渦輪機葉輪用TiAl合金的開發(fā)
近年，以發(fā)達國家為中心一直在強化汽車燃料費規(guī)則，即節(jié)能環(huán)保規(guī)則。為此，以歐洲為中心盛行用渦輪增壓器補償輸出功率低下技術，實現(xiàn)節(jié)油的目標。另一方面，伴隨節(jié)油化，發(fā)動機排氣溫度升高，故要求提高渦輪增壓器的耐熱性，特別是直接承受排氣的渦輪葉輪和殼罩的耐受溫度能達1050℃。
由于TiAl合金具有優(yōu)良的高溫特性，故將之用作超合金的代替耐熱材料一直是令人期待的，特別是在渦輪機葉輪這樣的旋轉(zhuǎn)體上，利用其輕量性可提高增壓器性能。
1999年，大同特殊鋼公司率先在市場銷售TiAl材，作為渦輪增壓器渦輪機葉輪用材料。至今，已經(jīng)開發(fā)了用于柴油發(fā)動機和低溫發(fā)動機的TiAl合金的DAT-TA1，進一步提高耐熱性的用于高溫汽油發(fā)動機的DAT-TA2。伴隨排氣溫度上升，要求進一步提高耐受溫度，為此開發(fā)了DAT-TA3。本文介紹了既保持了制造性，又提高了高溫強度，且實現(xiàn)了含C量，含Si量最佳化的DAT-TA3的開發(fā)及特性。
1合金組成
表1為開發(fā)的渦輪葉輪用TiAl合金的化學成分。包括TiAl合金材質(zhì)在內(nèi)的渦輪葉輪因形狀復雜，故大多采用精密鑄造法制造。一般認為在TiAl合金中加入鈮可以提高材料的高溫強度和耐氧化特性，但若多量加入不僅會劣化其鑄造性，且還會因提高了合金密度而損失了合金的輕量化。
因此，在考慮了加鈮量對產(chǎn)品高溫特性和制造性的影響后，決定加入7.5%Nb。并且，C和Si都是提高高溫強度的元素，多量加入會降低材料的延性、韌性，以及影響制造性，因此決定在DAT-TA2成分的基礎上，將含碳量從0.03%增加至0.10%，含Si量從0.50%降至0.35%。另外，為了如原來材同樣地提高延性而加入了Cr，還調(diào)整了Al加入量，從而使開發(fā)材獲得了由相（TiAl）和相組成的層狀結構組織。
2實驗方法
本公司生產(chǎn)的Ti合金及TiAl合金鑄件一直采用獨自地磁力懸浮熔煉和鑄造法制造。由于本工藝的熔煉在水冷銅坩堝內(nèi)進行，因雜質(zhì)混入而造成金屬液的污染少，故可獲得高純凈度的產(chǎn)品。并且，鑄造采用了減壓吸引法，因而可以鑄造葉片頂端最薄到0.5mm的產(chǎn)品。
本研發(fā)項目采用以上熔煉法和鑄造法制作加工了10mm60mm棒型試樣，對在鑄態(tài)下材料的各種特性進行了評價。另外，本公司制造的TiAl質(zhì)渦輪葉輪無須熱處理，可以在鑄態(tài)下使用。作為比較，也對原來材DAT-TA1、DAT-TA2進行了同樣的評價。
3結果
3.1顯微組織
觀察鑄態(tài)DAT-TA3、DAT-TA1、DAT-TA2的顯微組織可知，TiAl合金呈現(xiàn)的是γ相（TiAl）和α2相（Ti3Al）構成的層狀結構，故材料的高溫強度高。因此，3種材料呈現(xiàn)全面的層狀組織，也就成了高溫特性優(yōu)良的顯微組織。
3.2力學性能
3.2.1抗拉特性
