粉末冶金TiAl基合金排气阀的制备及性能
研究了粉末冶金TiAl基合金柴油机排气阀的近型成形技术，其要点为：采用元素粉末冶金方法，以元素Ti， Al粉末为主要原料，首先在刚模中冷压成排气阀菌部然后在真空热压炉中，通过准等静压工艺，同时实现TiAl基合金的反应合成与近型成形最后通过真空扩散联接工艺，使粉末冶金TiAl基合金与铸态TiAl基合金杆部联接成完整的排气阀零件。通过发动机台架的初步试验表明，所制备的粉末冶金TiAl基合金排气阀表现出良好的服役性能。
粉末冶金TiAl基合金柴油机排气阀近型成形TiAl基合金是一种新型的轻质高温结构材料，它除了具有高的比强度、比刚度外，还具有良好的高温抗氧化性能和一定的高温蠕变强度及高温抗疲劳能力，因而一直备受材料研究工作者的关注.目前TiAl基合金的一个重要应用就是作为发动机的关键工作部件―――气门（包括进、排气阀）.采用TiAl基合金材料替代目前通用的不锈钢甚至镍基高温合金来制备气门，其优势在于减轻材料质量及提高工作温度（主要针对不锈钢而言）。而进、排气阀质量的减轻对发动机性能的改善能起至关重要的作用，这主要体现在以下几个方面：1）与气门相连的弹簧受力减轻了，气门在气门导管中运动时的摩擦力也相应降低，发动机的效率得到了提高2）气门与摇臂的冲击力减轻了，气门的不平衡摇摆运动也得到了改善，从而降低了噪音3）气门重量减轻后，气门的开启频率可以大幅度提高，从而提高了发动机的速度4）气门的运动惯量降低了，从而显著地减少了气门对阀座的冲击力，提高了气门阀座的寿命和密封性能，提高了工作室的燃烧效率。研究表明，采用轻质TiAl基合金材料作气门，可以使发动机的燃油量降低但是TiAl基合金的铸造性能较差，易产生疏松、缩孔等铸造缺陷。采用粉末冶金方法可以避免上述缺陷，而且这种方法在复杂零件的近型成形方面具有优势。但是TiAl基合金预合金粉末的制备有一定难度，成本较高，限制了粉末冶金TiAl基合金的发展。目前，采用元素粉末冶金方法制备TiAl基合金得到了广泛研究，该方法成本较低，而且所制备出来的材料性能已达到了铸造TiAl基合金水平本工作主要致力于采用元素粉末冶金方法制备TiAl基合金排气阀，并初步考查其对发动机的适应性能。由于采用常规粉末冶金方法在制备长杆件上有一定难度，本工作首先采用元素粉末冶金方法制备TiAl基合金排气阀的关键部位―――菌部，其杆部采用铸造TiAl基合金，再通过真空扩散联接，使两部分结合成完整的排气阀。
1实验过程1 .1粉末冶金TiAl基合金排气阀菌部的制备将元素Ti粉， Al粉（平均粒度均为26μm ，粒度分布如图1所示），按Ti48Al（摩尔分数， ）成分配比，然后在真空状态下均匀混合3 h.将混合好的粉末装入特制的金属模内，在300 M Pa的压力下成型，制备成冷压坯。将压坯置于石墨模具中，周边添充Al粉末（104μm），如图2所示装配。
整个装置在真空热压炉中，以40 MPa的压力，在Pa.然后将热压坯在1 250℃及170M Pa下进行4 h热等静压，以进一步致密化。
中国有色金属学报1 .2铸造TiAl基合金杆部的制备采用磁悬浮熔炼方法制备出Ti33Al3Cr 0 .5M o（质量分数， ）合金铸坯。将铸坯在1 250℃， 170 MPa下进行4 h热等静压，以消除铸造缺陷。从铸坯中线切割出杆状样，样品尺寸为1 .3真空扩散联接及后序处理将粉末冶金TiAl基合金排气阀菌部与铸造TiAl基合金杆部在Gleeble1500型热模拟机上扩散联接，如图3所示。操作条件为：真空度2×10外压40 MPa ，保温时间0 .5h.联接好的样品还需经过热处理，调整粉末冶金TiAl基合金排气阀菌部的显微组织，热处理工艺为1 380℃， 0 .5h 1 000℃， 8 h.由于在发动机中，排气阀的装配精度要求很高，采用上述方法制备出的排气阀还需进行精加工，加工后的排气阀尺寸如图4所示。
