TiAl合金增压器涡轮研究进展

朱春雷，刘烨，张继，何洪，朱小平

TiAl合金增压器涡轮研究进展

朱春雷1,2,3，刘烨4，张继3，何洪4，朱小平1,2

（1. 河北钢研德凯科技有限公司，河北 保定 072750；2. 北京钢研高纳科技股份有限公司，北京 100081；3. 钢铁研究总院，北京 100081；4. 中国北方发动机研究所，天津 300405）

采用轻质TiAl合金代替较重的镍基高温合金制作内燃机增压器涡轮，是改善内燃机加速响应性、实现轻量化的有效技术途径之一。围绕TiAl合金增压器涡轮的工程化应用，分析了TiAl合金增压器涡轮的合金及组织设计、涡轮制备技术、涡轮连接技术、母合金制备技术、应用考核试验等方面的国内外研究现状和研究进展。认为我国铸造技术和连接技术以及母合金制备技术基本成熟，已具备了工程化应用的条件，但尚需进一步提高TiAl涡轮的铸造和连接生产效率以及尽快制定相应的行业标准。

TiAl；涡轮；母合金；铸造；连接

TiAl金属间化合物是一种密度低（约4.0 g/cm3）、比刚度和比强度高、抗氧化性优异的新型轻质高温结构材料[1-2]。采用这种轻质材料代替密度约8.0 g/cm3的镍基高温合金制作内燃机用废气增压涡轮，可显著降低涡轮转子的转动惯量，将提高涡轮增压发动机的瞬态响应性和提升发动机性能，具有节能减排的效果[3-5]，还可以降低噪声和减少震动。此外，由于TiAl合金的比刚度高于镍基高温合金，这可将叶片的共振频率提高到更高的频率区间，有助于提高叶片的疲劳损伤能力。当前，国内外主要增压器设计单位均指出，应用轻质TiAl合金增压涡轮是涡轮增压技术的必然发展趋势，也是先进内燃机实现轻量化的有效技术途径之一。考虑到在内燃机上应用TiAl合金所带来明显的性能优势，国际上包括丰田、三菱、ABB、霍尼韦尔、博格瓦纳等主要汽车或内燃机公司，均迫切希望在其先进发动机上应用TiAl合金增压器涡轮[6]。

以日本和德国为代表的国外内燃机技术比较发达的国家，早在20世纪90年代便启动TiAl合金增压器涡轮的工程化应用研究。据报道，日本在1999年已实现了TiAl合金涡轮在民用车辆的商业化应用[5]。国内以钢铁研究总院为代表的研究院所，在20世纪90年代末也紧跟国际发展，启动TiAl合金材料及涡轮工程化应用研究，目前已经实现了中试生产，并在部分车辆上进行小批量的应用考核试验验证[7]。

考虑到国内即将实现TiAl合金涡轮的批量生产及应用，为减少批产阶段的技术风险和质量风险，文中首先总结回顾国外TiAl合金增压涡轮的研制及应用历程，之后结合国内实际情况，总结分析TiAl母合金制备、涡轮铸造、涡轮连接等方面技术进展，并提出TiAl合金增压器涡轮的研制及生产尚需解决的主要问题。

1 国外研究进展

日本三菱公司和大同制钢株式会社在20世纪90年代启动TiAl涡轮研制及工程化应用研究。采用反重力铸造成功研制出了民用汽车发动机用Ti-46Al- 7Nb-0.7Cr-0.1Si-0.2Ni（原子数分数）增压涡轮（见图1a），以替代较重的镍基合金Inconel 713C涡轮。Tetsui等报道[5]，与Inconel 713C镍基高温合金相比，采用TiAl涡轮使增压器从34 000～100 000 r/min区间的加速响应性提高了16%（见图1b），到170 000 r/min的响应性提高了26%；在进行超速破坏试验中，直径为47 mm的TiAl涡轮的超速破坏转速可达210 000 r/min，超速倍率达到额定转速的124%；在其他试验验证中，涡轮轮缘线最高线速度达到620 m/s，高于Inconel 713C的涡轮（大约500 m/s）（见图1c）。上述台架性能试验，充分验证了采用TiAl合金代替镍基高温合金制作增压器涡轮转子的有益效果。

