劉 燁，王增全，程江華，閆瑞乾，何 洪，朱春雷

(1.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，天津 300400；2.鋼鐵研究總院高溫材料研究所，北京 100081)

0 前言

除航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件外，TiAl合金還可應(yīng)用于車(chē)輛柴油機(jī)的熱端部件，例如增壓器渦輪轉(zhuǎn)子[3]和進(jìn)氣閥/排氣閥[4]。采用這種輕質(zhì)材料代替密度約8.0 g/cm3的鎳基高溫合金制作內(nèi)燃機(jī)用廢氣增壓渦輪，可顯著降低渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并提高渦輪增壓柴油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)性，提升柴油機(jī)性能，且具有節(jié)能減排效果[3, 5]。此外，由于TiAl合金的比剛度高于鎳基高溫合金，這可將葉片的共振頻率提高到更高的頻率區(qū)間，有助于提高葉片的疲勞損傷能力[6]。日本早在上世紀(jì)九十年代便啟動(dòng)了TiAl合金在車(chē)輛柴油機(jī)增壓器渦輪的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究，并于1999年實(shí)現(xiàn)了TiAl合金渦輪在民用車(chē)輛的商業(yè)化應(yīng)用?？紤]到在內(nèi)燃機(jī)上應(yīng)用TiAl合金所帶來(lái)明顯的性能優(yōu)勢(shì)，國(guó)際上包括豐田、三菱、ABB、霍尼韋爾及博格瓦納等主要汽車(chē)或內(nèi)燃機(jī)公司，均迫切希望在其先進(jìn)柴油機(jī)上應(yīng)用TiAl合金增壓器渦輪[7]。

考慮到TiAl合金是一種新型的金屬間化合物材料，其物理和力學(xué)性能介于金屬材料與陶瓷材料之間，不同于傳統(tǒng)的鎳基高溫合金結(jié)構(gòu)材料。為將TiAl合金應(yīng)用于車(chē)輛柴油機(jī)增壓器渦輪并保證其使用的安全性和可靠性，需要全面分析TiAl合金的性能與增壓器渦輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)和服役要求的關(guān)聯(lián)性。為此，本論文全面梳理了TiAl合金性能與渦輪設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)性、渦輪鑄造及連接技術(shù)以及應(yīng)用考核情況，為推動(dòng)TiAl合金在車(chē)輛柴油機(jī)增壓器渦輪轉(zhuǎn)子的應(yīng)用提供支撐。

1 TiAl合金性能與渦輪設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)性

1.1 性能優(yōu)勢(shì)

為評(píng)價(jià)TiAl合金和K418合金之間的差異，針對(duì)增壓器渦輪使用工況，重點(diǎn)對(duì)比了兩種合金密度、比彈性模量、比強(qiáng)度、高溫持久和蠕變性能。TiAl合金和K418合金的密度分別為3.9 g/cm3和8.3 g/cm3。與K418合金相對(duì)比，TiAl合金密度降低112%。顯然，增壓器渦輪重量顯著降低，降低了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量50%以上，這有助于提高增壓器加速響應(yīng)性，并減少冒黑煙現(xiàn)象。

對(duì)于比彈性模量，如圖1所示，從室溫到1 000 ℃，TiAl合金的比彈性模量比K418合金高約82%。在結(jié)構(gòu)相同的前提下，由于渦輪葉片自振頻率與材料的比彈性模量成正相關(guān)關(guān)系，且自振頻率越高，葉片因振動(dòng)疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)越小。以最大直徑約100 mm的某增壓器渦輪為例，TiAl渦輪自振頻率平均值為9 545 Hz，K418渦輪自振頻率平均值為7 204 Hz，TiAl渦輪葉片自振頻率較K418提高了32.5%。顯然，采用TiAl合金替代K418合金制備增壓器渦輪，渦輪葉片自振頻率提高，有利于降低葉片振動(dòng)疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)和提高渦輪葉片的抗疲勞壽命。

圖1 TiAl合金和K418合金比彈性模量對(duì)比

圖2 為T(mén)iAl合金渦輪葉片振動(dòng)模型，圖3為 TiAl合金渦輪葉片一階固有頻率實(shí)測(cè)值，圖4 為T(mén)iAl合金和K418合金線膨脹系數(shù)對(duì)比。

圖2 TiAl合金渦輪葉片振動(dòng)模型

圖3 TiAl合金渦輪葉片一階固有頻率實(shí)測(cè)值

對(duì)于線膨脹系數(shù)，圖4可以看出，與K418合金相比，TiAl合金降低10%～30%。此外，TiAl合金的高溫抗蠕變性能也比K418合金有所增加。結(jié)合線膨脹系數(shù)和蠕變性能的結(jié)果可以推測(cè)，采用TiAl合金替代K418合金制備增壓器渦輪，可在高溫下條件減小葉片與渦輪箱的葉前間隙變化，提高增壓器效率。

