CN105803255B - 一种高铌钛铝基增压器涡轮及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及增压器涡轮制造技术领域，尤其涉及增压器涡轮的材料及利用该材料的一种制造方法。本发明提供的一种增压器涡轮由高铌钛铝基合金材料构成，该材料由下述原子百分比的成分组成，Nb5～8％，Al40～50％，B0～0.2％，W0～0.2％，Y0～0.2％，Cr0～3％，Mo0～3％，Ti余量。由于增压器涡轮采用高铌钛铝基合金材料，所以其响应性好，在高温、高压和高速情况下，变形量小并很少产生积碳。本发明还公开了这种增压器涡轮的制造方法，主要包括混炼、水溶性盐芯制备、注射成型、脱芯、脱脂和烧结等步骤，通过该方法不仅可以获得近净成形的涡轮，而且水溶性盐芯脱除时间短，无污染，绿色环保，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及增压器涡轮制造技术领域，具体地说是一种以高铌钛铝基合金为材料，利用金属粉末注射成形工艺的增压器涡轮制造方法。
背景技术
涡轮增压器利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。
增压器涡轮处于高温、高压和高速运转的工作状况下，工作环境恶劣，工作条件要求比较苛刻，因此对制造材料和成形加工技术要求很高。目前，增压器涡轮主要采用高温合金通过精密铸造工艺获得。高温合金的体积密度较大，一般为8.9g/cm3，造成了涡轮转动惯量大，增压器存在加速滞后的问题，而且传统的精密铸造工艺需要几十道工序，生成周期长，且效率不高。
发明内容
针对现有技术中存在的比重大以及工艺复杂的问题，本发明提供一种高铌钛铝基增压器涡轮及其制造方法，该增压器涡轮采用高铌钛铝基合金材料，该材料不仅体积密度小，而且具有较好的高温强度和抗氧化性，能够有效的降低涡轮的转动惯量，提高了增压器的响应速度。另外该增压器涡轮采用金属粉末注射成形工艺，并在该工艺中应用了水溶性盐芯，不仅进一步减小了涡轮的重量，而且降低了涡轮在设计过程中的局限性。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种高铌钛铝基增压器涡轮，由高铌钛铝基合金材料构成，所述高铌钛铝基合金材料由下述原子百分比的成分组成，Nb5～8％，Al40～50％，B0～0.2％，W0～0.2％，Y0～0.2％，Cr0～3％，Mo0～3％，余量为Ti。
优选的，所述高铌钛铝基合金材料的原子百分比的成分组成为，Nb6％，Al45％，B0.2％，W 0.2％，Y0.1％，Cr1％，Mo1％，余量为Ti。
一种高铌钛铝基增压器涡轮的制造方法，包括以下步骤，
(1)按原子百分比分别称取5～8％的Nb粉末，40～50％的Al粉末，0～0.2％的B粉末，0～0.2％的W粉末，0～0.2％的Y粉末，0～3％的Cr粉末，0～3％的Mo粉末和余量的Ti粉末，构成原料粉末；
(2)将所述原料粉末进行混合和研磨，并进行干燥处理，得到混合粉末；
(3)将配制好的混合粉末和粘接剂按照一定的比例放入混炼机中混炼，并经制粒机制得适于注射的粒状喂料，其中所述粘接剂的质量分数为10～12％；
(4)以水溶性无机盐作为主要原料，将水溶性无机盐熔化，在熔融的水溶性无机盐中加入质量分数为3％～8％的添加剂，搅拌均匀后注入盐芯模具中，凝固后开模取出水溶性盐芯，修整，干燥保存；
加入添加剂的作用主要有两方面，一方面可以提高水溶性盐芯的强度，另一方面改善水溶性盐芯凝固时的收缩特性，虽然添加剂对水溶性盐芯有强化的作用，但是若加入的量过多会存在熔体流动性差，从而造成不利于浇注的问题，为此所述添加剂的质量分数控制在3％～8％。
