RU2244135C2 - Valve of internal combustion engine, method of its manufacture, and heat resistant titanium alloy used for its manufacture - Google Patents

Valve of internal combustion engine, method of its manufacture, and heat resistant titanium alloy used for its manufacture Download PDF

Info

Publication number
RU2244135C2
RU2244135C2 RU2003101680/02A RU2003101680A RU2244135C2 RU 2244135 C2 RU2244135 C2 RU 2244135C2 RU 2003101680/02 A RU2003101680/02 A RU 2003101680/02A RU 2003101680 A RU2003101680 A RU 2003101680A RU 2244135 C2 RU2244135 C2 RU 2244135C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
valve
head
temperature
rod
alloy
Prior art date
Application number
RU2003101680/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003101680A (en
Inventor
В.М. Борбашов (RU)
В.М. Борбашов
К.О. Дрогалин (RU)
К.О. Дрогалин
Ю.П. Москвичев (RU)
Ю.П. Москвичев
В.И. Панин (RU)
В.И. Панин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Компоненты двигателя"
Закрытое акционерное общество "Межотраслевое юридическое агентство "Юрпромконсалтинг"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Компоненты двигателя", Закрытое акционерное общество "Межотраслевое юридическое агентство "Юрпромконсалтинг" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Компоненты двигателя"
Priority to RU2003101680/02A priority Critical patent/RU2244135C2/en
Priority to PCT/RU2004/000014 priority patent/WO2004079237A2/en
Publication of RU2003101680A publication Critical patent/RU2003101680A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2244135C2 publication Critical patent/RU2244135C2/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C14/00Alloys based on titanium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21KMAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00Making machine elements
    • B21K1/20Making machine elements valve parts
    • B21K1/22Making machine elements valve parts poppet valves, e.g. for internal-combustion engines
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K1/00Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces
    • F16K1/32Details
    • F16K1/34Cutting-off parts, e.g. valve members, seats
    • F16K1/36Valve members
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/02Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials

Abstract

FIELD: mechanical engineering; piston internal combustion engines.
SUBSTANCE: invention relates to valve of internal combustion engine, method of its manufacture and heat-resistant titanium alloy used for manufacture of valve consisting of following components, mass %: aluminum 7.5-12.5; molybdenum 1.6-2.6; zirconium 1.4-2.4; silicon 0.1-0.2' yttrium 0.005-0.1; titanium - the rest. It has α+α2+β phase composition with intermetallide α2 phase on Ti3Al base dispersed in α phase. Proposed method includes forming of valve from cylindrical blank by deformation machining with preliminary heating and subsequent heat treatment. Preliminary heating of part of blank related to rod done to temperature 5-20oC lower than temperature of complete polymorphic transformation of alloy, and its deformation machining is carrying out by wedge cross rolling. Deformation machining of part of blank related to head is done by forging with preliminary heating to temperature 5-50oC higher than temperature of complete polymorphic transformation of alloy corresponding to beginning of forging, and forging is finished at temperature lower than complete polymorphic transformation of alloy to form plate head of valve and transition section provided smooth changing of head into rod. Invention provides designing of valve, method of its manufacture and heat-resistant alloy used in manufacture of valve making it possible to operate valve within operating temperature range owing to increased long-term strength and creep resistant of valve head material and increased strength, modulus of elasticity and hardness of valve rod material.
EFFECT: improved quality of valve and increased reliability in operation.
16 cl, 3 tbl, 1 ex, 15 dwg

Description

Область техники. Изобретение относится к машиностроению, более конкретно к двигателестроению, и может использоваться в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС).The field of technology. The invention relates to mechanical engineering, more specifically to engine building, and can be used in reciprocating internal combustion engines (ICE).

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).The prior art. Over the long period of development of internal combustion engines for various purposes and taking into account the experience of their operation, designs, materials and methods of thermal hardening for intake and exhaust valves have been worked out, which mainly ensure the reliability and durability of engine operation. As materials for the manufacture of ICE valves, special steel grades are usually used. However, in the manufacture of valves from steels having a high density (ρ = 7.63 ... 8.0 g / cm 3 ), the mass of valves is significant, which is a negative factor for valve mechanisms of modern high-speed engines operating at high speeds and accelerations . High inertial loads due to the mass of the valves lead to the appearance of increased loads in the links of the valve drive mechanisms, significant shock loads when the valves are planted in the seats. This, in turn, causes a decrease in the reliability and reliability of the gas distribution mechanism and the engine as a whole. Of the total number of failures of gasoline engines, the gas distribution mechanism accounts for up to 45% of failures, and their main share is associated with defects in exhaust valves. The mass of valves is one of the limiting factors when creating high-speed engines of special design and engines of sports cars. Piston ICE valves (especially exhaust valves) work under conditions of increased thermal loads. So, taking into account the variety of piston ICEs produced: stationary, transport (ship, diesel, tractor, aviation, automobile, motorcycle) and special designs, the steady-state temperatures in the center of the valve heads are 500 ... 650 ° C for inlet valves, for exhaust valves 650 ... 900 ° C (see Fig. 14 and 15). Moreover, in the transition zone from the valve head to the stem, large temperature differences occur, reaching 200-300 ° C in the axial direction. In the valve head itself, temperature differences reach 150-200 ° C in the radial direction. This leads to a high level of temperature stresses in the valve head and in the transition zone and accelerated destruction of the valves (see Internal Combustion Engines: Design and Strength Analysis of Piston and Combined Engines. Edited by A.S. Orlin, M.G. Kruglova. - 4th ed., Revised and enlarged - M .: Mechanical Engineering, 1984, pp. 247-250, 258. / Raikov I.Ya., Rytvinsky G.N. Design of Automobile and Tractor Engines.M .: Higher School 1986, pp. 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).In order to reduce the weight of the valves, increase their long-term heat resistance and create the prerequisites for improving the design of ICE with significantly improved indicators of fuel economy and exhaust emissions, new materials with a lower density and increased heat resistance are being searched for, as well as methods for manufacturing gas distribution valves from them. Of the new materials, these conditions are largely met by alloys based on titanium and titanium intermetallic compounds of the titanium-aluminum (Ti-Al) system, which have high heat resistance at low density (ρ = 3.9-4.2 g / cm 3 ). The most actively studied and prepared for use are alloys based on intermetallic compounds containing an α 2 phase based on the Ti 3 Al compound, or a γ phase based on the TiAl compound. These compounds and alloys based on them have advantages in heat resistance and modulus of elasticity over traditional titanium alloys; the level of operating temperatures for them is 750-900 ° C. Alloys based on the TiAl intermetallic compound containing the γ phase have very low ductility at room temperature (δ = 0.5-1.5%) and are mainly manufactured by casting technology. Alloys based on the γ phase with a level of operating temperatures up to 850 ° C are known, including for creating exhaust valves (see Table 1, items 1, 2). However, valves made by foundry technology are characterized by porosity due to the distributed shrink shell and a characteristic cast structure with crystallization segregation. “Healing” of foundry porosity is possible only with high-temperature gas isolation. As a result, internal combustion engine valves made of γ-phase-based alloys have an increased manufacturing cost (see Structure and properties of semi-finished products from Ti-48Al-2Nb-2Cr alloy based on TiAl intermetallic obtained by shaped casting (Lukyanichev S.Yu. et al. - Light Alloy Technology, 1996, No. 3, p. 16 / A. 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.Alloys from the group based on the α 2 phase, with an aluminum content of 8-14 wt.%, Are alloys of the deformation type with reduced technological ductility. These alloys have increased heat resistance, slightly inferior in it to alloys based on the γ-phase, and have undeniable advantages in terms of manufacturability and cost of production compared with these alloys.

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.A number of heat-resistant titanium alloys was developed for aerospace engineering, among which, as the most heat-resistant, alloys of the grades VT18U and VT25U (Russia), IMI 829 and IMI 834 (England), Ti 6242 Si and Timetal 1100 (USA) should be distinguished (see table 1, items 3-8). These are complex alloyed deformation type alloys. Subject to very strict temperature-time multi-stage modes of deformation processing and heat treatment in these alloys, the formation of the necessary macro- and microstructures and the formation of a set of useful properties are ensured: strength, heat resistance, fatigue resistance, etc. At the same time, long-term operation at elevated temperatures is limited for these alloys in the range of 500-600 ° C (see O.P.Solonina, S.G. Glazunov. Heat-resistant titanium alloys. M: Metallurgy, 1976, pp. 61-128. \ Titanium 95: Science and Technology. Igor V. Gorynin "Research and Fabrication and Devel opment of Titanium in the CIS ", p.32). The low level of operating temperatures (not more than 600 ° C) does not allow using them for exhaust valves of internal combustion engines.

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.Also known is a titanium alloy containing an intermetallic (α 2 phase based on the Ti 3 Al compound (RU No. 2081929) (see Table 1, item 9). The phase composition of the α + α 2 alloy. Hydrogen is proposed to increase its technological plasticity technology based on the use of reversible alloying of the alloy with hydrogen and thermal exposure.The technology allows to improve the structure of titanium alloys of systems (α + α 2 ) and α 2 and increase their mechanical properties (see Mamonov AM, Kusakina Yu.N., Ilyin AA Patterns of the formation of phase composition and structure in heat treatment a titanium alloy with intermetallic hardening when alloyed with hydrogen // Metals, 1999, No. 3, pp. 84-87) However, this operation is technologically complex, expensive and not applicable for the mass production of ICE valves.

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.Analogs of the present invention “Valve of an internal combustion engine” are known valve designs of combined designs made of industrial titanium alloys, in which, in order to reduce the cost of the valve, the core is made of low alloy titanium alloys, and the head with the transition to the core is made of heat-resistant high alloy titanium alloys ( US No. 5169460, JP No. 03009008, JP No. 62-197610) (see Table 1, paragraphs 10-12). Separately manufactured head and rod are then joined by welding or pressed. However, valves manufactured in this way do not have the required strength and reliability.

