TiAl合金增壓器渦輪研究進(jìn)展

朱春雷，劉燁，張繼，何洪，朱小平

TiAl合金增壓器渦輪研究進(jìn)展

朱春雷1,2,3，劉燁4，張繼3，何洪4，朱小平1,2

（1. 河北鋼研德凱科技有限公司，河北 保定 072750；2. 北京鋼研高納科技股份有限公司，北京 100081；3. 鋼鐵研究總院，北京 100081；4. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，天津 300405）

采用輕質(zhì)TiAl合金代替較重的鎳基高溫合金制作內(nèi)燃機(jī)增壓器渦輪，是改善內(nèi)燃機(jī)加速響應(yīng)性、實(shí)現(xiàn)輕量化的有效技術(shù)途徑之一。圍繞TiAl合金增壓器渦輪的工程化應(yīng)用，分析了TiAl合金增壓器渦輪的合金及組織設(shè)計(jì)、渦輪制備技術(shù)、渦輪連接技術(shù)、母合金制備技術(shù)、應(yīng)用考核試驗(yàn)等方面的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究進(jìn)展。認(rèn)為我國(guó)鑄造技術(shù)和連接技術(shù)以及母合金制備技術(shù)基本成熟，已具備了工程化應(yīng)用的條件，但尚需進(jìn)一步提高TiAl渦輪的鑄造和連接生產(chǎn)效率以及盡快制定相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

TiAl；渦輪；母合金；鑄造；連接

TiAl金屬間化合物是一種密度低（約4.0 g/cm3）、比剛度和比強(qiáng)度高、抗氧化性優(yōu)異的新型輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料[1-2]。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，將提高渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)性和提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能，具有節(jié)能減排的效果[3-5]，還可以降低噪聲和減少震動(dòng)。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。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外主要增壓器設(shè)計(jì)單位均指出，應(yīng)用輕質(zhì)TiAl合金增壓渦輪是渦輪增壓技術(shù)的必然發(fā)展趨勢(shì)，也是先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)輕量化的有效技術(shù)途徑之一?？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、博格瓦納等主要汽車或內(nèi)燃機(jī)公司，均迫切希望在其先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用TiAl合金增壓器渦輪[6]。

以日本和德國(guó)為代表的國(guó)外內(nèi)燃機(jī)技術(shù)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，早在20世紀(jì)90年代便啟動(dòng)TiAl合金增壓器渦輪的工程化應(yīng)用研究。據(jù)報(bào)道，日本在1999年已實(shí)現(xiàn)了TiAl合金渦輪在民用車輛的商業(yè)化應(yīng)用[5]。國(guó)內(nèi)以鋼鐵研究總院為代表的研究院所，在20世紀(jì)90年代末也緊跟國(guó)際發(fā)展，啟動(dòng)TiAl合金材料及渦輪工程化應(yīng)用研究，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了中試生產(chǎn)，并在部分車輛上進(jìn)行小批量的應(yīng)用考核試驗(yàn)驗(yàn)證[7]。

考慮到國(guó)內(nèi)即將實(shí)現(xiàn)TiAl合金渦輪的批量生產(chǎn)及應(yīng)用，為減少批產(chǎn)階段的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，文中首先總結(jié)回顧國(guó)外TiAl合金增壓渦輪的研制及應(yīng)用歷程，之后結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，總結(jié)分析TiAl母合金制備、渦輪鑄造、渦輪連接等方面技術(shù)進(jìn)展，并提出TiAl合金增壓器渦輪的研制及生產(chǎn)尚需解決的主要問(wèn)題。

1 國(guó)外研究進(jìn)展

日本三菱公司和大同制鋼株式會(huì)社在20世紀(jì)90年代啟動(dòng)TiAl渦輪研制及工程化應(yīng)用研究。采用反重力鑄造成功研制出了民用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用Ti-46Al- 7Nb-0.7Cr-0.1Si-0.2Ni（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）增壓渦輪（見(jiàn)圖1a），以替代較重的鎳基合金Inconel 713C渦輪。Tetsui等報(bào)道[5]，與Inconel 713C鎳基高溫合金相比，采用TiAl渦輪使增壓器從34 000～100 000 r/min區(qū)間的加速響應(yīng)性提高了16%（見(jiàn)圖1b），到170 000 r/min的響應(yīng)性提高了26%；在進(jìn)行超速破壞試驗(yàn)中，直徑為47 mm的TiAl渦輪的超速破壞轉(zhuǎn)速可達(dá)210 000 r/min，超速倍率達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的124%；在其他試驗(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）（見(jiàn)圖1c）。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)子的有益效果。

