Клапан двигателя внутреннего сгорания, способ его изготовления и жаропрочный титановый сплав для него - RU2244135C2

Чертежи

Показать все 12 чертежа(ей)

Описание

Область техники. Изобретение относится к машиностроению, более конкретно к двигателестроению, и может использоваться в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС).

Предшествующий уровень техники. На протяжении длительного периода развития ДВС различного назначения и с учетом опыта их эксплуатации отработаны конструкции, материалы и методы термоупрочнения для впускных и выпускных клапанов, которые в основном обеспечивают надежность и долговечность эксплуатации двигателей. В качестве материалов для изготовления клапанов ДВС обычно применяют специальные марки сталей. Однако при изготовлении клапанов из сталей, имеющих высокую плотность (ρ=7,63...8,0 г/см³ ), масса клапанов получается значительной, что является отрицательным фактором для клапанных механизмов современных быстроходных двигателей, работающих с высокими скоростями и ускорениями. Высокие инерционные нагрузки, обусловленные массой клапанов, приводят к появлению повышенных нагрузок в звеньях механизмов привода клапанов, значительным ударным нагрузкам при посадке клапанов в седла. Это, в свою очередь, вызывает снижение надежности и безотказности механизма газораспределения и двигателя в целом. Из общего числа отказов бензиновых двигателей на механизм газораспределения приходится до 45% отказов, причем основная их доля связана с дефектами выпускных клапанов. Масса клапанов является одним из ограничивающих факторов при создании высокофорсированных по частоте вращения двигателей специального исполнения и двигателей спортивных автомобилей. Клапаны поршневых ДВС (особенно выпускные) работают в условиях повышенных тепловых нагрузок. Так, с учетом многообразия производимых поршневых ДВС: стационарных, транспортных (судовые, тепловозные, тракторные, авиационные, автомобильные, мотоциклетных) и специального исполнения, установившиеся температуры в центре головок клапанов составляют для впускных клапанов 500...650°С, для выпускных - 650...900°С (см. фиг.14 и 15). При этом в зоне перехода от головки клапана к стержню возникают большие перепады температур, достигающие 200-300°С в осевом направлении. В самой головке клапана перепады температур достигают 150-200°С в радиальном направлении. Это обуславливает высокий уровень температурных напряжений в головке клапана и в зоне перехода и ускоренное разрушение клапанов (см. Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984, стр.247-250, 258. / Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Конструкция автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1986, стр.115-119).

С целью снижения массы клапанов, повышения их длительной жаропрочности и создания предпосылок для совершенствования конструкций ДВС со значительно улучшенными показателями по топливной экономичности и эмиссии выхлопа ведется поиск новых материалов с меньшей плотностью и повышенной жаропрочностью, а также способов изготовления из них клапанов газораспределения. Из новых материалов этим условиям в значительной мере отвечают сплавы на основе титана и интерметаллидов титана системы титан-алюминий (Ti-Al), которые обладают повышенной жаропрочностью при низкой плотности (ρ=3,9-4,2 г/см³). Наиболее активно изучаются и подготавливаются к применению сплавы на основе интерметаллидов, содержащие α₂ -фазу на основе соединения Тi₃Аl, или γ-фазу на основе соединения TiAl. Эти соединения и сплавы на их основе имеют преимущества по жаропрочности и модулю упругости над традиционными титановыми сплавами; уровень рабочих температур для них составляет 750-900°С. Сплавы на основе интерметаллида TiAl, содержащего γ-фазу, имеют очень низкую пластичность при комнатной температуре (δ=0,5-1,5%) и подвергаются изготовлению, в основном, по литейным технологиям. Известны сплавы на основе γ-фазы с уровнем рабочих температур до 850°С, в том числе для создания выпускных клапанов (см. Табл.1, п.п.1, 2). Однако клапанам, изготовленным по литейным технологиям, присущи пористость за счет распределенной усадочной раковины и характерная литая структура с кристаллизационной ликвацией. “Залечивание” литейной пористости возможно только при высокотемпературном газоизостатировании. В результате клапаны ДВС из сплавов на основе γ-фазы имеют повышенную себестоимость изготовления (см. Структура и свойства полуфабрикатов из сплава Ti-48Al-2Nb-2Cr на основе интерметаллида TiAl, полученных методом фасонного литья (Лукьянычев С.Ю. и др. - Технология легких сплавов, 1996, №3, стр.16. / А. Choudhury, M.Blum, P.Busse, D.Lupton, M.Gorywoda. Herstellung von TiAl-Ventilen Durch Schlendergub in Metallische Dauerformen. Symposium 2: Werkstoffe fur die Verkehrstechnik, 12997 by DGM Informationsgesellshaft mbh, p.49-54).

Сплавы из группы на основе α₂-фазы, с содержанием алюминия 8-14 мас.%, относятся к сплавам деформационного типа с пониженной технологической пластичностью. Эти сплавы обладают повышенной жаропрочностью, незначительно уступая по ней сплавам на основе γ-фазы, и имеют неоспоримые преимущества по технологичности и себестоимости изготовления по сравнению с этими сплавами.

Ряд жаропрочных титановых сплавов был разработан для авиакосмической техники, среди которых, как наиболее жаропрочные, следует выделить сплавы марок ВТ18У и ВТ25У (Россия), IMI 829 и IMI 834 (Англия), Ti 6242 Si и Timetal 1100 (США) (см. таблицу 1, п.п.3-8). Это сложнолегированные сплавы деформационного типа. При соблюдении очень жестких температурно-временных многоступенчатых режимов деформационных обработок и термообработок в этих сплавах обеспечивается формирование необходимых макро- и микроструктур и получение комплекса полезных свойств: прочности, жаропрочности, сопротивления усталости и др. В то же время длительная работа при повышенных температурах ограничивается для этих сплавов диапазоном 500-600°С (см. О.П.Солонина, С.Г.Глазунов. Жаропрочные титановые сплавы. М.: Металлургия, 1976, с.61-128. \ Titanium 95: Science and Technology. Igor V. Gorynin "Research and Fabrication and Development of Titanium in the CIS", p.32). Низкий уровень рабочих температур (не более 600°С) не позволяет использовать их для выпускных клапанов ДВС.