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.Another analog is a valve (JP No. 06184683), which is made from a 2-phase (α + β) titanium alloy rod. Two different microstructures with grain sizes in one part of the valve 1-4 microns and in the second - more than 300 microns are created in different parts of the valve, in the stem and head, by deformation processing. A disadvantage of the known valve is that it does not have the required heat resistance that meets the conditions of its long-term mechanical and thermal loading.

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.The closest in technical essence analogue to the proposed “Valve of an internal combustion engine” is a titanium valve having various microstructures in its parts, rod and head (US No. 4729546). The known valve is made of heat-resistant titanium alloy (α + β) of phase composition and consists of a cylindrical rod, a disk-shaped head and a transition section that provides smooth connection of the rod and the head, and has various microstructures in its parts. The microstructure of the rod and the section connecting the rod to the valve head mainly contains a mixture of zones of thin equiaxed grains of the α phase and zones with a microstructure of the type of colonies, with a grain size of 5-50 μm, with high tensile strength and high fatigue resistance. A valve head with a substantially uniform zone with a microstructure of the type of colony, with a colony size of 50-300 μm, has a reduced creep resistance - at a temperature of 760 ° C, equal to 1% deformation, at a voltage of 27.5 MPa per 100 hours.

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.A disadvantage of the known valve is that the two-phase (α + β) titanium alloys and their microstructure used for its manufacture do not provide the necessary strength properties for ICE valves operating under conditions of long-term thermal and short-term high-temperature (up to 900 ° C) loading. In particular, for the valve head, the chemical composition of the alloys (see Table 1, paragraphs 13-16) and the microstructure do not provide long-term heat resistance properties at temperatures above 600 ° C. The heat resistance of a titanium alloy is determined by the α phase. The heat resistance of the α phase can be increased only by additional alloying. Any structural transformations of two-phase titanium alloys, as is done in the known valve, do not lead to a significant increase in heat resistance. In addition, a uniform microstructure in the valve head, such as colonies, does not provide an increase in creep resistance of the valve material. The microstructure in the valve stem and in the portion of the transition of the stem into the plate-shaped head in the known patent is a mixture of zones of thin equiaxed α-phase grains and zones with a microstructure of the type of colonies with a grain size of 5-50 μm. Such a microstructure does not provide increased long-term strength for the transition section, especially the exhaust valve, operating under creep conditions at high temperatures (600-700 ° C, see Fig. 15), and the reliable operation of the valve as a whole. The valve stem operating under cyclic tensile and bending loads also does not provide the required properties due to the low modulus of elasticity, hardness and strength at elevated temperatures. This leads to the occurrence of permanent deformation and lengthening of the valve stem during operation. This is especially evident in the operation of forced engines.

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.The closest in technical essence to the analogue of the invention “Method of manufacturing a valve of an internal combustion engine” is a method of manufacturing a valve with various regulated microstructure (US No. 4675964). According to this method, the engine valve, including the exhaust valve, is made of industrial heat-resistant 2-phase (α + β) titanium alloys (see Table 1, paragraphs 13-16). The technical result of the known method is to obtain a valve with a double microstructure. In the manufacturing process, various microstructures are created in the valve stem and head by deformation methods and subsequent heat treatments with properties close to the conditions of mechanical and thermal loading of the valve during its operation in the internal combustion engine.

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 (Тпп). 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 (Тпп). 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.A known method of manufacturing a valve of an internal combustion engine from a heat-resistant titanium alloy is that a valve with a different microstructure is formed in its rod and head as a result of deformation processing and subsequent heat treatment. Deformation processing and subsequent heat treatment are carried out in two stages, with the formation of the microstructure of the rod in the first stage, and the microstructure of the head in the second. At the same time, at the first stage, by means of extrusion processing, a part of the workpiece related to the rod is subjected to deformation treatment. Before deformation, the preform is heated to a temperature that is lower than the temperature of the complete polymorphic transformation for this alloy (T PP ). In the second stage, the part of the preform related to the valve head is deformed by stamping, preheating it to a temperature that is higher than the temperature of the complete polymorphic transformation for this alloy (T PP ). As a result of deformation and heat treatment, various microstructures are obtained in the shaft and head providing properties close to the conditions of mechanical and thermal loading of valve parts in the engine. The microstructure of the first zone of the valve (the rod and the section connecting the rod to the head) contains mainly a mixture of zones of thin equiaxed grains of the α phase and zones of the type of colonies with a size of 5-50 μm and has high strength and fatigue strength at room temperature. The microstructure of the second zone of the valve (head) contains a homogeneous microstructure, mainly of the type of colonies with a colony size of 50-300 microns.

К недостаткам известного способа следует отнести:The disadvantages of this method include:

- С помощью процесса экструзии невозможно сформировать стержень клапана при использовании для его изготовления жаропрочных сплавов с пониженной технологической пластичностью.- Using the extrusion process, it is impossible to form a valve stem when using heat-resistant alloys with reduced technological ductility for its manufacture.

- Процесс экструзии стержня клапана сопровождается быстрым износом прессового инструмента, выполненного из дорогостоящих жаропрочных сталей, особенно при экструзии титановых сплавов в двухфазной α+β области.- The process of extrusion of the valve stem is accompanied by rapid wear of a pressing tool made of expensive heat-resistant steels, especially when extruding titanium alloys in a two-phase α + β region.

- 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.- Heating the entire workpiece for hot pressing of the valve stem leads to an undesirable grain growth in the part of the workpiece related to the valve head, which reduces its quality during the stamping process.

- 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.- The entire billet under the extrusion method is usually heated in furnaces with an external heat source. In this case, the heating time of the workpiece for deformation will be at least 10 minutes. Such prolonged heating leads to the formation of a solid oxide layer with a thickness of 0.1-0.3 mm, causing wear of the press tool and additional difficulties during subsequent machining or requires additional measures to protect the workpiece from oxidation.

- Сложную и трудновыполнимую термообработку с обеспечением большого перепада температур между головкой и стержнем клапана. Так как головка клапана при термообработке нагревается выше Тпп, а стержень нагревается до температуры ниже Тпп, 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.- Complicated and difficult heat treatment with a large temperature difference between the head and valve stem. Since the valve head is heated above T pp during heat treatment, and the rod is heated to a temperature below T pp , the temperature gradient between the valve head and valve stem is 10–205 ° C with exposure at these temperatures from 0.5 to 8 hours. It is quite difficult to implement such a heating scheme in the process of mass production.

- 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.- Formed by a known method, the structure in the valve stem does not provide the required properties of the valve due to the low modulus of elasticity, hardness and strength at elevated temperatures.

- 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).- A homogeneous microstructure formed in the valve head according to the known method, such as colonies, with a colony size of 50-300 μm, while the size of the primary β-grain in the microstructure can exceed the size of the colonies by 3 times or more, does not provide the necessary valve health at high temperatures, since it does not have increased creep resistance and long-term strength (see Table I Relationships between critical microstructural features and mechanical properties of titanium alloys. ASM Handbook, vol. 2, 1990, p. 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).The closest analogue of the invention, “Heat-resistant titanium alloy” is an alloy used for the manufacture of gas distribution valves of internal combustion engines by the method of hot deformation, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si (US No. 4675964). This is a titanium alloy with a (α + β) phase composition. ICE valves made from such alloys are capable of long-term operation only at temperatures of 550-600 ° C. Known from US patent No. 4675964 2-phase (α + β) titanium alloys (see Table 1, claims 13-16) provide long-term heat resistance properties (long-term strength, creep resistance) only up to temperatures of 600 ° C. This fact is confirmed by the author of US patent No. 4675964, 4729546 in his article containing the test results of valves made of 2-phase titanium alloys (Allison JE, Sherman AM, Bapna MR Titanium in engine valve system. "J. Metals", 1987, 39, No. 3. P. 15-18).

Раскрытие изобретений.Disclosure of inventions.

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.The objective of the invention is to increase the reliability and reliability of the engine valves and increase the durability of the engine. At the same time, a technical result is achieved, which consists in improving the properties of the valve material, ensuring the efficiency of the internal combustion engine valve in the operating temperature range, by increasing the long-term heat resistance of the valve head (long-term strength, creep resistance) and increasing the mechanical properties of the valve stem (strength at elevated temperatures, normal module elasticity, hardness). This makes it possible: a) to increase the operating temperature of the valve head to 850 ° C during prolonged operation of the engine, and to 900 ° C when operating in forced engines with a limited period of operation; b) reduce the structural dimensions of the valve stem and the transition from the rod to the head.

Предлагаемые изобретения позволяют:The proposed invention allows:

- обеспечить увеличение долговечности работы двигателей за счет повышения надежности и безотказности работы клапанов ДВС;- to provide increased durability of the engines by improving the reliability and reliability of the engine;

- 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;- reduce the mass of the valve by 10-20% by reducing the structural dimensions of the valve stem and the transition section of the rod into the head, as well as reduce dynamic loads on the links of the valve mechanism;

- уменьшить усилия клапанных пружин, что обеспечит дополнительное снижение нагрузок в клапанном механизме, снижение потерь на трение и улучшение показателей двигателя;- reduce the efforts of the valve springs, which will provide an additional reduction in the loads in the valve mechanism, reducing friction losses and improving engine performance;

- форсировать двигатель по частоте вращения, тем самым повышая его эффективность;- force the engine in rotation speed, thereby increasing its efficiency;

- управлять свойствами клапанов ДВС, изготавливая их с необходимой и достаточной жаропрочностью для двигателей различного назначения и уровня форсирования;- manage the properties of the internal combustion engine valves, making them with the necessary and sufficient heat resistance for engines for various purposes and the level of forcing;

- использовать при изготовлении клапанов ДВС деформационные процессы в области ограниченной технологической пластичности титановых сплавов, добиваясь высокой производительности и низкой себестоимости в условиях массового производства.- use in the manufacture of ICE valves deformation processes in the field of limited technological plasticity of titanium alloys, achieving high performance and low cost in mass production.

