In het uitlaatsysteem voor auto's is de uitlaatdemper het onderdeel dat meestal bepaalt of een voertuig aan zijn doelstellingen op het gebied van duurzaamheid en verfijning voldoet. Het bevindt zich stroomafwaarts van de katalysator, dus het moet aanhoudende gastemperaturen van 700 tot 800 C verdragen, weerstand bieden aan de aanval van zwaveldioxide en stikstofoxiden in het uitlaatgas, duizenden thermische cycli overleven en dit alles doen terwijl het zo weinig mogelijk massa bijdraagt. Titaniumlegeringen, met hun hoge specifieke sterkte, stabiele oxidefilm en uitstekende corrosieweerstand, zijn van een nichekeuze geëvolueerd naar het referentiemateriaal voor hoogwaardige geluiddemperconstructies.
Bedrijfsomstandigheden die conventionele uitlaatmaterialen breken
Drie belastingen werken tegelijkertijd op het uitlaatlichaam en de middenpijp. De eerste is thermisch: een gastemperatuur van 700 tot 800 C ligt ver boven het werkbereik van de uitlaat van een motorfiets en zorgt voor een voortdurende aanslag op gevoelige metalen. De tweede is chemisch: zwaveldioxide en stikstofoxiden in het gas vallen de beschermende oxidelaag aan, en condensaat gevormd tijdens de koude start versnelt plaatselijke corrosie. De derde is mechanisch: herhaaldelijk verwarmen en afkoelen veroorzaakt thermische vermoeidheid bij elke las, gestempelde rand en beugel, en de pulsatie van de uitlaat zorgt voor nog meer trillingsbelasting. Het middenpijpgebied stroomafwaarts van de katalysator is de meest veeleisende locatie, omdat daar tegelijkertijd temperatuur-, gassnelheid- en sectieveranderingen optreden.
Waarom puur titanium en roestvrij staal tekortschieten
Zuiver titanium, bijvoorbeeld JIS klasse 2: het vormt bij hoge temperatuur een harde, brosse oxidelaag, die afbrokkelt en de vermoeiingssterkte vermindert. Na 200 uur continue blootstelling bij 800 C groeit de oxidelaag met ongeveer 15 micrometer en neemt de buigsterkte met ongeveer 40 procent af.
Roestvrij staal: de corrosieweerstand in de uitlaatomgeving is onvoldoende, dus het afstoten van oxideaanslag veroorzaakt uiteindelijk lekkage. In een gesimuleerde uitlaatomgeving ontwikkelde een roestvrijstalen uitlaatdemper al na ongeveer 500 bedrijfsuren corrosieperforatie.
Vroeg aluminium-met titanium: een experimentele legering die ongeveer 1,5 procent aluminium bevatte, verbeterde de oxidatieweerstand, maar de sterkte bij hoge- temperaturen was nog steeds onvoldoende om complexe geluiddemperstructuren te vormen, die slechts een beperkte winst opleverden ten opzichte van puur titanium bij 400 C.
Omdat de drie faalwijzen op elkaar inwerken, lost het verbeteren van één eigenschap op zichzelf het probleem niet op. Een betere oxidatieweerstand heeft weinig nut als het materiaal niet langer kan worden gestempeld, en een hogere sterkte heeft weinig nut als de vormspanning de beschikbare ductiliteit overschrijdt.
Aluminium-Lagerontwerp en warmtebehandeling van titaniumlegering
Het ontwerpantwoord was het combineren van aluminium voor aanslagvorming, een toevoeging van zeldzame- aardmetalen voor korrelcontrole en een stabiliserende warmtebehandeling om sterkte te verzoenen met ductiliteit.
Aluminiumcontrole: ongeveer 1,5 procent aluminium vormt een dichte beschermende film van aluminiumoxide die de zuurstofdiffusie in de matrix remt. De gerapporteerde oxidatiesnelheid bij 800 C is ongeveer 60 procent lager dan die van puur titanium, en de snelheid van het afbrokkelen van de schilfers daalt van ongeveer 15 micrometer per uur tot ongeveer 2 micrometer per uur.
Toevoeging van sporenyttrium: ongeveer 0,1 procent yttrium verfijnt de korrelstructuur en beperkt de verbrossing van de korrelgrens veroorzaakt door oxidatie. Toevoeging van yttrium verhoogt de rek na breuk van ongeveer 12 procent naar ongeveer 15 procent, waardoor het materiaal kan worden gestampt en gebogen tot complexe geluiddemperschalen.