鑄態(tài)合金試樣在室溫~1050℃的拉伸試驗結果表明，在低溫（小于600℃）區(qū)間，開發(fā)材DAT-TA3顯示出與原來材相同程度的抗拉強度；而0.2%屈服強度，雖因其延性低而無法評價，但在600℃以上區(qū)域，開發(fā)材卻有比原來材更高的抗拉強度和0.2%屈服強度。另一方面，因開發(fā)材的延性比原來材更低，故須進行適當?shù)奶幚怼?/span>
3.2.2蠕變斷裂強度
由于渦輪葉輪在高溫下以20萬rpm以上的高速旋轉(zhuǎn)，離心力將載荷作用于葉片上促使其變形，因與渦輪殼罩接觸而破損，故材料的蠕變斷裂強度是決定材料耐用性的重要特性。從上述3種合金在鑄態(tài)下的800-1050℃蠕變斷裂強度試驗可知，開發(fā)材的蠕變斷裂強度在全溫度領域都是最高的，從拉森-密勒參數(shù)計算出DAT-TA3的耐用溫度比DTA-TA1最大要高出50℃，比DTA-TA2最大要高出20℃。
因此，渦輪葉輪等旋轉(zhuǎn)體的密度越大則離心力也越大，故若以考慮了密度差的比蠕變斷裂強度進行評價，則開發(fā)品的比蠕變斷裂強度達到了作為葉輪材料使用最多的超合金Inconel 713C（Ni-12.5Cr-4Mo-5Al-0.7Ti-Zr-B）同等以上的水平。
3.2.3疲勞特性
葉輪在使用中受到廢氣的沖擊，葉片頂端有振動，若考慮到20rpm這一旋轉(zhuǎn)數(shù)，則高周期疲勞特性是重要的。另一方面，因軸的斷開/啟動等旋轉(zhuǎn)數(shù)的急劇變化而使葉片根部產(chǎn)生了負荷，故低周疲勞特性也是重要的。
為此，測定了鑄態(tài)材料在500-900℃的旋轉(zhuǎn)變曲疲勞試驗中的107次疲勞強度。結果表明，無論是在哪個溫度下，DAT-TA3都顯示出比原來兩種材有更高的107次疲勞強度，從而對因排氣所引起的葉片頂端振動也顯示出更優(yōu)良的耐性。對DAT-TA3和DAT-TA2兩種材料在800℃低周疲勞強度進行測定的結果表明，前者比后者800℃低周疲勞強度更高，即使在渦輪葉輪加、減速等反復變化條件下，前者也顯示了更優(yōu)良特性。
3.3高溫氧化特性
為了測定材料在900-1050℃的反復氧化特性，試驗在大氣中交替地反復加熱和冷卻，將加熱30min再進行冷卻30min作為一個周期而評價了經(jīng)歷200個周期后的氧化增量。結果表明：TiAl合金在大氣環(huán)境中的耐氧化特性、在1050℃會急劇劣化，即無論是哪種TiAl合金都會顯著發(fā)生氧化。然而，DAT-TA3的耐交變氧化特性在1050℃雖比DAT-TA2稍差，但在到1000℃為止的溫度區(qū)間，包括超級合金713C在內(nèi)的4種合金的耐氧化性基本上是同等的，即氧化同等地輕微。
3.4制造性
DAT-TA3合金材料已被用作試制了1000個以上的渦輪葉輪，并確認其制造性較之原來材毫不遜色。然而，因渦輪葉輪的制造性受其形狀的影響大，故對于產(chǎn)品形狀的確認，重要的是加強與設計者的溝通。
4結語
日本大同特殊鋼公司以原來的高溫對應材DAT-TA2為基礎，開發(fā)了能提高耐用溫度的DAT-TA3。估計在蠕變斷裂特性方面，較之DAT-TA2，DAT-TA3的耐用溫度可提高20℃。
盡管DAT-TA3的密度僅為現(xiàn)有Ni基超合金的1/2，但卻有可能使用到Inconel 713C超合金不能使用的溫度區(qū)域。