Ar galime pagaminti variklį iš titano

Palyginti su lengvomis medžiagomis, tokiomis kaip aliuminis, magnio lydiniai ir anglies pluoštu sustiprintas plastikas,titanopasižymi dideliu specifiniu stiprumu, atsparumu karščiui ir atsparumu korozijai, todėl yra idealus metalas transportavimo įrangai aviacijos ir automobilių pramonėje. Viena vertus, titanas laikomas plačiai naudojama aviacijos ir kosmoso medžiaga. Tačiau, kita vertus, automobilių pramonėje plienas yra geriau žinomas dėl savo plataus universalumo. Taip yra todėl, kad automobilių varikliai, pagaminti iš titano, automobilių vartotojų rinkai paprastai yra per brangūs. Didelės titano dalių gamybos sąnaudos trukdė ją plėsti iki masinės gamybos. Vietoj to, ji pirmiausia buvo identifikuota kaip speciali medžiaga, pavyzdžiui, automobilių ir motociklų lenktynių dalims, kur mažas svoris ir didelis stiprumas bei standumas yra labai svarbūs.

Stūmokliniai variklio komponentai yra veiksmingiausi titano panaudojimo būdai, įskaitant įsiurbimo vožtuvus, išmetimo vožtuvus, vožtuvų spyruoklių lizdus, ​​vožtuvų spyruokles, vožtuvų svirties, švaistiklius ir stūmoklių kaiščius, kaip parodyta 3 pav. švaistikliai paprastai suprojektuoti naudojant tipinius konstrukcinius plius fazių titano lydinius, tokius kaip Ti-6Al-4V, kurie veikia iki 300 laipsnių kampu. Taip yra todėl, kad didysis švaistiklio galas turi turėti optimalią geometrinę formą ir pakankamą standumą, kad sumažintų stiprumo sumažėjimą dėl dilimo nuovargio. Sumažintas stūmoklio kaiščio svoris labai sumažina triukšmą, vibraciją, akustinį šiurkštumą ir pagerina variklio darbą, įskaitant degalų sąnaudas. Vietoj to, vožtuvų spyruoklių lizdai yra pagaminti iš fazės titano lydinių, tokių kaip Ti-22V-4Al (DAT51), kuris yra deformuojamas šaltai. Be to, Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al (arba pigių beta, LCB) lydiniai taip pat tinkami vožtuvų spyruoklių lizdams gaminti. LCB lydinys pasižymi mažu Youngo moduliu, dideliu stiprumu ir mažesnėmis gamybos sąnaudomis, palyginti su Ti-6Al-4V lydiniais. Išsami informacija apie spyruoklių veikimą automobiliams bus aptarta vėliau. Alkūninis velenas yra vienintelis variklio komponentas, kurį sunku efektyviai pagaminti iš titano. Kadangi alkūninio veleno vaidmuo yra paversti stūmoklio grįžtamąjį judesį sukimo momentu, kuris sukuria varomąją jėgą, sumažinus medžiagos svorį, jai trūktų reikiamo standumo, kad galėtų atlikti atitinkamą funkciją.

Atsižvelgiant į gamybos sąnaudas, titano išmetimo vožtuvai gali būti ekonomiškesni, kai pakeičiami stūmokliniais variklio komponentais, pagamintais iš brangesnės lydinio sudėties, pavyzdžiui, esant aukštai temperatūrai, maždaug 800 laipsnių. Kadangi geležies pagrindu pagaminti išmetimo vožtuvai daugiausia sudaryti iš Fe-21Cr-0.4N (21-4N), jie turi didelį austenitinį atsparumą karščiui, bet yra brangūs. Todėl nuo devintojo dešimtmečio aukštos temperatūros beveik alfa fazės titano lydiniai Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo-0. 7Nb-0.35Si-0.06C (IMI834) ir Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo{{31} }.45Si (Ti-1100) sukūrė IMI ir TIMET. Dešimtajame dešimtmetyje padidėjus stūmoklinių variklių galiai ir griežtesniems išmetamųjų teršalų reguliavimui, išmetimo vožtuvų temperatūra pakilo ir išmetimo vožtuvams buvo pritaikyta daug aukštos temperatūros alfa fazės titano lydinių. Šios tendencijos paskatino naujas titano technologijas, tokias kaip unikalus lydinio dizainas ir mikrostruktūros valdymas, kaip parodyta 3 paveiksle. Lydiniai, tokie kaip 5 tūrio procentai TiB/Ti-6Al-4Sn-4Zr -1Mo-1Nb-0.2Si (TiB MMC), Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-2 .8Mo-0.7Nb-0.35Si-0.06C (DAT54) ir Ti-6Al-4Sn-3.5Zr{{64 }}.5Mo-1Ta-0.35 Si , yra tipiški titano lydiniai, naudojami kuriant išmetimo vožtuvus. Visų pirma, TiB MMC pasižymi unikaliomis savybėmis, tokiomis kaip itin didelis stiprumas ir atsparumas karščiui iki maždaug 900 laipsnių, taip pat atsparumas korozijai ir didelis atsparumas dilimui. Šis atsparumas karščiui atsiranda dėl TiB dalelių buvimo Ti-MMC, tačiau po TiB2 nusodinimo in situ reaguodamas su Ti per sukepinimą aukštoje temperatūroje, TiB dalelės yra stabilios tik titano lydiniuose. Priešingai, DAT54 pasiekė pusiausvyrą tarp atsparumo šliaužimui ir mažo atsparumo perimetrui nuovargiui esant aukštai temperatūrai, nes pridėjus 2,8 procento Mo suteikė unikalią bimodalinę struktūrą. ti-1100 su pasisukimo adata panašia struktūra ir dideliu valkšnumo stiprumu taip pat buvo pritaikytas išmetimo vožtuvams.

Be to, norint skatinti titano naudojimą stūmoklinio variklio komponentuose, svarbu derinti reikiamas apdorojimo sąlygas, kad būtų gautos norimos kiekvieno variklio komponento savybės. Pavyzdžiui, kaip minėta anksčiau, mišrių elementų (BE) miltelių metalurgijos procesai ir aukštos temperatūros ekstruzijos procesai buvo sėkmingi siekiant 100 procentų medžiagų išeiga. 4 paveiksle parodytas bandomasis produktas, skirtas variklio komponentams gaminti naudojant BE miltelinės metalurgijos procesą. Šaltasis formavimas taip pat svarbus gaminant pigias titano variklio dalis. Pavyzdžiui, vožtuvų spyruoklių lizdai, kuriuose naudojamas Ti-22V-4V lydinys, yra geriau formuojami nei Ti-6Al-4V lydinio. Paviršiaus apdorojimas, pvz., šratavimas, siekiant susidoroti su dideliu apskritimo nuovargio stiprumu, metalo dengimas, terminis purškimas ir sukietėjimas tarpinių elementų pagalba, padidina vertę ir taip pat efektyviai pagerina patikimumą, ypač oksidaciją, kaip tipišką nebrangų variklio vožtuvų apdorojimą. tiB MMC variklio vožtuvai su nebrangiu paviršiaus apdorojimu atitinka griežtus atsparumo dilimui kriterijus po variklio patvarumo bandymo, kaip aprašyta vėliau. .