一种钛基复合材料汽车发动机气门的制备方法

摘要

本发明公开了一种钛基复合材料汽车发动机气门的制备方法，包括以下步骤：（1）通过粉末冶金制备钛基复合材料；（2）将钛基复合材料进行热挤压得到热挤压坯料；（3）将热挤压坯料进行电镦粗得到电镦粗坯料；（4）将电镦粗坯料进行模锻得到模锻坯料；（5）将模锻坯料进行热处理得到热处理坯料；（6）将热处理坯料进行机加工即得到钛基复合材料汽车发动机气门。本发明采用粉末冶金技术制备钛基复合材料汽车发动机气门，具有工艺流程短、材料利用率高、能量消耗小、设备投入小等优点。

权利要求

1.一种钛基复合材料汽车发动机气门的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）通过冷等静压和真空烧结方法制备钛基复合材料；

（2）将钛基复合材料进行热挤压得到热挤压坯料；

（3）将热挤压坯料进行电镦粗得到电镦粗坯料；所述热挤压为采用单向包套热挤压，所述热挤压的预热温度为1100-1300℃，保温时间为30min-60mim，挤压比为6-12：1；

（4）将电镦粗坯料进行模锻得到模锻坯料；

（5）将模锻坯料进行热处理得到热处理坯料；所述热处理为将模锻坯料进行去应力退火，控制退火温度为400-550℃，时间为2-4h；

（6）将热处理坯料进行机加工即得到钛基复合材料汽车发动机气门；

其中，所述钛基复合材料的原料按质量百分比计Al不超过6%，Sn不超过2%，Zr不超过

5%，Mo2C不超过6%，余量Ti；所述Mo2C的平均粒径为3-10μm；上述Al、Sn、Zr、Mo2C的含量均大于0；

所述钛基复合材料中含有由Ti与Mo2C原位反应得到TiC，所述TiC的平均尺寸为10-20μm；

所述Ti为氢化脱氢Ti粉，平均粒径为45-104μm，氧含量质量比低于0.3%；所述Al、Sn、Zr的平均粒径均为15-45μm；

真空烧结的升温速率为5-10℃/min，烧结温度为1200℃-1400℃，真空度控制为5×10-3 Pa-1×10-2 Pa，保温时间为1-5h。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备钛基复合材料为先将所述钛基复合材料的原料混合均匀后经冷等静压压制成型，再进行真空烧结。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述冷等静压的压力为100-300MPa，保压时间为300-1000s。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电镦粗为将热挤压坯料置于砧座电极与镦粗缸之间进行加热和电镦得到电镦粗坯料，并控制电镦温度为900-1000℃，镦粗缸的上行速度为2-4 mm/s。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述模锻为将电镦粗坯料快速转移到涂有石墨润滑剂的模具中进行锻造获得模锻坯料，并控制锻造温度为400-500℃，锻造上冲头的下压速度为8-12mm/s。

说明书

一种钛基复合材料汽车发动机气门的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于汽车发动机技术领域，尤其涉及一种汽车发动机气门的制备方法。

背景技术

[0002] 目前，轻量化、节能减排、绿色环保是全球汽车工业的主要发展方向。钛合金由于具有高强度、低密度、低弹性模量、耐腐蚀、抗氧化等优异性能，用作发动机部件不仅能够优化发动机性能、提高响应速度，而且能够节省燃料、降低噪音、降低排放，是理想的发动机材料之一，在发动机部件（如气门、连杆、气门弹簧、弹簧座圈、凸轮轴、排气系统等）方面有广泛的应用前景。在汽车发动机零部件中，气门（尤其是排气门）的工作温度很高（排气门工作温度>700℃），服役环境苛刻，要求材料具有良好的高温强度、高温硬度、耐磨、耐氧化等性能。目前已有的高温钛合金的最高使用温度仅为650℃，难以满足汽车发动机排气门的服役需求，因此需要开发出能耐更高温度的新型钛合金材料。引入第二相粒子制备钛基复合材料可有效抑制钛合金在高温下的软化，提高高温强度，是提高钛合金使用温度的重要手段。目前，钛基复合材料的研究较多，但应用研究（尤其是面向汽车工业的应用研究）还没见报道。