圖1 日本研制的TiAl合金渦輪以及加速性和超速試驗(yàn)結(jié)果[5]

Mitsubishi Heavy Industries（MHI）將TiAl渦輪裝配到Lancer Evolution系列汽車（見(jiàn)圖2），Abe等[8]報(bào)道，在1998—2000年間裝配了8000臺(tái)以上的TiAl渦輪增壓器，Tetsui報(bào)告在1999—2000年裝配了5000臺(tái)以上的TiAl渦輪增壓器。Wu等[9]報(bào)道了在2003年有20 000輛汽車需裝配TiAl渦輪增壓器。國(guó)外普遍認(rèn)為，盡管目前TiAl渦輪的成本高于傳統(tǒng)的鎳基高溫合金渦輪，但從技術(shù)角度應(yīng)用TiAl渦輪是可行的。McQuay等報(bào)道[6]，包括ABB，Honywell，Toyota在內(nèi)的國(guó)外主要內(nèi)燃機(jī)和增壓器制造廠，均已成功測(cè)試了TiAl合金增壓器渦輪。Daimler和Mitsubishi等公司均投入了大量研發(fā)費(fèi)用開(kāi)展TiAl渦增壓器研究。

圖2 日本三菱公司Lancer汽車和TD05增壓器[5]

2 合金成分及組織設(shè)計(jì)

鑄造合金的選擇很大程度上取決于所需研制的部件?？紤]到TiAl合金是一種室溫拉伸塑性較低的材料，所選擇的鑄造合金應(yīng)具有較好的室溫拉伸塑性，但不要求較高的屈服強(qiáng)度[10]。例如，美國(guó)GE公司研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片采用Ti-48Al- 2Cr-2Nb（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）合金，室溫屈服強(qiáng)度約300 MPa[11]。增壓器渦輪轉(zhuǎn)子是一種在750～950 ℃下使用的高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)件，其中柴油發(fā)動(dòng)機(jī)溫度渦輪轉(zhuǎn)子使用溫度通常低于830 ℃，汽油機(jī)不超過(guò)950 ℃，要求渦輪轉(zhuǎn)子的材料具有良好的室溫拉伸塑性、高溫強(qiáng)度、抗蠕變性能、抗疲勞性能、抗氧化性能、抗腐蝕等性能[12]。因此，在TiAl合金增壓器渦輪的材料選擇上，要求具有相對(duì)較高的強(qiáng)度，還要具有可接受的室溫拉伸塑性[10]。

日本大同制鋼株式會(huì)社研究發(fā)現(xiàn)，高Nb-TiAl合金比低Nb-TiAl具有更高的強(qiáng)度水平、更高的抗氧化水平以及更高的抗外物沖刷能力（見(jiàn)圖3a），添加適量Cr元素有利于改善室溫拉伸塑性、添加適量的Si和Ni元素有利于改善高溫抗氧化性（見(jiàn)圖3b），因而最終優(yōu)選出高鈮含量的Ti-46Al-7Nb-0.7Cr-0.1Si- 0.2Ni（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）。渦輪在鑄造之后采用熱等靜壓處理以消除鑄造缺陷，最終獲得等軸全層片組織（見(jiàn)圖4a和4b）[5]。后續(xù)的發(fā)動(dòng)機(jī)超速試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)均表明，采用該合金研制的渦輪轉(zhuǎn)子可以在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行。

圖3 TiAl合金與Inconel 713C合金的比強(qiáng)度及850 ℃×500 h氧化增重對(duì)比結(jié)果[5]

圖4 日本研制的TiAl合金渦輪芯部低倍組織及內(nèi)部高倍組織[5]

