Můžeme vyrobit motor z titanu

Ve srovnání s lehkými materiály, jako je hliník, slitiny hořčíku a plasty vyztužené uhlíkovými vlákny,titanmá vysokou specifickou pevnost, tepelnou odolnost a odolnost proti korozi, díky čemuž je ideálním kovem pro dopravní zařízení v leteckém a automobilovém průmyslu. Na jedné straně je titan považován za široce používaný letecký materiál. Na druhou stranu je však v automobilovém průmyslu ocel známější pro svou širokou všestrannost. Je to proto, že automobilové motory vyrobené z titanu jsou obvykle příliš nákladné pro automobilový spotřebitelský trh. Vysoké náklady na výrobu titanových dílů brání jeho rozšíření do aplikací hromadné výroby. Místo toho byl identifikován především jako speciální materiál, například pro automobilové a motocyklové závodní díly, kde je rozhodující nízká hmotnost a vysoká pevnost a tuhost.

Komponenty pístových motorů jsou nejúčinnější aplikace pro titan, včetně sacích ventilů, výfukových ventilů, sedel ventilových pružin, ventilových pružin, zdvihátek ventilů, ojnic a pístních čepů, jak je znázorněno na obrázku 3. Mezi nimi jsou sací ventily, horní tyče ventilů, ojnice jsou obvykle navrženy s použitím typických strukturálních plus fázových slitin titanu, jako je Ti-6Al-4V, které fungují až do 300 stupňů . Je to proto, že ojnice se musí vyznačovat optimálním tvarem geometrie a dostatečnou tuhostí, aby se potlačilo snížení pevnosti způsobené únavou oděru. Snížení hmotnosti pístního čepu výrazně snižuje hluk, vibrace, akustickou drsnost a zlepšuje výkon motoru včetně spotřeby paliva. Místo toho jsou sedla ventilových pružin vyrobena z fázové slitiny titanu, jako je Ti-22V-4Al (DAT51), která je deformovatelná za studena. Kromě toho jsou slitiny Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al (neboli levné beta,LCB) také vhodné pro výrobu sedel ventilových pružin. Slitina LCB se může pochlubit nízkým Youngovým modulem, vysokou pevností a nižšími výrobními náklady ve srovnání se slitinami Ti-6Al-4V. Podrobnosti týkající se výkonu pružin pro automobilové aplikace budou popsány později. Klikový hřídel je jedinou vratně se pohybující součástí motoru, kterou je obtížné efektivně vyrobit z titanu. Vzhledem k tomu, že úlohou klikového hřídele je převádět vratný pohyb pístu na krouticí moment, který generuje hnací sílu, snížení hmotnosti materiálu by způsobilo, že by neměl potřebnou tuhost pro provádění příslušné funkce.

Z hlediska výrobních nákladů mohou být titanové výfukové ventily nákladově efektivnější, když jsou nahrazeny součástmi pístového motoru vyrobenými z dražší slitiny, například při vysokých teplotách kolem 800 stupňů. Vzhledem k tomu, že výfukové ventily na bázi železa se skládají hlavně z Fe-21Cr-0.4N (21-4N), mají vysokou austenitickou tepelnou odolnost, ale jsou drahé. Proto se od 80. let 20. století používají vysokoteplotní slitiny titanu v blízkosti alfa fáze Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo-0. 7Nb-0.35Si-0.06C (IMI834) a Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo{{31} }.45Si (Ti-1100) byly vyvinuty společnostmi IMI a TIMET. Do 90. let vedly zvýšený výkon pístových motorů a přísnější emisní předpisy k vyšším teplotám výfukových ventilů a přijetí velkého množství vysokoteplotních slitin alfa-fáze titanu pro výfukové ventily. Tyto trendy daly vzniknout novým titanovým technologiím, jako jsou unikátní konstrukce slitin a kontrola mikrostruktury, jak je znázorněno na obrázku 3. Slitiny jako 5 obj. procent 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) a Ti-6Al-4Sn-3.5Zr{{64 }}.5Mo-1Ta-0.35 Si , jsou typické slitiny titanu používané při vývoji výfukových ventilů. Zejména TiB MMC má jedinečné vlastnosti, jako je ultra vysoká pevnost a tepelná odolnost až do asi 900 stupňů, stejně jako odolnost proti korozi a vysoká odolnost proti opotřebení. Tato tepelná odolnost je způsobena přítomností částic TiB v Ti-MMC, ale po precipitaci TiB2 in situ v reakci s Ti během vysokoteplotního slinování jsou částice TiB stabilní pouze ve slitinách na bázi titanu. Na rozdíl od toho DAT54 získal rovnováhu mezi odolností proti tečení a nízkou obvodovou únavou při vysoké teplotě, protože přidání 2,8 procenta Mo mu poskytlo jedinečnou bimodální strukturu. ti-1100 s otočnou jehlovou organizací a vysokou pevností při tečení byla také aplikována na výfukové ventily.

Kromě toho, aby se podpořilo použití titanu v součástech pístových motorů, je důležité kombinovat požadované podmínky zpracování pro získání požadovaných vlastností pro každou součást motoru. Například, jak již bylo zmíněno, procesy práškové metalurgie se smíšenými prvky (BE) a procesy vytlačování za vysokých teplot byly úspěšné při dosahování 100% výtěžnosti materiálu. Obrázek 4 ukazuje testovací produkt pro výrobu součástí motoru pomocí procesu práškové metalurgie BE. Tváření za studena je také důležité pro výrobu levných dílů titanových motorů. Například sedla ventilových pružin ze slitiny Ti-22V-4V mají lepší tvarovatelnost než slitina Ti-6Al-4V. Povrchové úpravy, jako je otryskávání brokováním, aby se vyrovnalo s vysokou obvodovou únavovou pevností, pokovování, tepelné nástřiky a kalení intersticiálními prvky, zvyšují hodnotu a také účinně zlepšují spolehlivost, zejména oxidaci jako typickou nízkonákladovou úpravu aplikovanou na ventily motoru. Ventily motoru tiB MMC s levnou povrchovou úpravou splňují přísná kritéria odolnosti proti opotřebení po testování životnosti motoru, jak je popsáno dále. .