هل يمكننا صنع محرك من التيتانيوم

مقارنة بالمواد خفيفة الوزن مثل الألومنيوم وسبائك المغنيسيوم والبلاستيك المقوى بألياف الكربون ،التيتانيومتتمتع بقوة محددة عالية ومقاومة للحرارة ومقاومة للتآكل ، مما يجعلها معدنًا مثاليًا لمعدات النقل في صناعات الفضاء والسيارات. من ناحية ، يعتبر التيتانيوم مادة مستخدمة على نطاق واسع في الفضاء الجوي. من ناحية أخرى ، في صناعة السيارات ، يشتهر الفولاذ بتنوعه الواسع. وذلك لأن محركات السيارات المصنوعة من التيتانيوم عادة ما تكون باهظة الثمن بالنسبة لسوق المستهلكين في السيارات. أعاقت التكلفة العالية لتصنيع أجزاء التيتانيوم توسعها في تطبيقات الإنتاج الضخم. بدلاً من ذلك ، تم تحديده في المقام الأول على أنه مادة خاصة ، على سبيل المثال ، لأجزاء سباقات السيارات والدراجات النارية حيث يكون الوزن الخفيف والقوة العالية والصلابة أمرًا بالغ الأهمية.

مكونات المحرك الترددية هي أكثر التطبيقات فعالية للتيتانيوم ، بما في ذلك صمامات السحب ، وصمامات العادم ، ومقاعد زنبرك الصمام ، ونوابض الصمامات ، وغمازات الصمام ، وقضبان التوصيل ودبابيس المكبس ، كما هو موضح في الشكل 3. ومن بينها ، صمامات السحب ، وقضبان الصمام العلوية ، عادةً ما يتم تصميم قضبان التوصيل باستخدام سبائك التيتانيوم الإنشائية ذات الطور النموذجي ، مثل Ti -6 Al -4 V ، والتي تعمل حتى 300 درجة. هذا لأن النهاية الكبيرة لقضيب التوصيل يجب أن تتميز بالشكل الهندسي الأمثل والصلابة الكافية لقمع تقليل القوة الناتج عن إجهاد التآكل. يقلل تقليل وزن دبوس المكبس إلى حد كبير من الضوضاء والاهتزاز والخشونة الصوتية ويحسن أداء المحرك بما في ذلك استهلاك الوقود. بدلاً من ذلك ، يتم تصنيع مقاعد زنبرك الصمام من سبائك التيتانيوم ذات الطور مثل Ti -22 V -4 Al (DAT51) ، والتي تتميز بقابلية للتشوه على البارد. بالإضافة إلى ذلك ، سبائك Ti -6. 8Mo -4. 5Fe -1. 5Al (أو بيتا منخفضة التكلفة ، LCB) مناسبة أيضًا لتصنيع مقاعد زنبركية الصمامات. تتميز سبيكة LCB بمعامل يونغ المنخفض والمتانة العالية وتكلفة التصنيع المنخفضة مقارنةً بسبائك Ti -6 Al -4 V. وستتم معالجة التفاصيل المتعلقة بأداء الزنبرك لتطبيقات السيارات لاحقًا. العمود المرفقي هو المكون الترددي الوحيد في المحرك الذي يصعب تصنيعه بشكل فعال من التيتانيوم. نظرًا لأن دور العمود المرفقي هو تحويل الحركة الترددية للمكبس إلى عزم دوران ، مما يولد القوة الدافعة ، فإن تقليل وزن المادة سيؤدي إلى افتقارها إلى الصلابة اللازمة لأداء الوظيفة المناسبة.