鋼鐵研究總院基于TiAl合金室溫拉伸塑性較低的特點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了具有較好綜合室溫強(qiáng)塑性、斷裂韌性和高溫長(zhǎng)時(shí)性能的Ti-(46.5-47.5)Al-3.7 (Cr,V,Zr)-0.2(C,Si)（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）系列合金。在組織設(shè)計(jì)方面，提出了宏觀為柱狀晶、微觀為近層片組織的設(shè)計(jì)理念。為獲得該組織，需滿足成分設(shè)計(jì)、凝固冷卻條件和熱處理制度3方面的條件[12-13]：① 在成分設(shè)計(jì)方面，通過(guò)控制Ti/Al原子比（1.03～1.08），保證凝固過(guò)程中初生相為α相，為獲得上述凝固路徑，要求控制主元素Al含量和其他合金化元素含量。結(jié)合Ti-Al二元相圖可知，Al的原子數(shù)分?jǐn)?shù)應(yīng)大于44.9%，鋼研院采用板狀試樣的試驗(yàn)研究表明，Al的原子數(shù)分?jǐn)?shù)應(yīng)超過(guò)46.5%，可見(jiàn)，Al含量需選擇高鋁含量設(shè)計(jì)，對(duì)于合金化元素，為保證α相凝固路徑，需選擇添加α相穩(wěn)定化元素，例如V，Mn，Cr等元素；而Nb，W，Mo，Ta等高熔點(diǎn)、強(qiáng)穩(wěn)定化元素均為β相穩(wěn)定化元素，則需嚴(yán)格控制其含量，目前優(yōu)選的合金成分為T(mén)i-(46.5-47.5) Al-3.7(Cr,V,Zr)（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）；② 對(duì)于凝固冷卻速率，為獲得柱狀晶組織，通常需要選擇較快的凝固冷卻條件，在滿足上述2個(gè)條件下，澆注結(jié)束后渦輪芯部和葉片可以得到宏觀為柱狀晶、微觀為全層片組織，其中葉片部位微觀組織為層片界面接近平行于葉片表面的層片組織（見(jiàn)圖5）；③ 對(duì)于熱處理制度，考慮到柱狀晶及層片組織的綜合性能優(yōu)勢(shì)，在鑄造之后的熱處理或熱等靜壓處理過(guò)程中，應(yīng)盡可能不破壞柱狀晶和層片特征，研究表明，在α/β相變溫度以下20～30 ℃、較短時(shí)間（1～4 h）熱處理和熱等靜壓處理，并未破壞柱狀晶組織，僅在層片內(nèi)或?qū)悠瑘F(tuán)間析出體積分?jǐn)?shù)不超過(guò)5%的等軸γ晶粒[14]，力學(xué)性能測(cè)試表明，這種組織具有較好的室溫強(qiáng)度和塑性組合、較好的韌性、高溫持久蠕變性能以及高溫抗氧化致脆性，是葉片類TiAl合金部件的理想組織設(shè)計(jì)[12]。采用該合金研制的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器渦輪轉(zhuǎn)子，也順利通過(guò)了包括臺(tái)架240 h耐久性考核、發(fā)動(dòng)機(jī)500 h考核、整車5000 km以上實(shí)車訓(xùn)練等試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了該合金已具備在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)使用的條件[7]。

圖5 渦輪的宏觀組織和微觀組織

3 母合金制備技術(shù)

國(guó)外自20世紀(jì)90年代啟動(dòng)TiAl合金鑄件的研制，TiAl合金母合金的制備技術(shù)也同步啟動(dòng)。對(duì)于TiAl合金，鋁含量是影響其組織和力學(xué)性能的重要元素，據(jù)報(bào)道，鋁的原子數(shù)分?jǐn)?shù)精度及波動(dòng)幅度應(yīng)控制在±0.3%以內(nèi)[10]。此外，由于TiAl合金室溫塑性較低，雜質(zhì)元素含量較高，將進(jìn)一步降低其室溫拉伸塑性，因此雜質(zhì)含量也需要嚴(yán)格控制，研究表明，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在1000×10?6以內(nèi)。在近30年的研究過(guò)程中，TiAl合金母合金的制備工藝主要包括水冷同坩堝懸浮熔煉（ISM）、真空自耗電弧熔煉（VAM- Vacuum arm melting+ISM-Induction skull melting）、冷床爐電子束熔煉（PAM-Plasma arc melting）。

1）水冷銅坩堝真空感應(yīng)懸浮熔煉。采用該工藝時(shí)，由于使用電磁懸浮熔煉，熔煉電流較低，Al元素等低熔點(diǎn)元素?fù)]發(fā)量少，成分準(zhǔn)確；但由于電磁感應(yīng)熔煉坩堝限制，單次熔煉的母合金質(zhì)量相對(duì)較?。?～20 kg），且至少需要2次以上熔煉才能實(shí)現(xiàn)完全合金化，因而母合金制備效率較低，適合于澆注質(zhì)量較小的鑄件以及小批試制階段，并不適于批量生產(chǎn)。