[0003] 钛合金零部件的制备主要采用的是铸锭冶金工艺，该工艺制备流程包括多次真空自耗熔炼、开坯、多火锻造、轧制、机加等多道工艺，该工艺的工艺流程长，熔炼及高温锻造的能量消耗大，设备投入惊人，使得采用铸锭冶金工艺制备的钛合金零部件成本普遍较高，难以满足汽车工业的低成本需求。粉末冶金工艺由于具有原材料成本低、工艺流程短、能量消耗小、设备投入小等优点，能显著降低成本。因此，开发出一种工艺流程短、能量消耗小、设备投入小的钛合金材料及其零部件的制备工艺具有广阔的市场前景。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种具有工艺流程短、能量消耗小、设备投入小、材料利用率高等优点的钛基复合材料汽车发动机气门的制备方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

[0005] 一种钛基复合材料汽车发动机气门的制备方法，包括以下步骤：

[0006] （1）通过冷等静压和真空烧结方法制备钛基复合材料；

[0007] （2）将钛基复合材料进行热挤压得到热挤压坯料；

[0008] （3）将热挤压坯料进行电镦粗得到电镦粗坯料；

[0009] （4）将电镦粗坯料进行模锻得到模锻坯料；

[0010] （5）将模锻坯料进行热处理得到热处理坯料；

[0011] （6）将热处理坯料进行机加工即得到钛基复合材料汽车发动机气门。

[0012] 上述制备方法中，优选的，所述钛基复合材料的原料按质量百分比计Al不超过6%，Sn不超过2%，Zr不超过5%，Mo2C不超过6%，余量Ti。添加不稳定α相与不稳定β相的中性元素Sn和Zr，起到固溶强化作用，可提高复合材料的强度；添加稳定α相元素Al，主要目的在于提高复合材料的高温强度；加入Mo元素后，Mo原子固溶到Ti合金基体中，起到固溶强化作用，可以提升复合材料的耐磨性能。上述原料得到的钛基复合材料具有轻质高强、高硬、高耐磨等优点，最终制备得到的钛基复合材料气门也具有轻质高强、高硬、高耐磨等优点。

[0013] 上述制备方法中，优选的，所述钛基复合材料中含有由Ti与Mo2C原位反应得到TiC，所述TiC的平均尺寸为10-20μm。本发明中通过原位反应得到的TiC颗粒与直接添加TiC颗粒存在本质的区别，原位反应生成的TiC与合金基体界面结合度比直接添加方式的好，另外TiC颗粒的大小分布可以通过烧结温度，升温速率，保温时间等来调节。基于上述原因，本发明中原位生成的细小颗粒TiC颗粒与基体结合度很高，钛基复合材料表面有由磨粒氧化并嵌入到发生了氧化的钛基体中形成的氧化膜，这一氧化膜对粘着磨损和磨粒磨损起到了阻碍作用，减缓了磨损，可提高气门的耐磨性。另外，TiC颗粒的平均尺寸大小需要控制在微米级，当颗粒尺寸过大时，容易造成应力集中，从而造成材料的破坏；另外材料在摩擦过程中，由于增强相TiC颗粒过大，容易形成磨粒磨损，颗粒从基体中剥落，降低材料的耐磨性能，进而影响到气门的综合性能。