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.The specified technical result and the elimination of shortcomings in the proposed valve of an internal combustion engine made of heat-resistant titanium alloy containing a cylindrical rod, a disk-shaped head and a transition section that provides smooth coupling of the rod and the head is achieved by the fact that the titanium alloy has α + α 2 + β- phase intermetallic compound with α 2 -phase based compound Ti 3 Al, a dispersedly distributed α-phase, the microstructure of the rod is a combination of microstructures of three types, smooth passing from one type to another in the radial direction, from the surface to the center: equiaxial, bimodal and lamellar, respectively, the head microstructure is a mixture of two types of microstructures: basket weaving and lamellar, and the transition section has a mixed microstructure consisting of microstructures characteristic of the rod and heads.

В частных случаях выполнения изобретения стержень имеет микроструктуру с размером зерен 3-40 мкм, а головка микроструктуру с размером зерен - 50-200 мкм.In particular cases of the invention, the core has a microstructure with a grain size of 3-40 microns, and the head has a microstructure with a grain size of 50-200 microns.

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.%.The mass fraction of the intermetallic α 2 phase based on the Ti 3 Al compound is from 7 to 80 wt.% When the aluminum content in the alloy is from 7.5 to 12.5 wt.%.

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.In the present invention, the aforementioned disadvantages are eliminated by creating a valve with a different microstructure for the rod and for the head and additional content in the alloy from which the valve is made of an intermetallic α 2 phase based on the Ti 3 Al compound, which is dispersed in the α phase . Moreover, the content of the α 2 phase dispersed in the α phase in the valve material, as well as the combination of these microstructures in the valve stem, provide it with increased tensile strength at elevated temperatures, normal elastic modulus and hardness, and resistance to nucleation and propagation of fatigue cracks fracture toughness and impact strength. This increases the strength and heat resistance properties of the valve. The content of the α 2 phase dispersed in the α phase in the material of the valve head and the mixture of microstructures in the valve head give it long-term heat resistance properties by increasing the long-term strength and creep resistance.

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”.Additional alloying of the heat-resistant titanium alloy with aluminum transfers the alloy from two-phase (α + β) to three-phase (α + β + α 2 ), while the α 2 phase based on the Ti 3 Al compound is dispersedly distributed in the α phase and mainly precipitates in the heat treatment process. The release of the α 2 phase in the alloy occurs during the ordering of the α phase containing supercon equilibrium dissolved aluminum. For example, the solubility limit of aluminum in the α phase at 550 ° C is 7.0-7.5% (see Titanium. Sources, compositions, properties, metal chemistry and application. Kornilov I.I. M .: Nauka, 1975 p. 187). At high aluminum concentrations at this temperature, the α 2 phase is dispersed, which is a solid solution based on Ti 3 Al. This allows you to increase the heat resistance of the alloy up to 750-900 ° C depending on the amount of α 2 phase. The necessary combination of mechanical properties and heat resistance (depending on the operating temperature of the valve) is achieved when the content of the α 2 phase in the alloy is from 7 to 80 wt.%. For a more detailed confirmation and justification of the materiality of the features of the invention “Valve of an internal combustion engine”, see the section “Example of carrying out the inventions”.

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.The specified technical result and the elimination of shortcomings in the proposed method of manufacturing a valve of an internal combustion engine from a heat-resistant titanium alloy, comprising forming a valve from a cylindrical billet by deformation processing with preliminary heating and subsequent heat treatment, is achieved by the fact that the titanium alloy has α + α 2 + β-phase intermetallic compound with α 2 -phase based compound Ti 3 Al, a dispersed distributed α-phase, preheating of the preform relating to the terminal, etc. lead to a temperature of 5-20 ° C below the temperature of the complete polymorphic transformation of the alloy, and its deformation processing is carried out by wedge rolling to obtain a radially smooth transition from one type to another in the rod, from the surface to the center of the combination of three types of microstructures: equiaxial , bimodal and lamellar, respectively, the deformation processing of the part of the preform related to the head is carried out by stamping with its preliminary heating to a temperature of 5-50 ° C above full temperature about the polymorphic transformation of the alloy corresponding to the beginning of stamping, and the end of stamping is carried out at a temperature below the temperature of the complete polymorphic transformation of the alloy, forming the valve head of a plate-shaped valve with a mixed microstructure of two types: basket-like weaving and plate-like and a transition section that provides smooth coupling of the head with the rod and having mixed microstructure consisting of microstructures characteristic of the rod and head.

В частных случаях выполнения изобретения после изготовления клапана стержень имеет микроструктуру с размером зерен 3-40 мкм, а головка - 50-200 мкм.In particular cases of carrying out the invention after the manufacture of the valve, the rod has a microstructure with a grain size of 3-40 microns, and the head is 50-200 microns.

Предварительный нагрев части заготовки, относящейся к стержню, проводят электроконтактным способом.Pre-heating of the part of the billet related to the rod is carried out by the electric contact method.

Предварительный нагрев части заготовки, относящейся к стержню, проводят со скоростью 10-50°С/сек.Pre-heating of the part of the preform related to the rod is carried out at a speed of 10-50 ° C / s.

Клиновую поперечную прокатку проводят со степенью деформации 30-55%.Wedge cross rolling is carried out with a degree of deformation of 30-55%.

Предварительный нагрев части заготовки, относящейся к головке,Preheating a portion of the workpiece related to the head

проводят индукционным методом.carried out by induction method.

Предварительный нагрев части заготовки, относящейся к головке, проводят со скоростью 20-50°С/сек.Pre-heating of the part of the preform related to the head is carried out at a speed of 20-50 ° C / s.

Штамповку заготовки, относящейся к головке, проводят со степенью деформации 40-60%.Stamping of the workpiece related to the head is carried out with a degree of deformation of 40-60%.

Предварительный нагрев части заготовки, относящейся к головке, и части заготовки, относящейся к стержню, проводят при контроле температуры.Preheating of the part of the preform related to the head and part of the preform related to the rod is carried out under temperature control.

Термообработку осуществляют путем отжига.Heat treatment is carried out by annealing.

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.Annealing is carried out by heating parts of the preform obtained after deformation processing of its parts related to the rod and the head to a temperature of 650-950 ° C, holding at this temperature for 0.1-5.0 hours, cooling to a temperature of 500-650 ° C, subsequent exposure at this temperature for 5-50 hours and cooling.

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”.Thus, the inventive method of manufacturing the valve is based on the use of deformation technologies, alternating with heat treatment. This allows you to get the valve of an internal combustion engine with a microstructure that meets the conditions of its mechanical and long-term thermal loading in the internal combustion engine, including for forced engines. For more details on the confirmation and substantiation of the materiality of the features for the invention, “Method for manufacturing a valve of an internal combustion engine”, see “Example of carrying out the inventions”.

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.The specified technical result and elimination of shortcomings in the proposed heat-resistant titanium alloy containing aluminum, molybdenum, zirconium and silicon is achieved by the fact that it additionally contains yttrium in the following ratio of components, wt.%: Aluminum 7.5-12.5, molybdenum 1, 6-2.6, zirconium 1.4-2.4, silicon 0.1-0.2, yttrium 0.05-0.1, titanium - the rest and has α + α 2 + β - phase composition with intermetallic α 2 phase based on a Ti 3 Al compound dispersed in the α phase.

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.Application for manufacturing valves of both inlet and outlet, titanium alloys, additionally hardened with intermetallic α 2 phase based on Ti 3 Al compound dispersed in the α phase, provides enhanced mechanical properties of the internal combustion engine valve, primarily heat-resistant, and their long-term work with a limited period of operation at temperatures in the head up to 900 ° C for exhaust valves of forced internal combustion engines.

Краткое описание фигур чертежей.A brief description of the figures of the drawings.

Изобретение поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

на фиг.1 изображен общий вид клапана ДВС;figure 1 shows a General view of the internal combustion engine valve;

на фиг.2 изображена исходная цилиндрическая заготовка;figure 2 shows the original cylindrical billet;

на фиг.4 изображена заготовка клапана двигателя внутреннего сгорания после штамповки;figure 4 shows the billet of the valve of the internal combustion engine after stamping;

на фиг.5 изображена равноосная микроструктура, расположенная на поверхности стержня клапана;figure 5 shows the equiaxed microstructure located on the surface of the valve stem;

на фиг.6 изображена бимодальная микроструктура, расположенная в промежуточной части стержня клапана;figure 6 shows a bimodal microstructure located in the intermediate part of the valve stem;

на фиг.7 изображена пластинчатая микроструктура, расположенная в центральной зоне стержня клапана;figure 7 shows a plate microstructure located in the Central zone of the valve stem;

на фиг.8-10 изображены микроструктуры стержня клапана для случая нагрева его под клиновую поперечную прокатку до температуры, выше заявляемого (допустимого) диапазона температур (Тпп-5°С), когда невозможно получить необходимого сочетания микроструктур в стержне клапана;on Fig-10 depicts the microstructure of the valve stem for the case of heating it under wedge rolling to a temperature above the claimed (permissible) temperature range (T PP -5 ° C), when it is impossible to obtain the necessary combination of microstructures in the valve stem;

на фиг.11 изображена микроструктура головки клапана, представляющая собой смесь двух микроструктур: корзиночного плетения и пластинчатой;figure 11 shows the microstructure of the valve head, which is a mixture of two microstructures: basket weaving and plate;

на фиг.12 изображен фрагмент пластинчатой микроструктуры в головке клапана, в увеличенном масштабе;on Fig shows a fragment of a plate microstructure in the valve head, on an enlarged scale;

на фиг.13 изображен фрагмент микроструктуры корзиночного плетения в головке клапана, в увеличенном масштабе;on Fig shows a fragment of the microstructure of basket weaving in the valve head, on an enlarged scale;

на фиг.14 представлено расчетное распределение рабочих температур во впускном клапане на примере двигателя среднего уровня форсирования;on Fig presents the calculated distribution of operating temperatures in the intake valve for example, the engine is an average level of forcing;

на фиг.15 представлено расчетное распределение рабочих температур в выпускном клапане на примере двигателя среднего уровня форсирования.on Fig presents the calculated distribution of operating temperatures in the exhaust valve by the example of an engine of medium level boost.