2）真空自耗熔煉。與傳統(tǒng)鈦合金相似，采用多次真空自耗熔煉，可以制備大規(guī)格的TiAl母合金，目前單根母合金最大規(guī)格可達(dá)300 mm、質(zhì)量可達(dá)300 kg以上，適合于大型TiAl鑄件的澆注。但由于TiAl合金中Al和Ti元素的熔點(diǎn)和密度差異較大，真空自耗熔煉過(guò)程中存在金屬熔池凝固結(jié)束時(shí)Ti等高熔點(diǎn)元素尚未完全合金化和Al元素在熔池中分布不均勻的現(xiàn)象[15]，但由于真空自耗熔煉的母合金成分不均勻，并不適合于分段切割后小規(guī)格鑄件的澆注。

3）真空自耗熔煉+真空自耗凝殼熔煉。真空自耗凝殼熔煉熔體過(guò)熱度高、熔池深，可實(shí)現(xiàn)成分的均勻化及去除高熔點(diǎn)未熔元素，熔化后的金屬液在坩堝內(nèi)得到充分均勻，因而采用這種工藝熔煉的母合金成分均勻性較好。同時(shí)凝殼熔煉由于熔煉電流較高，熔煉真空度較高，低熔點(diǎn)元素?fù)]發(fā)嚴(yán)重，因此為獲得目標(biāo)含量的鑄錠，需要對(duì)低熔點(diǎn)元素進(jìn)行燒損補(bǔ)償。鑒于TiAl合金中鋁含量對(duì)組織和力學(xué)性能的顯著影響，在傳統(tǒng)真空自耗熔煉基礎(chǔ)上增加了真空自耗凝殼熔煉[16]。研究表明，采用這種組合熔煉工藝制備的直徑為220 mm的鑄錠，其Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏差范圍可達(dá)到±0.6%[17]。此外，末次采用真空自耗凝殼熔煉可根據(jù)實(shí)際需要采用不同規(guī)格的模具進(jìn)行澆注，進(jìn)而可制備不同規(guī)格的母合金棒，尤其適合于批量生產(chǎn)中小規(guī)格鑄件用的母合金[18]。

鑄件用TiAl母合金的制備技術(shù)水平主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：① 合金元素尤其是主元素Al的成分準(zhǔn)確性和均勻性，Al是低熔點(diǎn)元素，熔煉過(guò)程中容易揮發(fā)[19-21]，通過(guò)添加適當(dāng)?shù)臒龘p補(bǔ)償，并優(yōu)化電極布料方案，百公斤級(jí)TiAl母合金（見(jiàn)圖6）鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)準(zhǔn)確性可控制±0.5%偏差范圍內(nèi)，同一鑄錠9點(diǎn)取樣Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布均勻性控制在±0.4%，其他合金元素Cr，V，Zr元素準(zhǔn)確性和均勻性均可控制在± 0.15%，± 0.1%，±0.1%范圍內(nèi)（見(jiàn)圖7）；②雜質(zhì)元素含量，尤其是氧含量，鋼研院通過(guò)控制原材料尤其是海綿鈦的雜質(zhì)含量、熔煉真空度，采用真空自耗熔煉+真空自耗凝殼工藝制備的百公斤級(jí)TiAl合金氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可控制到650×10?6以內(nèi)（見(jiàn)圖7），這已經(jīng)達(dá)到TiAl母合金氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1000×10?6的工業(yè)化生產(chǎn)要求。

圖6 鋼鐵研究總院采用真空自耗+真空凝殼熔煉的百公斤級(jí)TiAl母合金

圖7 百公斤級(jí)TiAl母合金的化學(xué)成分分析結(jié)果

4 渦輪制備技術(shù)

TiAl合金具有熔體凝固區(qū)間窄、流動(dòng)性差、鑄造靜壓頭作用小等特點(diǎn)，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[22]。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，薄壁葉片欠澆和厚大輪轂芯部疏松缺陷控制難度很大。目前文獻(xiàn)報(bào)道渦輪鑄造技術(shù)主要有以下幾種。

1）重力澆注。國(guó)內(nèi)曾有研究報(bào)道，借鑒鎳基高溫合金增壓器渦輪的重力澆注工藝來(lái)鑄造TiAl合金渦輪，其結(jié)果均宣告失敗，主要原因是TiAl合金靜壓頭較小、熔體流動(dòng)性較差，無(wú)法解決厚大輪轂的疏松以及薄壁葉片的欠澆問(wèn)題[23]。因此，解決TiAl合金增壓器渦輪鑄造的關(guān)鍵是如何改善熔體的充型能力和補(bǔ)縮能力。