圖4 TiAl合金和K418合金線膨脹系數(shù)對(duì)比

對(duì)于比強(qiáng)度，圖5對(duì)比了兩種合金從室溫到高溫的比強(qiáng)度(包括抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度)?？梢钥闯?，從室溫到950 ℃ ，與K418合金相比，TiAl合金比抗拉強(qiáng)度提高20%～50%。對(duì)于高溫持久性能，從熱強(qiáng)曲線上(圖6)可以看出，在750～850 ℃溫度區(qū)間，TiAl合金密度相關(guān)的持久強(qiáng)度均高于K418合金，但其優(yōu)勢(shì)并不明顯。

圖5 TiAl合金和K418合金比強(qiáng)度對(duì)比

圖6 TiAl合金和K418合金持久性能對(duì)比

顯然，采用TiAl合金替代K418合金制備增壓器渦輪，密度降低有助于提高增壓器加速響應(yīng)性，并減少冒黑煙顯現(xiàn)象；渦輪葉片自振頻率提高了34.9%，有利于降低葉片振動(dòng)疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)；線膨脹系數(shù)降低和高溫抗蠕變能改善，可在高溫下條件減小葉片與渦輪箱的葉前間隙變化，提高增壓器效率；持久性能和疲勞性能提高有利于提高增壓器渦輪的可靠性和使用壽命。

她的個(gè)子夠高，長(zhǎng)腿輕輕一抬，就跨過(guò)欄桿，腳尖踩在狹窄的巖架上，另一條腿也跨了過(guò)去。她面向我們，在褲子上擦了擦手，然后緊緊抓住欄桿，因?yàn)樘昧﹃P(guān)節(jié)都發(fā)白了。接著，她一只腳挪離巖架，腿緩緩地懸在半空，另一只腳隨后也離開(kāi)巖架，全身懸空。透過(guò)欄桿的橫桿，我能看到克里斯蒂娜的臉，她神情堅(jiān)定，雙唇緊閉。

1.2 性能劣勢(shì)

與鎳基高溫合金相比，較低的密度給TiAl合金帶來(lái)諸多物理和力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，使得在車(chē)輛柴油機(jī)上應(yīng)用TiAl合金具有諸多性能優(yōu)勢(shì)。但TiAl合金較低的室溫拉伸塑性和斷裂韌性、較高的裂紋擴(kuò)展速率等不足之處，也不能忽視。

TiAl合金，尤其是鑄造TiAl合金，室溫拉伸塑性通常不足2%，斷裂韌性低于35 MPa·m1/2，明顯低于包括高溫合金和鈦合金在內(nèi)的傳統(tǒng)金屬材料[8]。較低的室溫拉伸塑性以及韌性，表明TiAl合金釋放應(yīng)力集中的能力較差。為降低室溫塑性和韌性不足帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程控制及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)制定等方面進(jìn)行合理優(yōu)選。

(1)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，TiAl合金渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能采用較大的R角設(shè)計(jì)，這些部位主要包括葉片根部、葉片邊緣R角。

(2)在選材設(shè)計(jì)上，合金成分和組織設(shè)計(jì)需要在平衡其他性能的前提下盡可能提高室溫拉伸塑性，例如具有近層片組織的Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr系列合金具有較好的高溫強(qiáng)度、室溫塑性和韌性水平[9]，現(xiàn)已應(yīng)用于某型車(chē)輛柴油機(jī)渦輪[10]。

(3)在生產(chǎn)過(guò)程控制中，葉片進(jìn)氣邊和排氣邊的尖角類(lèi)缺陷是必須排除的。此外，考慮到當(dāng)前渦輪葉片采用砂輪外圓磨至設(shè)計(jì)尺寸，葉片進(jìn)氣邊與葉片型面通常存在尖角過(guò)渡，建議后續(xù)采用圓角過(guò)渡。

(4)在驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)上，鑒于當(dāng)前TiAl合金渦輪主要采用鑄造工藝制備，鑄件內(nèi)部不可避免存在冶金缺陷。由于TiAl合金室溫塑性低于鎳基高溫合金，因此要求TiAl合金渦輪鑄件的內(nèi)部和表面質(zhì)量要求高于鎳基高溫合金渦輪。

2 TiAl合金渦輪的制造技術(shù)及質(zhì)量水平

TiAl合金熔體凝固區(qū)間窄、流動(dòng)性差、鑄造靜壓頭作用小，該材料的鑄造充型性能和補(bǔ)縮效果均明顯低于鎳基高溫合金。而增壓渦輪是由薄壁葉片和厚大輪轂構(gòu)成的復(fù)雜部件，其中葉片最小壁厚為0.3～2.0 mm，輪轂部位厚度約是葉片壁厚的100倍。鑄造過(guò)程中，要求同時(shí)兼顧薄壁葉片的充型和厚大輪轂的補(bǔ)縮[11]。

