性能优越的钛铝合金材料

i撇。。 M△: 。。 .。 . 『 性能优越的钦铝合金材料 钦铝合金材料提高了轻结构中金属材料的耐热性能 . 其较低的比皿和很商的耐高温强度促进了发动机的进 一步发展 . 但机械加工难度和较高的生产加工成本给钦铝合金材料的应用带来了一定的限制。 文 / S v en Kn iPPse hee r和 H e in rie h吻st le r 早在20 世纪 70 年代 , 钦铝合 金就作为一种很有潜力的耐高温 合金材料而闻名于世 , 它具有很高 的耐高温强度性能 。 但由于延展性 较小 、 可加工性非常差 , 致使其难 以在工业企业大批量生产中使用。 人们从20 世纪 80 年代中期开始加 大了双相合金的基础理论和应用 的研究 , 使钦基的Y相 (T IAL )和 。 : 相 (几川 ) 材料性能有了突破 性进展 。 这种特殊结构 带来了性能的有效 组合 , 即高温下有 着很轻的质量和很 高的机械性能 。 其 比重仅为钢材和镍 基超级合金材料的 50 % , 在工作温度 达 8 0 0 ℃时仍具有 很高的强度和抗蠕变性能 , 以至 在动力驱动系统中成为耐高温 、 高负荷的最佳轻结构设计材料 。 在最近的 巧年中 , 钦铝合金 的研究和试验出现了令人满惫的 结果 , 已经出现了可以大批t 生 产的铁铝合金品种 , 其中铝的成 分在 4 5 % 一 4 9 % 左右 , 诸如铬 、 相 、 锰 、 妮和钒等过渡金属组元素 含量可达 10 % . 硅 、 硼等半金属成 分小于 1% 。 . 钦铝合金 . 钦合金 . 镶基超级合金 田 了较涯的此, (o ) , 布的翻性 (6 ) 和方的月热性胜 (c ) 使擞铝台金成为设计侧遭 三元分金进一步改进了材 科的性脂 为了提高钦铝合金的耐热性 7 6 门m 班ft 且. 面工 2 0 0 5 一0 9 l撇R N MAT 。R .AL 能或者改善钦铝合金的可加工性 能 , 通常加人第三种合金元素从 而构成三元合金 。 虽然钦铝合金 材料的性能由 v 相 (T动山) 和 a : 相 (乓Al ) 的混合结构组成决定 , 但是第三种合金成分对材料性能 的影响和有效性却非常明显 。 常 用的第三种合金元素为铬 、 铝 、 锰 、 妮 、 钒和铜 , 它们可以使钦铝 合金在较低的工作温度下有着很 好的延展性 。 目前合金元素在晶体结构中 的性能转化作用 . 以及对变形机 械性能的影响还不能完全解释清 楚 。 钦铝合金的晶格结构对材料 的机械性能有影响 , 它与合金的 化学组成成分 、 合金材料的熔炼 过程 、 半成品材料和零部件的结 构有着密切的关系 . 现代高性能 、 大功率动力系 统对高性能金属材料的要求越来 越高 , 但诸如合金钢和铝合金等 传统合金材料 , 由于承载能力有 限导致其应用受到限制 。 首先是 汽车工业企业大力推动了耐高温 高强度铁铝合金材料的研制开发 工作 , 以找到一种轻合金材料用 于能承受振动载荷的高速旋转发 动机 , 这要求新型钦铝轻合金材 料有着更高的耐热性能 , 同时新 型发动机和变速器具有尽可能少 的运动质童 。 钦铝合金材料特殊的结构使 其具有在8(X) ℃高温下低密度 (约 3. 8 一 4 . 1沙m , )、 高强度和高抗蠕 变性能等特点 , 符合高温 、 高机械 性能发动机的设计要求 , 如图 l 、 2 所示 。 诸如气门、 增压器叶轮和活 塞等发动机运动零部件由于质量 减少 , 使发动机总体系统中摩擦 阻力下降 , 从而大大减少嫌油的 消耗。 由于惯性力的减少 , 从而能 够增大发动机的转速以提高其输 出功率 , 同时还大大提高了发动 机的工作平稳性 。 就流体动力设 备而言 , 目前正在研制开发适合 轴流式压缩机和低压增压器的转 子叶片和定子叶片 。 