[0014] 上述制备方法中，优选的，所述Ti为氢化脱氢Ti粉，平均粒径为45-104μm，氧含量质量比低于0.3%；所述Al、Sn、Zr的平均粒径均为15-45μm；所述Mo2C的平均粒径为3-10μm。对钛粉尺寸的限定主要作用在于控制钛粉末的氧含量，粉末粒度越小，一般氧含量越高，但当钛粉粒度过大时，会导致粉末机械混合时不均匀，导致元素偏聚，并且在烧结时扩散困难，材料致密度低；当粒度过小时，粉末氧含量很高，导致最终材料氧含量过高，起到固溶强化作用的氧原子会导致材料丧失塑性。另外，各合金元素粉末粒度的限制是为了在粉末混合的过程会更加均匀，Mo2C粒度比其他合金粉末粒度小，是为了在烧结过程中，形成更加细小弥散的TiC颗粒。

[0015] 上述制备方法中，优选的，所述粉末冶金制备钛基复合材料为先将所述钛基复合材料的原料混合均匀后经冷等静压压制成型，再进行真空烧结。

[0016] 上述制备方法中，优选的，所述冷等静压的压力为100-300MPa，保压时间为300-1000s，真空烧结的升温速率为5-10℃/min，烧结温度为1200℃-1400℃，真空度控制为5×
10-3 Pa 1×10-2 Pa，保温时间为1-5h。在300-1000s的保压时间内可以保证坯料的强度，从~
而影响后面的真空烧结阶段；低于300s时，会造成坯料强度过低，以至于在烧结过程中产生较多空隙，当大于1000s时，对坯料强度的提高产生的影响不大。真空烧结过程中，原料中的Ti与Mo2C会发生原位反应，Mo会固溶到钛基体相中，生成由大部分α相（密排六方结构）、部分β相（体心立方结构）和TiC颗粒组成的粉末冶金钛基复合材料，反应方程式为：2Ti+Mo2C=TiC+Ti(Mo)。真空烧结温度低于1200℃时，复合材料烧结后致密度低，并且没有TiC颗粒生成，当超过1400℃时，对复合材料致密度的提升产生效果不大，综合考虑后，采用1200℃--2
1400℃为最佳温度；真空度保持至少保持在1×10 Pa以上，否则会造成复合材料在真空烧结后氧含量过高；保温时间低于1h时，各元素没完全扩散，TiC颗粒生成时间不够，造成不完全烧结，当烧结时间在5h以上时，复合材料组织粗化，TiC颗粒长大，降低复合材料性能。

[0017] 上述制备方法中，优选的，所述热挤压为采用单向包套热挤压，所述热挤压的预热温度为1100-1300℃，保温时间为30min-60mim，挤压比为6:1-12:1。对于粉末冶金制品，通过压制烧结的方法很难达到全致密，材料的孔隙度在很大程度上影响到材料的强度和蠕变性能，通过热挤压的方法，可以消除空隙，达到全致密的同时，还可以细化晶粒，使得TiC颗粒在基体相中分布更均匀，提高复合材料的综合性能。本发明中，热挤压预热时，1100℃-1300℃在该材料的β相变点以上，可将该材料在高温较软的β相进行挤压；保温时间低于
30min时，材料无法预热彻底，材料可能无法达到设定预热温度，保温时间大于60min时，会造成复合材料氧化严重，严重影响复合材料的性能；挤压比在大于6:1时，可保证复合材料的致密度得到提升，基本消除空隙，当挤压比大于12:1时，在使得复合材料得到全致密以及细化晶粒时，再增加挤压比意义不大。本发明中经热挤压后的粉末冶金复合材料在室温、
600℃和700℃条件下的抗拉强度分别为1320MPa、850MPa、594MPa。

[0018] 上述制备方法中，优选的，所述电镦粗为将热挤压坯料置于砧座电极与镦粗缸之间进行加热和电镦得到电镦粗坯料（大蒜头形状），并控制电镦温度为900-1000℃，镦粗缸的上行速度为2-4 mm/s。电镦粗温度限制在900℃-1000℃是为了在较高温度α+β两相区进行变形，不至于导致温度过高材料组织粗化。

[0019] 上述制备方法中，优选的，所述模锻为将电镦粗坯料快速转移到涂有石墨润滑剂的模具中进行锻造获得模锻坯料，并控制锻造温度为400-500℃，锻造上冲头的下压速度为8-12mm/s。