图1 日本研制的TiAl合金涡轮以及加速性和超速试验结果[5]

Mitsubishi Heavy Industries（MHI）将TiAl涡轮装配到Lancer Evolution系列汽车（见图2），Abe等[8]报道，在1998—2000年间装配了8000台以上的TiAl涡轮增压器，Tetsui报告在1999—2000年装配了5000台以上的TiAl涡轮增压器。Wu等[9]报道了在2003年有20 000辆汽车需装配TiAl涡轮增压器。国外普遍认为，尽管目前TiAl涡轮的成本高于传统的镍基高温合金涡轮，但从技术角度应用TiAl涡轮是可行的。McQuay等报道[6]，包括ABB，Honywell，Toyota在内的国外主要内燃机和增压器制造厂，均已成功测试了TiAl合金增压器涡轮。Daimler和Mitsubishi等公司均投入了大量研发费用开展TiAl涡增压器研究。

图2 日本三菱公司Lancer汽车和TD05增压器[5]

2 合金成分及组织设计

铸造合金的选择很大程度上取决于所需研制的部件。考虑到TiAl合金是一种室温拉伸塑性较低的材料，所选择的铸造合金应具有较好的室温拉伸塑性，但不要求较高的屈服强度[10]。例如，美国GE公司研制的航空发动机低压涡轮叶片采用Ti-48Al- 2Cr-2Nb（原子数分数）合金，室温屈服强度约300 MPa[11]。增压器涡轮转子是一种在750～950 ℃下使用的高速旋转的转动件，其中柴油发动机温度涡轮转子使用温度通常低于830 ℃，汽油机不超过950 ℃，要求涡轮转子的材料具有良好的室温拉伸塑性、高温强度、抗蠕变性能、抗疲劳性能、抗氧化性能、抗腐蚀等性能[12]。因此，在TiAl合金增压器涡轮的材料选择上，要求具有相对较高的强度，还要具有可接受的室温拉伸塑性[10]。

日本大同制钢株式会社研究发现，高Nb-TiAl合金比低Nb-TiAl具有更高的强度水平、更高的抗氧化水平以及更高的抗外物冲刷能力（见图3a），添加适量Cr元素有利于改善室温拉伸塑性、添加适量的Si和Ni元素有利于改善高温抗氧化性（见图3b），因而最终优选出高铌含量的Ti-46Al-7Nb-0.7Cr-0.1Si- 0.2Ni（原子数分数）。涡轮在铸造之后采用热等静压处理以消除铸造缺陷，最终获得等轴全层片组织（见图4a和4b）[5]。后续的发动机超速试验和耐久性试验均表明，采用该合金研制的涡轮转子可以在实际应用环境中长时运行。

图3 TiAl合金与Inconel 713C合金的比强度及850 ℃×500 h氧化增重对比结果[5]

图4 日本研制的TiAl合金涡轮芯部低倍组织及内部高倍组织[5]