當(dāng)前制造TiAl合金渦輪的工藝主要為鑄造。日本三菱公司和大同制鋼株式會(huì)社在上世紀(jì)90年代啟動(dòng)TiAl渦輪研制及工程化應(yīng)用的研究。采用反重力鑄造，成功研制出了民用汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)用Ti-46Al-7Nb-0.7Cr-0.1Si-0.2Ni(at %)增壓渦輪。反重力作用顯著增加了熔體的充型能力，有效解決了薄壁葉片的充型難題，制備出最小壁厚0.3 mm的φ45～φ75 mm渦輪；同時(shí)，在反重力作用下，低密度熔體的凝固補(bǔ)縮能力得到顯著改善[3]。這種工藝尤其適用于制備直徑相對(duì)較小的渦輪。

研究發(fā)現(xiàn)采用離心鑄造，通過(guò)設(shè)計(jì)特定的澆注系統(tǒng)和造型方式，耦合設(shè)計(jì)澆注溫度、模殼預(yù)熱溫度、離心轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)，研制出直徑為90 ～200 mm的TiAl合金渦輪，其中的渦輪葉片最小壁厚為0.7 mm[12]。由于目前沒(méi)有TiAl合金渦輪質(zhì)量驗(yàn)收的專(zhuān)用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此參照鎳基高溫合金渦輪鑄件的驗(yàn)收條件，制定了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)項(xiàng)目包括目視檢查、熒光表面滲透檢查、X光內(nèi)部冶金質(zhì)量檢查、渦輪芯部抽樣破壞性剖切的高低倍組織檢查、芯部徑向取樣室溫拉伸強(qiáng)度檢測(cè)、剖面熒光滲透檢查。目前研制的TiAl合金渦輪表面和內(nèi)部冶金質(zhì)量已達(dá)到現(xiàn)行鎳基高溫合金渦輪的水平。其中，某型TiAl合金渦輪性能徑向取樣的平均室溫拉伸強(qiáng)度達(dá)到410 MPa(圖8)，基本達(dá)到該型渦輪超速141%所要求的的渦輪芯部強(qiáng)度水平[11]。

圖7 鑄造TiAl合金渦輪芯部取樣示意圖

圖8 鑄造TiAl合金渦輪芯部室溫拉伸強(qiáng)度分布圖

總體來(lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)解決了TiAl合金渦輪制備技術(shù)難題，但由于TiAl合金鑄造難度大且后續(xù)難以通過(guò)焊接等工藝進(jìn)行缺陷修復(fù)，目前TiAl合金渦輪的成品合格率約30%左右，同時(shí)，當(dāng)前TiAl渦輪鑄造質(zhì)量穩(wěn)定性較低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，尚需進(jìn)一步改進(jìn)工藝才可實(shí)現(xiàn)大批量的鑄造生產(chǎn)。

3 TiAl渦輪轉(zhuǎn)軸連接技術(shù)水平

為實(shí)現(xiàn)TiAl合金渦輪的工程化應(yīng)用，必須解決TiAl合金與結(jié)構(gòu)鋼軸(例如42CrMo鋼)的連接問(wèn)題。然而，TiAl合金是一種金屬間化合物基材料，室溫較脆，且物理、力學(xué)性能介于金屬和陶瓷材料之間。目前，若采用包括氬弧焊、電子束焊接、摩擦焊等焊接工藝，焊區(qū)接頭部位會(huì)產(chǎn)生脆性相，而且由于TiAl合金與其他金屬的膨脹系數(shù)差異較大，在高溫?zé)嵫h(huán)條件下，接頭可靠性較低，因而這些焊接工藝應(yīng)用TiAl合金與結(jié)構(gòu)鋼軸的焊接均是受到限制的[13]。

日本大同制鋼株式會(huì)社采用電子束焊+釬焊工藝實(shí)現(xiàn)了TiAl合金與結(jié)構(gòu)鋼軸的連接[5]。按照?qǐng)D9可以看出，首先采用真空釬焊進(jìn)行TiAl和過(guò)渡體的連接，之后再采用電子束焊實(shí)現(xiàn)過(guò)渡體與結(jié)構(gòu)鋼軸的連接，其中TiAl合金與過(guò)渡體的真空釬焊是其技術(shù)關(guān)鍵。據(jù)報(bào)道，大同制鋼株式會(huì)社釬焊接頭的室溫拉伸強(qiáng)度達(dá)到320 MPa以上、500 ℃拉伸強(qiáng)度達(dá)到310 MPa以上，接頭強(qiáng)度達(dá)到母體強(qiáng)度50%以上[13]，增壓器臺(tái)架和發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)也進(jìn)一步驗(yàn)證了該工藝的可行性。