在航空航天 工业中 , 目前正在研制钦铝轻合 金材料 以制造航空器中的零部 件 , 例如耐热要求极高的航天器 隔热保护外壳 , 以及航空发动机 中的蜂巢式机构等 , 如图 3 、 图 4 所示 。 由于新型钦铝轻合金材料的 弹性模量 E j P 值约为 3 9 一 4 6 日阮山1丫, , 比钢材和普通钦铝合金 材料更高 , 同时其弹性极限与2 (盯 , 即 硬月材绍音金 G0 0 0- M ET 侧减 为 l以x〕MPa 并具有许多优异性能 , 州助眺动翻那件 从而也可以应用在温度较低的情况 下。 例如发动机的连杆活塞销 , 以 及加工自动线和生产自动线中的零 部件都可以使用这种材料 。 与合金钢 、 普通的钦铝合金 以及镍基合金相比 , 该材料具有 更好的加工性能 , 但在零部件大 批量生产时由于成本因素使其应 用受到阻碍 。现在的目标是 , 在钢 坯生产过程中使新型钦铝轻合金 钢的生产形成一定批t 。 份统加工工艺困瑞盆盆 铁铝合金零部件的大批 t 生 产要求有更经济的加 工工艺技 术 , 而钦铝轻合金材料的晶体结 构使钢材生产厂和冲压生产厂很 难利用传统工艺技术完成零部件 的生产与加工 。 由于合金元素与 金属模材料 、 柑锅材料有很高的 反应能力 , 以及合金元素的熔点 和蒸发温度差异极大 , 致使镇静 钢的熔炼具有难度 。 另外 , 对化学 均匀性和徽观结构的均匀性进行 精确检验控制也非常困难 . 然而 该检验控制却对热加工和机械加 工有决定性意义 , 比如最佳的成 形加工温度与合金元素的成分有 密切关联。 交通技术对钦铝合金的质盘 保证提出了非常高的要求 。 航天 航空技术除了质 t 保证要求以 7 8 用拍扭fr二翻1 20 05 一09 MO D ER N MAT黝 田3 便用麟鹅合盆Go 。。酬 et PX 为未来脱 天脱空口侧遭的翻月 田才硬用公绍分金材洲G~ 。州耐Px 翻遭的发动翻月瀚那见 外 , 还对其可靠 性提 出了很高 的要求。 在发动 机零部件的大 批盆生产中 , 汽 车工业企业对 钦铝轻合金零 部件加工 的经 济性也提 出了 很高的要求 。 利 用铸造技术进 行合金零部件 的生产通常是 最 经济的生产 方式 , 附之 以 热 ·机械的加工 工艺技术可以排除在钢材熔炼过程中产生的缺陷 , 例如缩孔、 缩松和析出等 , 这种方式生产出的钦铝轻 合金零部件质 t 高。 诸如恒温锻造和超塑性变型挤 压加工等成型加工工艺技术 , 可以将最后的机械切 削加工工作t 降至最低 。 钦铝合金材料在航空航天工业中至今还没有 商业性的实际应用 , 这主要是因为该领域不允许 有较大的设计失误 。 由于航空航天领域中零部件 设计比较保守 , 钦铝轻合金材料的抗断裂韧性常 常得不到充分发挥 。 目前在发动机制造领域 中 , 钦铝轻合金的应用特性与零部件的加工 工艺性 能 、 质t 可靠性之间的关系不是太多 。 机械加工 企业花费了大量精力对现有的钦铝合金配方进行 优化 , 以及对某种专用钦铝合金材料加工工艺技 术进行研究 , 从而实现特定目的 。 汽车翻遭领摧 汽车制造领域可 以说最早开始大批量使用钦 铝轻合金材料 。 日本 M its u b ishi汽车公司在 2 0 0 0 年就已经采用钦铝合金材料生产汽车发动机的增 压器 。 Pla n s e e 集团公司旗下 S in te r s ta hl有限责任 公 司早在多年前就开始利用钦铝合金材料加工跑 车发动机的零部件 , 并且在该材料的加工 方面积 累 了丰富的经验 。 大t 的实际应用 、 野外试验和 发动机性能测试表明 , 使用钦铝合金材料制造的 零 部件优化了发动机性能 , 并且具有节能的优 点 JP石( ▲反馈服务编码 M 205 3 用跳 理代且. 翻1 2 0 0 5 一0 9 7 9