من منظور تكلفة التصنيع ، قد تكون صمامات عادم التيتانيوم أكثر فعالية من حيث التكلفة عند استبدالها بمكونات محرك ترددية مصنوعة من سبائك أغلى ثمناً ، على سبيل المثال في ظروف درجات الحرارة المرتفعة التي تبلغ حوالي 800 درجة. نظرًا لأن صمامات العادم التي أساسها الحديد تتكون أساسًا من Fe -21 Cr -0. 4N (21-4 N) ، فإنها تتمتع بمقاومة عالية للحرارة الأوستنيتي ولكنها غالية الثمن. لذلك ، منذ الثمانينيات ، سبائك التيتانيوم ذات درجة الحرارة العالية بالقرب من المرحلة ألفا Ti -5. 8Al -4 Sn -3. 5Zr -0. 5Mo -0. 7Nb -0. 35Si -0. 06C (IMI834) و Ti -6 Al -2. 7Sn -4 Zr -0. 4Mo {{31} } .45Si (Ti -1100) تم تطويرها بواسطة IMI و TIMET. بحلول التسعينيات ، أدت القوة المتزايدة للمحركات الترددية والأنظمة الأكثر صرامة للانبعاثات إلى ارتفاع درجات حرارة صمام العادم واعتماد عدد كبير من سبائك التيتانيوم ذات المرحلة ألفا عالية الحرارة لصمامات العادم. أدت هذه الاتجاهات إلى ظهور تقنيات جديدة للتيتانيوم ، مثل تصميمات السبائك الفريدة والتحكم في البنية المجهرية ، كما هو موضح في الشكل 3. سبائك مثل 5vol بالمائة TiB / Ti -6 Al -4 Sn -4 Zr -1 Mo -1 Nb -0. 2Si (TiB MMC) ، Ti -5. 8Al -4 Sn -3. 5Zr -2 .8Mo -0. 7Nb -0. 35Si -0. 06C (DAT54) و Ti -6 Al -4 Sn -3. 5Zr {{64 }} 5Mo -1 Ta -0 35 Si ، هي سبائك تيتانيوم نموذجية تستخدم في تطوير صمامات العادم. على وجه الخصوص ، يتميز TiB MMC بخصائص فريدة مثل القوة الفائقة ومقاومة الحرارة حتى حوالي 900 درجة ، فضلاً عن مقاومة التآكل ومقاومة التآكل العالية. ترجع هذه المقاومة للحرارة إلى وجود جسيمات TiB في Ti-MMC ، ولكن بعد ترسيب TiB2 في الموقع في التفاعل مع Ti أثناء التلبيد بدرجة حرارة عالية ، تكون جسيمات TiB مستقرة فقط في السبائك التي أساسها التيتانيوم. في المقابل ، حصل DAT54 على توازن بين مقاومة الزحف ومقاومة الإجهاد المحيطي المنخفضة عند درجة حرارة عالية لأن إضافة 2.8 بالمائة Mo أعطتها بنية ثنائية فريدة من نوعها. تم أيضًا تطبيق -1100 مع تنظيم يشبه الإبرة وقوة زحف عالية على صمامات العادم.

بالإضافة إلى ذلك ، لتعزيز استخدام التيتانيوم في مكونات المحرك الترددية ، من المهم الجمع بين شروط المعالجة المطلوبة للحصول على الخصائص المطلوبة لكل مكون محرك. على سبيل المثال ، كما ذكرنا سابقًا ، نجحت عمليات تعدين مسحوق العناصر المختلطة (BE) وعمليات البثق في درجات الحرارة العالية في تحقيق غلة مادية بنسبة 100 بالمائة. يوضح الشكل 4 منتجًا اختباريًا لتصنيع مكونات المحرك باستخدام عملية تعدين مسحوق BE. يعتبر التشكيل على البارد مهمًا أيضًا لتصنيع أجزاء محرك التيتانيوم منخفضة التكلفة. على سبيل المثال ، تتمتع مقاعد زنبركات الصمام التي تستخدم سبيكة Ti -22 V -4 V بإمكانية تشكيل أفضل من سبيكة Ti -6 Al -4 V. تؤدي المعالجات السطحية مثل السفع بالخردق للتعامل مع قوة الإجهاد المحيطية العالية والطلاء المعدني والرش الحراري والتصلب بواسطة العناصر الخلالية إلى زيادة القيمة وكذلك تحسين الموثوقية بشكل فعال ، وخاصة الأكسدة كعلاج نموذجي منخفض التكلفة يتم تطبيقه على صمامات المحرك. تفي صمامات المحرك tiB MMC ذات المعالجات السطحية منخفضة التكلفة بمعايير مقاومة التآكل الصارمة بعد اختبار متانة المحرك ، كما هو موضح لاحقًا. .