Пример осуществления изобретений.An example embodiment of the invention.

Клапан (фиг.1) содержит стержень 1 постоянного диаметра и головку 2 тарельчатой формы, включающую участок перехода 3, обеспечивающий плавное сопряжение стержня и головки.The valve (figure 1) contains a rod 1 of constant diameter and a plate-shaped head 2, including a transition section 3, providing a smooth pairing of the rod and the head.

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.Intake and exhaust valves are made of a titanium alloy with different aluminum contents in the range of 7.5-12.5 wt.% (See Table 1 p. 17 and Table 3). These alloys are additionally hardened with an intermetallic α 2 phase dispersed in the α phase, which increases the heat resistance of the alloy to 900 ° C. Used in the manufacture of the valve by deformation treatments and heat treatments, according to the claimed method, various microstructures are created in the rod 1, head 2 and transition section 3.

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.The microstructure in the rod 1 is a combination of three types of microstructures: equiaxial, bimodal and lamellar. The indicated structures smoothly pass from one type to another in the radial direction, from the surface to the center, in the indicated direction.

Для достижения максимальных прочностных характеристик в стержне клапана создается разнородная микроструктура, состоящая из трех микроструктур.To achieve maximum strength characteristics, a heterogeneous microstructure consisting of three microstructures is created in the valve stem.

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.An equiaxed microstructure is created on the surface of the valve stem (FIG. 5). An equiaxed microstructure enhances the strength, ductility, and fatigue limit, as well as increasing the resistance to nucleation of fatigue cracks and resistance to low-cycle fatigue (see Kolachev B.A., Polkin I.S., Talalaev V.D. Titanium alloys from different countries., Ed. VILS, 2000, p. 297). Thus, the increased resistance to the initiation of fatigue cracks in combination with other positive properties of this microstructure (strength, ductility, endurance) does not require additional surface treatment of the valve stem (shot peening, polishing, etc.) to increase its fatigue strength.

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.Between the surface of the valve stem and its central part is a bimodal microstructure (Fig.6). Bimodal microstructure allows you to achieve the optimal combination of the mechanical properties of the alloy and the advantages of equiaxial and plate microstructures. In addition, the formation of a bimodal microstructure in the transition layer between equiaxial and lamellar microstructures contributes to a smooth transition from one type of microstructure to another and favorably affects the increase in the mechanical properties of the valve stem material.

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.In the Central zone of the rod is a plate microstructure (Fig.7). Lamellar microstructure allows to increase the fracture toughness, resistance to the growth of fatigue cracks, impact strength, as well as creep and long-term strength. The formation of a fine-grained lamellar microstructure in the central zone of the valve stem (grain size not exceeding 40 μm) allows one to obtain increased fracture toughness, toughness and resistance to fatigue crack growth, consistent with the nature of the cyclic tensile stress loads acting on the valve stem, with a high frequency. The formation of such a microstructure is also positive for the part of the stem of the exhaust valve adjacent to the hot head and operating in the temperature range of 500-650 ° C (see Fig. 15), i.e. in conditions of creep and increased resistance to long-term strength. It also helps to increase the strength properties of the valve stem.

Такое сочетание микроструктур позволит создать стержень клапана с высокими показателями по надежности и долговечности.This combination of microstructures will create a valve stem with high rates of reliability and durability.

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.The best technical result in terms of reliability and durability of the valve stem is achieved when the grain size for the microstructure of the valve stem 3-40 microns. Grain less than 3 microns leads to the occurrence of internal stresses during the deformation processing and the formation of microcracks. Grain more than 40 microns reduces the strength and fatigue properties of the valve.

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.The microstructure of the valve head 2 is a mixture of two types of microstructures (Fig. 11): basket weaving and plate and, as a result, has all the advantages of such microstructures. The plate microstructure in the valve head (FIG. 12) provides increased fracture toughness, impact strength, resistance to growth of fatigue cracks, creep resistance, and long-term strength. The microstructure of basket weaving (Fig) provides an increase in long-term strength, as well as creep resistance. The mixture of basket-like and plate-like microstructures formed in the valve head has a chaotic character, without distinct zones, which helps to combine the positive properties inherent in each of these microstructures. The microstructure of basket weaving to a greater extent provides increased resistance to long-term strength with a sufficiently high creep resistance. The coarse-grained lamellar microstructure (grain size 50-200 μm) to a greater extent provides increased creep resistance, as well as other positive properties characteristic of the lamellar microstructure. Such a mixture of microstructures is quite consistent with the nature of the loading of the valve head (cyclic alternating shock loads with a high frequency in the temperature range of 600-850 ° C, and in some cases up to 900 ° C). This leads to increased reliability and reliability of the engine valves and increases the durability of the engine.

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.The best technical result is achieved with grain sizes for the microstructure in the valve head in the range of 50-200 microns. An increase in grain of more than 200 μm leads to a decrease in strength due to weakening of grain boundaries. A decrease in grain of less than 50 microns reduces creep resistance at high temperatures.

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).In the zone of transition section 3, there is a smooth transition from one type of microstructures related to the valve stem to another type of microstructures related to the valve head, which ensures reliable operation of the transition section of the valve under a temperature gradient, from a high operating temperature in the valve head to the operating temperature in the valve stem (see Fig.14 and 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 (σв/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%.The use of titanium alloys for valves (both inlet and outlet), additionally hardened with an intermetallic α 2 phase based on Ti 3 Al dispersed in the α phase, with increased heat resistance, ensures long-term operation of ICE valves for various purposes and the level of forcing at temperatures in the valve head from 600 to 900 ° C, while in the known titanium alloys the level of heat resistance does not exceed 600 ° C. In the valve stem and in the transition section, an increase in hardness and normal elastic modulus is provided due to the content of the α 2 phase dispersed in the α phase. This allows you to reduce the structural dimensions of the rod and the transition section of the valve, which leads to a decrease in the mass of the valve by 10-20% in comparison with the alloy of the prototype. According to the data given in Table 3, paragraphs 8 and 9, the superiority of the properties of the claimed alloy over the properties of the alloy according to the patent US 4729546 is seen. So the values of specific indicators of strength (σв / ρ) and rigidity (E / ρ) for the developed alloy exceed the values of these indicators for the prototype alloy: for σв / ρ (at 800 ° С) from 2 to 4 times, and for Е / ρ (at room temperature) by 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:The solubility limit of aluminum in the α phase ranges from 6 to 7.5 wt.%. With its greater content in the alloy, a dispersively distributed α 2 phase is released, which is a solid solution based on the Ti 3 Al intermetallic compound, which additionally increases the heat resistance of the alloy and the normal elastic modulus. At the same time, this leads to a decrease in technological plasticity. The required level of technological plasticity is achieved by the ratio of α- and β-phases in the alloy. This ratio can be controlled by the amount of α- and β-stabilizing elements in the alloy. The most effective α-phase stabilizer is aluminum. Molybdenum is one of the most effective β-phase stabilizers. With this in mind, the developed titanium (α + β) alloy dispersively hardened by the α 2 phase has in its composition:

- алюминий, повышающий жаропрочность сплава и определяющий содержание α2-фазы;- aluminum, increasing the heat resistance of the alloy and determining the content of α 2 phase;

- молибден, стабилизирующий β-фазу и влияющий на пластичность сплава (относительное уменьшение содержания молибдена в сплаве при увеличении содержания алюминия дополнительно снижает пластичность и технологичность);- molybdenum, which stabilizes the β phase and affects the ductility of the alloy (a relative decrease in the molybdenum content in the alloy with an increase in aluminum content further reduces ductility and manufacturability);

- цирконий, расширяющий область гомогенности α-фазы и влияющий на выделение α2-фазы и ее количество, особенно при малых содержаниях алюминия.- zirconium, expanding the region of homogeneity of the α phase and affecting the release of the α 2 phase and its amount, especially at low aluminum contents.

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 Y2O3, который уменьшает содержание кислорода, растворенного в α- и β-фазах, и повышает технологическую пластичность.It is known that the content of dissolved oxygen in the alloy significantly reduces its ductility. The introduction of yttrium into the alloy allows you to organize the process of internal deoxidation in the alloy. Yttrium, dissolving in the alloy during melting, interacts with dissolved oxygen to form Y 2 O 3 oxide, which reduces the oxygen content dissolved in the α and β phases and increases the process plasticity.

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.In the proposed heat-resistant titanium alloy, the aluminum content is 7.5-12.5 wt.%. Thus, an increase in the aluminum content of more than 6-7.5% without changing the content of other elements leads to an additional decrease in the technological ductility of the alloy. Varying the content of aluminum, molybdenum and zirconium, as well as yttrium in the alloy, it is possible to change the heat-resistant properties of the alloy while maintaining technological plasticity at a level that allows deformation processing of the alloy.

