唐臘梅

柳州市汽車運(yùn)輸技工學(xué)校

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件用鈦鋁金屬間化合物的制備及應(yīng)用

唐臘梅

柳州市汽車運(yùn)輸技工學(xué)校

新時(shí)代低能耗、輕量化、安全與高速等特征是汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，把輕質(zhì)與高性能的TiAL合金應(yīng)用在汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)之中，可以將合金優(yōu)異的性能充分發(fā)揮出來，能夠使汽車達(dá)到節(jié)能與減排、提高使用壽命與減重的目的。本文就太鋁合金的性能屬性進(jìn)行分析，探討太鋁合金對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的作用，進(jìn)而設(shè)計(jì)出性能較高的汽車，使得汽車的發(fā)展與環(huán)境保護(hù)結(jié)合在一起。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；金屬化合物；鈦鋁合金

1.前言

就近幾年來看，關(guān)于汽車優(yōu)化輕量設(shè)計(jì)的潛力挖掘幾乎達(dá)到極限，尋找輕量化的汽車設(shè)計(jì)材料成了人們當(dāng)前的首要目的。特別是最近幾年出現(xiàn)的TiAl合金，該金屬高溫強(qiáng)度、模量都相對(duì)較高，且其密度較低，具備良好的抗氧性能、阻燃能力與抗蠕變的性能等，是目前應(yīng)用前景較廣的輕質(zhì)以及耐高溫的材料。此外，TiAl合金中的Al成分可以達(dá)到百分之五十左右，其重量占鋼鐵材料總重量的三分之一左右，且制造成本一般不會(huì)高于鋼鐵材料總成本。這就使得TiAl合金化合物替代了傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)部件中的鋼鐵材料，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)。

2.關(guān)于鈦鋁合金化合物的基合金性能特點(diǎn)

現(xiàn)在的工程基本采用鈦鋁合金化合物的基合金，也就是鈦鋁的基合金,其主要的成分是百分之四十五到百分之五十的鈦元素與鋁元素，一般由少量α2-Ti3AL與大量γ-TiAL共同組成，然后加入RE、Fe、Cr與Nb等元素，改善合金性能與組織，進(jìn)而獲取陶瓷與金屬性能兼具的合金化合物，這種合金阻燃性能、高溫下的強(qiáng)度、抗氧的性能與抗蠕變的性能相對(duì)較好。跟與Ti金屬比起來，除了塑性以外，（TiAL的基合金各項(xiàng)性能表一可見)其他屬性基本都比Ti的基合金高。同時(shí)，關(guān)于鈦鋁合金膨脹的系數(shù)，與膨脹系數(shù)較低的鎳的基合金幾乎差不多，太鋁合金易燃性甚至比鎳基合金的還低，以上種種優(yōu)點(diǎn)使得太鋁合金成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、航空與航天等耐熱輕質(zhì)構(gòu)件中競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)的材料。

事實(shí)上鈦鋁基合金具備室溫塑性較低，制造難度較大與抗氧化性缺乏等諸多問題，使其實(shí)用性受到了限制。在近些年汽車工藝高速發(fā)展的前提下，鈦鋁基合金與其綜合的性能指標(biāo)都比汽車上較常用的奧氏體中耐熱鋼所鑄造的鎳合金要高，韌性也比普通陶瓷材料高，具體對(duì)比如表二，這也是太鋁合金在汽車設(shè)計(jì)中較為受歡迎的主要原因。其中TiAL的基合金在汽車部件制備方式包含：壓加技術(shù)、熔鑄的技術(shù)與粉末的冶金技術(shù)等[1]。

表一 Ti3AL的基合金、TiAL發(fā)熱基合金與跟Ti的合金性能參數(shù)

表二 TiAl的基合金跟高溫材料在其它汽車中運(yùn)用力學(xué)性能的比較

3.在汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)部件制備中關(guān)于TiAL基合金技術(shù)

3.1.車的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥與排氣閥

使用輕質(zhì)鈦鋁合金的排氣閥對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能可以起到改善作用，其能使發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)省百分之五到百分之八的能耗，轉(zhuǎn)速也可以提高三百轉(zhuǎn)，同時(shí)能減少環(huán)境與噪音等污染，這也是各國(guó)較為重視汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造的一個(gè)重要原因。汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)氣閥一般是六百到九百攝氏度溫度下進(jìn)行工作，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行的過程中，在燃燒氣氛、沖擊荷載與腐蝕等不良條件之下，經(jīng)常會(huì)因?yàn)榕艢忾y磨損、疲勞與蠕變使得發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能降低。

同時(shí)，還需要排氣閥的材料具備輕質(zhì)、硬度足夠、不會(huì)變形與彎曲等特征。通常為使發(fā)動(dòng)機(jī)具備高輸出的性能，研究長(zhǎng)桿件的排氣閥、提高汽車的轉(zhuǎn)速與節(jié)能減排顯得至關(guān)重要。只是使用精密的鑄造方式來備置該零件，常常會(huì)因?yàn)榱慵螤畹母淖?，?dǎo)致凹陷與彎曲等缺點(diǎn)。例如：通用電氣、日本住友與美國(guó)福特等公司已經(jīng)普遍研發(fā)這類零件。此外，離心鑄造金屬型的方式適合于y-TiAL的合金排氣閥中批量與大批量的生產(chǎn)，特別是在日本、美國(guó)與德國(guó)等發(fā)達(dá)的國(guó)家，在這方面研發(fā)的工作漸漸擴(kuò)大，其制造原理如圖一所示。

