汽車發動機部件用鈦鋁金屬間化合物的制備及應用

唐臘梅

柳州市汽車運輸技工學校

汽車發動機部件用鈦鋁金屬間化合物的制備及應用

唐臘梅

柳州市汽車運輸技工學校

新時代低能耗、輕量化、安全與高速等特征是汽車工業的發展趨勢，把輕質與高性能的TiAL合金應用在汽車的發動機之中，可以將合金優異的性能充分發揮出來，能夠使汽車達到節能與減排、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行分析，探討太鋁合金對于汽車發動機的作用，進而設計出性能較高的汽車，使得汽車的發展與環境保護結合在一起。

汽車發動機；金屬化合物；鈦鋁合金

1.前言

就近幾年來看，關于汽車優化輕量設計的潛力挖掘幾乎達到極限，尋找輕量化的汽車設計材料成了人們當前的首要目的。特別是最近幾年出現的TiAl合金，該金屬高溫強度、模量都相對較高，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，是目前應用前景較廣的輕質以及耐高溫的材料。此外，TiAl合金中的Al成分可以達到百分之五十左右，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高于鋼鐵材料總成本。這就使得TiAl合金化合物替代了傳統汽車的發動機部件中的鋼鐵材料，同時也是國內外的研究重點。

2.關于鈦鋁合金化合物的基合金性能特點

現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、高溫下的強度、抗氧的性能與抗蠕變的性能相對較好。跟與Ti金屬比起來，除了塑性以外，（TiAL的基合金各項性能表一可見)其他屬性基本都比Ti的基合金高。同時，關于鈦鋁合金膨脹的系數，與膨脹系數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，以上種種優點使得太鋁合金成為汽車發動機、航空與航天等耐熱輕質構件中競爭力較強的材料。

事實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，使其實用性受到了限制。在近些年汽車工藝高速發展的前提下，鈦鋁基合金與其綜合的性能指標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，具體對比如表二，這也是太鋁合金在汽車設計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、熔鑄的技術與粉末的冶金技術等[1]。

表一 Ti3AL的基合金、TiAL發熱基合金與跟Ti的合金性能參數

表二 TiAl的基合金跟高溫材料在其它汽車中運用力學性能的比較

3.在汽車的發動機部件制備中關于TiAL基合金技術

3.1.車的發動機進氣閥與排氣閥

使用輕質鈦鋁合金的排氣閥對發動機性能可以起到改善作用，其能使發動機節省百分之五到百分之八的能耗，轉速也可以提高三百轉，同時能減少環境與噪音等污染，這也是各國較為重視汽車發動機制造的一個重要原因。汽車的發動機氣閥一般是六百到九百攝氏度溫度下進行工作，發動機實際運行的過程中，在燃燒氣氛、沖擊荷載與腐蝕等不良條件之下，經常會因為排氣閥磨損、疲勞與蠕變使得發動機動力性能降低。

同時，還需要排氣閥的材料具備輕質、硬度足夠、不會變形與彎曲等特征。通常為使發動機具備高輸出的性能，研究長桿件的排氣閥、提高汽車的轉速與節能減排顯得至關重要。只是使用精密的鑄造方式來備置該零件，常常會因為零件形狀的改變，導致凹陷與彎曲等缺點。例如：通用電氣、日本住友與美國福特等公司已經普遍研發這類零件。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，特別是在日本、美國與德國等發達的國家，在這方面研發的工作漸漸擴大，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子

輕質化渦輪可以使轉子慣性得以減小，渦輪輕質化能使渦輪轉子的慣性降低，提高加速的性能。在日本川崎的重工業會社初次制作了TiAL的合金鑄造相關增壓器渦輪的轉子，同時在加速試驗中高達每分鐘24×104轉，跟Inconel713也就是K418的渦輪比起來，在加速方面響應性有顯著提高。當下廢氣渦輪的增壓中出現的缺點一般是發動機扭矩適應系數減小所致，導致發動機加速特性能變差，影響車輛加速與起動過程排放的標準[2]。

如果使用太鋁合金代替K418的耐熱鋼或是高溫合金，會因為渦輪轉子慣量降低與重量減輕對發動機起到改善作用。關于TiAL的增壓渦輪的轉子研發運用較為成功的是日本，近幾年日本開發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用在三菱跑車中。

3.3.鋁合金的制備技術在常用汽車中的應用

一般TiAl的基合金與Ti合金較為相似，溫度較高的時候化學性質比較活躍，因此，都是沿用Ti合金熔煉方法來實施熔煉。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，例如：熔煉合金元素的過程中反應熱度較高，在間隙元素方面的敏感性也相對較高。同時還具備合金元素的含量高，各個元素物性的差別較大以及成分的容錯度較小等特點，這就使得TiAl的基合金鑄錠與熔煉的難度較大。當下有三種熔煉冶金的方法普遍應用在鈦鋁基合金生產中，也就是等離子束、感應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，必須再進一步探討發動機的閥門表面耐磨處理、增壓器的渦輪以及合金鋼軸結合的方式等技術。就一些加工較為復雜的發動機來說，其關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致零部件形狀復雜與壁薄的現象，使得高TiAL的合金利用率。近幾年發達國家汽車發動機零部件在鈦鋁合金領域的研究逐漸取得成功。此外，發動機使用鈦鋁基合金制備上，美國的GE公司，以及德國GKSS的研究所等在汽車發動機制造方面都是使用TiAl的合金部件[3]。

4.結語

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，特別是在應用部件設備技術與制備研發都有顯著發展，同時組織設計與成分方面的研究也取得一定成績，一些增壓器的渦輪已經在實際中得以應用。其中鈦鋁的基合金性能試驗的結果與部分高性能的汽車上已經應用成功，這就表明TiAL的基合金對于汽車材料應用的潛力。因此，深入探究太鋁合金在汽車發動機中的應用是當前的首要目的，只有太鋁合金得以科學合理的應用，才可以提高汽車的使用安全與舒適度。

[1]梁春華,李曉欣.先進材料在戰斗機發動機上的應用與研究趨勢[J].航空材料學報,2012,32(06)：32-36.

[2]姚潤鋼,周健松,張世堂.激光熔覆原位制備Ti3Al金屬間化合物涂層結構及摩擦學性能[J].摩擦學學報,2013,33(01)：14-21.

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