简介概要

粉末冶金TiAl合金排气门的研制

来源期刊：中国有色金属学报2002年第2期

论文作者：欧阳鸿武刘咏贺跃辉黄伯云

文章页码：334 - 337

关键词：粉末冶金；TiAl基合金；排气门

Key words：powder metallurgy; TiAl-based alloy; valve

摘要：利用元素粉末冶金方法制备了TiAl合金排气阀。为提高排气门杆部的致密度、均匀度，设计了特有的径向热压工艺，并从理论上分析了与该工艺相关的压坯密度、致密化和应力变化规律。制备出高径比为10.7，密度为3.79g/cm³的粉末冶金TiAl合金汽车发动机排气门。

Abstract: In order to manufacture TiAl-based alloy automotive exhaust valve，a new powder densification and near net shaping technique (named as radial hot pressing) was suggested. The density of the powder compact，the densification equation and stress equation for radial hot pressing have been determined theoretically. By this technique，TiAl-based alloy automotive valve with large height-to-diameter ratio of 10.7 has been obtained，and its density up to 3.79g/cm³，which has proven the feasibility of radial hot pressing experimentally.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.02.028

粉末冶金TiAl合金排气门的研制

欧阳鸿武刘咏贺跃辉黄伯云

中南大学粉末冶金国家重点实验室

中南大学粉末冶金国家重点实验室长沙410083

摘要：

利用元素粉末冶金方法制备了TiAl合金排气阀。为提高排气门杆部的致密度、均匀度 , 设计了特有的径向热压工艺 , 并从理论上分析了与该工艺相关的压坯密度、致密化和应力变化规律。制备出高径比为 10 .7, 密度为 3.79g/cm3 的粉末冶金TiAl合金汽车发动机排气门

关键词：

粉末冶金;TiAl基合金;排气门;

中图分类号： TF125

收稿日期：2001-07-05

基金：国家“八六三”计划资助项目 (715 -0 0 5 -0 0 40 );

Development of powder metallurgy TiAl-based alloy automotive exhaust valve

Abstract：

In order to manufacture TiAl based alloy automotive exhaust valve, a new powder densification and near net shaping technique (named as radial hot pressing) was suggested. The density of the powder compact, the densification equation and stress equation for radial hot pressing have been determined theoretically. By this technique, TiAl based alloy automotive valve with large height to diameter ratio of 10.7 has been obtained, and its density up to 3.79?g/cm 3, which has proven the feasibility of radial hot pressing experimentally.

Keyword：

powder metallurgy; TiAl based alloy; valve;

Received： 2001-07-05

TiAl合金具有密度低、比强度高、高温力学性能和抗氧化性能好等优点, 其综合性能可满足高性能发动机气门的服役要求, 是替代目前高密度材料排气门的理想材料 ^[1,2] 。汽车发动机装配TiAl合金排气门有一系列优点: 可使弹簧力和惯性力明显降低, 摇臂力降低25%, 气门杆力降低45%, 凸轮轴驱动扭矩至少降低30%; 可以使摇臂和凸轮轴设计轻量化, 保障耐久性; 固定工况降低燃油消耗1%, 综合节能大于5%; 明显降低噪声和排放污染 ^[3] 。国内外围绕制备TiAl合金排气门开展了广泛深入的研究, 结果表明:金属永久模离心浇铸和粉末冶金将是制备TiAl₂合金排气门最具实用前途的方法 ^[4,5,6] 。

与金属永久模离心铸造方法相比, 粉末冶金方法可以获得成分均匀性和晶体细化程度很高的净形产品, 原材料的利用率更高。目前, 采用元素粉末冶金方法制备大高径比TiAl合金排气门的困难主要来自两个方面:其一是Ti粉与Al粉反应烧结时, 两者的反应是Al原子向Ti的单向扩散过程, 原来Al粉的位置留下空洞, 导致体积膨胀, 烧结件密度低于压坯密度;其二是常规粉末冶金方法不适宜制备大高径比的零件。因此, 必须探寻适合于制备大高径比零件的热压方法才能获得合格的TiAl合金排气门。

