汽车发动机部件用钛铝金属间化合物的制备及应用

唐腊梅

柳州市汽车运输技工学校

汽车发动机部件用钛铝金属间化合物的制备及应用

唐腊梅

柳州市汽车运输技工学校

新时代低能耗、轻量化、安全与高速等特征是汽车工业的发展趋势，把轻质与高性能的TiAL合金应用在汽车的发动机之中，可以将合金优异的性能充分发挥出来，能够使汽车达到节能与减排、提高使用寿命与减重的目的。本文就太铝合金的性能属性进行分析，探讨太铝合金对于汽车发动机的作用，进而设计出性能较高的汽车，使得汽车的发展与环境保护结合在一起。

汽车发动机；金属化合物；钛铝合金

1.前言

就近几年来看，关于汽车优化轻量设计的潜力挖掘几乎达到极限，寻找轻量化的汽车设计材料成了人们当前的首要目的。特别是最近几年出现的TiAl合金，该金属高温强度、模量都相对较高，且其密度较低，具备良好的抗氧性能、阻燃能力与抗蠕变的性能等，是目前应用前景较广的轻质以及耐高温的材料。此外，TiAl合金中的Al成分可以达到百分之五十左右，其重量占钢铁材料总重量的三分之一左右，且制造成本一般不会高于钢铁材料总成本。这就使得TiAl合金化合物替代了传统汽车的发动机部件中的钢铁材料，同时也是国内外的研究重点。

2.关于钛铝合金化合物的基合金性能特点

现在的工程基本采用钛铝合金化合物的基合金，也就是钛铝的基合金,其主要的成分是百分之四十五到百分之五十的钛元素与铝元素，一般由少量α2-Ti3AL与大量γ-TiAL共同组成，然后加入RE、Fe、Cr与Nb等元素，改善合金性能与组织，进而获取陶瓷与金属性能兼具的合金化合物，这种合金阻燃性能、高温下的强度、抗氧的性能与抗蠕变的性能相对较好。跟与Ti金属比起来，除了塑性以外，（TiAL的基合金各项性能表一可见)其他属性基本都比Ti的基合金高。同时，关于钛铝合金膨胀的系数，与膨胀系数较低的镍的基合金几乎差不多，太铝合金易燃性甚至比镍基合金的还低，以上种种优点使得太铝合金成为汽车发动机、航空与航天等耐热轻质构件中竞争力较强的材料。

事实上钛铝基合金具备室温塑性较低，制造难度较大与抗氧化性缺乏等诸多问题，使其实用性受到了限制。在近些年汽车工艺高速发展的前提下，钛铝基合金与其综合的性能指标都比汽车上较常用的奥氏体中耐热钢所铸造的镍合金要高，韧性也比普通陶瓷材料高，具体对比如表二，这也是太铝合金在汽车设计中较为受欢迎的主要原因。其中TiAL的基合金在汽车部件制备方式包含：压加技术、熔铸的技术与粉末的冶金技术等[1]。

表一 Ti3AL的基合金、TiAL发热基合金与跟Ti的合金性能参数

表二 TiAl的基合金跟高温材料在其它汽车中运用力学性能的比较

3.在汽车的发动机部件制备中关于TiAL基合金技术

3.1.车的发动机进气阀与排气阀

使用轻质钛铝合金的排气阀对发动机性能可以起到改善作用，其能使发动机节省百分之五到百分之八的能耗，转速也可以提高三百转，同时能减少环境与噪音等污染，这也是各国较为重视汽车发动机制造的一个重要原因。汽车的发动机气阀一般是六百到九百摄氏度温度下进行工作，发动机实际运行的过程中，在燃烧气氛、冲击荷载与腐蚀等不良条件之下，经常会因为排气阀磨损、疲劳与蠕变使得发动机动力性能降低。