(5)将水溶性盐芯在定位结构的导引下嵌入到成形模具内，并合模；
(6)用注射成形机将粒状喂料注射到合模后的成形模具的模腔内，经保压、冷却固化后得到生坯；
(7)将带有水溶性盐芯的生坯放入水中，溶解掉水溶性盐芯，将脱芯后的生坯放入干燥箱干燥；
(8)采用溶剂脱脂和热脱脂两步脱脂工艺对生坯进行脱脂，先将生坯在三氯乙烷中浸泡脱脂，然后在氩气气氛中进行热脱脂；
(9)将脱脂后的生坯在氩气气氛中进行烧结，烧结温度为1450～1500℃，保温时间为1～3小时。
根据本发明的一个具体实施方式，步骤(3)中所述的粘接剂为聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、聚苯乙烯、醋酸乙烯、石蜡、蜂蜡中的一种或几种。
根据本发明的另一个具体实施方式，步骤(4)中所述的水溶性无机盐为氯化物、硫酸盐、碳酸盐、硝酸盐中的一种或几种。
根据本发明的又一个具体实施方式，步骤(4)中所述的添加剂为莫来石、硼酸铝、氮化硅、碳化硅或氧化铝中的一种或几种。
根据本发明的又一个具体实施方式，步骤(6)中所述的注射压力为80-120MPa，注射温度为80-180℃，保压压力为50-70MPa，保压时间为2-5s，冷却时间为10-20s。
根据本发明的又一个具体实施方式，步骤(9)中所述氩气的通入压力为0.1～5MPa。
根据本发明的又一个具体实施方式，为了减小熔体和盐芯模具之间的温度梯度，从而降低冷却速度，减小水溶性盐芯的内应力，步骤(4)中所述的盐芯模具在浇注之间对进行预热处理，预热温度为300℃。
根据本发明的又一个具体实施方式，步骤(1)中所述原料粉末的粒度为0.5～20μm。
本发明的有益效果是：
1、针对传统高温合金制造的增压器涡轮惯量大，增压器存在加速滞后的问题，本发明提供的一种增压器涡轮的材料为高铌钛铝基合金，该合金材料是一种低密度、高熔点、高硬度、高弹性模量的合金材料，它具有稳定的化学特性，良好的高温抗蠕变性能。另外Cr和Mo元素的加入可以起到稳定β相的作用，可以改善合金的抗蠕变和抗氧化性能，同时Cr和Mo还可以起到固溶强化作用，提高合金的塑性和强度。由于本发明所采用的铌钛铝基合金的体积密度较小，采用该合金制得的增压器涡轮，在相同规格前提下，重量仅为高温合金的1/3至1/2，转动惯量随之减小，从而达到缩短了响应时间，提高了响应性；在高温、高压和高速情况下，不容易出现变形和飞裂现象。
2、由于Nb是一种难熔金属，高含量Nb的加入一方面提高了合金的熔点，另一方面对合金起到了固溶强化的作用，使合金具有较好的高温强度，但是与此同时也提高了合金的熔炼温度和后续的热处理温度，运用传统的铸造工艺不仅增加了加工难度，而且造成了能耗升高。为此本发明通过金属粉末注射成形制得生坯，然后经过脱脂和烧结，最后获得致密烧结体，克服了传统的精密铸造存在的熔炼温度高，能耗高，工艺复杂，生产周期长以及效率低的缺点。另外，与传统的精密铸造相比，通过粉末注射成形工艺的到的涡轮组织更加均匀，无宏观偏析而且尺寸精度更高，表面质量好，基本上能够做到一次成形，不需要后续的加工。
3、由于传统的增压器涡轮的中心部分采用的是实心结构，此种结构在注射成形过程中容易产生缺陷，而且在后续的脱脂和烧结的过程中容易出现缩孔以及不均匀变形等问题，这种不均匀的变形所产生的应力会使生坯在烧结的过程中产生开裂的倾向，从而影响最终制件的强度。针对这种情况，本发明在金属粉末注射成形工艺中采用水溶性盐芯，这样增压器涡轮就可以采用中空的结构，一方面进一步减小了增压器涡轮的重量，另一方面减轻了烧结过程中由于应力导致的开裂倾向。另外，由于采用了水溶性盐芯，该中空的内部结构可以根据实际的情况进行设计，不受加工条件的限制。这主要是因为水溶性盐芯可以在室温下通过干净自来水溶解脱除，脱除时间短，无污染，绿色环保，大大提高了生产效率。
