鈦鋁基合金氣門的製備方法

2023-05-23 13:12:21 1

專利名稱：鈦鋁基合金氣門的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種TiAl基合金氣門的粉末冶金製備方法。
目前用於製造發動機氣門的材料一般為不鏽鋼或鎳基高溫合金，二者都具有較高的密度，密度分別為7.8g/cm3及8.3g/cm3，不利於改善發動機的性能；同時由於不鏽鋼的工作溫度低，影響發動機的高溫工作性能。為此，各國工業界人士及科學界人士都致力於開發密度低、工作溫度高的TiAl基合金的氣門零件。TiAl基合金具有低密度(密度為3.9g/cm3)，高的比強度、比剛度及良好的高溫抗氧化、抗疲勞及抗蠕變性能等優點，是一種很有發展潛力的高溫結構材料。將TiAl基合金應用於發動機的氣門(進氣門及排氣門)，可以使氣門的重量減輕50％以上。目前製備TiAl基合金氣門的方法主要是金屬永久模澆注方法。由於TiAl基合金的鑄造性能不好，容易產生疏鬆，縮孔，成分偏析及組織粗大等鑄造缺陷，而且TiAl基合金熔點較高(1580℃)，活性較大(易與空氣及坩堝反應)，因此對鑄造設備及工藝都要求比較苛刻。粉末冶金是一種很好的近型成形方法，採用該方法製造出來的材料，其成分均勻，組織細小，無大的孔隙存在。由於製備TiAl基合金預合金粉末較困難，成本很高，所以一般採用元素粉末冶金方法來製造TiAl基合金。日本有學者報導採用元素粉末冶金方法製造TiAl基合金氣門[Taguchi K，Ayada M，Ishihara K N，ShinguP H.Near-net shape processing of TiAl intermetallic compoundsvia pseudo HIP-SHS route.Intermetallics，1995，3P91-98]。該方法採用準等靜壓工藝，在真空熱壓爐中完成氣門菌部的製備，菌部與杆部的聯接也在該設備中完成，因此每次只能製備一個零件，也只能完成一次聯接，成本很高，不利於實現批量化生產。
為了實現批量化生產，簡化工藝，降低製造成本，製備出滿足服役要求的TiAl基合金氣門，本發明提供一種製備TiAl基合金氣門的傳統粉末冶金方法。
本發明採用元素Ti粉、Al粉為主要原料，按照傳統的粉末冶金工藝，首先壓製出與產品形狀相似的氣門菌部，經過真空燒結達到90％以上的緻密度，然後與鑄態TiAl基合金杆部擴散聯結，最後經機加工，製備出粉末冶金TiAl基合金的氣門零件。具體的工藝流程和參數如下1.原料及成分。原料主要是Ti粉、Al粉，原子百分比為Al-48％，餘量為Ti和其它微量元素。根據不同的性能需要，可添加少量其它合金元素粉末。如為了提高其延性和強度可添加2％左右的Cr，為了提高其高溫抗氧化性能和強度還可添加2％左右的Nb，為了提高其高溫蠕變性能還可添加0.2％的B及小於1％的W，以上各元素粉末可單獨使用，也可同時使用。考慮到各元素擴散的均勻性，所有的原料粉末的粒度，最好小於45μm。
2.冷壓成型。將元素Ti粉、Al粉及其它合金元素粉末按一定成分配比配好，均勻混合，然後裝入鋼模中，在普通壓力機下以200-300MPa的壓力冷壓成形。
3.真空燒結。將冷壓好的壓坯裝入真空爐中，真空燒結成緻密度大於90％的氣門菌部。燒結條件為真空度1×10-3Pa，燒結溫度1200～1350℃，燒結時間1～2小時。圖2是氣門頭部燒結坯照片。
4.擴散聯接。將粉末冶金TiAl基合金氣門菌部與鑄態TiAl基合金杆部，進行擴散聯接(如圖3所示)，擴散聯接在擴散焊接機上完成，條件為溫度1160-1200℃，時間10-20min，1×10-4Pa真空度。
5.熱等靜壓。將聯接件進行熱等靜壓，主要是消除殘餘孔隙，提高焊接面接合強度及調整菌部顯微組織。工藝條件為熱等靜壓溫度1250-1280℃，壓力150-170MPa，時間為2-4h。
6.機加工。由於氣門的裝配精度較高，還需經少量機加工，才能製備出符合要求的粉末冶金TiAl基合金氣門，如圖4所示為本發明製備的TiAl基合金氣門的照片。
採用本發明所提供的傳統粉末冶金工藝製備的TiAl基合金氣門，其成本為40元/件，而採用準等靜壓工藝，其成本超過500元/件。因此，採用本發明可以大大降低製造成本。而且本發明的工藝簡單，適於規模化生產。本發明製造的粉末冶金TiAl基合金氣門與普通不鏽鋼氣門相比1.氣門質量減輕後，與之相連的彈簧的載荷減輕了，氣門運行時的機械摩擦減少了，從而發動機效率得到了提高，耗油量減少，實驗表明，可使耗油量降低5～8％；2.彈簧受的載荷減輕後，使氣門開，關的速度提高了，從而使發動機性能得以改善；3.氣門質量減輕後，氣門與閥座之間的衝擊減小了，降低了發動機的噪音。4.TiAl基合金的工作溫度高於不鏽鋼，因此可以提高發動機的使用溫度。