2）日本采用反重力鑄造（Levicasting）進(jìn)行民用汽車用TiAl合金渦輪的研制（見(jiàn)圖8a）[3]。研究表明，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，制備出最小壁厚為0.3 mm的45～ 75 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。這種工藝尤其適用于制備直徑相對(duì)較小的渦輪。根據(jù)日本報(bào)道的反重力鑄造結(jié)構(gòu)示意圖推測(cè)，采用這種工藝每爐澆注渦輪數(shù)量較少，同時(shí)，考慮到澆注之前需要預(yù)熱模殼，以及抽真空、澆注后需要在真空下?tīng)t冷到500 ℃以下才能出爐以避免TiAl合金表面氧化等問(wèn)題，采用這種工藝澆注效率相對(duì)較低。

3）鋼鐵研究總院采用離心鑄造（見(jiàn)圖8b），結(jié)合Procast數(shù)值模擬通過(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)[24]，研制出直徑為90～200 mm的TiAl合金渦輪，其中渦輪葉片最小壁厚為0.7 mm（見(jiàn)圖9）。輪質(zhì)量驗(yàn)收的專用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，鋼鐵研究總院與某研究所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。檢查結(jié)果表明，TiAl合金渦輪表面和內(nèi)部冶金質(zhì)量達(dá)到現(xiàn)役鎳基高溫合金鑄件的驗(yàn)收技術(shù)要求。以直徑為100 mm的渦輪為例，渦輪鑄件無(wú)損檢測(cè)和尺寸檢測(cè)綜合合格率達(dá)到50%以上。考慮到當(dāng)前TiAl合金焊接工藝不成熟，無(wú)法通過(guò)補(bǔ)焊手段進(jìn)行缺陷修復(fù)，50%的合格率已經(jīng)是較高的水平。此外，小批量渦輪芯部徑向取樣室溫拉伸強(qiáng)度在380～440 MPa之間，平均強(qiáng)度達(dá)到410 MPa（見(jiàn)圖10），滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖8 澆注示意

圖9 鋼鐵研究總院研制的鑄造TiAl合金渦輪

5 渦輪連接技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)TiAl合金增壓器渦輪的工程化應(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。TiAl合金是一種金屬間化合物基材料，室溫下較脆，其物理、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)接頭部位產(chǎn)生脆性相，而且由于TiAl合金與其他金屬膨脹系數(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)鋼軸的焊接均受到限制[25]。為推動(dòng)TiAl合金增壓器渦輪的工程化應(yīng)用，日本大同制鋼和中國(guó)鋼鐵研究總院提出了2種不同的三體連接工藝。

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[25]，其采用的主要工藝路線如圖11所示，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（見(jiàn)圖11），其中TiAl合金與過(guò)渡體的真空釬焊是技術(shù)關(guān)鍵。Tetsui等[25]提出，由于增壓器渦輪轉(zhuǎn)子是在高溫下高速旋轉(zhuǎn)的部件，釬焊結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的室溫和高溫接頭強(qiáng)度，這就要求釬料應(yīng)具有良好的潤(rùn)濕性、高溫強(qiáng)度、足夠的韌性，且不能引起TiAl本體合金的脆性，同時(shí)，釬焊溫度不能太高以避免造成TiAl合金渦輪本體組織變化。通過(guò)研究，日本大同制鋼采用Ti-Ag系釬料進(jìn)行焊接。釬焊接頭的室溫拉伸性能測(cè)試表明，采用這種釬焊體系，接頭室溫拉伸強(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。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。

國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)90年代啟動(dòng)TiAl合金增壓器渦輪的研究，由于日本技術(shù)保密，鋼鐵研究總院與某研究所聯(lián)合，自主開(kāi)發(fā)了TiAl渦輪與結(jié)構(gòu)鋼軸的過(guò)盈連接+摩擦焊的連接工藝（見(jiàn)圖12）。由于采用過(guò)盈連接，過(guò)盈量設(shè)計(jì)是決定連接強(qiáng)度的關(guān)鍵[26]。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。對(duì)于不同規(guī)格的渦輪，采用的過(guò)盈量也不相同。因而，對(duì)于特定尺寸的渦輪，需根據(jù)增壓器軸承體尺寸來(lái)設(shè)計(jì)特定的結(jié)構(gòu)尺寸和過(guò)盈量。