4、本发明通过将水溶性盐芯与金属粉末注射成形相结合，不仅实现了涡轮的一次成形，而且由于应用于金属粉末注射成形工艺，降低了水溶性盐芯的使用条件，不需要水溶性盐芯具有很高的强度和耐高温性能，降低了水溶性盐芯的制作成本。
5、与高分子型芯相比，本发明采用的水溶性盐芯具有三方面有点，首先，本发明通过以水溶性无机盐为主要原料制作型芯，不但可以实现涡轮的复杂内腔结构成形，而且水溶性盐芯可以在室温下通过干净自来水溶解脱除，脱除时间短，安全，绿色环保；其次，采用水溶性盐芯，不易在涡轮内腔表面附着残留，不仅保证了涡轮的表面质量，而且避免了采用高分子型芯时，由于表面残留而在烧结的过程中在涡轮的表面形成积碳，从而对涡轮的性能造成影响；再次，相对于高分子型芯而言，水溶性盐芯成本低，工艺简单，具有较为广泛的适用性。
具体实施方式
材料的性能是由材料的组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及制备工艺，本发明铌钛铝基合金材料的化学成分是这样确定的：
Ti和Al：研究表明，当TiAl合金中Al含量为46～49％时，合金的塑性最佳，添加不同的合金元素Al含量会在这一范围内调整，对于高Nb-TiAl合金Al含量一般控制在45％左右，所以本发明Al含量控制在43～48％，优选成分Al含量为45％。Ti含量在去除所有元素后的余量。
Nb：高Nb-TiAl合金中Nb的添加量一般为5～15％，Nb的添加不仅大大提高了TiAl合金的抗高温氧化性能，而且具有强烈的固溶强化作用，从而大大提高合金强度。但是过高的Nb含量会造成高Nb-TiAl合金的制备难度增大，而且会带来严重的Nb偏析，损害材料性能。因此，本发明Nb含量控制在6～9％，优选成分Nb含量为6％。
B：B元素在TiAl合金中能够形成条状的硼化物，阻碍α相晶粒的快速长大，易于获得细小的全片层组织进而改善合金的室温塑性，但是添加过量的B会导致合金脆性增大。因此，本发明B元素的添加量控制在0.1～0.3％，优选成分B元素含量为0.2％。
W：研究表明，W的微合金化能提高高Nb-TiAl合金的室温及高温强度，降低强度随温度下降的速率，提高合金的韧脆转变温度，因此，本发明W元素含量控制住0.1～0.3％，优选成分W含量为0.2％。
Y：添加微量Y能显著提高高温合金的抗氧化性，尤其是提高了氧化膜的粘附性，还可以净化合金液，改善合金力学性能，但过量Y会造成大量Y的氧化物在晶界析出，增加合金脆性，因此，本发明Y元素含量控制在0.1～0.2％，优选成Y含量为0.1％。
Cr和Mo：Cr和Mo都是β相稳定元素，添加Cr和Mo可以提高合金抗高温氧化性能，而且可以通过置换强化提高合金的强度和蠕变性能，但过量添加会造成合金脆性增大。另外，作为本专业的公知常识，对于合金材料来说，复合添加合金元素要比单独添加具有更好的强化效果，所以Cr和Mo同时添加要比单独添加具有更好的强化效果。因此，本发明同时添加了Cr和Mo元素，其含量均控制在0～3％，优选成分Cr和Mo含量均为1％。
实施例1：
①配料：按原子百分比分别称取46.5份Ti粉，45份Al粉，8份Nb粉，0.2份B粉，0.2份W粉和0.1份Y粉；并将原料粉末放入混料罐内混合和研磨，得到混合粉末，所述原料粉末的粒度为1μm。