Известен также титановый сплав, содержащий интерметаллидную (α₂-фазу на основе соединения Тi₃Аl (RU №2081929) (см. Табл.1, п.9). Фазовый состав сплава α+α₂. Для повышения его технологической пластичности предложена водородная технология, основанная на применении обратимого легирования сплава водородом и термического воздействия. Технология позволяет улучшить структуру сплавов титана систем (α+α₂) и α₂ и повысить их механические свойства (см. Мамонов А.М., Кусакина Ю.Н., Ильин А.А. Закономерности формирования фазового состава и структуры в жаропрочном титановом сплаве с интерметаллидным упрочнением при легировании водородом // Металлы, 1999, №3, стр.84-87). Однако эта операция является технологически сложной, дорогостоящей и неприменима для массового производства клапанов ДВС.

Аналогами предлагаемого изобретения “Клапан двигателя внутреннего сгорания” являются известные конструкции клапанов комбинированного исполнения, изготовленные из промышленных титановых сплавов, в которых с целью снижения себестоимости клапана стержень изготавливают из низколегированных титановых сплавов, а головку с участком перехода в стержень изготавливают из жаропрочных высоколегированных титановых сплавов (US №5169460, JP №03009008, JP №62-197610) (см. Табл.1, пп.10-12). Отдельно изготовленные головка и стержень затем соединяются методом сварки или напрессовываются. Однако изготовленные таким образом клапаны не обладают требуемой прочностью и надежностью.

Другим аналогом является клапан (JP №06184683), который изготавливается из прутка 2-фазного (α+β) титанового сплава. В различных частях клапана, в стержне и головке, деформационной обработкой созданы две различные микроструктуры с размером зерен в одной части клапана 1-4 мкм и во второй - более 300 мкм. Недостатком известного клапана является то, что он не обладает требуемой жаропрочностью, отвечающей условиям его длительного механического и теплового нагружения.

Наиболее близким по технической сущности аналогом к предлагаемому “Клапану двигателя внутреннего сгорания” является титановый клапан, имеющий различные микроструктуры в своих частях, стержне и головке (US №4729546). Известный клапан изготовлен из жаропрочного титанового сплава (α+β) фазового состава и состоит из стержня цилиндрической формы, головки тарельчатой формы и участка перехода, обеспечивающего плавное сопряжение стержня и головки, и имеет различные микроструктуры в своих частях. Микроструктура стержня и участка, соединяющего стержень с головкой клапана, в основном содержит смесь зон тонких равноосных зерен α -фазы и зон с микроструктурой типа колоний, с размером зерен 5-50 мкм, с высокой прочностью на растяжение и высокой усталостной прочностью. Головка клапана с существенно однородной зоной с микроструктурой типа колоний, с размером колоний 50-300 мкм, обладает пониженным сопротивлением ползучести - при температуре 760°С, равным 1% деформации, при напряжении 27,5 МПа за 100 часов.

Недостатком известного клапана является то, что применяемые для его изготовления двухфазные (α+β) титановые сплавы и их микроструктура не обеспечивают необходимых прочностных свойств клапанам ДВС, работающим в условиях длительного теплового и кратковременного высокотемпературного (до 900°С) нагружения. В частности, для головки клапана химический состав сплавов (см. Табл.1, пп.13-16) и микроструктура не обеспечивают свойств длительной жаропрочности при температурах выше 600°С. Жаропрочность титанового сплава определяется α-фазой. Повысить жаропрочность α-фазы можно только дополнительным легированием. Любые структурные превращения двухфазных титановых сплавов, как это сделано в известном клапане, не приводят к значительному повышению жаропрочности. Кроме того, однородная микроструктура в головке клапана, типа колоний, не обеспечивает повышения сопротивления ползучести материала клапана. Микроструктура в стержне клапана и в участке перехода стержня в головку тарельчатой формы в известном патенте представляет собой смесь зон тонких равноосных зерен α-фазы и зон с микроструктурой типа колоний с размером зерен 5-50 мкм. Такая микроструктура не обеспечивает повышенной длительной прочности для участка перехода, особенно выпускного клапана, работающего в условиях ползучести при высоких температурах (600-700°С, см. фиг.15), и надежной работы клапана в целом. Стержень клапана, работающий в условиях циклических растягивающих и изгибающих нагрузок, также не обеспечивает требуемых свойств из-за низкого значения модуля упругости, твердости и прочности при повышенных температурах. Это приводит к возникновению остаточных деформаций и удлинению стержня клапана в процессе работы. Особенно это проявляется в работе форсированных двигателей.

Наиболее близким по технической сущности аналогом предлагаемого изобретения “Способ изготовления клапана двигателя внутреннего сгорания” является способ изготовления клапана с различной регламентированной микроструктурой (US №4675964). Согласно этому способу клапан двигателя, в том числе выпускной, изготавливается из промышленных жаропрочных 2-фазных (α+β) титановых сплавов (см. Табл.1, пп.13-16). Техническим результатом известного способа является получение клапана с двойной микроструктурой. В процессе изготовления в стержне и головке клапана деформационными методами и последующими термообработками создаются различные микроструктуры со свойствами, приближенными к условиям механического и теплового нагружения клапана в процессе его работы в ДВС.

Известный способ изготовления клапана двигателя внутреннего сгорания из жаропрочного титанового сплава заключается в том, что из заготовки в виде прутка, в результате деформационной обработки и последующей термообработки, формируют клапан с различной микроструктурой в его стержне и головке. Деформационную обработку и последующую термообработку ведут в две стадии, с формированием на первой стадии микроструктуры стержня, а на второй - микроструктуры головки. При этом на первой стадии с помощью экструзионной обработки деформационному воздействию подвергают часть заготовки, относящуюся к стержню. Перед деформацией заготовку нагревают до температуры, которая ниже температуры полного полиморфного превращения для данного сплава (Т_пп). На второй стадии часть заготовки, относящуюся к головке клапана, деформируют с помощью штамповки, предварительно нагревая ее до температуры, которая выше температуры полного полиморфного превращения для данного сплава (Т_пп). В результате деформации и термообработки получают в стержне и головке различные микроструктуры, обеспечивающие свойства, приближенные к условиям механического и теплового нагружения частей клапана в двигателе. При этом микроструктура первой зоны клапана (стержень и участок, соединяющий стержень с головкой) содержит в основном смесь зон тонких равноосных зерен α-фазы и зон типа колоний с размером 5-50 мкм и имеет высокую прочность и усталостную прочность при комнатной температуре. Микроструктура второй зоны клапана (головки) содержит однородную микроструктуру, в основном типа колоний с размером колоний 50-300 мкм.

