改性钛铝合金曲轴、其制备方法及应用与流程

本发明涉及压缩机，具体而言，涉及一种改性钛铝合金曲轴、其制备方法及应用。

背景技术：

1、曲轴是压缩机的关键部件，性能要求较高。在曲轴转动的过程中，曲轴的偏心部会产生较大的离心力，套设在偏心部外面的活塞在转动时也会产生较大的离心力，同时由于高速运转过程中曲轴的挠曲变形，加剧了曲轴与配副的零部件之间的磨耗，振动加剧，进而导致压缩机的性能降低，长期运行的可靠性下降。

2、现有技术中，可以在曲轴偏心部开设减重孔来减小曲轴的偏心部的质量，使得旋转中偏心部产生的不平衡惯性力减小，进而达到降低压缩机的振动和噪音的目的。但是，开设的减重孔不仅使得偏心部强度降低，导致其在与滚子配合运行的过程中，有破裂失效的风险，而且在偏心部开设的减重孔也会对原曲轴上经过优化设计的润滑油路结构造成不利影响，曲轴与其他零部件之间的润滑也会受到不利影响，压缩机的整体性能下降。

3、中国专利cn 114215754 b公开了一种曲轴、压缩机及空调器，将曲轴偏心部采用密度较低的轻质材料制成，其他部位为铁基材料，两者的轴通过焊接或增材制造(3d打印)成型出曲轴。但是，由于两种不同材料的晶格常数、热膨胀系数、熔点、导热系数、比热容都不相同，进而导致两种不同材料的焊接处或结合处不能很好的相互溶解，且焊接处或结合处的晶粒粗、塑性低、韧性差，还易受热应力的影响而产生裂纹，更严重的直接断裂失效。

4、中国专利cn 115572858 a公开了一种细小全片层变形tial合金及其制备方法，合金由41～45at％al、3～5at％nb，0.2～0.6at％mo、0.08～0.12at％b、0～0.3at％w、0～0.3at％c、0～0.1at％y、余量为ti组成，且室温下含有有序l12结构的γ-tial相、d019结构的α2-ti3al相、b2结构的β-ti相，其中b2的相体积分数≤5％。中国专利cn 113122756 a公开了一种具有多级孪晶交错结构的钛铝合金及其制备方法，化学式为tixalynbz，其中，x、y、z为对应原子百分含量，x＝40～46，y＝46～50，x+y＜100，z＝100-x-y，且该钛铝合金由γ-tial相及γ+α2-ti3al双相组成。上述钛铝合金的组织兼具良好的高温蠕变性能及高温拉伸性能，但是，其弹性模量仅在110～145gpa的范围内，仅达到现有压缩机常用曲轴材料弹性模量(球墨铸铁140～154gpa)的下限值，无法完全保证曲轴在重工况下抵抗变形的能力。

5、中国专利cn 115921874 a公开了一种具有两级增强三维网状结构的tial基复合材料及其制备方法，将钛粉、铝粉、铌粉和铬粉按摩尔比41.5～50.5:43～47:5～9:1.5～2.5进行混合球磨，然后与钛预合金粉末按质量比44～47:3～6混合均匀，进行真空热压烧结。该材料基体微观组织细小、合金颗粒分布均匀，且无空隙、裂纹等缺陷。但是，其片层结构中占比较高的α2-ti3al相容易使得钛铝合金的弹性模量降低，其抵抗变形的能力也就会下降，其也就不能用作对弹性模量要求较高的曲轴的基材。

6、中国专利cn 114687811 a公开了一种钛铝合金涡轮及其制备方法，由45.5～46.5at％al、1.5～2.2at％v、1.0～1.6a％tcr、微量元素(zr、hf、c、w)≤0.5at％、ti余量组成，熔融后进行离心浇铸、超声处理，冷却出炉后得到心部为细小等轴晶组织和外围为全柱状晶组织组成的高可靠性钛铝合金零件。但是，其片层结构α2/γ相还是会对钛铝合金基体造成割裂，而且抗冲击韧性不佳，若直接将其用作长期受到冲击作用的曲轴基材，容易出现冲击断裂的情况。

7、综上，现有技术中，压缩机在高速运转过程中，容易因曲轴偏心部过重而产生较大的不平衡偏转力矩，使得压缩机的振动加剧、噪声增大，泵体零部件(如曲轴、滚子等)的磨损问题严重。而现有轻质材料的弹性模量低，作为曲轴抵抗变形的能力较差，且常规钛铝合金在常温环境下抗拉强度较低、耐磨性较差。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种改性钛铝合金曲轴、其制备方法及应用，以解决现有技术中曲轴无法兼顾轻质、耐磨、抗变形的问题。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种改性钛铝合金曲轴，包括al、ti、cr、相稳定元素和塑性增强体：相稳定元素包括b、fe、mg、v、y、mo、mn、ta、nb、re和la的一种或多种；塑性增强体包括sic晶须、石墨烯、玻璃纤维和碳纳米管的一种或多种。