圖12 鋼鐵研究總院開(kāi)發(fā)的過(guò)盈連接+摩擦焊接工藝及渦輪轉(zhuǎn)軸實(shí)物

6 應(yīng)用試驗(yàn)驗(yàn)證

前述已經(jīng)介紹了日本大同制鋼株式會(huì)社研制TiAl合金增壓器渦輪的應(yīng)用試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。再次，主要介紹了國(guó)內(nèi)鋼鐵研究總院研制的TiAl合金渦輪轉(zhuǎn)子的應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果。鋼鐵研究總院研制的TiAl合金先后進(jìn)行了增壓器臺(tái)架超速破壞試驗(yàn)、2×120 h結(jié)構(gòu)耐久性考核試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)500 h考核試驗(yàn)、整車加速性試驗(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；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)果充分表明鋼鐵研究總院研制的TiAl合金已達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

考慮到TiAl合金屬于鈦基材料，熔模精密鑄造所用的模殼面層材料為昂貴的氧化釔，且渦輪鑄造成品率低于傳統(tǒng)鎳基高溫合金渦輪，因此，TiAl合金制造成本相對(duì)較高[10]，這也是TiAl渦輪工程化應(yīng)用尚需解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

7 結(jié)論和展望

通過(guò)近30年的研究，國(guó)內(nèi)外TiAl合金增壓器渦輪鑄造技術(shù)和連接技術(shù)以及母合金制備技術(shù)基本成熟，已具備了工程化應(yīng)用的條件，是TiAl合金部件工程化應(yīng)用的先行者。結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀，為進(jìn)一步推動(dòng)TiAl合金工程化應(yīng)用，尚需在以下幾方面開(kāi)展工作。

1）現(xiàn)有渦輪鑄造工藝生產(chǎn)效率較低，尚需進(jìn)一步優(yōu)化工藝，提高生產(chǎn)效率。

2）采用真空自耗+真空凝殼組合工藝，制備的百公斤級(jí)TiAl母合金主元素成分偏差可控制在±0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以內(nèi)，雜質(zhì)氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可控制在0.07%以內(nèi)，達(dá)到了國(guó)外TiAl合金的成分控制水平。

3）現(xiàn)有過(guò)盈連接+摩擦焊工藝，過(guò)盈量設(shè)計(jì)和控制要求較高，對(duì)連接前的加工要求較苛刻，加工成本高、生產(chǎn)效率，尚需進(jìn)一步優(yōu)化工藝以提高生產(chǎn)效率。

4）國(guó)內(nèi)TiAl合金增壓器渦輪轉(zhuǎn)軸已通過(guò)了車輛發(fā)動(dòng)機(jī)考核試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足了國(guó)內(nèi)車輛設(shè)計(jì)要求。

5）國(guó)內(nèi)已全面打通了TiAl合金增壓器渦輪轉(zhuǎn)軸的制備技術(shù)，并已具備了中小批量的生產(chǎn)條件。

6）TiAl合金是一種新材料，TiAl合金渦輪鑄件的檢測(cè)驗(yàn)收尚無(wú)成熟的標(biāo)準(zhǔn)，尚需制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范TiAl合金渦輪鑄件的質(zhì)量檢驗(yàn)和驗(yàn)收。

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Research Progress of Titanium Aluminide Turbocharger Turbine

ZHU Chun-lei1,2,3, LIU Ye4, ZHANG Ji3, HE Hong4, ZHU Xiao-ping1,2

(1. DEKAI Intelligent Casting Co., Ltd., Baoding 072750, China; 2. Gaona Aero Material Co., Ltd., Beijing 100081, China; 3. Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China; 4. China North Engine Research Institute, Tianjin 300405, China)

Replacing heavy nickel-base superalloy with light TiAl alloy to manufacture turbocharger turbine of internal combustion engine is an effective way to improve the acceleration response and achieve light weight of internal combustion engine. Focusing on the engineering application of TiAl turbocharger turbine, the research progresses in alloy and structural design, manufacture and joining technology of TiAl turbocharger turbine, the manufacture technology of master alloy and application test were analyzed. The technologies on casting and joining as well as the manufacture technology of master alloy in China are basically mature and meet the conditions on engineering application. But it is also required to further improve the production efficiency of casting and joining for TiAl turbocharger turbine and formulate corresponding industrial standard as soon as possible.

TiAl; turbine; master alloy; casting; joining

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.008

TG146.2

A

1674-6457(2022)01-0062-09

2021-09-16

朱春雷（1984—），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檩p質(zhì)TiAl合金材料研究及部件工程化應(yīng)用開(kāi)發(fā)。