К недостаткам известного способа следует отнести:

- С помощью процесса экструзии невозможно сформировать стержень клапана при использовании для его изготовления жаропрочных сплавов с пониженной технологической пластичностью.

- Процесс экструзии стержня клапана сопровождается быстрым износом прессового инструмента, выполненного из дорогостоящих жаропрочных сталей, особенно при экструзии титановых сплавов в двухфазной α+β области.

- Нагрев всей заготовки под горячее прессование стержня клапана приводит к нежелательному росту зерна в части заготовки, относящейся к головке клапана, что снижает ее качество в процессе штамповки.

- Нагрев всей заготовки под экструзионный метод, как правило, осуществляется в печах с внешним источником тепла. В этом случае время нагрева заготовки под деформацию составит не менее 10 мин. Такой продолжительный нагрев приводит к образованию твердого окисного слоя толщиной 0,1-0,3 мм, вызывающего износ прессового инструмента и дополнительные трудности при последующей механической обработке или требует дополнительных мер по защите заготовки от окисления.

- Сложную и трудновыполнимую термообработку с обеспечением большого перепада температур между головкой и стержнем клапана. Так как головка клапана при термообработке нагревается выше Т_пп, а стержень нагревается до температуры ниже Т_пп, то градиент температур между головкой и стержнем клапана составляет 10-205°С с выдержкой при этих температурах от 0,5 до 8 часов. Реализовать практически такую схему нагрева в процессе массового производства достаточно сложно.

- Формируемая по известному способу структура в стержне клапана не обеспечивает требуемых свойств клапана из-за низкого значения модуля упругости, твердости и прочности при повышенных температурах.

- Формируемая по известному способу в головке клапана однородная микроструктура, типа колоний, с размером колоний 50-300 мкм, при этом размер первичного β-зерна в микроструктуре может превышать размер колоний в 3 раза и более, не обеспечивает необходимой работоспособности клапана при высоких температурах, так как не обладает повышенным сопротивлением ползучести и длительной прочности (см. Table I Relationships between critical microstructural features and mechanical properties of titanium alloys. ASM Handbook, vol.2, 1990, р.1052. Reviewed by Gerhard Welsch, Case Western Reserve University, and Rodney Boyer, Boeing Commercial Airplane Company).

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения “Жаропрочный титановый сплав” является сплав, применяемый для изготовления клапанов газораспределения ДВС методом горячей деформации, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si (US №4675964). Это титановый сплав с (α+β) фазовым составом. Изготовленные из таких сплавов клапаны ДВС способны длительно работать только при температурах 550-600°С. Известные из патента US №4675964 2-фазные (α+β) титановые сплавы (см. Табл.1, пп.13-16) обеспечивают свойства длительной жаропрочности (длительная прочность, сопротивление ползучести) только до температур 600°С. Этот факт подтвержден автором патентов US №№4675964, 4729546 в его статье, содержащей результаты испытаний клапанов из 2-фазных титановых сплавов (Allison J.E., Sherman A.M., Bapna M.R. Titanium in engine valve system. "J. Metals", 1987, 39, №3. р.15-18).

Раскрытие изобретений.

Задачей изобретения является повышение надежности и безотказности работы клапанов ДВС и увеличение долговечности двигателя. При этом достигается технический результат, заключающийся в улучшении свойств материала клапана, обеспечивающих работоспособность клапана ДВС в диапазоне рабочих температур, за счет повышения длительной жаропрочности головки клапана (длительной прочности, сопротивления ползучести) и повышения механических свойств стержня клапана (прочности при повышенных температурах, модуля нормальной упругости, твердости). Это дает возможность: а) повысить рабочие температуры головки клапана до 850°С при длительной работе двигателя, и - до 900°С при работе в форсированных двигателях с ограниченным периодом эксплуатации; б) уменьшить конструктивные размеры стержня клапана и участка перехода от стержня к головке.

Предлагаемые изобретения позволяют:

- обеспечить увеличение долговечности работы двигателей за счет повышения надежности и безотказности работы клапанов ДВС;

- уменьшить массу клапана на 10-20% за счет уменьшения конструктивных размеров стержня клапана и участка перехода стержня в головку, а также снизить динамические нагрузки на звенья клапанного механизма;

- уменьшить усилия клапанных пружин, что обеспечит дополнительное снижение нагрузок в клапанном механизме, снижение потерь на трение и улучшение показателей двигателя;

- форсировать двигатель по частоте вращения, тем самым повышая его эффективность;

- управлять свойствами клапанов ДВС, изготавливая их с необходимой и достаточной жаропрочностью для двигателей различного назначения и уровня форсирования;

- использовать при изготовлении клапанов ДВС деформационные процессы в области ограниченной технологической пластичности титановых сплавов, добиваясь высокой производительности и низкой себестоимости в условиях массового производства.

Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом клапане двигателя внутреннего сгорания из жаропрочного титанового сплава, содержащего стержень цилиндрической формы, головку тарельчатой формы и участок перехода, обеспечивающий плавное сопряжение стержня и головки, достигается тем, что титановый сплав имеет α +α₂+β-фазовый состав с интерметаллидной α₂-фазой на основе соединения Тi₃Аl, дисперсно распределенной в α-фазе, при этом микроструктура стержня представляет собой сочетание микроструктур трех типов, плавно переходящих от одного типа к другому в радиальном направлении, от поверхности к центру: равноосной, бимодальной и пластинчатой соответственно, микроструктура головки - смесь микроструктур двух типов: корзиночного плетения и пластинчатой, а участок перехода имеет смешанную микроструктуру, состоящую из микроструктур, характерных для стержня и головки.