钢铁研究总院基于TiAl合金室温拉伸塑性较低的特点，自主设计开发了具有较好综合室温强塑性、断裂韧性和高温长时性能的Ti-(46.5-47.5)Al-3.7 (Cr,V,Zr)-0.2(C,Si)（原子数分数）系列合金。在组织设计方面，提出了宏观为柱状晶、微观为近层片组织的设计理念。为获得该组织，需满足成分设计、凝固冷却条件和热处理制度3方面的条件[12-13]：① 在成分设计方面，通过控制Ti/Al原子比（1.03～1.08），保证凝固过程中初生相为α相，为获得上述凝固路径，要求控制主元素Al含量和其他合金化元素含量。结合Ti-Al二元相图可知，Al的原子数分数应大于44.9%，钢研院采用板状试样的试验研究表明，Al的原子数分数应超过46.5%，可见，Al含量需选择高铝含量设计，对于合金化元素，为保证α相凝固路径，需选择添加α相稳定化元素，例如V，Mn，Cr等元素；而Nb，W，Mo，Ta等高熔点、强稳定化元素均为β相稳定化元素，则需严格控制其含量，目前优选的合金成分为Ti-(46.5-47.5) Al-3.7(Cr,V,Zr)（原子数分数）；② 对于凝固冷却速率，为获得柱状晶组织，通常需要选择较快的凝固冷却条件，在满足上述2个条件下，浇注结束后涡轮芯部和叶片可以得到宏观为柱状晶、微观为全层片组织，其中叶片部位微观组织为层片界面接近平行于叶片表面的层片组织（见图5）；③ 对于热处理制度，考虑到柱状晶及层片组织的综合性能优势，在铸造之后的热处理或热等静压处理过程中，应尽可能不破坏柱状晶和层片特征，研究表明，在α/β相变温度以下20～30 ℃、较短时间（1～4 h）热处理和热等静压处理，并未破坏柱状晶组织，仅在层片内或层片团间析出体积分数不超过5%的等轴γ晶粒[14]，力学性能测试表明，这种组织具有较好的室温强度和塑性组合、较好的韧性、高温持久蠕变性能以及高温抗氧化致脆性，是叶片类TiAl合金部件的理想组织设计[12]。采用该合金研制的柴油发动机增压器涡轮转子，也顺利通过了包括台架240 h耐久性考核、发动机500 h考核、整车5000 km以上实车训练等试验，充分验证了该合金已具备在实际应用环境中长时使用的条件[7]。

图5 涡轮的宏观组织和微观组织

3 母合金制备技术

国外自20世纪90年代启动TiAl合金铸件的研制，TiAl合金母合金的制备技术也同步启动。对于TiAl合金，铝含量是影响其组织和力学性能的重要元素，据报道，铝的原子数分数精度及波动幅度应控制在±0.3%以内[10]。此外，由于TiAl合金室温塑性较低，杂质元素含量较高，将进一步降低其室温拉伸塑性，因此杂质含量也需要严格控制，研究表明，氧的质量分数应控制在1000×10−6以内。在近30年的研究过程中，TiAl合金母合金的制备工艺主要包括水冷同坩埚悬浮熔炼（ISM）、真空自耗电弧熔炼（VAM- Vacuum arm melting+ISM-Induction skull melting）、冷床炉电子束熔炼（PAM-Plasma arc melting）。

1）水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼。采用该工艺时，由于使用电磁悬浮熔炼，熔炼电流较低，Al元素等低熔点元素挥发量少，成分准确；但由于电磁感应熔炼坩埚限制，单次熔炼的母合金质量相对较小（3～20 kg），且至少需要2次以上熔炼才能实现完全合金化，因而母合金制备效率较低，适合于浇注质量较小的铸件以及小批试制阶段，并不适于批量生产。

2）真空自耗熔炼。与传统钛合金相似，采用多次真空自耗熔炼，可以制备大规格的TiAl母合金，目前单根母合金最大规格可达300 mm、质量可达300 kg以上，适合于大型TiAl铸件的浇注。但由于TiAl合金中Al和Ti元素的熔点和密度差异较大，真空自耗熔炼过程中存在金属熔池凝固结束时Ti等高熔点元素尚未完全合金化和Al元素在熔池中分布不均匀的现象[15]，但由于真空自耗熔炼的母合金成分不均匀，并不适合于分段切割后小规格铸件的浇注。