[0020] 上述制备方法中，优选的，所述热处理为将模锻坯料进行去应力退火，控制退火温度为400-550℃，时间为2-4h。去应力退火温度低于400℃时，很难达到位错滑移抵消所需要的能量，起不到去应力的目的，在温度过高时，会造成晶粒再结晶程度大，晶粒粗化。

[0021] 钛合金本身具备轻质高强的特点，添加的合金元素Al是钛合金中α相稳定元素，而α相为Al原子固溶到钛基体中的一种具有密排六方结构的相，具有较好的高温性能，可提高材料的高温强度，另外，本发明中添加了不稳定α相与不稳定β相的中性元素Sn和Zr，Sn和Zr的添加起固溶强化作用，增加钛合金的强度。利用上述钛基复合材料最终制备得到的发动机气门也具有轻质高强、高硬、高耐磨等优点。

[0022] 本发明通过Mo2C的方式添加C原子，使得材料在粉末混合阶段，各粉末混合更加均匀，以至于在后续烧结阶段，增强相颗粒TiC颗粒的分布更加均匀，并且TiC颗粒的大小可以通过烧结时间来控制，使得增强相与基体结合的更好，获得更好的高温性能和耐磨性能，最终制备得到的气门也具有更好的高温性能和耐磨性能。

[0023] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0024] 1、本发明采用粉末冶金技术制备钛基复合材料汽车发动机气门，具有工艺流程短、材料利用率高、能量消耗小、设备投入小等优点。

[0025] 2、本发明的制备方法相比传统的铸造方法成份调整灵活、生产周期短、加工成本低，是一种低成本发动机气门的制备方法。

[0026] 3、本发明中采用具有轻质高强、高硬、高耐磨等优点的钛基复合材料，制备得到的汽车发动机气门时可满足发动机高速运转的高温、高强度需要。

附图说明

[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0028] 图1是实施例1中钛基复合材料汽车发动机气门的微观组织金相照片。

[0029] 图2是实施例1中钛基复合材料汽车发动机气门的实物图。

[0030] 图3是实施例1中钛基复合材料汽车发动机气门菌部的组织照片。

[0031] 图4是实施例1中钛基复合材料的磨损量和摩擦系数随温度变化曲线。

[0032] 图5是实施例1中钛基复合材料汽车发动机气门台架试验后的照片。

具体实施方式

[0033] 为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

[0034] 除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

[0035] 除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

[0036] 实施例1：

[0037] 一种钛基复合材料汽车发动机气门的制备方法，包括以下步骤：

[0038] （1）通过粉末冶金制备钛基复合材料；其中，钛基复合材料的原料中按质量百分比计，Ti为82%、Al 为6%、Sn为2%、Zr为4%、Mo2C为6%，Ti为氢化脱氢Ti粉，平均粒径为75μm，氧含量质量比低于0.2%；Al、Sn、Zr的平均粒径为45μm，Mo2C的平均粒径为5μm；制备的具体步骤为：

[0039] 1、将Ti、Al、Sn、Zr与Mo2C粉末使用高效率V型混料机按比例混合，混合过程中通氩气保护，控制转速为20r/min，混合时间为8h；

[0040] 2、将混合料装入直径为125mm的橡胶管中，震实后使用冷等静压压制，控制冷等静压压力为300MPa，保压时间为300s，所用压制包套为可重复使用的橡胶包套；

[0041] 3、将冷等静压压制得到的坯体进行真空烧结，控制真空烧结温度为1300℃，烧结升温速率为在室温到500℃，升温速率为10℃/min，并在500℃保温30min，在500℃到1000℃时，升温速率为8℃/min，并在1000℃保温20min，在1000℃到1300℃时，升温速率为5℃/min，在1300℃保温时间为1.5h，真空度保持在5×10-3 Pa，并随炉冷却得到钛基复合材料；真空烧结过程中，Ti与Mo2C原位反应（反应方程式为：2Ti+Mo2C=TiC+Ti(Mo)）得到平均尺寸为20μm的TiC颗粒，且TiC颗粒均匀分布于基体相中；