②混炼：先将粘接剂放入混炼机，待熔融后，再将步骤①中配制好的混合粉料末放入混炼机中，在转速为30r/min，温度为200℃的工况下混炼2h，混炼好的物料经制粒机制得适于注射的粒状喂料，所述喂料中粘结剂含量为11.5％，所述粘接剂的组份为，巴西棕榈蜡50％、高密度聚乙烯30％、石蜡12％、聚丙烯5％、硬脂酸3％。
在注射成形中所采用的物料形状一般为圆柱状或方形，作为一种具体实施方式，本实施例中所采用的物料为圆柱状。
③水溶性盐芯制备：将NaCl粉、Na2SO4粉和CaCl2粉按照摩尔比为6.5:2.5:1的比例混合均匀，然后将混合均匀的混合料放入熔炉中升温至820℃，使混合料融化，然后熔炉停止加热使熔融状态的混合料从820℃降温至720℃，然后在熔融状态的混合料中加入质量分数为5％的氧化铝颗粒，搅拌均匀后浇入盐芯模具中，凝固后开模取出水溶性盐芯，修整，干燥保存。
加入质量分数为5％的氧化铝颗粒的作用主要有两方面，一方面可以提高水溶性盐芯的强度，另一方面改善水溶性盐芯凝固时的收缩特性。虽然铝矾土颗粒对水溶性盐芯有强化的作用，但是若加入的量过多会存在熔体流动性差，从而造成不利于浇注的问题，为此所述铝矾土颗粒的质量分数为5％。
在浇注之前熔体的温度从820℃降温至720℃的目的是，减小凝固收缩，降低水溶性盐芯的缩孔倾向。
另外，为了减小熔体和盐芯模具之间的温度梯度，从而降低冷却速度，减小水溶性盐芯的内应力，所述的盐芯模具在浇注之前需要进行预热，预热温度为300℃。
④镶嵌水溶性模芯并合模：将水溶性盐芯在定位结构的导引下精确的嵌入到成形模具内，并合模。
⑤注射成形：利用注射成形机将喂料注射到合模后的成形模具的模腔内，经保压、冷却固化后得到生坯，注射过程中，注射压力为80MPa，注射温度为120℃，保压压力为50MPa，保压时间为3s，冷却时间为10s。
⑥脱芯干燥：将带有水溶性盐芯的生坯放入室温下干净的自来水中，溶掉水溶性盐芯，溶解时间20min，将脱芯后的生坯放入干燥箱干燥，干燥温度50℃。
⑦脱脂：采用溶剂脱脂和热脱脂两步脱脂工艺，先将生坯在45℃于三氯乙烷中浸泡溶脱6h，然后在氩气气氛中进行热脱脂，脱脂温度为280℃，脱脂时间为4h。
⑧烧结：将脱脂后的生坯在氩气气氛条件下进行烧结，烧结温度为1475℃，烧结时间为120min，氩气的通入压力为3MPa。
上述方法获得的增压器涡轮，其各项性能指标见表2。
实施例2：
与实施例1基本相同，其不同之处在于：
配料：构成原料的各组分的配比不同，见表1，且其原料粉末的粒度为10μm。
混料：制得喂料中粘接剂的质量分数为12％。
水溶性盐芯制备：添加剂为氧化铝颗粒，其质量分数为3％。
注射成形：注射过程中，注射压力为120MPa，注射温度为180℃，保压压力为70MPa，保压时间为2s，冷却时间为15s。
烧结：将脱脂后的生坯在氩气气氛条件下进行烧结，烧结温度为1450℃，烧结时间为180min，氩气的通入压力为0.5MPa。
烧结后增压器涡轮的性能指标见表2。
实施例3：
与实施例1基本相同，其不同之处在于：
配料：构成原料的各组分的配比不同，见表1，且其原料粉末的粒度为15μm。
混料：制得喂料中粘接剂的质量分数为10％。
水溶性盐芯制备：添加剂为氧化铝颗粒，其质量分数为8％。
注射成形：注射过程中，注射压力为100MPa，注射温度为80℃，保压压力为60MPa，保压时间为5s，冷却时间为20s。
烧结：将脱脂后的生坯在氩气气氛条件下进行烧结，烧结温度为1500℃，烧结时间为60min，氩气的通入压力为5MPa。
烧结后增压器涡轮的性能指标见表2。
实施例4
与实施例1基本相同，其不同之处在于：