3）真空自耗熔炼+真空自耗凝壳熔炼。真空自耗凝壳熔炼熔体过热度高、熔池深，可实现成分的均匀化及去除高熔点未熔元素，熔化后的金属液在坩埚内得到充分均匀，因而采用这种工艺熔炼的母合金成分均匀性较好。同时凝壳熔炼由于熔炼电流较高，熔炼真空度较高，低熔点元素挥发严重，因此为获得目标含量的铸锭，需要对低熔点元素进行烧损补偿。鉴于TiAl合金中铝含量对组织和力学性能的显著影响，在传统真空自耗熔炼基础上增加了真空自耗凝壳熔炼[16]。研究表明，采用这种组合熔炼工艺制备的直径为220 mm的铸锭，其Al的质量分数偏差范围可达到±0.6%[17]。此外，末次采用真空自耗凝壳熔炼可根据实际需要采用不同规格的模具进行浇注，进而可制备不同规格的母合金棒，尤其适合于批量生产中小规格铸件用的母合金[18]。

铸件用TiAl母合金的制备技术水平主要体现在以下几个方面：① 合金元素尤其是主元素Al的成分准确性和均匀性，Al是低熔点元素，熔炼过程中容易挥发[19-21]，通过添加适当的烧损补偿，并优化电极布料方案，百公斤级TiAl母合金（见图6）铝的质量分数准确性可控制±0.5%偏差范围内，同一铸锭9点取样Al的质量分数分布均匀性控制在±0.4%，其他合金元素Cr，V，Zr元素准确性和均匀性均可控制在± 0.15%，± 0.1%，±0.1%范围内（见图7）；②杂质元素含量，尤其是氧含量，钢研院通过控制原材料尤其是海绵钛的杂质含量、熔炼真空度，采用真空自耗熔炼+真空自耗凝壳工艺制备的百公斤级TiAl合金氧的质量分数可控制到650×10−6以内（见图7），这已经达到TiAl母合金氧的质量分数低于1000×10−6的工业化生产要求。

图6 钢铁研究总院采用真空自耗+真空凝壳熔炼的百公斤级TiAl母合金

图7 百公斤级TiAl母合金的化学成分分析结果

4 涡轮制备技术

TiAl合金具有熔体凝固区间窄、流动性差、铸造静压头作用小等特点，该材料的铸造充型性能和补缩效果均明显低于镍基高温合金[22]。增压涡轮是由薄壁叶片和厚大轮毂构成的复杂部件，其中叶片最小壁厚为0.3～2.0 mm，轮毂部位厚度约是叶片壁厚的100倍，薄壁叶片欠浇和厚大轮毂芯部疏松缺陷控制难度很大。目前文献报道涡轮铸造技术主要有以下几种。

1）重力浇注。国内曾有研究报道，借鉴镍基高温合金增压器涡轮的重力浇注工艺来铸造TiAl合金涡轮，其结果均宣告失败，主要原因是TiAl合金静压头较小、熔体流动性较差，无法解决厚大轮毂的疏松以及薄壁叶片的欠浇问题[23]。因此，解决TiAl合金增压器涡轮铸造的关键是如何改善熔体的充型能力和补缩能力。

2）日本采用反重力铸造（Levicasting）进行民用汽车用TiAl合金涡轮的研制（见图8a）[3]。研究表明，反重力作用显著增加了熔体的充型能力，有效解决了薄壁叶片的充型难题，制备出最小壁厚为0.3 mm的45～ 75 mm涡轮；同时，在反重力作用下，低密度熔体的凝固补缩能力得到显著改善。这种工艺尤其适用于制备直径相对较小的涡轮。根据日本报道的反重力铸造结构示意图推测，采用这种工艺每炉浇注涡轮数量较少，同时，考虑到浇注之前需要预热模壳，以及抽真空、浇注后需要在真空下炉冷到500 ℃以下才能出炉以避免TiAl合金表面氧化等问题，采用这种工艺浇注效率相对较低。

