具有優(yōu)良高溫性能的渦輪用TiAl合金——DAT-TA1、DAT-TA2、DAT-TA3合金

日本大同特殊鋼公司自1994年于世界上首次用TiAl合金制造了商用汽車渦輪增壓器的渦輪以來，已經(jīng)生產(chǎn)了超過12000個TiAl合金渦輪。但隨著燃耗要求的不斷提高，汽車渦輪發(fā)動機必須承受更高的排氣溫度，特別是承受直接排氣的渦輪及殼體的耐用溫度要求高達1500℃，因此又開發(fā)了具有更高耐熱性的柴油發(fā)動機及低溫汽油發(fā)動機用的DAT-TA1合金和高溫汽油發(fā)動機用的DAT-TA2合金。如今，隨著排氣溫度的進一步提高，又開發(fā)了優(yōu)化C含量和Si含量的DAT-TA3合金，在保證其工業(yè)化生產(chǎn)性能的同時，進一步提高了高溫強度。

C元素和Si元素都是提高高溫強度的元素，但添加過量會導(dǎo)致塑性下降、鑄造時出現(xiàn)凝固裂紋及制造過程中產(chǎn)生缺陷等。研究表明，C元素比Si元素對提高高溫強度更有效，但會降低塑性，因此開發(fā)的DAT-TA3合金較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%。另外與之前開發(fā)的合金相同，也添加Cr元素以提高塑性，而Al含量的調(diào)整要使合金能夠獲得由γ相和α2相組成的層狀組織。

采用懸浮鑄造法，鑄造了DAT-TA1、DAT-TA2、DAT-TA3三種合金的圓棒試樣，尺寸為Φ10mm×60mm，對三種合金試樣的顯微組織和力學(xué)性能進行了比較。

顯微組織觀察表明，三種合金均為γ相和α2相組成的層狀組織，且片層組織的尺寸均為300～400μm，并無明顯差異，這種組織具有優(yōu)異的高溫性能。拉伸性能試驗結(jié)果表明，DAT-TA3合金試樣在低溫下(＜600℃)具有與另外兩種合金試樣同等的拉伸強度，600℃以上的抗拉強度及屈服強度較另外兩種合金高，在1000℃以上具有更高的塑性。蠕變性能測試(800～1050℃)表明，DAT-TA3合金較另兩種合金具有更高的蠕變斷裂強度，由此可計算出DAT-TA3合金的耐用溫度較另兩種合金提高了20～50℃。而就蠕變斷裂強度比較而言，DAT-TA3合金具有比Inconel713C合金更高的耐用溫度。疲勞強度測試表明，DAT-TA3合金的高周疲勞性能(500～900℃，107次)較另兩種合金高，800℃下的低周疲勞強度也比另兩種合金高。因此DAT-TA3合金無論對高轉(zhuǎn)速或是加減速的反復(fù)變化的應(yīng)對能力均優(yōu)于另兩種合金。在900～1050℃的大氣中反復(fù)(200次)加熱(30min)冷卻(30min)的氧化試驗表明，DAT-TA3合金的抗氧化性能在900～1000℃時幾乎與另兩種合金相同，1000～1050℃時略遜于另兩種合金。但由于該合金的使用環(huán)境為發(fā)動機燃燒后的低氧分壓的排氣環(huán)境，其氧化損傷要比大氣中的小。

用DAT-TA3合金試制了超過1000個渦輪，確認了其工業(yè)化生產(chǎn)性能并不比另兩種合金遜色。但由于渦輪的制作受翼厚及翼枚數(shù)形狀的影響很大，因此對復(fù)雜形狀零件的制備尚需進一步探討。

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