热压工艺是一种采用单向或三向压力作用于装在石墨或其它刚性模具中的粉末压坯或松散粉末, 在高温下使粉末产生塑性变形或蠕变的粉末冶金致密化方法, 常用于制备陶瓷和难于烧结的金属和合金 ^[7,8] 。但这一方法用于制备大高径比零件时存在不足之处:其一, 由于轴向施力, 粉末与模具间的摩擦力使轴向压力产生较大的梯度, 导致压坯密度不均匀;其二, 在压制松散粉末时, 即使粉末与模具间没有发生反应, 由于残余应力的存在, 压坯也难以从模具中脱出。尽管采取相应措施使热压工艺不断完善, 如在准热等静压 (pseudo-HIPing or ceracon process) ^[9,10] 中用陶瓷粉末将压坯与模具隔开, 能产生类似于热等静压的效果, 但仍存在热压坯轴向扭曲和尺寸难以控制等问题, 可见传统的热压工艺不适合于制备大高径比零件。热压工艺的这些不足都是由于轴向施力的缘故。如果采用合适的热压模具, 在轴向施压的同时在径向也施压, 将大大降低轴向压力梯度, 使热压坯密度更为均匀, 从而使热压工艺在制备大高径比零件中充分发挥作用。

本文作者采用元素Ti与Al粉末混合、冷等静压和径向热压相结合的工艺, 按Ti-47Al-2Cr-2Nb (摩尔分数, %) 成分配比, 制备出了483Q柴油机排气门; 着重研究了提高压坯致密度的径向热压工艺, 从理论上分析了与该工艺相关的压坯密度、致密化和应力变化规律。

1 实验过程与结果

径向热压模如图1所示。模具由上、下压头和内、外模构成, 内模与外模采用锥面配合, 内模沿轴向切开分为左右两半。将待热压的初坯装入内模后, 左右两片内模间形成一定的间隙 (1~2 mm) 。其工作原理为:当温度升到一定程度, 压坯软化, 这时内模在下压头作用力的推动下沿外模内壁锥面向上运动, 逐步缩小这一间隙直至完全消失, 由此对热压坯产生径向压力使压坯致密。通过控制压头的行程 (左右内模的间隙) 使热压坯达到设计的致密度。

图1 热压模示意图

Fig.1 Sketch of hot-pressing die (a) —Before pressing; (b) —After hot pressing

实验过程分为元素粉末冷压坯的制备、径向热压坯和机加工3个阶段。元素Ti粉、 Al粉及其它元素粉在真空混料罐中混料2 h后获得混合均匀的Ti-47Al-2Cr-2Nb粉, 将粉末装入橡胶套中用280 MPa的压力进行冷等静压, 压制出热压所需的初坯 (粉末冷压坯密度约为理论密度的80%) 。将冷压坯装入热压模中进行热压, 热压参数列于表1中。实验测得热压坯孔隙率小于3%, 密度达3.79 g/cm³。经机械加工后, 制备出如图2所示的TiAl基合金483Q柴油机排气门。满足行业标准ZBT08001-90的技术要求。

表1 TiAl合金排气门的热压工艺参数

Table 1 Hot-pressing parameters of TiAl based exhaust valve

α / (?)	D_c /mm	ρ_c / (g·cm^-3)	D_h /mm	ρ_f / (g·cm^-3)	θ₀ /%	v / (m·s^-1)
2.8	14.2	3.3	12.5	3.79	20	0.005

2 热压致密化过程的理论分析

2.1 压坯密度计算

设压坯的初始直径为D_c, 初始密度为ρ_c, 热压终了压坯直径为D_h, 热压模锥角为α, 忽略烧结过程的收缩, 热压坯的最终密度为ρ_f, 有

$ρ_{f} = \frac{ρ_{c} D_{c}^{2}}{D_{h}^{2}} ? ? ? (1)$

由式 (1) , 可根据压坯的原始直径、密度和所需的密度, 设计相应模具的内径。

图2 TiAl基合金483Q柴油机排气门

Fig.2 Appearance of machined TiAl based exhaust valve of 483Q engine

2.2 致密化过程分析

设理论密度变化为零, 热压坯的体积变化率为e, 有 ^[11]