3）钢铁研究总院采用离心铸造（见图8b），结合Procast数值模拟通过设计特定的浇注系统和造型方式，耦合设计浇注温度、模壳预热温度、离心转速等工艺参数[24]，研制出直径为90～200 mm的TiAl合金涡轮，其中涡轮叶片最小壁厚为0.7 mm（见图9）。轮质量验收的专用国家标准和行业标准，钢铁研究总院与某研究所参照镍基高温合金涡轮铸件的验收条件，制定了企业标准，检测项目包括目视检查、荧光表面渗透检查、X光内部冶金质量检查、涡轮芯部抽样破坏性剖切的高低倍组织检查、芯部径向取样室温拉伸强度检测、剖面荧光渗透检查。检查结果表明，TiAl合金涡轮表面和内部冶金质量达到现役镍基高温合金铸件的验收技术要求。以直径为100 mm的涡轮为例，涡轮铸件无损检测和尺寸检测综合合格率达到50%以上。考虑到当前TiAl合金焊接工艺不成熟，无法通过补焊手段进行缺陷修复，50%的合格率已经是较高的水平。此外，小批量涡轮芯部径向取样室温拉伸强度在380～440 MPa之间，平均强度达到410 MPa（见图10），满足了设计要求。

图8 浇注示意

图9 钢铁研究总院研制的铸造TiAl合金涡轮

5 涡轮连接技术

为实现TiAl合金增压器涡轮的工程化应用，必须解决TiAl合金与结构钢轴（例如42CrMo钢）的连接问题。TiAl合金是一种金属间化合物基材料，室温下较脆，其物理、力学性能介于金属和陶瓷材料之间。目前，若采用包括氩弧焊、电子束焊接、摩擦焊等焊接工艺，焊区接头部位产生脆性相，而且由于TiAl合金与其他金属膨胀系数差异较大，在高温热循环条件下，接头可靠性较低，因而这些焊接工艺应用TiAl合金与结构钢轴的焊接均受到限制[25]。为推动TiAl合金增压器涡轮的工程化应用，日本大同制钢和中国钢铁研究总院提出了2种不同的三体连接工艺。

日本大同制钢株式会社采用电子束焊+钎焊工艺实现了TiAl合金与结构钢轴的连接[25]，其采用的主要工艺路线如图11所示，可以看出，首先采用真空钎焊进行TiAl和过渡体的连接，之后再采用电子束焊实现过渡体与结构钢轴的连接（见图11），其中TiAl合金与过渡体的真空钎焊是技术关键。Tetsui等[25]提出，由于增压器涡轮转子是在高温下高速旋转的部件，钎焊结构应具有足够的室温和高温接头强度，这就要求钎料应具有良好的润湿性、高温强度、足够的韧性，且不能引起TiAl本体合金的脆性，同时，钎焊温度不能太高以避免造成TiAl合金涡轮本体组织变化。通过研究，日本大同制钢采用Ti-Ag系钎料进行焊接。钎焊接头的室温拉伸性能测试表明，采用这种钎焊体系，接头室温拉伸强度达到320 MPa以上、500 ℃拉伸强度达到310 MPa以上，接头强度达到母体强度50%以上。台架和发动机试验也进一步验证了该工艺的可行性。

国内在20世纪90年代启动TiAl合金增压器涡轮的研究，由于日本技术保密，钢铁研究总院与某研究所联合，自主开发了TiAl涡轮与结构钢轴的过盈连接+摩擦焊的连接工艺（见图12）。由于采用过盈连接，过盈量设计是决定连接强度的关键[26]。若过盈量过低，易出现TiAl涡轮与K418合金过渡体在较低的载荷下松脱；若过盈量过大，由于抱紧力过大将造成TiAl合金应力损伤，则出现强度较低和脆性较大的TiAl合金在较低载荷下断裂。对于不同规格的涡轮，采用的过盈量也不相同。因而，对于特定尺寸的涡轮，需根据增压器轴承体尺寸来设计特定的结构尺寸和过盈量。