В частных случаях выполнения изобретения стержень имеет микроструктуру с размером зерен 3-40 мкм, а головка микроструктуру с размером зерен - 50-200 мкм.

Массовая доля интерметаллидной α₂-фазы на основе соединения Тi₃Аl составляет от 7 до 80 мас.% при содержании алюминия в сплаве от 7,5 до 12,5 мас.%.

В предлагаемом изобретении устранение указанных выше недостатков осуществляется за счет создания клапана с различной микроструктурой для стержня и для головки и дополнительного содержания в сплаве, из которого изготавливают клапан, интерметаллидной α₂-фазы на основе соединения Тi₃Аl, которая дисперсно распределена в α-фазе. При этом содержание в материале клапана α₂-фазы, дисперсно распределенной в α-фазе, а также сочетание указанных микроструктур в стержне клапана обеспечивает ему повышение прочности на растяжение при повышенных температурах, модуля нормальной упругости и твердости, а также сопротивление зарождению и распространению усталостной трещины, вязкости разрушения и ударной вязкости. Это повышает прочностные и жаропрочные свойства клапана. Содержание в материале головки клапана α₂-фазы, дисперсно распределенной в α-фазе, и смесь микроструктур в головке клапана придает ей свойства длительной жаропрочности за счет повышения длительной прочности и сопротивления ползучести.

Дополнительное легирование жаропрочного титанового сплава алюминием переводит сплав из двухфазного (α+β) в трехфазный (α+β+α₂), при этом α₂-фаза на основе соединения Тi₃Аl дисперсно распределена в α-фазе и выделяется, в основном, в процессе термообработки. Выделение в сплаве α₂-фазы происходит при упорядочении α-фазы, содержащей растворенный алюминий сверхравновесной концентрации. Например, предел растворимости алюминия в α-фазе при 550°С составляет 7,0-7,5% (см. Титан. Источники, составы, свойства, металлохимия и применение. Корнилов И.И. М.: Наука, 1975 г., стр.187). При больших концентрациях алюминия при этой температуре происходит дисперсное выделение α₂-фазы, представляющей собой твердый раствор на основе соединения Тi₃Аl. Это позволяет повысить жаропрочность сплава до 750-900°С в зависимости от количества α₂-фазы. Необходимое сочетание механических свойств и жаропрочности (в зависимости от рабочей температуры клапана) достигается при содержании α₂-фазы в сплаве от 7 до 80 мас.%. Более подробное подтверждение и обоснование существенности признаков изобретения “Клапан двигателя внутреннего сгорания” смотри в разделе “Пример осуществления изобретений”.

Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом способе изготовления клапана двигателя внутреннего сгорания из жаропрочного титанового сплава, включающем формирование из цилиндрической заготовки клапана путем деформационной обработки с предварительным нагревом и последующей термообработки, достигается тем, что титановый сплав имеет α +α₂+β-фазовый состав с интерметаллидной α₂-фазой на основе соединения Тi₃Аl, дисперсно распределенной α-фазе, предварительный нагрев части заготовки, относящейся к стержню, проводят до температуры на 5-20°С ниже температуры полного полиморфного превращения сплава, а ее деформационную обработку осуществляют путем клиновой поперечной прокатки для получения в стержне плавно переходящего от одного типа к другому в радиальном направлении, от поверхности к центру сочетания микроструктур трех типов: равноосной, бимодальной и пластинчатой соответственно, деформационную обработку части заготовки, относящейся к головке, проводят штамповкой с ее предварительным нагревом до температуры на 5-50°С выше температуры полного полиморфного превращения сплава, соответствующей началу штамповки, а окончание штамповки проводят при температуре ниже температуры полного полиморфного превращения сплава, формируя головку клапана тарельчатой формы со смешанной микроструктурой двух типов: корзиночного плетения и пластинчатой и участок перехода, обеспечивающий плавное сопряжение головки со стержнем и имеющий смешанную микроструктуру, состоящую из микроструктур, характерных для стержня и головки.

В частных случаях выполнения изобретения после изготовления клапана стержень имеет микроструктуру с размером зерен 3-40 мкм, а головка - 50-200 мкм.

Предварительный нагрев части заготовки, относящейся к стержню, проводят электроконтактным способом.

Предварительный нагрев части заготовки, относящейся к стержню, проводят со скоростью 10-50°С/сек.

Клиновую поперечную прокатку проводят со степенью деформации 30-55%.

Предварительный нагрев части заготовки, относящейся к головке,

проводят индукционным методом.

Предварительный нагрев части заготовки, относящейся к головке, проводят со скоростью 20-50°С/сек.

Штамповку заготовки, относящейся к головке, проводят со степенью деформации 40-60%.

Предварительный нагрев части заготовки, относящейся к головке, и части заготовки, относящейся к стержню, проводят при контроле температуры.

Термообработку осуществляют путем отжига.

Отжиг осуществляют путем нагрева частей заготовки, полученной после деформационной обработки ее частей, относящихся к стержню и к головке, до температуры 650-950°С, выдержки при этой температуре в течение 0,1-5,0 часа, охлаждения до температуры 500-650°С, последующей выдержки при этой температуре в течение 5-50 часов и охлаждения.

Таким образом, заявляемый способ изготовления клапана основан на применении деформационных технологий, чередующихся с термической обработкой. Это позволяет получить клапан двигателя внутреннего сгорания с микроструктурой, соответствующей условиям его механического и длительного термического нагружения в ДВС, в том числе и для форсированных двигателей. Более подробно подтверждение и обоснование существенности признаков для изобретения “Способ изготовления клапана двигателя внутреннего сгорания” смотри в разделе “Пример осуществления изобретений”.

Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом жаропрочном титановом сплаве, содержащем алюминий, молибден, цирконий и кремний, достигается тем, что он дополнительно содержит иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюминий 7,5-12,5, молибден 1,6-2,6, цирконий 1,4-2,4, кремний 0,1-0,2, иттрий 0,05-0,1, титан - остальное и имеет α+α₂ +β - фазовый состав с интерметаллидной α₂-фазой на основе соединения Ti₃Al, дисперсно распределенной в α-фазе.