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.Heat-resistant titanium alloy was smelted by double vacuum arc remelting. An alloy ingot with a diameter of 350 mm was extruded into a rod with a diameter of 50 mm and rolled into rods with a diameter of 16-22 mm. After rolling, the rods were annealed.

Прутки разрезали на цилиндрические заготовки 4 мерной длины в зависимости от размеров изготавливаемых клапанов (фиг.2).The rods were cut into cylindrical billets of 4 measured lengths, depending on the dimensions of the manufactured valves (FIG. 2).

Для получения предлагаемой микроструктуры, различной для стержня и головки клапана, проводили две стадии деформационной обработки, с предварительным нагревом перед деформацией и последующей термообработкой.To obtain the proposed microstructure, different for the valve stem and head, two stages of deformation processing were carried out, with preliminary heating before deformation and subsequent heat treatment.

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.Heated workpieces for wedge cross rolling were carried out by the electric contact method. The current was supplied through water-cooled copper contacts. The workpiece in the contact zone remained cold, and the central part of the workpiece was heated to a predetermined temperature by alternating or direct current. Monitoring the heating temperature was carried out using an infrared pyrometer. When the set temperature is reached, the pyrometer sent a signal to the microprocessor controller, which transmitted the control signal to the actuators with pneumatic actuators, and the heated billet was delivered to the rolling zone with minimal time delays.

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.At the first stage of deformation processing, a preform of intermediate shape was obtained from the cylindrical billet by the wedge-shaped rolling method for the subsequent stamping of the valve head (Fig. 3). During wedge rolling, a valve stem structure was formed. A distinctive feature of wedge cross rolling is the heating of the workpiece only in zone 5, which is rolling. Heating only the deformable part of the workpiece allows you to avoid unwanted grain growth in its non-deformable part 6 and facilitate the formation of the valve head during stamping, which is essential for difficult to deform alloys.

Клиновую поперечную прокатку осуществляли со степенью деформации 30-70%.Wedge cross rolling was carried out with a degree of deformation of 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.It was experimentally established that in this range of degrees of deformation in the valve stem, a combination of three types of microstructures is obtained: equiaxial, bimodal and lamellar, ensuring the achievement of the necessary technical result. When the degree of deformation is less than 30%, it was not possible to accumulate a sufficient amount of metal in the stamped part of the workpiece for the subsequent formation of the valve head. With a degree of deformation of more than 70%, the billet broke during rolling.

Клиновую поперечную прокатку проводили при температуре на 5-20°С ниже температуры полного полиморфного превращения (Тпп) 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 (Тпп-20°С) происходит обрыв заготовки. При температуре прокатки выше верхнего предела (Тпп-5°С) не получают необходимого сочетания микроструктур (фиг.8-10).Wedge rolling was carried out at a temperature of 5-20 ° C below the temperature of the complete polymorphic transformation (T PP ) for this alloy, that is, in the α + β-region of the alloy. It was experimentally established that in this temperature range, wedge rolling provides a combination of three types of microstructures in the rod: fine-grained equiaxial, bimodal and plate, necessary to obtain the achieved technical result. When the rolling temperature is less than the lower limit (T PP -20 ° C), the workpiece breaks. When the rolling temperature above the upper limit (T PP -5 ° C) do not get the necessary combination of microstructures (Fig-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.In the wedge rolling process for microstructure in the valve stem, a grain size of 3-40 μm was obtained. Since the deformation effect of wedge rolling is reduced from the surface to the center, in the surface layers the initial structure of the bar stock is transformed to equiaxial, and in the central zone, where the deformation effect is minimal, a plate microstructure typical of an undeformed alloy subjected to heating was obtained.

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.Electric contact heating of the deformable part of the preform for wedge cross rolling was carried out at a speed of 10-50 ° C / s. Direct electric heating makes it possible to realize such rather high heating rates and to ensure uniform temperature over the cross section and length of the workpiece. At a heating rate of more than 50 ° C / s, the central part of the rod blank is heated to lower temperatures than on the surface, which leads to a deterioration in the quality of rolling. At speeds of less than 10 ° C, the surface of the workpiece is oxidized and an undesirable oxide layer appears.

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.Wedge cross rolling allows you to get a blank for stamping with high productivity, about 4-5 blanks per minute, with minimal cost for the deformation tool (rolls). The resistance of wedge rolling rolls is 10-20 times higher than the resistance of extrusion dies.

Горячую штамповку головки клапана осуществляли на механическом кривошипном прессе.Hot stamping of the valve head was carried out on a mechanical crank press.

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).Heating for stamping was carried out by the induction method of only that part of the workpiece that was subjected to deformation during the formation of the valve head. The heating rate was 20-50 ° C / s. After heating to a predetermined temperature, the valve head was stamped (Fig. 4).

Начало штамповки проводили при температурах деформации на 5-50°С выше точки полного полиморфного превращения (Тпп) для данного сплава. Конечная стадия формирования головки клапана происходила при температурах ниже Тпп. 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).Stamping was started at deformation temperatures 5–50 ° C above the point of complete polymorphic transformation (T pp ) for this alloy. The final stage of valve head formation occurred at temperatures below T pp . In this case, by stamping, a valve-shaped valve head 7 was formed with a smooth section 8 of transition to the rod 9. It was experimentally established that such a stamping temperature regime provides a mixture of two types of microstructures: basket-like weaving and plate-like with a grain size of 50-200 μm, necessary to ensure heat resistance valve heads. For the transition section, a mixed microstructure was obtained, consisting of microstructures characteristic of the rod and head, which ensured a smooth transition of the microstructures and valve properties from one part (rod) to another (head).

При перегреве заготовки под штамповку, то есть нагреве ее выше температуры Тпп+50°С, происходит нежелательный рост зерна выше 200 мкм, что приводит к снижению прочностных свойств головки клапана из-за ослабления межзеренных границ.When the preform is overheated for stamping, that is, heating it above temperature T pp + 50 ° C, an undesirable grain growth occurs above 200 μm, which leads to a decrease in the strength properties of the valve head due to the weakening of grain boundaries.

При недостаточном нагреве заготовки, ниже температуры Тβ+5°С, происходит растрескивание головки клапана в процесс штамповки.With insufficient heating of the workpiece, below a temperature of Tβ + 5 ° C, cracking of the valve head occurs during the stamping process.

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.Fast and one-time heating of the deformable part of the preform does not allow the formation of scale and an oxide layer on its surface, which contributes to a more favorable course of deformation processes during stamping, a decrease in the resistance to deformation, and obtaining a high-quality stamping surface without cracking, wrinkles and wrinkles.

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.Heating at a rate of more than 50 ° C / s led to a high inhomogeneity in the heating of the workpiece, due to which its central part did not have time to warm up to the set temperatures, while the surface overheated. This led to poor stamping quality. Heating at a rate of less than 20 ° C / s reduced the performance of stamping.

После окончания деформационной обработки проводили термообработку заготовки клапана. Термообработку осуществляли с помощью закалки и отжига или - с помощью только отжига.After the deformation processing was completed, the valve blank was heat treated. Heat treatment was carried out using quenching and annealing or - using only annealing.

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.In the first variant of heat treatment, quenching was carried out immediately after the end of each of the stages of deformation processing. After the wedge cross rolling was completed, the billet was quenched, for example, in water. In this case, the structure was fixed in the valve stem in the two-phase (α + β) region and the α 2 phase separation process ceased. During quenching after stamping, the microstructure was fixed in the valve head. According to the state diagram of titanium - aluminum, the release of the α 2 phase begins at temperatures of 500-650 ° (see Titanium. Sources, compositions, properties, metal chemistry and application. Kornilov II M.: Nauka, 1975, pp. 185-197 ) The higher the process temperature, the larger the release of the α 2 phase. The best results on the dispersion separation of the α 2 phase are obtained as a result of diffusion processes at temperatures of 500-650 ° C. In this case, an α 2 phase with a precipitate size of 20–50 nm is released. At temperatures below 500 ° C, diffuse processes are very slow. At temperatures above 650 ° C, the size of the α 2 phase is large. Annealing in the claimed temperature range leads to an increase in heat resistance. Heating the workpiece to a temperature of 650-950 ° C is aimed at relieving internal stresses.

При втором варианте термообработки отжиг проводили по окончании формирования клапана, то есть - после второй стадии деформационной обработки. Отжиг выполняли для заготовки клапана в целом.In the second variant of heat treatment, annealing was performed at the end of valve formation, i.e., after the second stage of deformation processing. Annealing was performed to prepare the valve as a whole.

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.Annealing in the first and second heat treatment options was carried out in two stages. In the first stage of annealing, the billet was heated to a temperature of 650–950 ° C, held at this temperature for 0.1–5.0 hours, and cooled to a temperature of 500–650 ° C.

На второй ступени отжига осуществляюли выдержку заготовки при температуре 500-650°С в течение 5-50 часов с последующим охлаждением.At the second stage of annealing, the workpiece was held at a temperature of 500-650 ° C for 5-50 hours, followed by cooling.