图12 钢铁研究总院开发的过盈连接+摩擦焊接工艺及涡轮转轴实物

6 应用试验验证

前述已经介绍了日本大同制钢株式会社研制TiAl合金增压器涡轮的应用试验验证结果。再次，主要介绍了国内钢铁研究总院研制的TiAl合金涡轮转子的应用试验结果。钢铁研究总院研制的TiAl合金先后进行了增压器台架超速破坏试验、2×120 h结构耐久性考核试验、发动机500 h考核试验、整车加速性试验验证等。其中某涡轮叶片自振频率倍频比达到6.5以上，高于设计值5.0；某涡轮最高超速破坏转速达到额定转速的157%，涡轮轮缘线速度达到720 m/s，远高于日本TiAl涡轮水平，也高于国外高温合金涡轮的标准要求（≥500 m/s）及现役涡轮水平；2×120 h耐久性考核试验后，涡轮芯部组织未发生明显变化，硬度水平仅降低5%。同时，整车加速响应性得到显著提高。上述应用试验结果充分表明钢铁研究总院研制的TiAl合金已达到了设计要求。

考虑到TiAl合金属于钛基材料，熔模精密铸造所用的模壳面层材料为昂贵的氧化钇，且涡轮铸造成品率低于传统镍基高温合金涡轮，因此，TiAl合金制造成本相对较高[10]，这也是TiAl涡轮工程化应用尚需解决的一个关键问题。

7 结论和展望

通过近30年的研究，国内外TiAl合金增压器涡轮铸造技术和连接技术以及母合金制备技术基本成熟，已具备了工程化应用的条件，是TiAl合金部件工程化应用的先行者。结合国内现状，为进一步推动TiAl合金工程化应用，尚需在以下几方面开展工作。

1）现有涡轮铸造工艺生产效率较低，尚需进一步优化工艺，提高生产效率。

2）采用真空自耗+真空凝壳组合工艺，制备的百公斤级TiAl母合金主元素成分偏差可控制在±0.5%（质量分数）以内，杂质氧元素的质量分数可控制在0.07%以内，达到了国外TiAl合金的成分控制水平。

3）现有过盈连接+摩擦焊工艺，过盈量设计和控制要求较高，对连接前的加工要求较苛刻，加工成本高、生产效率，尚需进一步优化工艺以提高生产效率。

4）国内TiAl合金增压器涡轮转轴已通过了车辆发动机考核试验验证，满足了国内车辆设计要求。

5）国内已全面打通了TiAl合金增压器涡轮转轴的制备技术，并已具备了中小批量的生产条件。

6）TiAl合金是一种新材料，TiAl合金涡轮铸件的检测验收尚无成熟的标准，尚需制定国家标准或行业标准，以规范TiAl合金涡轮铸件的质量检验和验收。

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Research Progress of Titanium Aluminide Turbocharger Turbine

ZHU Chun-lei1,2,3, LIU Ye4, ZHANG Ji3, HE Hong4, ZHU Xiao-ping1,2

(1. DEKAI Intelligent Casting Co., Ltd., Baoding 072750, China; 2. Gaona Aero Material Co., Ltd., Beijing 100081, China; 3. Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China; 4. China North Engine Research Institute, Tianjin 300405, China)

Replacing heavy nickel-base superalloy with light TiAl alloy to manufacture turbocharger turbine of internal combustion engine is an effective way to improve the acceleration response and achieve light weight of internal combustion engine. Focusing on the engineering application of TiAl turbocharger turbine, the research progresses in alloy and structural design, manufacture and joining technology of TiAl turbocharger turbine, the manufacture technology of master alloy and application test were analyzed. The technologies on casting and joining as well as the manufacture technology of master alloy in China are basically mature and meet the conditions on engineering application. But it is also required to further improve the production efficiency of casting and joining for TiAl turbocharger turbine and formulate corresponding industrial standard as soon as possible.

TiAl; turbine; master alloy; casting; joining

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.008

TG146.2

A

1674-6457(2022)01-0062-09

2021-09-16

朱春雷（1984—），男，博士，高级工程师，主要研究方向为轻质TiAl合金材料研究及部件工程化应用开发。