圖9 室溫拉斷前后的TiAl合金渦輪轉(zhuǎn)軸

根據(jù)材料特性，研究了TiAl合金渦輪與結(jié)構(gòu)鋼軸的過(guò)盈連接+摩擦焊的連接工藝，對(duì)于該工藝，過(guò)盈量設(shè)計(jì)是決定連接強(qiáng)度的關(guān)鍵[14]。若過(guò)盈量過(guò)低，易出現(xiàn)TiAl渦輪與K418合金過(guò)渡體在較低的載荷下松脫；若過(guò)盈量過(guò)大，由于抱緊力過(guò)大將造成TiAl合金應(yīng)力損傷，則出現(xiàn)強(qiáng)度較低和脆性較大的TiAl合金在較低載荷下斷裂。目前，以某型直徑100 mm渦輪為例，連接接頭室溫失效載荷達(dá)到330 MPa，達(dá)到了日本釬焊的接頭強(qiáng)度水平，并表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

圖10 TiAl合金渦輪轉(zhuǎn)軸實(shí)物連接強(qiáng)度

4 應(yīng)用考核試驗(yàn)情況

圖11為日本大同制鋼株式會(huì)社生產(chǎn)的TiAl合金渦輪。Tetsui報(bào)道[5]，與Inconel 713C鎳基高溫合金相比，采用TiAl合金渦輪使增壓器從3.4×104r/min到1.0×105r/min區(qū)間的加速響應(yīng)性提高了16%，到1.7×105r/min的響應(yīng)性提高了26%；在進(jìn)行的超速破壞試驗(yàn)中，直徑47 mm的超速破壞轉(zhuǎn)速可達(dá)2.1×105r/min，超速倍率達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的124%；在其他的試驗(yàn)驗(yàn)證中，渦輪輪緣線最高線速度達(dá)到620 m/s，高于Inconel 713C的渦輪(大約500 m/s)，如圖12所示。上述臺(tái)架性能試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了采用TiAl合金代替鎳基高溫合金制作增壓器渦輪轉(zhuǎn)軸的有益效果。

圖11 日本大同制鋼株式會(huì)社生產(chǎn)的TiAl合金渦輪

圖12 三菱公司的加速性和超速試驗(yàn)結(jié)果[5]

截止目前，研制的TiAl合金渦輪增壓器先后進(jìn)行了包括增壓器臺(tái)架超速破壞試驗(yàn)(圖13)、2×120 h結(jié)構(gòu)耐久性考核試驗(yàn)[10](圖14)、發(fā)動(dòng)機(jī)500 h考核試驗(yàn)、整車(chē)加速性試驗(yàn)驗(yàn)證等。其中某渦輪葉片自振頻率倍頻比達(dá)到6.5以上，高于設(shè)計(jì)值5.0；某渦輪最高超速破壞轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的157%，渦輪輪緣線速度達(dá)到720 m/s，遠(yuǎn)高于日本TiAl渦輪水平，也高于國(guó)外高溫合金渦輪的標(biāo)準(zhǔn)要求(≥ 500 m/s)及現(xiàn)役渦輪水平；如圖14所示，2×120 h耐久性考核試驗(yàn)后，渦輪芯部組織未發(fā)生明顯變化，硬度水平僅降低5%。同時(shí)，整車(chē)加速響應(yīng)性得到顯著提高，上述應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果充分表明TiAl合金已達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖13 TiAl合金渦輪和K418渦輪增壓器配機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)對(duì)比

圖14 2×120 h耐久性考核試驗(yàn)后TiAl合金渦輪增壓器外觀圖

5 結(jié)論

通過(guò)本文研究，目前已全面掌握TiAl合金物理性能和力學(xué)性能與增壓器渦輪設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)性，國(guó)內(nèi)外TiAl合金渦輪鑄造技術(shù)和連接技術(shù)基本成熟，當(dāng)前研制的TiAl渦輪已通過(guò)包括增壓器臺(tái)架和發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的考核試驗(yàn)驗(yàn)證，并表現(xiàn)出較好的性能優(yōu)勢(shì)，這表明TiAl合金渦輪已具備了工程化應(yīng)用條件。結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀，為進(jìn)一步推動(dòng)TiAl合金車(chē)輛工程化應(yīng)用，尚需在提高渦輪鑄造質(zhì)量穩(wěn)定性、成品合格率及生產(chǎn)周期等方面開(kāi)展工作。此外，鑒于目前國(guó)內(nèi)TiAl合金渦輪鑄件的驗(yàn)收技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)仍參照鎳基高溫合金渦輪驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，為規(guī)范TiAl合金渦輪的制造及驗(yàn)收，需制定適用于TiAl合金渦輪的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。