1 .4显微组织观察真空热压后的样品，扩散联接后的样品及热处理后的样品均经过常规金相样品制备过程，在金相显微镜及X650扫描电镜下观察其显微组织。
1 .5发动机台架试验该试验在483Q型柴油发动机（湖南华裕发动机制造有限公司）上进行。该发动机的工况与普通柴油发动机的工况对比如表1所示。在发动机的第一、二缸内安装粉末冶金TiAl基合金排气阀，进气阀及第三，四缸的排气阀均不变。装配好的发动机首先经过无负荷磨合2 h（发动机工况为n =600～再进行全负荷发动机速度特性测试，即在不同的固定转速下，测发动机的最大马力最后在4 000 r/ min的额定转速下，进行全负荷（N =46±2 kW）耐久试验。试验过程由DN2型内燃机台架测试系统检测发动机的各项性能数据。
中国有色金属学报2000年2月其它同类型柴油发动机的比较2试验结果2 .1粉末冶金排气阀坯料的外观冷压成型后的排气阀菌部压坯，形状较复杂，存在台阶及高径比较大的部分（细杆部），但外形规整，无分层、开裂等缺陷。与冷压坯相比，热压坯尺寸在径向的变化不大，在轴向（加压方向）变化较大，达25 .热压坯的外形也较规整，无弯曲、气孔等缺陷。
2 .2显微组织热压后材料内的孔隙分布及显微组织如图5所示。可以看出，经过1 350℃真空热压后，材料内的残余孔隙已经很少，且均为闭孔隙，致密度达98 热压后显微组织为细小的双态组织，即主要由α/γ层片状晶团和等轴的γ晶粒组成。其中/γ层片状晶团的尺寸平均约50μm ，γ晶粒的尺寸平均约20μm.经过1 250℃热等静压后，材料内的残余孔隙已被完全消除，但显微组织变化不大。
粉末冶金TiAl基合金与铸态TiAl基合金经真空扩散联接后，联接界面附近的显微组织如图6所示。
可以看出，虽然铸态TiAl基合金的显微组织为粗大（500μm）的全层片组织，但与细小双态组织的接合良好。联接界面呈锯齿形，无明显的孔洞出现。经过热处理后，菌部的显微组织如图7所示。
可以看出，其显微组织属于细小全层片组织，层片晶团的平均尺寸约50μm.
2 .3台架试验经过精加工后的粉末冶金TiAl基合金排气阀如图8所示。安装了粉末冶金TiAl基合金排气阀后，发动机的速度特性试验结果如图9所示。从图中可以看出，随着转速的提高，发动机的最大功率也稳步提高，表明发动机性能正常。在耐久性试验中，发动机的各项主要指标随时间的变化如图9（b）～（d）所示。结果表明，随着试验进行发动机的功率和排气温度很快达到最大值，并趋于稳定，而比油耗开始缓慢下降，随后虽然略有波动，但总的趋势在不断下降，并逐渐稳定。这表明发动机的性能正常。经过台架试验后，粉末冶金TiAl基合金排气阀外形完好，无明显损伤及氧化皮剥落现象。
3讨论3 .1粉末冶金TiAl基合金的反应合成及全致密化元素Ti， Al粉末在Al的熔化点以前（约640℃）就开始发生剧烈的放热反应，反应的最终产Al ，但通常伴有中间产物TiAl在后序的反应烧结中，通过元素的反应扩散可以消除中间产物，而反应后的显微组织和相组成与反应烧结温度有重要关系。通常还要通过后序热处理调显微组织（×500）整材料中TiAl/Ti Al的含量比值及显微组织.本工作对Ti48 混合元素粉末所采用的热压温度（1 350℃）位于TiAl相图的（αγ）两相区的高温区，即在反应温度下得到的最终平衡产物析出γ板条，得到α/γ层片组织。