同时，还需要排气阀的材料具备轻质、硬度足够、不会变形与弯曲等特征。通常为使发动机具备高输出的性能，研究长杆件的排气阀、提高汽车的转速与节能减排显得至关重要。只是使用精密的铸造方式来备置该零件，常常会因为零件形状的改变，导致凹陷与弯曲等缺点。例如：通用电气、日本住友与美国福特等公司已经普遍研发这类零件。此外，离心铸造金属型的方式适合于y-TiAL的合金排气阀中批量与大批量的生产，特别是在日本、美国与德国等发达的国家，在这方面研发的工作渐渐扩大，其制造原理如图一所示。

图一.于金属的永久模铸造离心TiAL的排气阀图

3.2.压器通常使用涡轮的转子

轻质化涡轮可以使转子惯性得以减小，涡轮轻质化能使涡轮转子的惯性降低，提高加速的性能。在日本川崎的重工业会社初次制作了TiAL的合金铸造相关增压器涡轮的转子，同时在加速试验中高达每分钟24×104转，跟Inconel713也就是K418的涡轮比起来，在加速方面响应性有显著提高。当下废气涡轮的增压中出现的缺点一般是发动机扭矩适应系数减小所致，导致发动机加速特性能变差，影响车辆加速与起动过程排放的标准[2]。

如果使用太铝合金代替K418的耐热钢或是高温合金，会因为涡轮转子惯量降低与重量减轻对发动机起到改善作用。关于TiAL的增压涡轮的转子研发运用较为成功的是日本，近几年日本开发一种可用于精铸涡轮TiAL的基合金。名义成分是Ti、48AL、2Nb、0.7Cr与0.3Si，使用新型反压铸造方法制成TiAL的金属化合物的增压涡轮渐渐成功应用在三菱跑车中。

3.3.铝合金的制备技术在常用汽车中的应用

一般TiAl的基合金与Ti合金较为相似，温度较高的时候化学性质比较活跃，因此，都是沿用Ti合金熔炼方法来实施熔炼。只是与熔炼的Ti合金比起来，TiAl的基合金熔炼具有自身较为典型的特点，例如：熔炼合金元素的过程中反应热度较高，在间隙元素方面的敏感性也相对较高。同时还具备合金元素的含量高，各个元素物性的差别较大以及成分的容错度较小等特点，这就使得TiAl的基合金铸锭与熔炼的难度较大。当下有三种熔炼冶金的方法普遍应用在钛铝基合金生产中，也就是等离子束、感应凝壳与真空的电弧熔炼等。

制备TiAL的基合金过程中，除零部件的研究工艺，必须再进一步探讨发动机的阀门表面耐磨处理、增压器的涡轮以及合金钢轴结合的方式等技术。就一些加工较为复杂的发动机来说，其关键的零部件基本是使用钛铝合金制备，由于太铝合金高温加工与室温的延展性较差，熔模精密的铸造工艺容易导致零部件形状复杂与壁薄的现象，使得高TiAL的合金利用率。近几年发达国家汽车发动机零部件在钛铝合金领域的研究逐渐取得成功。此外，发动机使用钛铝基合金制备上，美国的GE公司，以及德国GKSS的研究所等在汽车发动机制造方面都是使用TiAl的合金部件[3]。

4.结语

总而言之，在近几十年努力的过程中，在TiAL的合金改善室温脆性方面的研究材料改性渐渐取得很大突破，特别是在应用部件设备技术与制备研发都有显著发展，同时组织设计与成分方面的研究也取得一定成绩，一些增压器的涡轮已经在实际中得以应用。其中钛铝的基合金性能试验的结果与部分高性能的汽车上已经应用成功，这就表明TiAL的基合金对于汽车材料应用的潜力。因此，深入探究太铝合金在汽车发动机中的应用是当前的首要目的，只有太铝合金得以科学合理的应用，才可以提高汽车的使用安全与舒适度。

[1]梁春华,李晓欣.先进材料在战斗机发动机上的应用与研究趋势[J].航空材料学报,2012,32(06)：32-36.

[2]姚润钢,周健松,张世堂.激光熔覆原位制备Ti3Al金属间化合物涂层结构及摩擦学性能[J].摩擦学学报,2013,33(01)：14-21.

[3]杨锐.钛铝金属间化合物的进展与挑战[J].金属学报,2015, 51(02)：129-147.