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).According to the first variant of heat treatment, the best result was achieved when the content of the α 2 phase in the alloy was in the amount of 7-25 wt.%. In this case, the increase in mechanical characteristics occurs by the hardening mechanism of 2-phase (α + β) alloys and due to the dispersed precipitation of the α 2 phase. The achieved effect of hardening, as a result of quenching and annealing, exceeds the effect of hardening due to the separation of the α 2 phase in the amount of 7-25 wt.%. Carrying out the heat treatment according to the first embodiment is preferable for an alloy with an aluminum content in the range of 7.5-9.5 wt.%. As a result of such heat treatment, the internal combustion engine valves (mainly inlet) were obtained, providing long-term operation in the temperature range of 600-650 ° C (see Table 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).The heat treatment according to the second embodiment, it is advisable to carry out at a content of α 2 phase in an amount of 25-80 wt.%. In this case, an increase in mechanical properties is ensured mainly due to the dispersed isolation of the α 2 phase. The heat treatment according to the second embodiment is preferable for an alloy with an aluminum content of from 9.5 to 12.5 wt.%. Valves (both exhaust and inlet) from an alloy with an aluminum content of wt.%: 9.5-10.5, 10.5-11.5 and 11.5-12.5 provide continuous operation in the temperature range: 650- 700 ° C, 700-800 ° C and 800-850 ° C, respectively, for engines with a long period of operation (see Table 2). Valves with an aluminum content of 11.5-12.5 wt.% Provide a limited period of operation in the temperature range up to 900 ° C for forced engines (see Table 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.Performing deformation and heat treatments according to the declared modes in the manufacture of an internal combustion engine valve from an alloy with an aluminum content of 7.5 to 12.5 wt.% Provides the necessary mechanical properties in the internal combustion engine valves shown in Table 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):From Table 3 it is seen that the developed alloy with an aluminum content of 7.5-12.5 wt.%, Hardened by intermetallic α 2 phase, has the following higher mechanical properties in the temperature range up to 900 ° C (in comparison with the properties of the prototype alloys ):

- 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.%;- strength is 3.5 times higher for an alloy with an aluminum content of 7.5-9.5 wt.% at temperatures of 700-760 ° C and 4 or more times higher - for an alloy with an aluminum content of 9.5-10.5 wt.%;

- 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;- the strength of the alloy with an increase in its aluminum content from 7.5-9.0 wt.% to 12.0-12.5 wt.% increases by 2 times in the case of the valve head at a temperature of 800 ° C and voltages in the range from 260 to 520 MPa;

- при увеличении содержания алюминия с 7,5 до 12,5 мас.% удельная прочность (σв/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%);- with increasing aluminum content from 7.5 to 12.5 wt% specific strength (σ in / ρ) is 2-4 times higher in the temperature range from 760 to 800 ° C and the specific stiffness (E / ρ) higher. 11-27% at room temperature (this allows you to make a valve with a smaller design dimensions for the valve and the transition of the rod into the plate and thereby reduce the mass of the valve by 10-20%);

- сопротивление ползучести сплава при температурах 600-800°С значительно превышает этот показатель для прототипа.- the creep resistance of the alloy at temperatures of 600-800 ° C significantly exceeds this figure for the prototype.

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.The valve blank prepared by the method described above was machined by known methods, such as turning and grinding. After machining, the outer surface of the valve was strengthened, for example, by nitriding to a depth of 50-100 μm.

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.The proposed method of manufacturing the valve allows you to get the internal combustion engine valves, which are consistent with the level of thermal loading in engines for various purposes and the degree of forcing. Moreover, during the manufacturing process, it is possible to control the properties of the valves, varying the properties of the material, primarily heat resistance. The proposed method is based on the use of high-performance deformation technologies and can be used in the mass production of ICE valves.

Таблица 1.
Химический состав и свойства титановых сплавов-аналогов, применяемых для клапанов ДВС.
Table 1.
The chemical composition and properties of analog titanium alloys used for ICE valves.
№ п/пNo. p / p Марка оплаваBrand fusion Химический состав, % мас.Chemical composition,% wt. Основные свойстваBasic properties 11   Тi-48Ai+2Cr-2NbTi-48Ai + 2Cr-2Nb Сплав на основе TiAl (γ). Низкая пластичность (δ=0,5-1,5%).Подвергаются формоизменению в основном по литейным технологиям. Тмакс=750-900°СAlloy based on TiAl (γ). Low ductility (δ = 0.5-1.5%). They undergo forming mainly by foundry technologies. T max = 750-900 ° C 22   Ti-46Al-1Cr-0,2SiTi-46Al-1Cr-0.2Si В соответствии с п.1.In accordance with paragraph 1. 33 ВT18УVT18U Ti-6,5Al-2,5Sn-4Zr-1Nb-0,7Mo-0,15SiTi-6.5Al-2.5Sn-4Zr-1Nb-0.7Mo-0.15Si σв=1075 МПа*, δ=12,5%*. длительная прочность до 600°С.σ in = 1075 MPa *, δ = 12.5% *. long-term strength up to 600 ° C. 44 ВТ25УVT25U Ti-65Al-18Sn-4Zr-4Mo-1W-0,2SiTi-65Al-18Sn-4Zr-4Mo-1W-0.2Si σв=1230 МПа*, δ=43,5%*, длительная прочность до 550°С.σ in = 1230 MPa *, δ = 43.5% *, long-term strength up to 550 ° C. 55 IMI829IMI829 Ti-55Al-3,5Sn-3Zr-1Nb-0,25Mo-0,3SiTi-55Al-3,5Sn-3Zr-1Nb-0,25Mo-0,3Si σв,=950 МПа*, δ=11%*, комбинация свойств: сопротивление ползучести до 540°С и сопротивление окислению.σ in , = 950 MPa *, δ = 11% *, combination of properties: creep resistance up to 540 ° С and oxidation resistance. 66 М834M834 Ti-5,8Al-4Sn-3,5Zr-0,7Nb-0,5Mo-0,35SiTi-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si σв=1050 МПа*, δ=42%*, повышенные прочность при растяжении и сопротивление ползучести до 600°Сσ in = 1050 MPa *, δ = 42% *, increased tensile strength and creep resistance up to 600 ° C 77 Тi-6242STi-6242S Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,08SiTi-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si σв=1030-1176 МПа*, δ=8-10%*, хорошее сопротивление ползучести при растяжении и усталости до 540°С.σ in = 1030-1176 MPa *, δ = 8-10% *, good creep resistance under tension and fatigue up to 540 ° C. 88 Тimetal1100Timetal1100 Ti-6Al-2,8Sn-4Zr-0,4Mo-0,5SiTi-6Al-2,8Sn-4Zr-0,4Mo-0,5Si σв=1000 МПа*, δ=8-11%*, сопротивление высокотемпературной ползучести, длительная работа при температурах до 600°Сσ in = 1000 MPa *, δ = 8-11% *, resistance to high-temperature creep, long-term operation at temperatures up to 600 ° C 9nine Патент RU №2081929Patent RU No. 2081929 Ti-(13-15)Al-(34)Nb-(2-4)V-(0,5-1)ZrTi- (13-15) Al- (34) Nb- (2-4) V- (0.5-1) Zr Жаропрочность до 850°С, низкая пластичность. Для повышения технологической пластичности предложено обратимое легирование водородом.Heat resistance up to 850 ° C, low ductility. To increase technological plasticity, a reversible doping with hydrogen is proposed. 1010 Патент US №5169460US patent No. 5169460 Тi-(2-4)Al-(1,5-3,5)V-стержень клапана
Ti-(2-7)Al-(3-20)V-головка клапана
Ti- (2-4) Al- (1,5-3,5) V-rod of the valve
Ti- (2-7) Al- (3-20) V-head
Литейная технология головки клапана с присущими ей недостаткамиFoundry technology of the valve head with its inherent disadvantages
11eleven Патент JP №03009006JP Patent No. 03009006 Ti-(7-12)Al-(0,5-5)Sn-(0,5-5)Zr-(0,5-5)MoTi- (7-12) Al- (0.5-5) Sn- (0.5-5) Zr- (0.5-5) Mo Литейная технология с присущими ей недостаткамиFoundry technology with its inherent disadvantages 1212 Патент JP №62-197610JP patent No. 62-197610 Ti-6Al-4V-тержень клапана
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,08Si-головка клапана
Ti-6Al-4V-valve stem
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si-valve head
σв=1030-1176 МПа*, δ=8-10%*. хорошее сопротивление ползучести при растяжении и усталости до 540°Сσ in = 1030-1176 MPa *, δ = 8-10% *. good tensile and fatigue creep resistance up to 540 ° С
13thirteen Патент US №4679964US patent No. 4679964 Ti-6Al-4VTi-6Al-4V σв=950-1050 МПа*, δ≥10%*, сплав не относится к классу жаропрочных, рекомендуется применять до 400°Сσ in = 950-1050 MPa *, δ≥10% *, the alloy does not belong to the class of heat-resistant, it is recommended to use up to 400 ° C 1414 -"-- "- Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,08SiTi-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si σв=1030-1176 МПа*, δ=8-10%*, хорошее сопротивление ползучести при растяжении и усталости до 540°Сσ in = 1030-1176 MPa *, δ = 8-10% *, good creep resistance under tension and fatigue up to 540 ° C 15fifteen -"-- "- Ti-5Al-5Sn-2Zr-4Mo-0,3SiTi-5Al-5Sn-2Zr-4Mo-0.3Si Длительная жаропрочность до 600 С°Long-term heat resistance up to 600 ° C 1616 -"-- "- Ti-5Al-6Sn-2Zr-1Mo-0,3SiTi-5Al-6Sn-2Zr-1Mo-0.3Si Длительная жаропрочность до 600 С°Long-term heat resistance up to 600 ° C 1717 По предлагаемому изобретениюAccording to the invention Ti-(7,5-12,5)Al-(1,6-2,6)Mo-(1,4-2,4)Zr-(0,1-0,2)Si-(0,05-0,1)YTi- (7.5-12.5) Al- (1.6-2.6) Mo- (1.4-2.4) Zr- (0.1-0.2) Si- (0.05 -0.1) Y См. Табл.3, длительная жаропрочность в диапазоне температур 600-850°С и кратковременная до 900°СSee Table 3, long-term heat resistance in the temperature range 600-850 ° С and short-term up to 900 ° С Примечания:
*)-свойства даны при комнатной температуре
- свойства зарубежных сплавов взяты из Колачев Б.А., Полькин И.О., Талалаев В.Д. Титановые сплавы разных стран. Справочник-М.: ВИЛС, 2000.
Notes:
*) - properties are given at room temperature
- properties of foreign alloys are taken from Kolachev B.A., Polkin I.O., Talalaev V.D. Titanium alloys from different countries. Reference-M.: VILS, 2000.
Таблица 2.
Согласование разработанного сплава с назначением клапанов ДВС по уровню их тепловой нагруженности и в зависимости от содержания алюминия в сплаве.
Table 2.
Coordination of the developed alloy with the purpose of the internal combustion engine valves according to their level of thermal loading and depending on the aluminum content in the alloy.
Содержание алюминия в сплаве, мас.%:The aluminum content in the alloy, wt.%: Тип клапанаValve type Диапазон максимальных температур клапана, °СRange of maximum valve temperatures, ° С 7,5-9,57.5-9.5 впускныеinlet до 650up to 650 9,5-10,59.5-10.5 впускные, выпускныеinlet, outlet 650-700650-700 10,5-11,510.5-11.5 выпускныеgraduation 700-800700-800 11,5-12,511.5-12.5 выпускныеgraduation 800-850800-850 11,5-12,511.5-12.5 Выпускные для форсированных ДВС с ограниченным периодом эксплуатацииExhaust for forced combustion engines with a limited period of operation до 900up to 900 Таблица 3.
Свойства жаропрочных сплавов на основе титана, упрочненных интерметаллидной а2-фазой (Тi3А1) в соответствии с предлагаемым изобретением и по патенту-прототипу.
Table 3.
The properties of heat-resistant alloys based on titanium, hardened by intermetallic a 2 -phase (Ti 3 A1) in accordance with the invention and the patent prototype.
№ п/пNo. p / p Свойства сплавов на основе титанаProperties of titanium-based alloys В соответствии с предлагаемым изобретением в зависимости от содержания алюминия в сплаве, мас.%In accordance with the invention, depending on the aluminum content in the alloy, wt.% По патенту №4.729.546 (США)-According to patent No. 4.729.546 (USA) -     7,5-9,57.5-9.5 9,5-10,59.5-10.5 10,5-11,510.5-11.5 11,5-12,511.5-12.5 прототипprototype 1.1. Плотность (ρ), г/см3 Density (ρ), g / cm 3 4,384.38 4,354.35 4,334.33 4,34.3 4,54 (для сплава Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si)4.54 (for alloy Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si) 2.2. Твердость (после отжига), НВHardness (after annealing), HB 340-380340-380 380-420380-420 318 (для сплава Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si)318 (for alloy Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si) 3.3. Предел прочности при растяжении (σв),МПа:Tensile strength (σ in ), MPa:             -при 20°Сat 20 ° C 1175-12501175-1250 1140-11651140-1165 1100-11501100-1150 1000-10401000-1040 965-1240965-1240   -при 600°Сat 600 ° C 670-760670-760 730-770730-770 780-800780-800 800-820800-820 620-725(510°С)620-725 (510 ° C)   -при 800°Сat 800 ° C 180-210180-210 280-330280-330 380-430380-430 500-520500-520 ≥138 (760°С)≥138 (760 ° C)   -при 900°Сat 900 ° C -- -- 110-140110-140 190-220190-220 -- 4.4. Модуль нормальной упругости (Е), при растяжении, ГПаModulus of normal elasticity (E), tensile, GPa 122-127122-127 129-131129-131 133-135133-135 139-142139-142 115-118 (для сплава Ti-6AI-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si)115-118 (for alloy Ti-6AI-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si) 5.5. Предел длительной прочности (σ100), МПа:Ultimate Strength (σ 100 ), MPa:         В патентеIn patent   -при 600°Сat 600 ° C -- 260260 -- -- данные неno data   -при 800°Сat 800 ° C -- 4646 -- -- приведеныare given 6.6. Предел ползучести, МПа:Creep limit, MPa:             - деформация 0,1% при 600°С за 100 час.- deformation of 0.1% at 600 ° C for 100 hours. -- 155,0155.0 -- -- --   - деформация 1% при 760°С за 100 час.- 1% deformation at 760 ° C for 100 hours. -- -- -- -- 27,527.5   - деформация 0,1% при 800°С за 100 час.- deformation of 0.1% at 800 ° C for 100 hours. -- 21,021.0 -- 62,062.0 -- 7.7. Удельная прочность (σв/ρ), м·10-3:Specific strength (σ in / ρ), m · 10 -3 :             -при 20°Сat 20 ° C 26,8-28,526.8-28.5 26,2-26,826.2-26.8 25,4-26,525.4-26.5 23,25-24,223.25-24.2 21,25-27,321.25-27.3   -при 800°Сat 800 ° C 4,1-4,84.1-4.8 6,3-7,66.3-7.6 8,8-9,98.8-9.9 11,6-12,111.6-12.1 ≥3,04(760°С)≥3.04 (760 ° C) 8.8. Удельная жесткость (Е/ρ), м·106 Specific rigidity (E / ρ), m · 10 6 278,5-290278.5-290 297-301297-301 307-312307-312 323-330323-330 253-260253-260