Применение для изготовления клапанов как впускных, так и выпускных, титановых сплавов, дополнительно упрочненных интерметаллидной α₂-фазой на основе соединения Ti₃Al, дисперсно распределенной в α-фазе, обеспечивает повышенные механические свойства клапана ДВС, в первую очередь жаропрочные, и длительную их работу с ограниченным периодом эксплуатации при температурах в головке до 900°С для выпускных клапанов форсированных ДВС.

Краткое описание фигур чертежей.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображен общий вид клапана ДВС;

на фиг.2 изображена исходная цилиндрическая заготовка;

на фиг.4 изображена заготовка клапана двигателя внутреннего сгорания после штамповки;

на фиг.5 изображена равноосная микроструктура, расположенная на поверхности стержня клапана;

на фиг.6 изображена бимодальная микроструктура, расположенная в промежуточной части стержня клапана;

на фиг.7 изображена пластинчатая микроструктура, расположенная в центральной зоне стержня клапана;

на фиг.8-10 изображены микроструктуры стержня клапана для случая нагрева его под клиновую поперечную прокатку до температуры, выше заявляемого (допустимого) диапазона температур (Т_пп-5°С), когда невозможно получить необходимого сочетания микроструктур в стержне клапана;

на фиг.11 изображена микроструктура головки клапана, представляющая собой смесь двух микроструктур: корзиночного плетения и пластинчатой;

на фиг.12 изображен фрагмент пластинчатой микроструктуры в головке клапана, в увеличенном масштабе;

на фиг.13 изображен фрагмент микроструктуры корзиночного плетения в головке клапана, в увеличенном масштабе;

на фиг.14 представлено расчетное распределение рабочих температур во впускном клапане на примере двигателя среднего уровня форсирования;

на фиг.15 представлено расчетное распределение рабочих температур в выпускном клапане на примере двигателя среднего уровня форсирования.

Пример осуществления изобретений.

Клапан (фиг.1) содержит стержень 1 постоянного диаметра и головку 2 тарельчатой формы, включающую участок перехода 3, обеспечивающий плавное сопряжение стержня и головки.

Клапаны впускные и выпускные изготовлены из титанового сплава с различным содержанием алюминия в интервале 7,5-12,5 мас.% (см. Табл.1 п.17 и Табл.3). Эти сплавы дополнительно упрочнены интерметаллидной α₂-фазой, дисперсно распределенной в α-фазе, повышающей жаропрочность сплава до 900°С. Примененными при изготовлении клапана деформационными обработками и термообработками, по заявляемому способу, в стержне 1, головке 2 и участке перехода 3, созданы различные микроструктуры.

Микроструктура в стержне 1 представляет собой сочетание микроструктур трех типов: равноосной, бимодальной и пластинчатой. Указанные структуры плавно переходят от одного типа к другому в радиальном направлении, от поверхности к центру, в указанном направлении.

Для достижения максимальных прочностных характеристик в стержне клапана создается разнородная микроструктура, состоящая из трех микроструктур.

На поверхности стержня клапана создается равноосная микроструктура (фиг.5). Равноосная микроструктура способствует повышению прочности, пластичности, предела выносливости, а также повышению сопротивления зарождению усталостных трещин и сопротивления малоцикловой усталости (см. Колачев Б.А., Полькин И.С., Талалаев В.Д. Титановые сплавы разных стран., изд. ВИЛС, 2000 г., стр.297). Так, повышенное сопротивление зарождению усталостных трещин в комплексе с другими положительными свойствами данной микроструктуры (прочность, пластичность, выносливость) не требует дополнительной обработки поверхности стержня клапана (дробеструйной, полирования и т.п.) для повышения его усталостной прочности.

Между поверхностью стержня клапана и центральной его частью располагается бимодальная микроструктура (фиг.6). Бимодальная микроструктура позволяет достичь оптимального сочетания механических свойств сплава и достоинств равноосной и пластинчатой микроструктур. Кроме того, формирование бимодальной микроструктуры в переходном слое, между равноосной и пластинчатой микроструктурами, способствует плавному переходу от одного вида микроструктур к другому и благоприятно отражается на повышении механических свойств материала стержня клапана.

В центральной зоне стержня располагается пластинчатая микроструктура (фиг.7). Пластинчатая микроструктура позволяет повысить вязкость разрушения, сопротивление росту усталостной трещины, ударную вязкость, а также сопротивление ползучести и длительной прочности. Формирование в центральной зоне стержня клапана мелкозернистой пластинчатой микроструктуры (размер зерен не более 40 мкм) позволяет получить повышенные вязкость разрушения, ударную вязкость и сопротивление росту усталостной трещины, соогласующиеся с характером действующих на стержень клапана, с высокой частотой, циклических растягивающих нагрузок ударного характера. Формирование такой микроструктуры является положительным и для части стержня выпускного клапана, примыкающего к горячей головке и работающего в температурном диапазоне 500-650°С (см. фиг.15), т.е. в условиях ползучести и повышенного сопротивления длительной прочности. Это также способствует повышению прочностных свойств стержня клапана.

Такое сочетание микроструктур позволит создать стержень клапана с высокими показателями по надежности и долговечности.

Наилучший технический результат с точки зрения надежности работы и долговечности стержня клапана достигается при размере зерен для микроструктуры стержня клапана 3-40 мкм. Зерно менее 3 мкм приводит к возникновению в процессе деформационной обработки внутренних напряжений и образованию микротрещин. Зерно более 40 мкм снижает прочностные и усталостные свойства клапана.

