TiAl-Based Alloys for Exhaust Valve Applications

Dowling, W. E.; Allison, J. E.; Swank, L. R.; Sherman, Andrew M.

doi:10.4271/930620

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“…However, since the low ductility and poor formability of TiAl alloy, it is not easy to produce TiAl valves by hot forming. Research has already been carried out, however, to produce a TiAl valve with low cost and high production efficiency through different manufacturing methods [5,6]. Other work has reported that centrifugal casting combined with a mechanical machining process was found to be a viable method [7][8][9].…”

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“…Research has already been carried out, however, to produce a TiAl valve with low cost and high production efficiency through different manufacturing methods. 5,6 Other work has reported that centrifugal casting combined with a mechanical machining process was found to be a viable method. [7][8][9] Furthermore, the TiAl valves can be also manufactured by powder metallergy technology.…”

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A comparison of wear behaviour of heat-resistant steel engine valves and TiAl engine valves

Lai

Qin

et al. 2019

Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J:

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The increasing demand for higher performance internal combustion engines has led to higher temperatures in the combustion chamber. As a result, TiAl valves have been investigated with a view to their use in a natural gas fuelled diesel internal combustion engine, taking advantage of their low density and good high-temperature resistance. In this work, comparison bench tests for traditional steel valves and TiAl valves were carried out through the use of specially designed wear testing apparatus. Compared to the traditional valves made from heat-resistant steel (X60, X85), the TiAl valves have 50% lower mass, leading to a decrease in the impact seating forces during the engine operation. With the reduction of the inertia of engine valve movement, the dynamic characteristics of the engine valve train system can be optimized. Each contact pair of valve and seat insert was tested for 3 million impact cycles. Compared to the austenitic exhaust valves (X60) tested at 700 ℃, the TiAl valve had better wear resistance and the wear loss decreased by 24.8 %. The predominant wear mechanism is considered to be a combination of oxidative wear and adhesive wear. However, for the intake valves tested at 400 ℃, the wear loss of the TiAl valve was three times higher than the martensitic intake valves (X85). The predominant wear mechanism can be identified as abrasive wear and adhesive wear. It is therefore concluded that the TiAl exhaust valve is a potential solution for a natural gas fuelled diesel.

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A comparison of wear behaviour of heat-resistant steel engine valves and TiAl engine valves

Lai

Qin

et al. 2019

Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J:

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Ventilwerkstoffe für Verbrennungsmotoren

Müller

Weintz

1998

Materialwissenschaft Werkst

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Nach einem Überblick über Produktionszahlen, allgemeine Anforderungen und Eigenschaften von Ventilen für Verbrennungsmotoren, wird in einem Rückblick die Werkstoffentwicklung für die Ventilstähle von den ersten Anfängen bis zum heutigen Stand aufgezeigt. Schwerpunktmäßig wird die Gruppe der Chrom‐Mangan‐Stickstoff‐Stähle behandelt. Daneben werden die Ventilwerkstoffe geordnet nach schweren und leichten und innerhalb dieser Gruppen nach Legierungsmerkmalen beschrieben. Es wird über die vielfältigen Werkstoffanstrengungen am Ventil informiert, die mit wenigen genormten Werkstoffgüten und speziellen Fertigungsverfahren problemlos mit niedrigsten Fehlerraten beherrscht werden. Der Weg des Werkstoffes vom Halbzeug bis zum fertigen Ventil wird in allen Schritten verfolgt. Die in den letzten Dekaden forcierte Motorenentwicklung führte zu verschärften Betriebsbedingungen auch für die Ventile, die mit einer kontinuierlichen Weiterentwicklung bestehender Werkstoffgüten und Verbesserungen der Gestaltsfestigkeit der Ventile aufgefangen wurden. In diesem Zusammenhang werden spezielle Lösungen zur Festigkeitssteigerung aller Ventilwerkstoffe bis in den Bereich von über 1100 MPa erläutert, die nach bekannten metallkundlichen Gesetzen ermöglicht wurden. Als wesentliches Prinzip werden ortsabhängig, besonders an der Oberfläche, erhöhte Festigkeits‐ und Verschleißeigenschaften zur Optimierung der Gestalts‐ und Betriebsfestigkeit eingesetzt. Über Entwicklungen zur Technologie der Hohlventile und von erweiterten Lösungen beim Auftragschweißen von Ventilsitzen im Zusammenhang mit Eigenspannungen wird ausführlich berichtet. Einer kurzen allgemeinen Betrachtung zum Legierungsaufwand der wichtigsten Ventilwerkstoffe folgt ein Kapitel über Titan, Intermetallische Verbindungen und Keramik, die möglicherweise als zukünftige leichte Ventilwerkstoffe Verwendung finden können.

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Werkstoffe und ihre Auswahl

Betz¹

Handbuch Dieselmotoren

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TiAl-Based Alloys for Exhaust Valve Applications

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A comparison of wear behaviour of heat-resistant steel engine valves and TiAl engine valves

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