一种钛基复合材料汽车发动机气门的制备方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Method for preparing titanium composite material automobile engine valve

The invention discloses a preparation method of automobile engine valve made of titanium matrix composite material, which comprises the following steps: (1) preparing titanium matrix composite material by powder metallurgy; (2) hot extrusion of titanium matrix composite material to obtain hot extrusion blank; (3) electric upsetting blank by electric upsetting of hot extrusion blank; (4) electric upsetting blank; (4) electric upsetting blank. The upsetting blank is forged by die forging to obtain the die forging blank; (5) The die forging blank is heat treated to obtain the heat treatment blank; (6) The heat treatment blank is machined to obtain the titanium matrix composite automobile engine valve. The invention adopts powder metallurgy technology to prepare titanium matrix composite automotive engine valve, which has the advantages of short process flow, high material utilization rate, low energy consumption and small equipment investment.

【技术实现步骤摘要】
一种钛基复合材料汽车发动机气门的制备方法
本专利技术属于汽车发动机
，尤其涉及一种汽车发动机气门的制备方法。
技术介绍
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。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。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服以上
技术介绍
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，本专利技术提出的技术方案为：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；（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。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。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。本专利技术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，本专利技术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。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。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。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5×10-3Pa~1×10-2Pa，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℃-1400℃为最佳温度；真空度保持至少保持在1×10-2Pa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。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。本专利技术中，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。本专利技术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。上本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；（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。

【技术特征摘要】
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；（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。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，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。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，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。5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘彬，许荣军，刘咏，陈峰，曹远奎，刘延斌，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43