Микроструктура головки 2 клапана представляет собой смесь микроструктур двух типов (фиг.11): корзиночного плетения и пластинчатой и, как следствие, имеет все преимущества таких микроструктур. Пластинчатая микроструктура, в головке клапана (фиг.12), обеспечивает повышенные вязкость разрушения, ударную вязкость, сопротивление росту усталостных трещин, сопротивление ползучести, а также сопротивление длительной прочности. Микроструктура корзиночного плетения (фиг.13) обеспечивает повышение длительной прочности, а также сопротивления ползучести. Смесь микроструктур корзиночного плетения и пластинчатой, формируемая в головке клапана, имеет хаотический характер, без явно выраженных зон, что в наибольшей степени способствует объединению положительных свойств, присущих каждой из этих микроструктур. Микроструктура корзиночного плетения в большей степени обеспечивает повышенное сопротивление длительной прочности при достаточно высоком сопротивлении ползучести. Крупнозернистая пластинчатая микроструктура (размер зерен 50-200 мкм) в большей степени обеспечивает повышенное сопротивление ползучести, а также другие положительные свойства, характерные для пластинчатой микроструктуры. Такая смесь микроструктур достаточно полно согласуется с характером нагружения головки клапана (циклические знакопеременные нагрузки ударного характера с высокой частотой в температурном диапазоне 600-850°С, а в некоторых случаях и до 900°С). Это приводит к повышению надежности и безотказности работы клапанов ДВС и увеличивает долговечность работы двигателя.

Наилучший технический результат достигается при размерах зерен для микроструктуры в головке клапана в диапазоне 50-200 мкм. Увеличение зерна более 200 мкм приводит к снижению прочности из-за ослабления межзеренных границ. Уменьшение зерна менее 50 мкм снижает сопротивление ползучести при высоких температурах.

В зоне участка перехода 3 имеет место плавный переход от одного вида микроструктур, относящихся к стержню клапана, к другому виду микроструктур, относящихся к головке клапана, что позволяет обеспечить надежную работу переходного участка клапана при градиенте температур, от высокой рабочей температуры в головке клапана до рабочей температуры в стержне клапана (см. фиг.14 и 15).

Применение для клапанов (как впускных, так и выпускных) титановых сплавов, дополнительно упрочненных интерметаллидной α₂-фазой на основе Ti₃Al, дисперсно распределенной в α-фазе, с повышенной жаропрочностью, обеспечивает длительную работу клапанов ДВС различного назначения и уровня форсирования при температурах в головке клапана от 600 до 900°С, тогда как у известных титановых сплавов уровень жаропрочности не превышает 600°С. В стержне клапана и в участке перехода обеспечивается увеличение твердости и модуля нормальной упругости за счет содержания α₂-фазы, дисперсно распределенной в α-фазе. Это позволяет уменьшить конструктивные размеры стержня и участка перехода клапана, что приводит к снижению массы клапана на 10-20% в сравнении со сплавом прототипа. Согласно данным, приведенным в Таблице 3, п.п.8 и 9, видно превосходство свойств заявляемого сплава над свойствами сплава по патенту US 4729546. Так значения удельных показателей прочности (σ в/ρ) и жесткости (Е/ρ) для разработанного сплава превышают значения этих показателей для сплава прототипа: для σв/ρ (при 800°С) от 2 до 4 раз, а для Е/ρ (при комнатной температуре) на 11-27%.

Предел растворимости алюминия в α-фазе колеблется от 6 до 7,5 мас.%. При большем его содержании в сплаве выделяется дисперсно распределенная α₂-фаза, представляющая собой твердый раствор на основе интерметаллидного соединения Тi₃Аl, которая дополнительно повышает жаропрочность сплава и модуль нормальной упругости. В то же время это приводит к снижению технологической пластичности. Необходимый уровень технологической пластичности достигается соотношением α- и β-фаз в сплаве. Это соотношение можно регулировать количеством в сплаве α- и β-стабилизирующих элементов. Наиболее эффективным стабилизатором α-фазы является алюминий. Молибден - один из наиболее эффективных стабилизаторов β-фазы. С учетом этого, разработанный титановый (α+β) сплав, дисперсно упрочненный α₂-фазой, имеет в своем составе:

- алюминий, повышающий жаропрочность сплава и определяющий содержание α₂-фазы;

- молибден, стабилизирующий β-фазу и влияющий на пластичность сплава (относительное уменьшение содержания молибдена в сплаве при увеличении содержания алюминия дополнительно снижает пластичность и технологичность);

- цирконий, расширяющий область гомогенности α-фазы и влияющий на выделение α₂-фазы и ее количество, особенно при малых содержаниях алюминия.

Известно, что содержание растворенного кислорода в сплаве значительно снижает его пластичность. Введение иттрия в сплав позволяет организовать процесс внутреннего раскисления в сплаве. Иттрий, растворяясь в сплаве во время плавки, взаимодействует с растворенным кислородом, образуя оксид Y₂ O₃, который уменьшает содержание кислорода, растворенного в α- и β-фазах, и повышает технологическую пластичность.

В предлагаемом жаропрочном титановом сплаве содержание алюминия составляет 7,5-12,5 мас.%. Таким образом, увеличение содержания алюминия более 6-7,5% без изменения содержания других элементов приводит к дополнительному снижению технологической пластичности сплава. Варьируя содержанием в сплаве алюминия, молибдена и циркония, а также иттрия, можно изменять жаропрочные свойства сплава при сохранении технологической пластичности на уровне, допускающем деформационную обработку сплава.

Выплавку жаропрочного титанового сплава осуществляли двойным вакуумным дуговым переплавом. Слиток сплава диаметром 350 мм экструдировали в штангу диаметром 50 мм и прокатывали в прутки диаметром 16-22 мм. Прутки после прокатки подвергали отжигу.

Прутки разрезали на цилиндрические заготовки 4 мерной длины в зависимости от размеров изготавливаемых клапанов (фиг.2).

Для получения предлагаемой микроструктуры, различной для стержня и головки клапана, проводили две стадии деформационной обработки, с предварительным нагревом перед деформацией и последующей термообработкой.

Нагрев заготовки под клиновую поперечную прокатку осуществляли электроконтактным методом. Подвод тока осуществляли через водоохлаждаемые медные контакты. Заготовка в зоне контакта оставалась холодной, а центральная часть заготовки нагревалась до заданной температуры переменным или постоянным током. Контроль за температурой нагрева осуществляли с помощью инфракрасного пирометра. При достижении заданной температуры пирометр направлял сигнал на микропроцессорный контроллер, который передавал управляющий сигнал исполнительным механизмам с пневмоприводами, и нагретая заготовка с минимальными временными задержками доставлялась в зону прокатки.

