孫 杰

（陸軍工程大學(xué)訓(xùn)練基地學(xué)兵六大隊(duì)十六隊(duì)，江蘇 徐州 221004）

在現(xiàn)階段的汽車市場上，對于汽車的要求不僅僅在于質(zhì)量，還在于輕量化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，鈦鋁金屬間化合物的優(yōu)勢得到了最大發(fā)揮，其抗腐蝕性、抗氧化性和阻燃能力，讓其擁有了廣闊的市場前景，且在制造成本上甚至低于鋼鐵材料的成本。這也使得鈦鋁金屬間化合物成為了國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

1 鈦鋁金屬間化合物的性能和特征

目前鈦鋁金屬間化合物，簡稱為TiAl基合金，兼具了金屬和陶瓷的性能特點(diǎn)，不僅在耐高溫程度上具有明顯的優(yōu)勢，在抗氧化、抗蠕變方面通常效果顯著。相比于傳統(tǒng)的鈦合金，其各項(xiàng)性能和膨脹系數(shù)都具有顯著優(yōu)勢。在TiAl的制備特點(diǎn)上，和傳統(tǒng)的Ti合金一樣，在高溫下具有明顯的化學(xué)活性，所以TiAl的熔煉方式可以參考Ti的熔煉方式。不過需要注意的是TiAl具有自身的特點(diǎn)。除了對間隙元素的敏感程度高之外，還包括熔煉過程反應(yīng)熱高，所以成分的容錯(cuò)度較小，一旦出現(xiàn)制備流程問題，會直接影響到TiAl合金的性能[1]。

2 鈦鋁金屬間化合物在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)方面的技術(shù)應(yīng)用

TiAl合金在航空航天、石油化工、艦船工業(yè)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了廣泛使用，但在汽車工業(yè)上的發(fā)展還有很大的提升空間。隨著20世紀(jì)90年代后，汽車數(shù)量的增加，讓TiAl合金零部件得到了重視，也在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)零部件部位發(fā)揮了顯著的作用。2015年全世界汽車的TiAl合金用量也超過了5000噸。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥

輕質(zhì)的TiAl合金排氣閥是目前汽車行業(yè)中非常重視的一項(xiàng)技術(shù)，對于改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的使用周期具有顯著的效果。由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣閥的工作溫度通常在600℃以上，而實(shí)際的車輛運(yùn)行當(dāng)中，受限于各類因素，發(fā)動(dòng)機(jī)在長期工作中必然會出現(xiàn)因磨損而導(dǎo)致的動(dòng)力性能下降，出現(xiàn)各種故障。所以對于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥來說，如何能做到抗腐蝕、抗磨損、抗高溫，成為了主要的研究方向。通常情況下制備該類零件的手段是精密鑄造方式，但這一手段并不適用于TiAl合金。因?yàn)門iAl的熔體流動(dòng)性差，易形成縮孔，在后期的使用中難免會產(chǎn)生零件的形狀變化。而我國對于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥方面的技術(shù)研究工作也一直高度重視，在現(xiàn)階段取得了一定成果。

2.2 汽車零部件

汽車零部件包括發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、發(fā)動(dòng)機(jī)氣門等。由于TiAl合金的材料輕質(zhì)性，是的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，從而提升燃油的利用率，減少排氣量。以法拉利轎車3.5LV8為例，TiAl合金的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿得到了運(yùn)用。在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門設(shè)計(jì)上，不僅可以減輕質(zhì)量，增加使用周期，相比于傳統(tǒng)的鋼制氣門，還可以提升發(fā)動(dòng)機(jī)的極限轉(zhuǎn)速、目前進(jìn)氣門的材料以Ti-6Al-4V為主，排氣門的材料以Ti-6242S為主，可以在保障強(qiáng)度的同時(shí)得到較低的脆性。另外Mo材料還能提升TiAl合金的熱處理性能，并增加硬度[2]。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)葉片