$e = \frac{\dot{v}}{V_{0}} = \frac{\dot{θ}}{1 - θ} ? ? ? (2)$

以及

$e = \dot{ε}_{x} + \dot{ε}_{y} + \dot{ε}_{z} = 2 \dot{ε}_{x} = 2 d$ $\ln \frac{D}{D_{c}} = \frac{2}{D} ? \frac{? D}{? t} ? ? ? (3)$

式中 θ为压坯的孔隙率; $\dot{θ}$ 为孔隙率的变化速率; D为热压过程中压坯直径; V为压坯体积; V₀为压坯初始体积; $\dot{v}$ 为压坯的体积变化速率。并有

$D = D_{c} - Δ D = D_{c} - \frac{2}{\tan ? α} Δ h ? ? ? (4)$

式中 Δh为压头的位移量。设压头的移动速度v不变, 因此有

Δh=vt (5)

结合式 (3) , (4) 和 (5) , 得到

$e = \frac{- 4 v}{D ? \tan ? α}$

相应地有

$\frac{\dot{θ}}{1 - θ} = \frac{- 4 v}{D ? \tan α} = \frac{- 4 v}{D_{c} \tan ? α - 2 v t} ? ? ? (6)$

通过积分, 得到

$\ln \frac{1 - θ_{0}}{1 - θ} = 2 \ln (1 - k t)$

因此得出

$θ = 1 - \frac{1 - θ_{0}}{(1 - k t)^{2}} ? ? ? (7)$

式中 θ₀为压坯的初始孔隙率; $k = \frac{2 v}{D_{c} \tan ? α}$

式 (7) 表明粉末冶金压坯在径向热压中的致密化过程。

2.3 应力分析

内模的受力情况如图3所示, 作用在压头上的力应等于内外模相对运动时产生的摩擦阻力。F₂=F₁·sin?α, F₁=F₃·μ并有F₁cos?α+σ_cA=F₃sin?α, F₁sin?α+F₃cos?α=F₂, 得到

$F_{2} = \frac{σ_{c} A (μ ? \sin ? α + \cos ? α)}{\sin ? α - μ ? \cos ? α} ? ? ? (8)$

式中 F₁为内外模接触面之间的摩擦力; F₂为通过压头施加在内模上的作用力; F₃为内外模正压力; τ_f为摩擦应力; A为粉末压坯与内模的接触面积; μ为摩擦因数; σ_c为压坯的屈服强度。

图3 内模受力情况分析

Fig.3 Forces on inner die

热压过程中, 当温度达最高点, 并保温1 h后, 对压坯施加压力。随着压力的增加, 内模的位移量相应增加, 热压坯的致密度也随之不断提高。随着粉末压坯密度的增加, 压坯的屈服强度将增大, 因此, 在压坯的致密化过程中, 压头的作用力也需相应加大。当压坯全致密后, 位移量不再随压力的提高而变化。热压过程孔隙率的变化曲线如图4所示, 与式 (7) 基本一致。在一定的热压速率下, 孔隙率与时间几乎呈线性关系。

实验测得压坯密度为3.79 g/cm³, 图5所示为压坯的孔隙率和显微组织情况。从图5可以看出: 温度达到1 350 ℃后, 材料内还存在一些残留孔隙, 但大多数为封闭孔隙; 热压后的部分显微组织为细小的双态组织, 即主要由α₂ /γ层片状晶团和γ晶粒组成, 晶粒尺度大致为40 μm (铸造方法获得的晶

图4 热压过程孔隙率变化曲线

Fig.4 Change of porosity during hot-pressing

图5 热压TiAl合金排气门的孔隙分布和显微组织

Fig.5 Porosity and microstructure of TiAl valve by hot-pressing (a) —Porosity; (b) —Microstructure

粒尺度大致为700~1 000 μm) 。从以上的试验和分析可以看出粉末冶金方法在消除成分偏析, 制备组织均匀、细小的材料及近型成型方面有显著优势。