具有优良高温性能的涡轮用TiAl合金

日本大同特殊钢公司自1994年于世界上首次用TiAl合金制造了商用汽车涡轮增压器的涡轮以来，已经生产了超过12000个TiAl合金涡轮。但随着燃耗要求的不断提高，汽车涡轮发动机必须承受更高的排气温度，特别是承受直接排气的涡轮及壳体的耐用温度要求高达1500℃，因此又开发了具有更高耐热性的柴油发动机及低温汽油发动机用的DAT-TA1合金和高温汽油发动机用的DAT-TA2合金。如今，随着排气温度的进一步提高，又开发了优化C含量和Si含量的DAT-TA3合金，在保证其工业化生产性能的同时，进一步提高了高温强度。 C元素和Si元素都是提高高温强度的元素，但添加过量会导致塑性下降、铸造时出现凝固裂纹及制造过程中产生缺陷等。研究表明，C元素比Si元素对提高高温强度更有效，但会降低塑性，因此开发的DAT-TA3合金较DAT-TA2合金的C含量由0.03%增加到0.10%，而Si含量由0.50%降至0.35%。另外与之前开发的合金相同，也添加Cr元素以提高塑性，而Al含量的调整要使合金能够获得由γ相和α2相组成的层状组织。 采用悬浮铸造法，铸造了DAT-TA1、DAT-TA2、DAT-TA3三种合金的圆棒试样，尺寸为Φ10mm×60mm，对三种合金试样的显微组织和力学性能进行了比较。 显微组织观察表明，三种合金均为γ相和α2相组成的层状组织，且片层组织的尺寸均为300～400μm，并无明显差异，这种组织具有优异的高温性能。拉伸性能试验结果表明，DAT-TA3合金试样在低温下(＜600℃)具有与另外两种合金试样同等的拉伸强度，600℃以上的抗拉强度及屈服强度较另外两种合金高，在1000℃以上具有更高的塑性。蠕变性能测试(800～1050℃)表明，DAT-TA3合金较另两种合金具有更高的蠕变断裂强度，由此可计算出DAT-TA3合金的耐用温度较另两种合金提高了20～50℃。而就蠕变断裂强度比较而言，DAT-TA3合金具有比Inconel713C合金更高的耐用温度。疲劳强度测试表明，DAT-TA3合金的高周疲劳性能(500～900℃，107次)较另两种合金高，800℃下的低周疲劳强度也比另两种合金高。因此DAT-TA3合金无论对高转速或是加减速的反复变化的应对能力均优于另两种合金。在900～1050℃的大气中反复(200次)加热(30min)冷却(30min)的氧化试验表明，DAT-TA3合金的抗氧化性能在900～1000℃时几乎与另两种合金相同，1000～1050℃时略逊于另两种合金。但由于该合金的使用环境为发动机燃烧后的低氧分压的排气环境，其氧化损伤要比大气中的小。 用DAT-TA3合金试制了超过1000个涡轮，确认了其工业化生产性能并不比另两种合金逊色。但由于涡轮的制作受翼厚及翼枚数形状的影响很大，因此对复杂形状零件的制备尚需进一步探讨。