汽车发动机排气门用钛基复合材料

来源期刊：钛工业进展2001年第1期

论文作者：张小明

摘    要：作为轻质排气门用材料，世界各国对金属间化合物及陶瓷予以极高的重视。这些材料在排气门工作温度下具有耐热性，但在常温塑性、冲击性能、耐磨性、热膨胀率和加工性等方面还存在不少问题，所以用在普通车辆上很难保证其耐久性、可靠性和低噪音性。另外，这些材料的价格也比钛合金的高，故难于用在大批量生产的大众化车辆上。因此日本丰田汽车株式会社在1998年10月推出的新车发动机上采用了低成本的耐热钛基复合材料排气门，使用TiB颗粒进行增强。通常汽车发动机排气门材料为21-4N等耐热钢。要用钛合金气门来替代这种钢气门，首先是要实现低成本化。因此采用了粉末冶金法中的元素混合法，即使用低成本的氢化钛粉、Al-25Sn-25Zr-6Nb-6Mo-1.2Si中间合金和作为硼源的TiB2粉末来制造坯料。原料按比例混合后，模压成形为圆柱形坯料，于 1300℃真空烧结，制成热加工用坯，然后将此坯料在大气中高频加热到1200℃，进行气门杆的挤制和伞部的锻造，退火处理调整组织后再机加工成成品形状，最后进行大气氧化处理，以保证耐磨性。　　钛基复合材料的基本组成为耐热的基体合金和强化粒子TiB，基体成分为Ti-6Al-4Sn-4Zr-1Nb-1Mo-0.2Si，TiB的加入量为5%(体积分数)。其组织的调整采用完全β化退火处理来进行，省略了生产率低、成本高的时效处理。研究表明，退火温度越高，组织的针状化越显著。而针状组织的比率越大，高温蠕变的变形量就越小，显示出比目前耐热性最好的Ti-1100钛合金甚至21-4N钢都好的蠕变性能。在完全β区的1150℃的退火材中，组织是100%的针状结构。　　这种复合材料的室温强度、高温强度、室温和高温疲劳强度都随TiB粒子的增加而大幅度上升，特别是，TiB粒子对高温(850℃)疲劳强度(这对排气门材料非常重要)的作用效果更为显著，含5%TiB材料的高温疲劳强度就比21-4N钢的高，高温蠕变性能虽因添加了TiB而有逐渐下降的趋势，但影响很小，即使是加了10%的TiB，也比21-4钢的蠕变小。室温塑性基本不随TiB粒子含量而变，高温塑性则随粒子的少量加入而大幅度提高，添加3%~5%TiB的伸长率最大，为12%，即使TiB增加到10%，伸长率也仍保持在10%。另外，添加适量的TiB粒子可大幅度改善热加工性。这是因为TiB粒子抑制了加热时β晶粒的长大，使热加工窗口向加工容易的高温侧(β单相区)扩张。　　上述排气门采用了廉价有效的高温大气氧化处理，充分保证了工作面的高温耐磨性、杆部的耐滑动摩擦性以及头顶部的耐烧附性。在大气中900℃，1000h暴露后进行了室温冲击试验，冲击强度大幅度降低，但估计仍是气门异常运动时最大冲击载荷的5倍。　　采用这种钛气门的新型发动机与旧的型号相比，气门质量减轻40%，弹簧质量减轻16%。结果使发动机的最高转速提高到500r/min，高转速区的运转噪声降低30%，凸轮驱动转矩降低了20%。 排气门用钛基复合材料，不仅在成本方面，而且在性能上都比传统的熔炼法具有更大的潜力。但是，除发动机排气门之外，要大量生产其它钛零件，则要求更低的成本。因此，还有以下课题需做进一步研究：①低成本钛粉和中间合金的供给；②近净形粉末成形技术；③精细机加工技术；④提高比强度、比刚度和切削性。(张小明)