На первой стадии деформационной обработки из заготовки цилиндрической формы методом клиновой поперечной прокатки получали заготовку промежуточной формы под последующую штамповку головки клапана (фиг.3). В ходе клиновой поперечной прокатки формировалась структура стержня клапана. Отличительной особенностью клиновой поперечной прокатки является нагрев заготовки только в зоне 5, которая подвергается прокатке. Нагрев только деформируемой части заготовки позволяет избежать нежелательного роста зерна в недеформируемой ее части 6 и облегчить формирование головки клапана при штамповке, что существенно для труднодеформируемых сплавов.

Клиновую поперечную прокатку осуществляли со степенью деформации 30-70%.

Экспериментально было установлено, что в этом интервале степеней деформации в стержне клапана получается сочетание микроструктур трех типов: равноосной, бимодальной и пластинчатой, обеспечивающее достижение необходимого технического результата. При степени деформации менее 30% не удавалось накопить достаточное количество металла в штампуемой части заготовки для последующего формирования головки клапана. При степени деформации более 70% происходил обрыв заготовки при прокатке.

Клиновую поперечную прокатку проводили при температуре на 5-20°С ниже температуры полного полиморфного превращения (Т_пп) для данного сплава, то есть в α+β-области сплава. Экспериментально было установлено, что в этом диапазоне температур клиновая поперечная прокатка обеспечивает получение в стержне сочетание микроструктур трех типов: мелкозернистой равноосной, бимодальной и пластинчатой, необходимых для получения достигаемого технического результата. При температуре прокатки меньше нижнего предела (Т_пп -20°С) происходит обрыв заготовки. При температуре прокатки выше верхнего предела (Т_пп-5°С) не получают необходимого сочетания микроструктур (фиг.8-10).

В процессе клиновой поперечной прокатки для микроструктуры в стержне клапана получали размер зерен 3-40 мкм. Так как деформационный эффект клиновой поперечной прокатки уменьшается от поверхности к центру, то в приповерхностных слоях происходит трансформация исходной структуры заготовки прутка в равноосную, а в центральной зоне, где деформационное влияние минимально, получали пластинчатую микроструктуру, характерную для недеформированного сплава, подвергнутого нагреву.

Электроконтактный нагрев деформируемой части заготовки под клиновую поперечную прокатку вели со скоростью 10-50°С/сек. Непосредственный электрический нагрев позволяет реализовать такие, достаточно высокие, скорости нагрева и обеспечить равномерность температур по сечению и длине заготовки. При скорости нагрева более 50°С/сек центральная часть заготовки стержня нагревается до меньших температур, чем на поверхности, что приводит к ухудшению качества прокатки. При скоростях - менее 10°С идет окисление поверхности заготовки и появление нежелательного окисного слоя.

Клиновая поперечная прокатка позволяет получить заготовку под штамповку с высокой производительностью, порядка 4-5 заготовок в мин, при минимальных затратах на деформационный инструмент (валки). Стойкость валков клиновой прокатки в 10-20 раз выше стойкости экструзионных матриц.

Горячую штамповку головки клапана осуществляли на механическом кривошипном прессе.

Нагрев под штамповку вели индукционным методом только той части заготовки, которую подвергали деформации при формообразовании головки клапана. Скорость нагрева составляла 20-50°С/сек. После нагрева до заданной температуры проводили штамповку головки клапана (фиг.4).

Начало штамповки проводили при температурах деформации на 5-50°С выше точки полного полиморфного превращения (Т_пп) для данного сплава. Конечная стадия формирования головки клапана происходила при температурах ниже Т_пп. При этом посредством штамповки формировалась головка 7 клапана тарельчатой формы с плавным участком 8 перехода в стержень 9. Экспериментально установлено, что такой температурный режим штамповки обеспечивает получение смеси микроструктур двух типов: корзиночного плетения и пластинчатой с размером зерен 50-200 мкм, необходимую для обеспечения жаропрочности головки клапана. Для участка перехода получали смешанную микроструктуру, состоящую из микроструктур, характерных для стержня и головки, что обеспечивало плавный переход микроструктур и свойств клапана от одной его части (стержня) к другой (головке).

При перегреве заготовки под штамповку, то есть нагреве ее выше температуры Т_пп +50°С, происходит нежелательный рост зерна выше 200 мкм, что приводит к снижению прочностных свойств головки клапана из-за ослабления межзеренных границ.

При недостаточном нагреве заготовки, ниже температуры Тβ+5°С, происходит растрескивание головки клапана в процесс штамповки.

Быстрый и однократный нагрев деформируемой части заготовки не позволяет образоваться на ее поверхности окалине и окисному слою, что способствует более благоприятному протеканию деформационных процессов при штамповке, снижению сопротивления деформированию и получению качественной поверхности штамповки без растрескивания, складок и морщин.

Нагрев со скорость более 50°С/сек приводил к высокой неоднородности нагрева заготовки, из-за чего центральная ее часть не успевала прогреваться до заданных температур, в то время как поверхность перегревалась. Это приводило к плохому качеству штамповки. Нагрев со скоростью менее 20° С/сек уменьшал производительность штамповки.

После окончания деформационной обработки проводили термообработку заготовки клапана. Термообработку осуществляли с помощью закалки и отжига или - с помощью только отжига.

При первом варианте термообработки закалку проводили сразу после окончания каждой из стадий деформационной обработки. После завершения клиновой поперечной прокатки проводили закалку заготовки, например в воду. При этом в стержне клапана происходила фиксация структуры в двухфазной (α+β) области и прекращение процесса выделения α₂-фазы. При закалке после штамповки происходила фиксация микроструктуры в головке клапана. Согласно диаграммы состояния титан - алюминий выделение α₂ -фазы начинается при температурах 500-650° (см. Титан. Источники, составы, свойства, металлохимия и применение. Корнилов И.И. М.: Наука, 1975, стр.185-197). Чем выше температура процесса, тем крупнее выделения α₂-фазы. Наилучшие результаты по дисперсионному выделению α₂-фазы получают в результате диффузионных процессов при температурах 500-650°С. В этом случае выделяется α₂-фаза с размером выделений 20-50 нм. При температуре ниже 500°С диффузные процессы очень медленны. При температурах выше 650°С размер α₂-фазы велик. Отжиг в заявленном интервале температур приводит к повышению жаропрочности. Нагрев заготовки до температуры 650-950°С преследует цель - снятие внутренних напряжений.

