CN1094402C

CN1094402C - 钛铝基合金气门的制备方法

Info

Publication number: CN1094402C
Application number: CN99115238A
Authority: CN
Inventors: 贺跃辉; 刘咏; 黄伯云
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 1999-02-01
Filing date: 1999-02-01
Publication date: 2002-11-20
Anticipated expiration: 2019-02-01
Also published as: CN1229016A

Abstract

一种TiAl基合金气门的粉末冶金制备方法，采用元素Ti粉、Al粉为主要原料，按照传统的粉末冶金工艺，经冷压、真空烧结、扩散联结，热等静压、机加工制备粉末冶金TiAl基合金的气门零件。采用本发明所提供的方法制备的TiAl基合金气门，与准等静压方法相比，可以降低制造成本，而且本发明的工艺简单，适于规模化生产。与普通不锈钢气门相比，由于气门质量减轻，使得柴油机的高温工作性能得到了提高。

Description

钛铝基合金气门的制备方法

本发明涉及一种TiAl基合金气门的粉末冶金制备方法。

目前用于制造发动机气门的材料一般为不锈钢或镍基高温合金，二者都具有较高的密度，密度分别为7.8g/cm³及8.3g/cm³，不利于改善发动机的性能；同时由于不锈钢的工作温度低，影响发动机的高温工作性能。为此，各国工业界人士及科学界人士都致力于开发密度低、工作温度高的TiAl基合金的气门零件。TiAl基合金具有低密度(密度为3.9g/cm³)，高的比强度、比刚度及良好的高温抗氧化、抗疲劳及抗蠕变性能等优点，是一种很有发展潜力的高温结构材料。将TiAl基合金应用于发动机的气门(进气门及排气门)，可以使气门的重量减轻50％以上。目前制备TiAl基合金气门的方法主要是金属永久模浇注方法。由于TiAl基合金的铸造性能不好，容易产生疏松，缩孔，成分偏析及组织粗大等铸造缺陷，而且TiAl基合金熔点较高(1580℃)，活性较大(易与空气及坩埚反应)，因此对铸造设备及工艺都要求比较苛刻。粉末冶金是一种很好的近型成形方法，采用该方法制造出来的材料，其成分均匀，组织细小，无大的孔隙存在。由于制备TiAl基合金预合金粉末较困难，成本很高，所以一般采用元素粉末冶金方法来制造TiAl基合金。日本有学者报道采用元素粉末冶金方法制造TiAl基合金气门[Taguchi K，Ayada M，Ishihara K N，ShinguP H.Near-net shape processing of TiAl intermetallic compoundsvia pseudo HIP-SHS route.Intermetallics，1995，3：P91-98]。该方法采用准等静压工艺，在真空热压炉中完成气门菌部的制备，菌部与杆部的联接也在该设备中完成，因此每次只能制备一个零件，也只能完成一次联接，成本很高，不利于实现批量化生产。

为了实现批量化生产，简化工艺，降低制造成本，制备出满足服役要求的TiAl基合金气门，本发明提供一种制备TiAl基合金气门的传统粉末冶金方法。

本发明采用元素Ti粉、Al粉为主要原料，按照传统的粉末冶金工艺，首先压制出与产品形状相似的气门菌部，经过真空烧结达到90％以上的致密度，然后与铸态TiAl基合金杆部扩散联结，最后经机加工，制备出粉末冶金TiAl基合金的气门零件。具体的工艺流程和参数如下：

1.原料及成分。原料主要是Ti粉、Al粉，原子百分比为Al-48％，余量为Ti和其它微量元素。根据不同的性能需要，可添加少量其它合金元素粉末。如为了提高其延性和强度可添加2％左右的Cr，为了提高其高温抗氧化性能和强度还可添加2％左右的Nb，为了提高其高温蠕变性能还可添加0.2％的B及小于1％的W，以上各元素粉末可单独使用，也可同时使用。考虑到各元素扩散的均匀性，所有的原料粉末的粒度，最好小于45μm。

2.冷压成型。将元素Ti粉、Al粉及其它合金元素粉末按一定成分配比配好，均匀混合，然后装入钢模中，在普通压力机下以200-300MPa的压力冷压成形。

3.真空烧结。将冷压好的压坯装入真空炉中，真空烧结成致密度大于90％的气门菌部。烧结条件为真空度1×10^-3Pa，烧结温度1200～1350℃，烧结时间1～2小时。图2是气门头部烧结坯照片。