Claims (15)

1. Клапан двигателя внутреннего сгорания из жаропрочного титанового сплава, содержащий стержень цилиндрической формы, головку тарельчатой формы и участок перехода, обеспечивающий плавное сопряжение стержня и головки, отличающийся тем, что титановый сплав имеет α+α2+β фазовый состав с интерметаллидной α2-фазой на основе соединения Ti3Al, дисперсно распределенной в α-фазе, при этом стержень имеет микроструктуру, представляющую собой сочетание микроструктур трех типов, плавно переходящих от одного типа к другому в радиальном направлении, от поверхности к центру: равноосной, бимодальной и пластинчатой соответственно, головка имеет микроструктуру, представляющую собой смесь микроструктур двух типов: корзиночного плетения и пластинчатой, а участок перехода имеет смешанную микроструктуру, состоящую из микроструктур, характерных для стержня и головки.1. Valve of an internal combustion engine made of heat-resistant titanium alloy, containing a cylindrical rod, a disk-shaped head and a transition section providing smooth conjugation of the rod and head, characterized in that the titanium alloy has an α + α 2 + β phase composition with intermetallic α 2 - phase based on Ti 3 Al compound dispersion distributed in α-phase, wherein the rod has a microstructure representing a mix of microstructures of three types of smoothly transitioning from one type to another in radial direction, t surface to center: equiaxial, bimodal and lamellar respectively, the head has a microstructure representing a mix of microstructures of two types: basket-weave and lamellar, and the transition portion has a mixed microstructure consisting of microstructures characteristic of rod and head. 2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что стержень имеет микроструктуру с размером зерна 3-40 мкм, головка - 50-200 мкм.2. The valve according to claim 1, characterized in that the rod has a microstructure with a grain size of 3-40 microns, the head is 50-200 microns. 3. Клапан по п.1, отличающийся тем, что 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.%.3. The valve according to claim 1, characterized in that the mass fraction of the intermetallic α 2 phase based on the Ti 3 Al compound is from 7 to 80 wt.% When the aluminum content in the alloy is from 7.5 to 12.5 wt.%. 4. Способ изготовления клапана двигателя внутреннего сгорания из жаропрочного титанового сплава, включающий формирование из цилиндрической заготовки клапана путем деформационной обработки с предварительным нагревом и последующей термообработки, отличающийся 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 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.4. A method of manufacturing a valve of an internal combustion engine from a heat-resistant titanium alloy, comprising forming a valve from a cylindrical billet by deformation processing with preheating and subsequent heat treatment, characterized in that the titanium alloy has an α + α 2 + β phase composition with an intermetallic α 2 phase based on the compound Ti 3 Al, a dispersedly distributed α-phase, the preheating of the preform relating to the terminal, is performed to a temperature 5-20 ° C below the temperature of complete polymerase complete transformation of the alloy, and its deformation processing is carried out by wedge rolling to obtain in the rod smoothly passing from one type to another in the radial direction from the surface to the center of the combination of microstructures of three types: equiaxial, bimodal and plate, respectively, deformation processing of the part of the workpiece related to the head, is carried out by stamping with its preliminary heating to a temperature of 5-50 ° C above the temperature of the complete polymorphic transformation of the alloy, corresponding to the beginning Mpovka, and the end of stamping is carried out at a temperature below the temperature of the complete polymorphic transformation of the alloy, forming a valve head of a plate-shaped valve with a mixed microstructure of two types: basket-like weaving and plate-like and a transition section that provides smooth coupling of the head with the rod and having a mixed microstructure consisting of microstructures characteristic for rod and head. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что после изготовления клапана стержень имеет микроструктуру с размером зерна 3-40 мкм, а головка - 50-200 мкм.5. The method according to claim 4, characterized in that after manufacturing the valve, the rod has a microstructure with a grain size of 3-40 microns, and the head is 50-200 microns. 6. Способ по п.4, отличающийся тем, что предварительный нагрев части заготовки, относящейся к стержню, проводят электроконтактным способом.6. The method according to claim 4, characterized in that the preliminary heating of the part of the workpiece related to the rod is carried out by an electric contact method. 7. Способ по п.4 или 6, отличающийся тем, что предварительный нагрев части заготовки, относящейся к стержню, проводят со скоростью 10-50°С/с.7. The method according to claim 4 or 6, characterized in that the preliminary heating of the part of the preform related to the rod is carried out at a speed of 10-50 ° C / s. 8. Способ по п.4, отличающийся тем, что клиновую поперечную прокатку части заготовки, относящейся к стержню, проводят со степенью деформации 30-55%.8. The method according to claim 4, characterized in that the wedge transverse rolling of the part of the workpiece related to the rod is carried out with a degree of deformation of 30-55%. 9. Способ по п.4, отличающийся тем, что предварительный нагрев части заготовки, относящейся к головке, проводят индукционным методом.9. The method according to claim 4, characterized in that the preliminary heating of the part of the preform related to the head is carried out by the induction method. 10. Способ по п.4 или 9, отличающийся тем, что предварительный нагрев части заготовки, относящейся к головке, проводят со скоростью 20-50°С/сек.10. The method according to claim 4 or 9, characterized in that the preliminary heating of the part of the preform related to the head is carried out at a speed of 20-50 ° C / s. 11. Способ по п.4, отличающийся тем, что штамповку заготовки, относящейся к головке, проводят со степенью деформации 40-60%.11. The method according to claim 4, characterized in that the stamping of the workpiece related to the head is carried out with a degree of deformation of 40-60%. 12. Способ по любому из пп.4, 6, 7, 9 и 10, отличающийся тем, что предварительный нагрев части заготовки, относящейся к стержню, и части заготовки, относящейся к головке, проводят при контроле температуры.12. The method according to any one of claims 4, 6, 7, 9, and 10, characterized in that the preheating of the part of the workpiece related to the rod and the part of the workpiece related to the head is carried out under temperature control. 13. Способ по п.4, отличающийся тем, что термообработку осуществляют путем отжига.13. The method according to claim 4, characterized in that the heat treatment is carried out by annealing. 14. Способ п.13, отличающийся тем, что отжиг осуществляют путем нагрева 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 ч, охлаждения до температуры 500-650°С, последующей выдержки при этой температуре в течение 5-50 ч и охлаждения.14. The method of claim 13, wherein the annealing is carried out by heating the preform obtained after deformation processing of its parts related to the rod and the head to a temperature of 650-950 ° C, holding at this temperature for 0.1-5 , 0 h, cooling to a temperature of 500-650 ° C, subsequent exposure at this temperature for 5-50 h and cooling. 15. Жаропрочный титановый сплав, содержащий алюминий, молибден, цирконий и кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:15. Heat-resistant titanium alloy containing aluminum, molybdenum, zirconium and silicon, characterized in that it additionally contains yttrium in the following ratio of components, wt.%: Алюминий 7,5-12,5Aluminum 7.5-12.5 Молибден 1,6-2,6Molybdenum 1.6-2.6 Цирконий 1,4-2,4Zirconium 1.4-2.4 Кремний 0,1-0,2Silicon 0.1-0.2 Иттрий 0,05-0,1Yttrium 0.05-0.1 Титан ОстальноеTitanium rest и имеет α+α2+β-фазовый состав с интерметаллидной α2-фазой на основе соединения Тi3Аl, дисперсно распределенной в α-фазе.and has an α + α 2 + β phase composition with an intermetallic α 2 phase based on a Ti 3 Al compound dispersed in the α phase.
RU2003101680/02A 2003-01-23 2003-01-23 Valve of internal combustion engine, method of its manufacture, and heat resistant titanium alloy used for its manufacture RU2244135C2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003101680/02A RU2244135C2 (en) 2003-01-23 2003-01-23 Valve of internal combustion engine, method of its manufacture, and heat resistant titanium alloy used for its manufacture
PCT/RU2004/000014 WO2004079237A2 (en) 2003-01-23 2004-01-23 Valve for internal combustion engine, its method of manufacturing, and the high-temperature titanium alloy for the valve