圖1本發明工藝流程圖；圖2本發明生產的氣門頭部燒結坯照片；圖3擴散聯接示意圖；圖4本發明生產的TiAl基合金氣門照片。
實施例以Ti粉、Al粉為主要原料，原子百分比為Al-48％，Cr-2％，Nb-2％，B-0.2％及小於1％的W。原料粉末的粒度小於45μm。冷壓成型在鋼模中進行，壓力為300Mpa；真空燒結時，真空度1×10-3Pa，燒結溫度為1300℃，時間2小時；擴散聯接在擴散焊接機上進行，條件為溫度1160℃，時間10min，1×10-4Pa真空度；熱等靜壓工藝條件為，溫度1280℃，壓力170MPa，時間4h。製得的氣門在華裕483Q型柴油機上使用。該種柴油機的工作條件比普通柴油的要苛刻的多，主要表現為高轉速(可達4000r/min)與高扭矩。使用過程中，在發動機的1，2號缸中裝備粉末冶金的TiAl基合金排氣門，其它氣門均採用不鏽鋼材料。經過6小時的初期磨合，4小時的發動機外特性測試後，以4000r/min進行全負荷的耐久性試驗，經48小時後，取出粉末冶金TiAl基合金排氣門。經與不鏽鋼材料的排氣門對比，發現該種材料在耐久性能上與不鏽鋼材料無明顯差別，說明該發明所製備出的粉末冶金TiAl基合金排氣門完全滿足發動機的服役要求。
權利要求
1.一種TiAl基合金氣門的粉末冶金製備方法，其特徵在於本發明採用元素Ti粉、Al粉為主要原料，按照傳統的粉末冶金工藝，首先壓製出與產品形狀相似的氣門菌部，經過真空燒結達到90％以上的緻密度，然後與鑄態TiAl基合金杆部擴散聯結，最後經少量機加工，製備粉末冶金TiAl基合金的氣門零件，具體工藝條件如下a原料主要是Ti粉、Al粉，原子百分比為Al-48％，餘量為Ti，原料粉末的粒度小於45μm；b冷壓成型在鋼模中進行，壓力為200-300MPa；c真空燒結時，真空度1×10-3Pa，燒結溫度為1200～1350℃，時間1～2小時；d擴散聯接在擴散焊接機上進行，條件為溫度1160-1200℃，時間10-20min，1×10-4Pa真空度；e熱等靜壓工藝條件為溫度1250-1280℃，壓力150-170MPa，時間2-4h。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於為了提高產品的延性和強度，在原料中添加2％(原子百分比)左右的Cr。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於為了提高產品的高溫抗氧化性能和強度，在原料中添加2％左右的Nb。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於為了提高產品的高溫蠕變性能，在原料中添加0.2％的B及小於1％的W。
全文摘要
一種TiAl基合金氣門的粉末冶金製備方法,採用元素Ti粉、Al粉為主要原料,按照傳統的粉末冶金工藝,經冷壓、真空燒結、擴散聯結,熱等靜壓、機加工製備粉末冶金TiAl基合金的氣門零件。採用本發明所提供的方法製備的TiAl基合金氣門,與準等靜壓方法相比,可以降低製造成本,而且本發明的工藝簡單,適於規模化生產。與普通不鏽鋼氣門相比,由於氣門質量減輕,使得柴油機的高溫工作性能得到了提高。
文檔編號B22F3/12GK1229016SQ99115238
公開日1999年9月22日 申請日期1999年2月1日 優先權日1999年2月1日
發明者賀躍輝, 劉詠, 黃伯雲 申請人:中南工業大學