因此，最后得到由α/γ层片晶团和γ等轴晶粒组成的细小双态组织。该种组织的室温延性较好，在高温下具有超塑性.当具有双态组织的粉末冶金TiAl基合金与具有粗大层片组织的铸态TiAl基合金在1 160℃， 40 MPa的轴向压力下联接时，细小双态组织在联接界面处发生超塑性变形，填充了界面处的凹凸不平处，使两个界面首先发生机械啮合，随后通过扩散使界面达到冶金结合，从而保证了联接件的强度.细小双态组织虽在高温下具有超塑性，但这也从另一方面表明其高温强度的不足。而全层片组织的高温强度及蠕变强度较高，因此排气阀菌部还需进行热处理以调整显微组织。将细小双态组织加热到α单相区，使该显微组织在热处理温度下转化为α单相，在冷却过程，从α晶粒中析出γ板条，得到α/γ层片晶团，然后在1 000℃进行稳定化处理，从而最终得到全层片组织。从前面的结果中也可以看出，粉末冶金TiAl基合金的显微组织比铸态TiAl基合金的细小得多。这主要归因于采用粉末冶金方法的合成材料温度远低于铸造方法的温度（熔点以上），因而能较好地控制最终显微组织，得到细小的全层片组织。采用元素粉末冶金方法制备TiAl基合金的另一重要问题是致密化。在不加外压时，元素Ti ， Al粉末在反应过程中，由于Al的偏扩散造成KirKendall效应及Al熔化后残余的孔隙，使得反应后的压坯中孔隙度较大并发生较大的体积膨胀。这些残余孔隙都必须在随后的烧结过程中予以消除。但是由于粉末TiAl的后序烧结中一般不出现液相，孔隙的消除过程很缓慢。施加外压后，一方面可以抑制TiAl压坯在反应过程中的体积膨胀，另一方面可以使反应后大的残余孔隙发生塌陷而且在随后的烧结过程中，通过扩散蠕变作用，使大部分小孔隙闭合。由于石墨模具不能承受很大的压力，因此热压的压力一般都不大（40 MPa），少量残余孔隙不能完全消除。但是在后序热等静压过程中，外界压力高达170 MPa，可以完全消除残余孔隙。值得一提的是，在本工作中，排气阀在热压过程中受到的压力是由Al粉末从各个方向传递过来的，与热等静压中气体传压一样，是三向压力。但是Al粉末的传压均匀性比气体传压差，因此这三向压力不完全相同，这种加压中国有色金属学报2000年2月方式也被称为准等静压（PseudoHIP）3 .2排气阀的台架性能试验发动机台架试验的工况对排气阀的综合性能是一个严格的考验。排气阀在发动机中的受力状态比较复杂，而且各个部分的可能破坏方式不同，如图10所示。排气阀的工作温度可达800℃以上，因此在排气阀的菌部及锁夹部位主要是高温疲劳破坏，菌部还存在高温蠕变破坏杆部的顶部及排气阀座相配合的锥面主要是受冲击和磨损。各个部位受的应力大小也不同，受应力最大的地方为菌部的而且当排气阀的安装发生失配时，则该区的弯曲应。本工作所采用的483Q型柴油机的工况比普通柴油机的工况更为苛刻，主要表现为高额定转速，高扭矩（）。如果排气阀在试验中出现问题，将会直接反映到发动机性能指标上，如排气阀锥面严重磨损会使气门间隙变小，发动机的密封性能变差，导致发动机工作室中的燃烧不充分，从而使功率下降，比油耗增加。但是，本试验的结果表明粉末冶金TiAl基合金排气阀能够较令人满意地在这种苛刻的工况中运行。
4结论1）通过元素粉末冶金方法与准等静压工艺相结合，一步完成了粉末冶金TiAl基合金排气阀的材料合成与近型成形。
2）通过真空扩散联接，制备出了界面接合良好的排气阀联接件。
3）通过发动机台架的初步试验表明，所研制的粉末冶金TiAl基合金排气阀表现出较好的服役性能。
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