4.扩散联接。将粉末冶金TiAl基合金气门菌部与铸态TiAl基合金杆部，进行扩散联接(如图3所示)，扩散联接在扩散焊接机上完成，条件为温度1160-1200℃，时间10-20min，1×10^-4Pa真空度。

5.热等静压。将联接件进行热等静压，主要是消除残余孔隙，提高焊接面接合强度及调整菌部显微组织。工艺条件为：热等静压温度1250-1280℃，压力150-170MPa，时间为2-4h。

6.机加工。由于气门的装配精度较高，还需经少量机加工，才能制备出符合要求的粉末冶金TiAl基合金气门，如图4所示为本发明制备的TiAl基合金气门的照片。

采用本发明所提供的传统粉末冶金工艺制备的TiAl基合金气门，其成本为40元/件，而采用准等静压工艺，其成本超过500元/件。因此，采用本发明可以大大降低制造成本。而且本发明的工艺简单，适于规模化生产。本发明制造的粉末冶金TiAl基合金气门与普通不锈钢气门相比：1.气门质量减轻后，与之相连的弹簧的载荷减轻了，气门运行时的机械摩擦减少了，从而发动机效率得到了提高，耗油量减少，实验表明，可使耗油量降低5～8％；2.弹簧受的载荷减轻后，使气门开，关的速度提高了，从而使发动机性能得以改善；3.气门质量减轻后，气门与阀座之间的冲击减小了，降低了发动机的噪音。4.TiAl基合金的工作温度高于不锈钢，因此可以提高发动机的使用温度。

附图说明：

图1：本发明工艺流程图；

图2：本发明生产的气门头部烧结坯照片；

图3：扩散联接示意图；

图4：本发明生产的TiAl基合金气门照片。

实施例：

以Ti粉、Al粉为主要原料，原子百分比为Al-48％，Cr-2％，Nb-2％，B-0.2％及小于1％的W。原料粉末的粒度小于45μm。冷压成型在钢模中进行，压力为300Mpa；真空烧结时，真空度1×10^-3Pa，烧结温度为1300℃，时间2小时；扩散联接在扩散焊接机上进行，条件为温度1160℃，时间10min，1×10^-4Pa真空度；热等静压工艺条件为，温度1280℃，压力170MPa，时间4h。制得的气门在华裕483Q型柴油机上使用。该种柴油机的工作条件比普通柴油的要苛刻的多，主要表现为高转速(可达4000r/min)与高扭矩。使用过程中，在发动机的1，2号缸中装备粉末冶金的TiAl基合金排气门，其它气门均采用不锈钢材料。经过6小时的初期磨合，4小时的发动机外特性测试后，以4000r/min进行全负荷的耐久性试验，经48小时后，取出粉末冶金TiAl基合金排气门。经与不锈钢材料的排气门对比，发现该种材料在耐久性能上与不锈钢材料无明显差别，说明该发明所制备出的粉末冶金TiAl基合金排气门完全满足发动机的服役要求。

Claims

1.一种TiAl基合金气门的粉末冶金制备方法，其特征在于：本发明采用元素Ti粉、Al粉为主要原料，按照传统的粉末冶金工艺，首先压制出与产品形状相似的气门菌部，经过真空烧结达到90％以上的致密度，然后与铸态TiAl基合金杆部扩散联结，最后经少量机加工，制备粉末冶金TiAl基合金的气门零件，具体工艺条件如下：

a>原料主要是Ti粉、Al粉，原子百分比为Al-48％，余量为Ti，原料粉末的粒度小于45μm；

b>冷压成型在钢模中进行，压力为200-300MPa；

c>真空烧结时，真空度1×10^-3pa，烧结温度为1200～1350℃，时间1～2小时；

d>扩散联接在扩散焊接机上进行，条件为温度1160-1200℃，时间10-20min，1×10^-4Pa真空度；

e>热等静压工艺条件为：温度1250-1280℃，压力150-170MPa，时间2-4h。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：为了提高产品的延性和强度，在原料中添加2％(原子百分比)左右的Cr。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：为了提高产品的高温抗氧化性能和强度，在原料中添加2％左右的Nb。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：为了提高产品的高温蠕变性能，在原料中添加0.2％的B及小于1％的W。