3、进一步地，改性钛铝合金曲轴中，al的重量百分比为43～48wt.％；和/或cr的重量百分比为0.1～2.5wt.％；和/或相稳定元素的重量百分比为0.1～8.0wt.％；和/或塑性增强体的体积百分比为0.5～6.0％。

4、进一步地，改性钛铝合金曲轴具有γ-tial相和α2-ti3al相；优选地，α2-ti3al相与γ-tial相的面积比为(0.1～1):10。

5、进一步地，改性钛铝合金曲轴的表面还具有耐磨层，耐磨层经过渗透处理得到；优选地，耐磨层的渗透深度t为0.01～0.3mm；和/或耐磨层的相包括tin、altin、ticn、crn和alcrn的一种或多种；和/或耐磨层的表面硬度为1500～3500hv；可选地，改性钛铝合金曲轴或耐磨层的表面还具有润滑层；优选地，润滑层的厚度t为0.002～0.06mm；和/或润滑层包括无机润滑层和/或聚合物润滑层；更优选地，无机润滑层的材料为c、mos2、ws2、glc和dlc的一种或多种；和/或聚合物润滑层的材料为ptfe、pi、pa、pc、pps、pom、hdpe、fep和pf的一种或多种。

6、根据本发明的另一方面，提供了本发明上述的改性钛铝合金曲轴的制备方法，包括以下步骤：步骤s1，将铝源和钛源进行第一混合，得到第一混合物；步骤s2，在第一混合物中加入铬源和相稳定元素源，并进行第二混合，得到第二混合物；步骤s3，在第二混合物中加入塑性增强体，并进行第三混合，得到第三混合物；步骤s4，将第三混合物进行热压烧结，得到改性钛铝合金曲轴。

7、进一步地，步骤s1中，第一混合在保护性气体环境中进行，保护性气体包括氢气、氩气和氦气的一种或多种；和/或第一混合的方式为第一球磨，第一球磨的时间为5～7h，转速为300～500r/min；和/或步骤s2中，第二混合在保护性气体环境中进行，保护性气体包括氢气、氩气和氦气的一种或多种；和/或第二混合的方式为第二球磨，第二球磨的时间为1～3h，转速为200～400r/min；和/或步骤s3中，第三混合在惰性气体环境中进行，惰性气体包括氩气和/或氦气；和/或第三混合包括依次进行的超声分散和第三球磨，第三球磨包括依次进行的前球磨和后球磨，且前球磨的转速大于后球磨，转速差为50～100r/min；优选地，前球磨的时间为2～5h，转速为300～500r/min；和/或后球磨的时间为1～2h，转速为200～400r/min。

8、进一步地，步骤s4中，热压烧结在惰性气体环境中进行，惰性气体包括氩气和/或氦气；和/或热压烧结的升温速率为2～10℃/s，热压压力为500～1000kgf，烧结温度为900～1300℃，烧结时间为1～4h。

9、进一步地，制备方法还包括：将改性钛铝合金曲轴进行渗透处理，以在改性钛铝合金曲轴表面形成耐磨层；优选地，渗透处理的方式包括气体渗氮、盐浴渗氮、等离子渗氮、盐浴碳氮共渗和气体碳氮共渗的一种或多种；和/或渗透处理的温度为850～950℃，时间为20～60h；更优选地，渗透处理在氮气和氩气的混合气体气氛中进行，混合气体的压力为100～300pa；和/或可选地，制备方法还包括：在改性钛铝合金曲轴或耐磨层的表面涂覆润滑剂，得到润滑层；优选地，涂覆的方式包括pvd、喷涂、浸涂、刷涂和滚涂的一种或多种。

10、根据本发明的另一方面，提供了一种压缩机，包括本发明上述的改性钛铝合金曲轴；优选地，压缩机为转子压缩机、活塞压缩机、涡旋压缩机、叶片压缩机和容积式压缩机的一种或多种。

11、根据本发明的另一方面，提供了一种空调器，包括本发明上述的压缩机。

12、应用本发明的技术方案，一方面，曲轴的基材为钛铝合金材质，密度较低，能够大大减小曲轴本体和偏心部的质量，从而使得运行过程中产生的不平衡偏转力矩较小，曲轴以及相关部件不会偏磨，运行更加平稳，即使在较高运行频率下所引起的振动及噪声也较低。另一方面，在钛铝合金中添加相稳定元素及塑性增强体后，轻质改性钛铝合金曲轴的弹性模量大大提高，同时也可以改善曲轴在常温下的抗拉强度及耐磨性能，是一种轻质耐磨、具有高抵抗变形能力的曲轴。