[0042] （2）将钛基复合材料在热挤压机中挤压得到热挤压坯料；控制预热温度为1250℃，预热时间为30min，挤压比为10：1；

[0043] （3）将热挤压坯料进行电镦粗，经热挤压后的坯料首先置于砧座电极与镦粗缸之间，通过砧座电极和夹紧电极对在坯料上部通以低电压高电流对坯料上端进行加热，利用镦粗缸向坯料底部施加压力迫使材料变形获得大蒜头形状的电镦粗坯料，控制变形温度为1000℃，镦粗缸的上行速度为2mm/s；

[0044] （4）将电镦粗坯料快速转移到涂有石墨润滑剂的模具中进行锻造，控制锻造模具加热温度为400℃，锻造的下压速度为10mm/s，锻造完成后获得锻造坯料；

[0045] （5）将模锻坯料进行去应力退火，控制退火温度为400℃，时间为2h，得到热处理坯料；

[0046] （6）将坯料进行校正后采用机加方法制备得到本实施例中的汽车发动机气门成品。

[0047] 本实施例中的钛基复合材料的微观组织如图1所示，由图可知，原料经混合、压制、真空烧结后有TiC颗粒生成。本实施例制备的钛基复合材料气门的实物图如图2所示。钛基复合材料汽车发动机气门菌部的组织照片如图3所示，由图可知，菌部部位流线分布均匀，完整性良好。钛基复合材料的磨损量和摩擦系数随温度变化曲线如图4所示。

[0048] 按照汽车发动机气门-气门座强化磨损台架试验方法（中华人民共和国汽车行业标准QC/T748-2006），在模拟台架试验机上进行了模拟台架试验。使用天然气对气门裙部加热并保持在400-450℃，气门在实验机下方的顶杆和弹簧作用下产生往复运动，频率为1500次/分钟。为了磨损均匀，气门在台架实验过程中通过齿轮作用发生自转动，转速为3.5圈/5
分钟。整个实验持续8小时，总计往复运动约7×10次。钛基复合材料汽车发动机气门台架试验后的照片如图5所示，由图可知，实施例中的汽车发动机气门经过模拟台架试验后表面无裂纹，外观完好。

[0049] 实施例2：

[0050] 一种钛基复合材料汽车发动机气门的制备方法，包括以下步骤：

[0051] （1）通过粉末冶金制备钛基复合材料；其中，钛基复合材料的原料中按质量百分比计，Ti为88%、Al 为4%、Sn为1%、Zr为3%、Mo2C为4%，Ti为氢化脱氢Ti粉，平均粒径为75μm，氧含量质量比低于0.2%；Al、Sn、Zr的平均粒径为45μm，Mo2C的平均粒径为5 μm；制备的具体步骤为：

[0052] 1、将Ti、Al、Sn、Zr与Mo2C粉末使用高效率V型混料机按比例混合，混合过程中通氩气保护，控制转速为20r/min，混合时间为8h；

[0053] 2、将混合料装入直径为125mm的橡胶管中，震实后使用冷等静压压制，控制冷等静压压力为250MPa，保压时间为900s，所用压制包套为可重复使用的橡胶包套；

[0054] 3、将冷等静压压制得到的坯体进行真空烧结，控制真空烧结温度为1250℃，烧结升温速率为在室温到500℃，升温速率为10℃/min，并在500℃保温30min，在500℃到1000℃时，升温速率为8℃/min，并在1000℃保温20min，在1000℃到1200℃时，升温速率为5℃/min，在1250℃保温时间为4h，真空度保持在5×10-3 Pa，并随炉冷却得到钛基复合材料；真空烧结过程中，Ti与Mo2C原位反应（反应方程式为：2Ti+Mo2C=TiC+Ti(Mo)）得到平均尺寸为15μm的TiC颗粒，且TiC颗粒均匀分布于基体相中；