配料：构成原料的各组分的配比不同，见表1，且其原料粉末的粒度为20μm。
混料：制得喂料中粘接剂的质量分数为11％。
水溶性盐芯制备：添加剂为氮化硅颗粒，其质量分数为5％。
注射成形：注射过程中，注射压力为120MPa，注射温度为120℃，保压压力为60MPa，保压时间为5s，冷却时间为20s。
烧结：将脱脂后的生坯在氩气气氛条件下进行烧结，烧结温度为1485℃，烧结时间为120min，氩气的通入压力为3MPa。
烧结后增压器涡轮的性能指标见表2。
表1是各实施例原料的成分配比。
表2是各实施例所获得的增压器涡轮的性能参数。
表1：
表2：
Claims (8)
1.一种高铌钛铝基增压器涡轮的制造方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)按原子百分比分别称取5～8％的Nb粉末，40～50％的Al粉末，0～0.2％的B粉末，0～0.2％的W粉末，0～0.2％的Y粉末，0～3％的Cr粉末，0～3％的Mo粉末和余量的Ti粉末，构成原料粉末；
(2)将所述原料粉末进行混合和研磨，并进行干燥处理，得到混合粉末；
(3)将配制好的混合粉末和粘接剂按照一定的比例放入混炼机中混炼，并经制粒机制得适于注射的粒状喂料；
(4)以水溶性无机盐作为主要原料，将水溶性无机盐熔化，在熔融的水溶性无机盐中加入添加剂，搅拌均匀后注入盐芯模具中，凝固后开模取出水溶性盐芯，修整，干燥保存；
(5)将水溶性盐芯在定位结构的导引下嵌入到成形模具内，并合模；
(6)用注射成形机将粒状喂料注射到合模后的成形模具的模腔内，经保压、冷却固化后得到生坯；
(7)将带有水溶性盐芯的生坯放入水中，溶解掉水溶性盐芯，将脱芯后的生坯放入干燥箱干燥；
(8)采用溶剂脱脂和热脱脂两步脱脂工艺对生坯进行脱脂，先将生坯在三氯乙烷中浸泡脱脂，然后在氩气气氛中进行热脱脂；
(9)将脱脂后的生坯在氩气气氛中进行烧结，烧结温度为1450～1500℃，保温时间为1～3小时。
2.根据权利要求1所述的一种高铌钛铝基增压器涡轮的制造方法，其特征在于：步骤(3)中所述的粘接剂为聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、聚苯乙烯、醋酸乙烯、石蜡、蜂蜡中的一种或几种，且所述粘接剂的质量分数为10～12％。
3.根据权利要求1所述的一种高铌钛铝基增压器涡轮的制造方法，其特征在于：步骤(4)中所述的水溶性无机盐为氯化物、硫酸盐、碳酸盐、硝酸盐中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种高铌钛铝基增压器涡轮的制造方法，其特征在于：步骤(4)中所述的添加剂为莫来石、硼酸铝、氮化硅、碳化硅或氧化铝中的一种或几种，且所述添加剂的质量分数为3％～8％。
5.根据权利要求1所述的一种高铌钛铝基增压器涡轮的制造方法，其特征在于：步骤(6)中所述的注射压力为80-120MPa，注射温度为80-180℃，保压压力为50-70MPa，保压时间为2-5s，冷却时间为10-20s。
6.根据权利要求1所述的一种高铌钛铝基增压器涡轮的制造方法，其特征在于：步骤(9)中所述氩气的通入压力为0.1～5MPa。
7.根据权利要求1所述的一种高铌钛铝基增压器涡轮的制造方法，其特征在于：步骤(4)中所述的盐芯模具在浇注之间对进行预热处理，预热温度为300℃。
8.根据权利要求1所述的一种高铌钛铝基增压器涡轮的制造方法，其特征在于：步骤(1)中所述原料粉末的粒度为0.5～20μm。
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