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003101680/02A RU2244135C2 (en) 2003-01-23 2003-01-23 Valve of internal combustion engine, method of its manufacture, and heat resistant titanium alloy used for its manufacture

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003101680A RU2003101680A (en) 2004-08-10
RU2244135C2 true RU2244135C2 (en) 2005-01-10

Family

ID=32960347

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003101680/02A RU2244135C2 (en) 2003-01-23 2003-01-23 Valve of internal combustion engine, method of its manufacture, and heat resistant titanium alloy used for its manufacture

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2244135C2 (en)
WO (1) WO2004079237A2 (en)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006052650A1 (en) * 2006-01-17 2007-07-19 Daimlerchrysler Ag Α / α2 titanium alloy valve and method of making the same
GB2467312B (en) * 2009-01-28 2013-06-26 Mark Labudek Design Ltd Titanium alloy, a method of producing the alloy and an article made of the alloy
DE102011079520A1 (en) * 2011-07-21 2013-01-24 Mahle International Gmbh Method for producing a valve
US9644504B2 (en) 2015-03-17 2017-05-09 Caterpillar Inc. Single crystal engine valve
CN104801937B (en) * 2015-05-11 2017-10-31 怀集登云汽配股份有限公司 A kind of forming technology of Novel hollow valve filled with sodium
CN104942536B (en) * 2015-05-11 2017-10-17 怀集登云汽配股份有限公司 Engine hollow valve blank accurate forming method
CN104924028B (en) * 2015-05-15 2017-06-20 北京科技大学 A kind of automobile engine hollow valve blank accurate forming method of application plug
DE102017103042A1 (en) * 2017-02-15 2018-08-16 Federal-Mogul Valvetrain Gmbh Method for cross wedge rolling of poppet valves
CN107654723A (en) * 2017-11-14 2018-02-02 张剑 A kind of processing technology of valve fire resisting handle
CN108788620A (en) * 2018-05-14 2018-11-13 河北东安精工股份有限公司 A kind of cross wedge rolling die class laser high energy pulse cold repair weld recovery process
CN109048227A (en) * 2018-09-10 2018-12-21 江苏天泽教育咨询有限公司 A kind of processing technology of valve door handle
CN110252918B (en) * 2019-07-25 2020-05-08 西北有色金属研究院 Ti for 3D printing powder2Preparation method of AlNb-based alloy bar
CN111235504A (en) * 2020-03-17 2020-06-05 新疆湘润新材料科技有限公司 Titanium alloy thick plate production process for obtaining basket structure

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4675964A (en) * 1985-12-24 1987-06-30 Ford Motor Company Titanium engine valve and method of making
US4729546A (en) * 1985-12-24 1988-03-08 Ford Motor Company Titanium engine valve and method of making
RU2030474C1 (en) * 1991-07-02 1995-03-10 Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов Titanium-base alloy
RU2081929C1 (en) * 1995-08-10 1997-06-20 Московский авиационный технологический университет им.К.Э.Циолковского Titanium aluminide-based alloy

Also Published As

Publication number Publication date
WO2004079237A8 (en) 2004-10-28
WO2004079237A3 (en) 2007-10-18
WO2004079237A2 (en) 2004-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2244135C2 (en) Valve of internal combustion engine, method of its manufacture, and heat resistant titanium alloy used for its manufacture
EP1127949B1 (en) TiAl based alloy, production process therefor, and rotor blade using same
Loria The status and prospects of alloy 718
US6053993A (en) Titanium-aluminum-vanadium alloys and products made using such alloys
KR0148414B1 (en) Titanium alloy bar suitable for producing engine valve
RU2441097C1 (en) Method of producing deformed parts from pseudo-beta-titanium alloys
US7037389B2 (en) Thin parts made of β or quasi-β titanium alloys; manufacture by forging
JPH04232234A (en) Production of product from doping material containing alloy on basis of titanium aluminide
JP2523556B2 (en) Titanium engine valve manufacturing method and titanium valve
JP4517095B2 (en) High strength titanium alloy automotive engine valve
EP3546606B1 (en) Alpha+beta titanium extruded material
US10407745B2 (en) Methods for producing titanium and titanium alloy articles
CN115852119A (en) H13 ingot casting forging hot-work die steel and production method thereof
US7138020B2 (en) Method for reducing heat treatment residual stresses in super-solvus solutioned nickel-base superalloy articles
Semiatin et al. Plastic flow and microstructure evolution during thermomechanical processing of laser-deposited Ti-6Al-4V preforms
KR100187794B1 (en) Super alloy forging process and related composition
JP4259863B2 (en) Method for manufacturing high load capacity member made of TiAl alloy
WO2009102233A1 (en) Method for pressing blanks made of nanostructural titanium alloys
RU2388844C1 (en) Procedure for thermo-mechanical processing of work-pieces out of granules of high-alloyed heat-resistant alloys on nickel base
JPH0689428B2 (en) Method for producing heat-resistant aluminum alloy having excellent tensile strength, ductility and fatigue strength
RU2777775C1 (en) INTERMETALLIC ALLOY BASED ON THE γ-TiAl PHASE FOR THE MANUFACTURE OF A LOW-PRESSURE TURBINE BLADE OF A GAS TURBINE ENGINE AND A METHOD FOR MANUFACTURING A BLADE BLANK FROM AN INTERMETALLIC ALLOY BASED ON THE γ-TiAl PHASE
RU2183691C2 (en) Method for making products of titanium alloy
RU2790704C9 (en) Method for manufacturing gas turbine engine blades from alloy based on orthorhombic titanium aluminide
RU2615761C1 (en) METHOD OF PRODUCING ROLLED STEEL SHEET FROM ALLOY OF Ti - 10,0-15,0 Al- 17,0-25,0 Nb - 2,0-4,0 V - 1,0-3,0 Mo - 0,1-1,0 Fe - 1,0-2,0 Zr - 0,3-0,6 Si
RU2790711C1 (en) Method for manufacturing gas turbine engine blades from deformed blanks of an alloy based on orthorhombic titanium aluminide

Legal Events

Date Code Title Description
PC4A Invention patent assignment

Effective date: 20051014

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110124