圖一.于金屬的永久模鑄造離心TiAL的排氣閥圖

3.2.壓器通常使用渦輪的轉(zhuǎn)子

輕質(zhì)化渦輪可以使轉(zhuǎn)子慣性得以減小，渦輪輕質(zhì)化能使渦輪轉(zhuǎn)子的慣性降低，提高加速的性能。在日本川崎的重工業(yè)會(huì)社初次制作了TiAL的合金鑄造相關(guān)增壓器渦輪的轉(zhuǎn)子，同時(shí)在加速試驗(yàn)中高達(dá)每分鐘24×104轉(zhuǎn)，跟Inconel713也就是K418的渦輪比起來，在加速方面響應(yīng)性有顯著提高。當(dāng)下廢氣渦輪的增壓中出現(xiàn)的缺點(diǎn)一般是發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩適應(yīng)系數(shù)減小所致，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)加速特性能變差，影響車輛加速與起動(dòng)過程排放的標(biāo)準(zhǔn)[2]。

如果使用太鋁合金代替K418的耐熱鋼或是高溫合金，會(huì)因?yàn)闇u輪轉(zhuǎn)子慣量降低與重量減輕對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起到改善作用。關(guān)于TiAL的增壓渦輪的轉(zhuǎn)子研發(fā)運(yùn)用較為成功的是日本，近幾年日本開發(fā)一種可用于精鑄渦輪TiAL的基合金。名義成分是Ti、48AL、2Nb、0.7Cr與0.3Si，使用新型反壓鑄造方法制成TiAL的金屬化合物的增壓渦輪漸漸成功應(yīng)用在三菱跑車中。

3.3.鋁合金的制備技術(shù)在常用汽車中的應(yīng)用

一般TiAl的基合金與Ti合金較為相似，溫度較高的時(shí)候化學(xué)性質(zhì)比較活躍，因此，都是沿用Ti合金熔煉方法來實(shí)施熔煉。只是與熔煉的Ti合金比起來，TiAl的基合金熔煉具有自身較為典型的特點(diǎn)，例如：熔煉合金元素的過程中反應(yīng)熱度較高，在間隙元素方面的敏感性也相對(duì)較高。同時(shí)還具備合金元素的含量高，各個(gè)元素物性的差別較大以及成分的容錯(cuò)度較小等特點(diǎn)，這就使得TiAl的基合金鑄錠與熔煉的難度較大。當(dāng)下有三種熔煉冶金的方法普遍應(yīng)用在鈦鋁基合金生產(chǎn)中，也就是等離子束、感應(yīng)凝殼與真空的電弧熔煉等。

制備TiAL的基合金過程中，除零部件的研究工藝，必須再進(jìn)一步探討發(fā)動(dòng)機(jī)的閥門表面耐磨處理、增壓器的渦輪以及合金鋼軸結(jié)合的方式等技術(shù)。就一些加工較為復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)來說，其關(guān)鍵的零部件基本是使用鈦鋁合金制備，由于太鋁合金高溫加工與室溫的延展性較差，熔模精密的鑄造工藝容易導(dǎo)致零部件形狀復(fù)雜與壁薄的現(xiàn)象，使得高TiAL的合金利用率。近幾年發(fā)達(dá)國(guó)家汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件在鈦鋁合金領(lǐng)域的研究逐漸取得成功。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)使用鈦鋁基合金制備上，美國(guó)的GE公司，以及德國(guó)GKSS的研究所等在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造方面都是使用TiAl的合金部件[3]。

4.結(jié)語

總而言之，在近幾十年努力的過程中，在TiAL的合金改善室溫脆性方面的研究材料改性漸漸取得很大突破，特別是在應(yīng)用部件設(shè)備技術(shù)與制備研發(fā)都有顯著發(fā)展，同時(shí)組織設(shè)計(jì)與成分方面的研究也取得一定成績(jī)，一些增壓器的渦輪已經(jīng)在實(shí)際中得以應(yīng)用。其中鈦鋁的基合金性能試驗(yàn)的結(jié)果與部分高性能的汽車上已經(jīng)應(yīng)用成功，這就表明TiAL的基合金對(duì)于汽車材料應(yīng)用的潛力。因此，深入探究太鋁合金在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用是當(dāng)前的首要目的，只有太鋁合金得以科學(xué)合理的應(yīng)用，才可以提高汽車的使用安全與舒適度。

[1]梁春華,李曉欣.先進(jìn)材料在戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用與研究趨勢(shì)[J].航空材料學(xué)報(bào),2012,32(06)：32-36.

[2]姚潤(rùn)鋼,周健松,張世堂.激光熔覆原位制備Ti3Al金屬間化合物涂層結(jié)構(gòu)及摩擦學(xué)性能[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(01)：14-21.

[3]楊銳.鈦鋁金屬間化合物的進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J].金屬學(xué)報(bào),2015, 51(02)：129-147.