При втором варианте термообработки отжиг проводили по окончании формирования клапана, то есть - после второй стадии деформационной обработки. Отжиг выполняли для заготовки клапана в целом.

Отжиг при первом и втором вариантах термообработки проводили в две ступени. На первой ступени отжига осуществляли нагрев заготовки до температуры 650-950°С, выдержку при этой температуре в течение 0,1-5,0 часа и охлаждение до температуры 500-650°С.

На второй ступени отжига осуществляюли выдержку заготовки при температуре 500-650°С в течение 5-50 часов с последующим охлаждением.

По первому варианту термообработки наилучшего результата добивались при содержании в сплаве α₂-фазы в количестве 7-25 мас.%. В этом случае повышение механических характеристик происходит по механизму упрочнения 2-фазных (α+β) сплавов и за счет дисперсного выделения α₂ -фазы. Достигаемый эффект упрочнения, в результате закалки и отжига, превышает эффект упрочнения за счет выделения α₂-фазы в количестве 7-25 мас.%. Проведение проведение термообработки по первому варианту является предпочтительным для сплава с содержанием алюминия в диапазоне 7,5-9,5 мас.%. В результате такой термообработки получали клапаны ДВС (преимущественно впускные), обеспечивающие длительную работу в температурном диапазоне 600-650°С (см. Табл.2).

Термообработку по второму варианту целесообразно проводить при содержании α₂-фазы в количестве 25-80 мас.%. В этом случае повышение механических свойств обеспечивается, в основном, за счет дисперсного выделения α₂-фазы. Проведение термообработки по второму варианту предпочтительно для сплава с содержанием алюминия от 9,5 до 12,5 мас.%. Клапаны (как выпускные, так и впускные) из сплава с содержанием алюминия мас.%: 9,5-10,5, 10,5-11,5 и 11, 5-12,5 обеспечивают длительную работу в температурном диапазоне: 650-700°С, 700-800°С и 800-850°С соответственно для двигателей с длительным периодом эксплуатации (см. Табл.2). Клапаны с содержанием алюминия 11,5-12,5 мас.% обеспечивают ограниченный период работы в температурном диапазоне до 900°С для форсированных двигателей (см. Табл.2).

Выполнение деформационных и термических обработок по заявленным режимам при изготовлении клапана ДВС из сплава с содержанием алюминия от 7,5 до 12,5 мас.% обеспечивает получение необходимых механических свойств в клапанах ДВС, приведенных в Таблице 3.

Из Таблицы 3 видно, что разработанный сплав с содержанием алюминия 7,5-12,5 мас.%, упрочненный интерметаллидной α₂-фазой, обладает следующими более высокими механическими свойствами в диапазоне температур до 900°С (по сравнению со свойствами сплавов по прототипу):

- прочность в 3,5 раза выше для сплава с содержанием алюминия 7,5-9,5 мас.% при температурах 700-760°С и в 4 и более раз выше - для сплава с содержанием алюминия 9,5-10,5 мас.%;

- прочность сплава при увеличении содержания в нем алюминия с 7,5-9,0 мас.% до 12,0-12,5 мас.% возрастает в 2 раза в случае работы головки клапана при температуре 800°С и напряжениях в диапазоне от 260 до 520 МПа;

- при увеличении содержания алюминия с 7,5 до 12,5 мас.% удельная прочность (σ_в/ρ) выше в 2-4 раза в температурном диапазоне от 760 до 800°С, а удельная жесткость (Е/ρ) выше на 11-27% при комнатной температуре (это позволяет изготавливать клапан с меньшими конструктивными размерами для стержня и участка перехода стержня в тарелочку и тем самым снизить массу клапана на 10-20%);

- сопротивление ползучести сплава при температурах 600-800°С значительно превышает этот показатель для прототипа.

Изготовленную описанным выше способом заготовку клапана подвергали механической обработке известными методами, такими как точение и шлифование. После механической обработки наружную поверхность клапана упрочняли, например, азотированием на глубину 50-100 мкм.

Предлагаемый способ изготовления клапана позволяет получать клапаны ДВС, которые согласуются с уровнем тепловой нагруженности в двигателях различного назначения и степени форсирования. При этом в процессе изготовления можно управлять свойствами клапанов, варьируя свойствами материала, в первую очередь, жаропрочностью. Предлагаемый способ основан на применении высокопроизводительных деформационных технологий и может быть применен при массовом производстве клапанов ДВС.

Реферат

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и может быть использовано в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Предложены клапан двигателя внутреннего сгорания, способ его изготовления и жаропрочный титановый сплав, содержащий следующие компоненты, мас.%: алюминий 7,5-12,5, молибден 1,6-2,6, цирконий 1,4-2,4, кремний 0,1-0,2, иттрий 0, 05-0,1, титан остальное и имеющий α+α₂+β - фазовый состав с интерметаллидной α₂-фазой на основе соединения Ti₃Al, дисперсно распределенной в α-фазе. Предложенный способ включает формирование из цилиндрической заготовки клапана путем деформационной обработки с предварительным нагревом и последующей термообработки, при этом предварительный нагрев части заготовки, относящейся к стержню, проводят до температуры на 5-20°С ниже температуры полного полиморфного превращения сплава, а ее деформационную обработку осуществляют путем клиновой поперечной прокатки, деформационную обработку части заготовки, относящейся к головке, проводят штамповкой с ее предварительным нагревом до температуры на 5-50°С выше температуры полного полиморфного превращения сплава, соответствующей началу штамповки, а окончание штамповки проводят при температуре ниже температуры полного полиморфного превращения сплава, формируя головку клапана тарельчатой формы и участок перехода, обеспечивающий плавное сопряжение головки со стержнем. Техническим результатом изобретения является разработка клапана, способа его изготовления и жаропрочного титанового сплава, позволяющих обеспечить работу клапана в диапазоне рабочих температур, за счет повышения длительной прочности и сопротивления ползучести материала головки клапана и повышения прочности, модуля упругости и твердости материала стержня клапана. 3 с. и 12 з.п. ф-лы, 15 ил., 3 табл.

Формула