Stabiliserende warmtebehandeling: een oplossingsbehandeling gevolgd door veroudering, vier uur op ongeveer 550 C gehouden en vervolgens luchtkoeling, bevordert de transformatie van de bètafase en balanceert sterkte tegen ductiliteit.
Het aluminiumgehalte is bewust bescheiden gehouden. Hogere toevoegingen zouden de oxidatieweerstand verder verhogen, maar zouden ook het materiaal bros maken en de lasbaarheid verminderen, dus ongeveer 1,5 procent vertegenwoordigt het praktische compromis voor een gevormd en gelast uitlaatonderdeel.
Geverifieerde prestaties bij hoge- temperaturen
| Eigendom | Pure titaniumreferentie | Aluminium-met een titaniumlegering |
|---|---|---|
| Oxidatiesnelheid bij 800 C | basislijn | ongeveer 60 procent lager |
| Schaal spallatiesnelheid | ongeveer 15 micrometer per uur | ongeveer 2 micrometer per uur |
| Buigsterkte bij 400 C | basislijn | ongeveer 480 MPa, ongeveer drie keer de basislijn |
| Treksterkte bij 400 C | basislijn | ongeveer 550 MPa, ongeveer tweemaal de basislijn |
| Sterkteverlies na 800 C fietsen | ruim 20 procent | minder dan 5 procent |
| Verlenging na breuk | ongeveer 12 procent in het vroege prototype | minimaal 15 procent |
| Oxidegroei na 1000 uur fietsen bij 700 tot 800 C | ernstige schaalgroei | ongeveer 8 micrometer, geen oppervlaktescheuren |
De combinatie van minder dan 5 procent sterkteverlies en minstens 15 procent rek is het significante resultaat, omdat dit betekent dat het materiaal na langdurige blootstelling zowel het draagvermogen als de vormbaarheid behoudt. Een specificatie die met meer dan 20 procent vervalt, zoals de basislijn van puur titanium, dwingt ontwerpers om ter compensatie wanddikte en massa toe te voegen.
Lichtgewicht, duurzaamheid en beschikbare productvormen
De dichtheid van een titaniumlegering bedraagt ongeveer 4,5 g/cm3, ruwweg 60 procent van die van roestvrij staal, en dat is waar het massavoordeel begint. In een representatieve toepassing van luxe-auto's daalde de massa van de uitlaatdemper van 8,2 kg naar 5,6 kg, een vermindering van 32 procent, en voertuigtests lieten een vermindering van het brandstofverbruik met 2,1 procent zien, samen met een vermindering van de kooldioxide-uitstoot met 5,8 g/km. Een gesimuleerde wegtest van 100.000 km leverde de volgende resultaten op:
groei van de oxidelaag van slechts ongeveer 8 micrometer, tegenover ongeveer 45 micrometer voor de vergelijking met roestvrij staal;
geen vermoeiingsscheuren, waarbij het roestvrijstalen onderdeel meerdere scheuren door de- dikte ontwikkelde;
De fluctuatie in de uitlaatweerstand bedraagt minder dan 3 procent, tegenover ongeveer 15 procent voor roestvrij staal, zodat het vermogensverlies gedurende de hele levensduur van het voertuig stabiel blijft.
Deze resultaten zijn haalbaar met materiaal afkomstig van standaard aanvoerroutes. De productvormen die het meest relevant zijn voor de uitlaat- en geluiddemperconstructie, met hun belangrijkste specificaties, worden hieronder samengevat.