TiAl合金在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上的使用最早出現(xiàn)于德國材料研究所，采用熔模精密鑄造方式制作而成了TiAl合金發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片，并在汽輪機(jī)的條件下進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明TiAl可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的有效材料。相比于傳統(tǒng)的材料，TiAl合金葉片可以有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)打到最大轉(zhuǎn)速的時(shí)間，還能提升最大轉(zhuǎn)數(shù)。

2.4 渦輪

渦輪質(zhì)量的減輕可以有效降低渦輪的慣性，使得加速性能會有明顯提升。在這一方面的技術(shù)上，日本川崎重工業(yè)株式會社率先進(jìn)行了TiAl合金的加速性試驗(yàn)，并且結(jié)果比傳統(tǒng)的渦輪在加速響應(yīng)性上要更加優(yōu)秀。以目前傳統(tǒng)的渦輪來看，普遍存在加速特性較差，車輛起步和加速環(huán)節(jié)會受到影響，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩適應(yīng)性無法達(dá)到實(shí)際的要求。但通過以TiAl合金來取代傳統(tǒng)的耐熱鋼材料，就可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改善，并降低轉(zhuǎn)子重量。

3 鈦鋁金屬間化合物的應(yīng)用

TiAl基合金的高溫強(qiáng)度和抗氧化強(qiáng)度問題，使得其技術(shù)的真正使用面臨了一些困難。為了能真正地改善TiAl合金的高溫抗氧化性能，通常會加入一些性能好的集體合金，然后開發(fā)出渦輪葉片的常用TiAl合金材料，在高溫下可以顯著出優(yōu)越的性能。而對于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)來說，還需要關(guān)注能耗問題和使用周期，即如何在提升轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上減少磨損。目前通常會使用等離子滲碳技術(shù)來提升耐磨性，其處理過程是在100-1000Pa下進(jìn)行，通過高壓脈沖電源電離含碳類氣氛，形成離子轟擊產(chǎn)品表面達(dá)到滲碳效果。等離子滲碳與傳統(tǒng)的氣體滲碳的主要區(qū)別是：不用吸熱后分解的氣體，而是直接導(dǎo)入丙烷滲碳。求滲層較淺，且用N2＋C3H8進(jìn)行碳氮共滲時(shí)，也可在900℃以下進(jìn)行。

4 鈦鋁金屬間化合物未來發(fā)展趨勢

鈦鋁金屬間化合物在未來的發(fā)展趨勢，要從其優(yōu)勢和劣勢兩個(gè)方面來進(jìn)行分析。優(yōu)勢方面，由于其密度低、可以減少運(yùn)動(dòng)零件的慣性質(zhì)量，減少車身的震顫，一次提升發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，改善性能。由于價(jià)格因素、焊接性能等問題，要想實(shí)現(xiàn)TiAl合金在汽車工業(yè)中的普遍使用，仍然還需要考慮到可能產(chǎn)生的成本因素。因?yàn)榻饡睙捄图庸ど?，TiAl合金的消耗都要高于其它金屬，無論是彈簧、氣閥、連桿還是排氣系統(tǒng)，零件成本都可能會產(chǎn)生額外的消耗。

5 結(jié)語

現(xiàn)階段，TiAl合金材料性能研究已經(jīng)取得了重要的成果，而對于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)材料制備技術(shù)方面同樣取得了一定的進(jìn)展，一些部件已經(jīng)真正投入了使用，例如TiAl發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等。而這也表示未來的汽車工業(yè)具有良好的發(fā)展前景，可以在后續(xù)的研究工作中進(jìn)一步提升技術(shù)研發(fā)水平。

[1]陳剛, 江義軍． 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件用鈦鋁金屬間化合物的制備及應(yīng)用[J]． 四川有色金屬, 2014(2)：61-65．

[2]楊銳． 鈦鋁金屬間化合物的進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J]． 金屬學(xué)報(bào), 2015,51(2)：129-147．