專利名稱：鈦鋁基合金氣門的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種TiAl基合金氣門的粉末冶金制備方法。
目前用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的材料一般為不銹鋼或鎳基高溫合金，二者都具有較高的密度，密度分別為7.8g/cm3及8.3g/cm3，不利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能；同時(shí)由于不銹鋼的工作溫度低，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫工作性能。為此，各國(guó)工業(yè)界人士及科學(xué)界人士都致力于開(kāi)發(fā)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(qiáng)度、比剛度及良好的高溫抗氧化、抗疲勞及抗蠕變性能等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ母邷亟Y(jié)構(gòu)材料。將TiAl基合金應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(進(jìn)氣門及排氣門)，可以使氣門的重量減輕50％以上。目前制備TiAl基合金氣門的方法主要是金屬永久模澆注方法。由于TiAl基合金的鑄造性能不好，容易產(chǎn)生疏松，縮孔，成分偏析及組織粗大等鑄造缺陷，而且TiAl基合金熔點(diǎn)較高(1580℃)，活性較大(易與空氣及坩堝反應(yīng))，因此對(duì)鑄造設(shè)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，采用該方法制造出來(lái)的材料，其成分均勻，組織細(xì)小，無(wú)大的孔隙存在。由于制備TiAl基合金預(yù)合金粉末較困難，成本很高，所以一般采用元素粉末冶金方法來(lái)制造TiAl基合金。日本有學(xué)者報(bào)道采用元素粉末冶金方法制造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]。該方法采用準(zhǔn)等靜壓工藝，在真空熱壓爐中完成氣門菌部的制備，菌部與桿部的聯(lián)接也在該設(shè)備中完成，因此每次只能制備一個(gè)零件，也只能完成一次聯(lián)接，成本很高，不利于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，簡(jiǎn)化工藝，降低制造成本，制備出滿足服役要求的TiAl基合金氣門，本發(fā)明提供一種制備TiAl基合金氣門的傳統(tǒng)粉末冶金方法。
本發(fā)明采用元素Ti粉、Al粉為主要原料，按照傳統(tǒng)的粉末冶金工藝，首先壓制出與產(chǎn)品形狀相似的氣門菌部，經(jīng)過(guò)真空燒結(jié)達(dá)到90％以上的致密度，然后與鑄態(tài)TiAl基合金桿部擴(kuò)散聯(lián)結(jié)，最后經(jīng)機(jī)加工，制備出粉末冶金TiAl基合金的氣門零件。具體的工藝流程和參數(shù)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％，余量為Ti和其它微量元素。根據(jù)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(qiáng)度可添加2％左右的Cr，為了提高其高溫抗氧化性能和強(qiáng)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及小于1％的W，以上各元素粉末可單獨(dú)使用，也可同時(shí)使用?？紤]到各元素?cái)U(kuò)散的均勻性，所有的原料粉末的粒度，最好小于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，然后裝入鋼模中，在普通壓力機(jī)下以200-300MPa的壓力冷壓成形。
3.真空燒結(jié)。將冷壓好的壓坯裝入真空爐中，真空燒結(jié)成致密度大于90％的氣門菌部。燒結(jié)條件為真空度1×10-3Pa，燒結(jié)溫度1200～1350℃，燒結(jié)時(shí)間1～2小時(shí)。圖2是氣門頭部燒結(jié)坯照片。
4.擴(kuò)散聯(lián)接。將粉末冶金TiAl基合金氣門菌部與鑄態(tài)TiAl基合金桿部，進(jìn)行擴(kuò)散聯(lián)接(如圖3所示)，擴(kuò)散聯(lián)接在擴(kuò)散焊接機(jī)上完成，條件為溫度1160-1200℃，時(shí)間10-20min，1×10-4Pa真空度。
5.熱等靜壓。將聯(lián)接件進(jìn)行熱等靜壓，主要是消除殘余孔隙，提高焊接面接合強(qiáng)度及調(diào)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(shí)間為2-4h。
6.機(jī)加工。由于氣門的裝配精度較高，還需經(jīng)少量機(jī)加工，才能制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(fā)明制備的TiAl基合金氣門的照片。