[0055] （2）将钛基复合材料在热挤压机中挤压得到热挤压坯料；控制预热温度为1100℃，预热时间为60min，挤压比为8：1；

[0056] （3）将热挤压坯料进行电镦粗，经热挤压后的坯料首先置于砧座电极与镦粗缸之间，通过砧座电极和夹紧电极对在坯料上部通以低电压高电流对坯料上端进行加热，利用镦粗缸向坯料底部施加压力迫使材料变形获得大蒜头形状的电镦粗坯料，控制变形温度为900℃，镦粗缸的上行速度为4mm/s；

[0057] （4）将电镦粗坯料快速转移到涂有石墨润滑剂的模具中进行锻造，控制锻造模具加热温度为500℃，锻造的下压速度为12mm/s，锻造完成后获得锻造坯料；

[0058] （5）将模锻坯料进行去应力退火，控制退火温度为500℃，时间为2h，得到热处理坯料；

[0059] （6）将坯料进行校正后采用机加方法制备得到本实施例中的汽车发动机气门成品。

[0060] 实施例3：

[0061] 一种钛基复合材料汽车发动机气门的制备方法，包括以下步骤：

[0062] （1）通过粉末冶金制备钛基复合材料；其中，钛基复合材料的原料中按质量百分比计，Ti为85%、Al 为6%、Sn为2%、Zr为5%、Mo2C为2%，Ti为氢化脱氢Ti粉，平均粒径为45μm，氧含量质量比低于0.3%；Al、Sn、Zr的平均粒径为45μm，Mo2C的平均粒径为5μm；制备的具体步骤为：

[0063] 1、将Ti、Al、Sn、Zr与Mo2C粉末使用高效率V型混料机按比例混合，混合过程中通氩气保护，控制转速为20r/min，混合时间为8h；

[0064] 2、将混合料装入直径为125mm的橡胶管中，震实后使用冷等静压压制，控制冷等静压压力为200MPa，保压时间为700s，所用压制包套为可重复使用的橡胶包套；

[0065] 3、将冷等静压压制得到的坯体进行真空烧结，控制真空烧结温度为1200℃，烧结升温速率为在室温到500℃，升温速率为10℃/min，并在500℃保温30min，在500℃到1000℃时，升温速率为8℃/min，并在1000℃保温20min，在1000℃到1200℃时，升温速率为5℃/min，在1200℃保温时间为3h，真空度保持在5×10-3 Pa，并随炉冷却得到钛基复合材料；真空烧结过程中，Ti与Mo2C原位反应（反应方程式为：2Ti+Mo2C=TiC+Ti(Mo)）得到平均尺寸为14μm的TiC颗粒，且TiC颗粒均匀分布于基体相中；

[0066] （2）将钛基复合材料在热挤压机中挤压得到热挤压坯料；控制预热温度为1150℃，预热时间为50min，挤压比为12：1；

[0067] （3）将热挤压坯料进行电镦粗，经热挤压后的坯料首先置于砧座电极与镦粗缸之间，通过砧座电极和夹紧电极对在坯料上部通以低电压高电流对坯料上端进行加热，利用镦粗缸向坯料底部施加压力迫使材料变形获得大蒜头形状的电镦粗坯料，控制变形温度为900℃，镦粗缸的上行速度为3mm/s；

[0068] （4）将电镦粗坯料快速转移到涂有石墨润滑剂的模具中进行锻造，控制锻造模具加热温度为460℃，锻造的下压速度为11mm/s，锻造完成后获得锻造坯料；

[0069] （5）将模锻坯料进行去应力退火，控制退火温度为460℃，时间为3h，得到热处理坯料；

[0070] （6）将坯料进行校正后采用机加方法制备得到本实施例中的汽车发动机气门成品。