Bolehkah kita membuat enjin daripada titanium

Berbanding dengan bahan ringan seperti aluminium, aloi magnesium dan plastik bertetulang gentian karbon,titaniummempunyai kekuatan khusus yang tinggi, rintangan haba dan rintangan kakisan, menjadikannya logam yang ideal untuk peralatan pengangkutan dalam industri aeroangkasa dan automotif. Di satu pihak, titanium dianggap sebagai bahan aeroangkasa yang digunakan secara meluas. Sebaliknya, bagaimanapun, dalam industri automotif, keluli lebih dikenali kerana serba boleh yang luas. Ini kerana enjin automotif yang diperbuat daripada titanium biasanya terlalu mahal untuk pasaran pengguna automotif. Kos pembuatan bahagian titanium yang tinggi telah menghalang pengembangannya kepada aplikasi pengeluaran besar-besaran. Sebaliknya, ia telah dikenal pasti terutamanya sebagai bahan khusus, contohnya, untuk bahagian automotif dan perlumbaan motosikal di mana berat rendah dan kekuatan tinggi dan kekakuan adalah kritikal.

Komponen enjin salingan adalah aplikasi yang paling berkesan untuk titanium, termasuk injap masuk, injap ekzos, tempat duduk spring injap, spring injap, tappet injap, rod penyambung dan pin omboh, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3. Antaranya, injap masukan, rod atas injap, rod penyambung biasanya direka bentuk menggunakan aloi titanium fasa tambah struktur biasa, seperti Ti-6Al-4V, yang beroperasi sehingga 300 darjah . Ini kerana hujung besar rod penyambung mesti menampilkan bentuk geometri yang optimum dan kekukuhan yang mencukupi untuk menekan pengurangan kekuatan yang disebabkan oleh keletihan lelasan. Pengurangan berat pin omboh sangat mengurangkan bunyi, getaran, kekasaran akustik dan meningkatkan prestasi enjin termasuk penggunaan bahan api. Sebaliknya, tempat duduk spring injap diperbuat daripada aloi titanium fasa seperti Ti-22V-4Al (DAT51), yang mempunyai kebolehubah bentuk sejuk. Selain itu, Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al (atau beta kos rendah,LCB) aloi juga sesuai untuk mengeluarkan tempat duduk spring injap. Aloi LCB mempunyai modulus Young yang rendah, kekuatan tinggi dan kos pembuatan yang dikurangkan berbanding aloi Ti-6Al-4V. Butiran mengenai prestasi spring untuk aplikasi automotif akan ditangani kemudian. Aci engkol adalah satu-satunya komponen salingan dalam enjin yang sukar dihasilkan dengan berkesan daripada titanium. Memandangkan peranan aci engkol adalah untuk menukar gerakan salingan omboh kepada tork, yang menjana daya penggerak, pengurangan berat bahan akan menyebabkan ia tidak mempunyai kekukuhan yang diperlukan untuk melaksanakan fungsi yang sesuai.

Dari perspektif kos pembuatan, injap ekzos titanium mungkin lebih menjimatkan kos apabila digantikan dengan komponen enjin salingan yang diperbuat daripada komposisi aloi yang lebih mahal, contohnya dalam keadaan suhu tinggi sekitar 800 darjah . Memandangkan injap ekzos berasaskan besi terutamanya terdiri daripada Fe-21Cr-0.4N (21-4N), ia mempunyai rintangan haba austenit yang tinggi tetapi mahal. Oleh itu, sejak 1980-an, aloi titanium hampir alfafasa suhu tinggi Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo-0. 7Nb-0.35Si-0.06C (IMI834) dan Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo{{31} }.45Si (Ti-1100) telah dibangunkan oleh IMI dan TIMET. Menjelang 1990-an, peningkatan kuasa enjin salingan dan peraturan pelepasan yang lebih ketat membawa kepada suhu injap ekzos yang lebih tinggi dan penggunaan sejumlah besar aloi titanium fasa alfa suhu tinggi untuk injap ekzos. Aliran ini menimbulkan teknologi titanium baharu, seperti reka bentuk aloi unik dan kawalan struktur mikro, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3. Aloi seperti 5vol peratus 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) dan Ti-6Al-4Sn-3.5Zr{{64 }}.5Mo-1Ta-0.35 Si , ialah aloi titanium biasa yang digunakan dalam pembangunan injap ekzos. Khususnya, TiB MMC mempunyai sifat unik seperti kekuatan ultra tinggi dan rintangan haba sehingga kira-kira 900 darjah, serta rintangan kakisan dan rintangan haus yang tinggi. Rintangan haba ini disebabkan oleh kehadiran zarah TiB dalam Ti-MMC, tetapi selepas pemendakan in situ TiB2 dalam tindak balas dengan Ti semasa pensinteran suhu tinggi, zarah TiB hanya stabil dalam aloi berasaskan titanium. Sebaliknya, DAT54 memperoleh keseimbangan antara rintangan rayapan dan rintangan kelesuan lilitan rendah pada suhu tinggi kerana penambahan 2.8 peratus Mo memberikannya struktur bimodal yang unik. ti-1100 dengan organisasi seperti jarum -putar dan kekuatan rayapan tinggi turut digunakan pada injap ekzos.

Di samping itu, untuk menggalakkan penggunaan titanium dalam komponen enjin salingan, adalah penting untuk menggabungkan keadaan pemprosesan yang diperlukan untuk mendapatkan sifat yang dikehendaki bagi setiap komponen enjin. Sebagai contoh, seperti yang dinyatakan sebelum ini, proses metalurgi serbuk unsur campuran (BE) dan proses penyemperitan suhu tinggi telah berjaya mencapai 100 peratus hasil bahan. Rajah 4 menunjukkan produk ujian untuk pembuatan komponen enjin menggunakan proses metalurgi serbuk BE. Pembentukan sejuk juga penting untuk mengeluarkan bahagian enjin titanium kos rendah. Contohnya, kerusi spring injap menggunakan aloi Ti-22V-4V mempunyai kebolehbentukan yang lebih baik daripada aloi Ti-6Al-4V. Rawatan permukaan seperti letupan tembakan untuk mengatasi kekuatan kelesuan lilitan yang tinggi, penyaduran logam, penyemburan haba dan pengerasan oleh unsur interstisial meningkatkan nilai dan juga meningkatkan kebolehpercayaan secara berkesan, terutamanya pengoksidaan sebagai rawatan kos rendah biasa yang digunakan pada injap enjin. Injap enjin tiB MMC dengan rawatan permukaan kos rendah memenuhi kriteria rintangan haus yang ketat selepas ujian ketahanan enjin, seperti yang diterangkan kemudian. .