采用本發(fā)明所提供的傳統(tǒng)粉末冶金工藝制備的TiAl基合金氣門，其成本為40元/件，而采用準(zhǔn)等靜壓工藝，其成本超過(guò)500元/件。因此，采用本發(fā)明可以大大降低制造成本。而且本發(fā)明的工藝簡(jiǎn)單，適于規(guī)?；a(chǎn)。本發(fā)明制造的粉末冶金TiAl基合金氣門與普通不銹鋼氣門相比1.氣門質(zhì)量減輕后，與之相連的彈簧的載荷減輕了，氣門運(yùn)行時(shí)的機(jī)械摩擦減少了，從而發(fā)動(dòng)機(jī)效率得到了提高，耗油量減少，實(shí)驗(yàn)表明，可使耗油量降低5～8％；2.彈簧受的載荷減輕后，使氣門開(kāi)，關(guān)的速度提高了，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)性能得以改善；3.氣門質(zhì)量減輕后，氣門與閥座之間的沖擊減小了，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音。4.TiAl基合金的工作溫度高于不銹鋼，因此可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用溫度。


圖1本發(fā)明工藝流程圖；圖2本發(fā)明生產(chǎn)的氣門頭部燒結(jié)坯照片；圖3擴(kuò)散聯(lián)接示意圖；圖4本發(fā)明生產(chǎn)的TiAl基合金氣門照片。
實(shí)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％及小于1％的W。原料粉末的粒度小于45μm。冷壓成型在鋼模中進(jìn)行，壓力為300Mpa；真空燒結(jié)時(shí)，真空度1×10-3Pa，燒結(jié)溫度為1300℃，時(shí)間2小時(shí)；擴(kuò)散聯(lián)接在擴(kuò)散焊接機(jī)上進(jìn)行，條件為溫度1160℃，時(shí)間10min，1×10-4Pa真空度；熱等靜壓工藝條件為，溫度1280℃，壓力170MPa，時(shí)間4h。制得的氣門在華裕483Q型柴油機(jī)上使用。該種柴油機(jī)的工作條件比普通柴油的要苛刻的多，主要表現(xiàn)為高轉(zhuǎn)速(可達(dá)4000r/min)與高扭矩。使用過(guò)程中，在發(fā)動(dòng)機(jī)的1，2號(hào)缸中裝備粉末冶金的TiAl基合金排氣門，其它氣門均采用不銹鋼材料。經(jīng)過(guò)6小時(shí)的初期磨合，4小時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性測(cè)試后，以4000r/min進(jìn)行全負(fù)荷的耐久性試驗(yàn)，經(jīng)48小時(shí)后，取出粉末冶金TiAl基合金排氣門。經(jīng)與不銹鋼材料的排氣門對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該種材料在耐久性能上與不銹鋼材料無(wú)明顯差別，說(shuō)明該發(fā)明所制備出的粉末冶金TiAl基合金排氣門完全滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的服役要求。
權(quán)利要求
1.一種TiAl基合金氣門的粉末冶金制備方法，其特征在于本發(fā)明采用元素Ti粉、Al粉為主要原料，按照傳統(tǒng)的粉末冶金工藝，首先壓制出與產(chǎn)品形狀相似的氣門菌部，經(jīng)過(guò)真空燒結(jié)達(dá)到90％以上的致密度，然后與鑄態(tài)TiAl基合金桿部擴(kuò)散聯(lián)結(jié)，最后經(jīng)少量機(jī)加工，制備粉末冶金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％，余量為Ti，原料粉末的粒度小于45μm；b>冷壓成型在鋼模中進(jìn)行，壓力為200-300MPa；c>真空燒結(jié)時(shí)，真空度1×10-3Pa，燒結(jié)溫度為1200～1350℃，時(shí)間1～2小時(shí)；d>擴(kuò)散聯(lián)接在擴(kuò)散焊接機(jī)上進(jìn)行，條件為溫度1160-1200℃，時(shí)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(shí)間2-4h。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于為了提高產(chǎn)品的延性和強(qiáng)度，在原料中添加2％(原子百分比)左右的Cr。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于為了提高產(chǎn)品的高溫抗氧化性能和強(qiáng)度，在原料中添加2％左右的Nb。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于為了提高產(chǎn)品的高溫蠕變性能，在原料中添加0.2％的B及小于1％的W。
全文摘要
一種TiAl基合金氣門的粉末冶金制備方法,采用元素Ti粉、Al粉為主要原料,按照傳統(tǒng)的粉末冶金工藝,經(jīng)冷壓、真空燒結(jié)、擴(kuò)散聯(lián)結(jié),熱等靜壓、機(jī)加工制備粉末冶金TiAl基合金的氣門零件。采用本發(fā)明所提供的方法制備的TiAl基合金氣門,與準(zhǔn)等靜壓方法相比,可以降低制造成本,而且本發(fā)明的工藝簡(jiǎn)單,適于規(guī)模化生產(chǎn)。與普通不銹鋼氣門相比,由于氣門質(zhì)量減輕,使得柴油機(jī)的高溫工作性能得到了提高。
文檔編號(hào)B22F3/12GK1229016SQ99115238
公開(kāi)日1999年9月22日 申請(qǐng)日期1999年2月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月1日
發(fā)明者賀躍輝, 劉詠, 黃伯云 申請(qǐng)人:中南工業(yè)大學(xué)