汽車發動機部件用鈦鋁金屬間化合物的制備分析與應用研究

孫 杰

（陸軍工程大學訓練基地學兵六大隊十六隊，江蘇 徐州 221004）

在現階段的汽車市場上，對于汽車的要求不僅僅在于質量，還在于輕量化設計。在此基礎上，鈦鋁金屬間化合物的優勢得到了最大發揮，其抗腐蝕性、抗氧化性和阻燃能力，讓其擁有了廣闊的市場前景，且在制造成本上甚至低于鋼鐵材料的成本。這也使得鈦鋁金屬間化合物成為了國內外的研究熱點。

1 鈦鋁金屬間化合物的性能和特征

目前鈦鋁金屬間化合物，簡稱為TiAl基合金，兼具了金屬和陶瓷的性能特點，不僅在耐高溫程度上具有明顯的優勢，在抗氧化、抗蠕變方面通常效果顯著。相比于傳統的鈦合金，其各項性能和膨脹系數都具有顯著優勢。在TiAl的制備特點上，和傳統的Ti合金一樣，在高溫下具有明顯的化學活性，所以TiAl的熔煉方式可以參考Ti的熔煉方式。不過需要注意的是TiAl具有自身的特點。除了對間隙元素的敏感程度高之外，還包括熔煉過程反應熱高，所以成分的容錯度較小，一旦出現制備流程問題，會直接影響到TiAl合金的性能[1]。

2 鈦鋁金屬間化合物在汽車發動機方面的技術應用

TiAl合金在航空航天、石油化工、艦船工業上已經實現了廣泛使用，但在汽車工業上的發展還有很大的提升空間。隨著20世紀90年代后，汽車數量的增加，讓TiAl合金零部件得到了重視，也在汽車發動機各個零部件部位發揮了顯著的作用。2015年全世界汽車的TiAl合金用量也超過了5000噸。

2.1 發動機排氣閥

輕質的TiAl合金排氣閥是目前汽車行業中非常重視的一項技術，對于改善發動機性能，提升發動機的使用周期具有顯著的效果。由于汽車發動機的排氣閥的工作溫度通常在600℃以上，而實際的車輛運行當中，受限于各類因素，發動機在長期工作中必然會出現因磨損而導致的動力性能下降，出現各種故障。所以對于發動機排氣閥來說，如何能做到抗腐蝕、抗磨損、抗高溫，成為了主要的研究方向。通常情況下制備該類零件的手段是精密鑄造方式，但這一手段并不適用于TiAl合金。因為TiAl的熔體流動性差，易形成縮孔，在后期的使用中難免會產生零件的形狀變化。而我國對于發動機排氣閥方面的技術研究工作也一直高度重視，在現階段取得了一定成果。

2.2 汽車零部件

汽車零部件包括發動機連桿、發動機氣門等。由于TiAl合金的材料輕質性，是的發動機連桿可以有效降低發動機的質量，從而提升燃油的利用率，減少排氣量。以法拉利轎車3.5LV8為例，TiAl合金的發動機連桿得到了運用。在發動機氣門設計上，不僅可以減輕質量，增加使用周期，相比于傳統的鋼制氣門，還可以提升發動機的極限轉速、目前進氣門的材料以Ti-6Al-4V為主，排氣門的材料以Ti-6242S為主，可以在保障強度的同時得到較低的脆性。另外Mo材料還能提升TiAl合金的熱處理性能，并增加硬度[2]。

2.3 發動機葉片

TiAl合金在汽車發動機葉片上的使用最早出現于德國材料研究所，采用熔模精密鑄造方式制作而成了TiAl合金發動機的葉片，并在汽輪機的條件下進行了旋轉實驗，結果表明TiAl可以作為發動機葉片的有效材料。相比于傳統的材料，TiAl合金葉片可以有效減少發動機打到最大轉速的時間，還能提升最大轉數。

2.4 渦輪

渦輪質量的減輕可以有效降低渦輪的慣性，使得加速性能會有明顯提升。在這一方面的技術上，日本川崎重工業株式會社率先進行了TiAl合金的加速性試驗，并且結果比傳統的渦輪在加速響應性上要更加優秀。以目前傳統的渦輪來看，普遍存在加速特性較差，車輛起步和加速環節會受到影響，發動機扭矩適應性無法達到實際的要求。但通過以TiAl合金來取代傳統的耐熱鋼材料，就可以實現發動機性能的改善，并降低轉子重量。

3 鈦鋁金屬間化合物的應用

TiAl基合金的高溫強度和抗氧化強度問題，使得其技術的真正使用面臨了一些困難。為了能真正地改善TiAl合金的高溫抗氧化性能，通常會加入一些性能好的集體合金，然后開發出渦輪葉片的常用TiAl合金材料，在高溫下可以顯著出優越的性能。而對于汽車發動機來說，還需要關注能耗問題和使用周期，即如何在提升轉速的基礎上減少磨損。目前通常會使用等離子滲碳技術來提升耐磨性，其處理過程是在100-1000Pa下進行，通過高壓脈沖電源電離含碳類氣氛，形成離子轟擊產品表面達到滲碳效果。等離子滲碳與傳統的氣體滲碳的主要區別是：不用吸熱后分解的氣體，而是直接導入丙烷滲碳。求滲層較淺，且用N2＋C3H8進行碳氮共滲時，也可在900℃以下進行。

4 鈦鋁金屬間化合物未來發展趨勢

鈦鋁金屬間化合物在未來的發展趨勢，要從其優勢和劣勢兩個方面來進行分析。優勢方面，由于其密度低、可以減少運動零件的慣性質量，減少車身的震顫，一次提升發動機的轉數，改善性能。由于價格因素、焊接性能等問題，要想實現TiAl合金在汽車工業中的普遍使用，仍然還需要考慮到可能產生的成本因素。因為金書冶煉和加工上，TiAl合金的消耗都要高于其它金屬，無論是彈簧、氣閥、連桿還是排氣系統，零件成本都可能會產生額外的消耗。

5 結語

現階段，TiAl合金材料性能研究已經取得了重要的成果，而對于汽車發動機材料制備技術方面同樣取得了一定的進展，一些部件已經真正投入了使用，例如TiAl發動機葉片等。而這也表示未來的汽車工業具有良好的發展前景，可以在后續的研究工作中進一步提升技術研發水平。

[1]陳剛, 江義軍． 汽車發動機部件用鈦鋁金屬間化合物的制備及應用[J]． 四川有色金屬, 2014(2)：61-65．

[2]楊銳． 鈦鋁金屬間化合物的進展與挑戰[J]． 金屬學報, 2015,51(2)：129-147．