发达国家，这方面的研究工作相继展开，该工艺在文献中给出其原理图，如图1所示。针对TiAl合金用于汽车零部件而言，国内对TiAl合金铸造技术也开展多年的研究，苏彦庆等利用真空感应凝壳熔炼设备熔铸了TiAl合金483Q发动机排气阀门坯件，经过等静压及机械加工后制得的TiAl合金排气阀门重量比原材质的减少了49.3%。经483Q柴油机台架试验测试结果表明，TiAl合金适宜于制作高热负荷条件下的排气阀门零件。长春工业大学的陈华发明公开了一种钛铝基粉末冶金汽车发动机排气阀材料及其制造方法[15]，其冶金粉末材料的成分及含量(at%)为：Ti45.7-48.9%、Al45.7-47.5%、Nb5.4-6.8%，按一定成分配制的粉末首先经高能球磨，球磨预合成后的粉末置于模具中，进行热压真空烧结，所制备出的TiAl基合金排气阀具有超细晶/纳米晶组织，其中TiAl相晶粒尺寸＜500nm，Ti3Al相晶粒尺寸＜100nm，成分均匀、性能优异。关于元素粉末冶金径向热压法制备汽车发动机进/排气阀的过程如文献[14]中给出的原理图，如图2所示。

1.3增压器用涡轮转子涡轮轻质化能使涡轮转子的惯性降低，加速性能提高[16]。日本川崎重工业株式会社首先制作了TiAl合金精铸增压涡轮转子，并在加速性实验中达到24×104转/分，与Inconel713（即K418）涡轮相比其加速响应性大为提高[3]。目前废气涡轮增压存在的缺点是发动机的扭矩适应性系数降低，发动机的加速特性变差，由此影响车辆起动和加速时的排放标准。而用TiAl合金取代K418类高温合金或耐热钢，可因涡轮转子重量减小、转子惯量降低而改善发动机的加速瞬时响应性。TiAl增压涡轮转子研究运用最成功的是在日本，日本开发了一种用于精铸涡轮的TiAl基合金，其名义成分为Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si，采用反压铸造法新技术铸造的TiAl金属间化合物增压涡轮已成功应用于三菱等跑车。同时，TiAl涡轮增压器应用最成功的也是在日本，于1998装备了1000台左右的Lancer汽车，到2003年的时候，其数量已经增加到20000台，这些涡轮增压器的成分为Ti-46Al-6.5Nb和一些微量元素。2.4汽车发动机叶片德国材料研究所Wanger采用熔模精密铸造工艺制成了TiAl合金发动机叶片，并在汽轮机工作条件下（700℃，1600r/min）成功进行了旋转实验。另外，日本川崎重工业株式会社和日本的大同特殊钢称采用熔模精密铸造工艺制成了TiAl合金叶轮比耐热合金叶轮达到170000r/min的时间缩短26%左右[3]，且可提高叶轮的最大转速。

2钛铝基合金在汽车发动机零部件上的应用现状

由于TiAl基合金室温塑性低，高温强度、抗氧化性不足，制造困难等不足，使实用化相当困难。日本大同特殊钢公司自上世纪八十年代开展TiAl基合金的实用化研究以来，逐渐开发出了TiAl基合金近净形加工的精密铸造和接合等相关技术，于1998年实现了TiAl基合金的赛车发动机增压器涡轮的实用化[17]。为进一步改善TiAl基合金的高温抗氧化性能，常选用二元合金中性能最好的Ti-33.5%Al为基体合金，加入优化的Cr、Si、Nb各元素，并将其组织设计成韧性较高的γ/α2网篮组织，开发出了用于排气阀的RNT004（Ti-33.5Al-1.0Nb-0.5Cr-0.5Si）和用于涡轮叶片的抗氧化性、蠕变强度都更好的RNT004（Ti-33.5Al-4.8Nb-1.0Cr-0.5Si）TiAl合金。在高温下，RNT004和RNT650的比强度都比通常使用的Inconel751和Inconel713C超合金的高，抗氧化性比二元Ti-33.5Al合金有明显改善。在900℃以下，RNT650显示出与Inconel713C相当的抗氧化性。采用RNT004、RNT650的增压器用涡轮，与传统的Inconel713C的相比，惯性降低、加速性能提高，1998年初，实现了赛车用增压器涡轮的实用化，1999年用LEVICAST铸造法制造了抗氧化性更好的高铌合金涡轮，用于市场售车。为了使发动机具有高输出能和降低燃料费，以及提高转速和减少动阀的磨损，对精密铸造RNT004阀的发动机进行系统试验很有必要。为改善阀表面及轴部的耐磨性，常采用等离子渗碳处理使表面形成了Ti2AlC相而提高耐磨性。TiAl基合金用于涡轮增压器已有十余年的历史，将其广泛用于普通汽车，尤其是轿车，必须降低其制备成本。另外，在TiAl金属间化合物的实用化研究进程中，既要从合金熔炼工艺及成分优化入手，又要结合制造工艺过程中和生产中所存在的问题提出系统的解决方案，以获得制备车用轻质TiAl金属间化合物合金的有效途径。

3结论

经过二十余年的努力，以改善TiAl合金室温脆性为目标的材料改性研究己取得突破，针对应用部件的制备技术及在制备过程中实现成分和组织设计的研究也有显著进展，一些部件如车用增压器涡轮已进入实际应用。金属模加压铸造工艺有可能成为生产TiA1基合金气门的实用方法之一。TiAl基合金的性能试验结果及在某些高性能汽车上的成功应用，充分表明了TiA1基合金在汽车材料上的应用潜力。美国航空航天局(NASA)报告指出，到2020年钛铝基合金及其复合材料的用量在航空、航天发动机中将占有20%左右的份额。毫无疑问，TiAl基合金系化合物材料具有广泛的应用前景，值得继续进行系统和深入的研究。

作者：陈刚江义军单位：成都市长江冶金制造有限公司