| Productvorm | Belangrijkste specificaties | Typisch bereik |
|---|---|---|
| Naadloze en gelaste buis | GB/T 3624, GB/T 3625, GB/T 26057, ASTM B337, ASTM B338, ASTM B861, ASTM B862, JIS H 4630 | kwaliteiten TA1, TA2, TC4, TA9, TA18, TA10 en Gr1, Gr2, Gr5, Gr7, Gr9, Gr12; buitendiameter 6 tot 80 mm, wand 0,35 tot 10 mm, lengte 50 tot 6000 mm |
| Stang en stang | GB/T 2965, GB/T 13810, JIS H 4650, ASTM B348, ASTM F136, AMS 4928, DIN 17862 | diameter 1 tot 500 mm, lengte 1 tot 12 m |
| Plaat, plaat en strip | ASTM B265, ASME SB265, ASTM A480, ASTM A959, AMS 4902, AMS 4911, AMS 4919, EN 10258, EN 10151, ISO 15510 | koudgewalst 0,5 tot 6,4 mm, warmgewalst 3,0 tot 60,0 mm, breedte 1000 tot 2500 mm, lengte 1000 tot 13000 mm |
| Folie | ASTM B265 | dikte 8 tot 100 micrometer, breedte tot 500 mm, rolgewicht tot 50 kg |
| Lasdraad | AWS A5.16, ASTM B863, ASME SB863, ASTM F67, ASTM F136, ISO 5832-2, ISO 5832-3 | ERTi-1 tot ERTi-12 en Gr1 tot Gr23, diameter 0,06 tot 6 mm, geleverd met EN 10204 3.1 molencertificaten |
De toepassingsmogelijkheden worden om twee redenen groter. Ten eerste blijven additieve productie en oppervlaktetechniek de kosten van de complexe titaniumgeometrie verlagen, wat de voorkeur geeft aan ontwerpen die voorheen oneconomisch waren. Ten tweede betekenen de eisen op het gebied van thermisch beheer van hybride en elektrische voertuigen dat het terugwinnen en afschermen van de uitlaatwarmte ontwerptaken op systeem-niveau worden, en een materiaal met lage- geleidbaarheid en corrosie- bestendig materiaal voldoet goed aan deze taken.
Veelgestelde vragen
Vraag: Waarom faalt puur titanium in een geluiddemper bij hoge- temperaturen?
Het vormt een broze oxidelaag die bij thermische cycli uiteenvalt. Na 200 uur bij 800 C groeit de oxidelaag met ongeveer 15 micrometer en neemt de buigsterkte met ongeveer 40 procent af.
Vraag: Hoeveel beter is roestvrij staal?
Roestvrij staal corrodeert langzamer in het uitlaatgas, maar is kwetsbaar voor kalkaanslag en perforatie. Bij gesimuleerde blootstelling aan uitlaatgassen trad perforatie op na ongeveer 500 uur, en tijdens een equivalente test van 100.000 km bereikte de oxidelaag ongeveer 45 micrometer.
Vraag: Wat doet de toevoeging van aluminium?
Ongeveer 1,5 procent aluminium vormt een dichte aluminiumoxidefilm die de zuurstofdiffusie blokkeert. De oxidatiesnelheid daalt met ongeveer 60 procent en de spallatie daalt van ongeveer 15 naar ongeveer 2 micrometer per uur.
Vraag: Waarom wordt yttrium op sporenniveau toegevoegd?
Ongeveer 0,1 procent yttrium verfijnt de korrelstructuur en vermindert de verbrossing van de korrelgrens door oxidatie, waardoor de rek van ongeveer 12 procent naar ongeveer 15 procent wordt verhoogd, waardoor complexe geluiddemperschalen kunnen worden gestempeld en gebogen.
Vraag: Welke warmtebehandeling wordt gebruikt?
Een oplossingsbehandeling plus verouderingscyclus, gedurende vier uur op ongeveer 550 C gehouden, gevolgd door luchtkoeling, bevordert de bètafasetransformatie en balanceert sterkte tegen ductiliteit.
Vraag: Welke gewichtsbesparing kan tijdens gebruik worden verwacht?
De dichtheid van een titaniumlegering van ongeveer 4,5 g/cm3 is ongeveer 60 procent van roestvrij staal. In een representatieve uitlaatdemper voor luxe{4}}auto's daalde de massa van 8,2 kg naar 5,6 kg, een vermindering van 32 procent, terwijl het brandstofverbruik met ongeveer 2,1 procent daalde.
Vraag: Welke normen hebben betrekking op titaniumproducten van-uitlaatdemperkwaliteit?
Buis is normaal gesproken gespecificeerd volgens GB/T 3624, GB/T 3625, GB/T 26057, ASTM B337, ASTM B338, ASTM B861 of ASTM B862, en platen volgens ASTM B265. Kwaliteiten zoals TA1, TA2, TC4 en Gr1, Gr2, Gr5, Gr7, Gr9 en Gr12 dekken het bereik dat wordt gebruikt in de uitlaatconstructie.
