CN107983950A - 一种高强度增压器涡轮叶轮注射成型的方法 - Google Patents

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Abstract

一种高强度增压器涡轮叶轮注射成型的方法，属于航空发动机涡轮制备技术领域，包括金属粉末的配置、粘合剂配料、一次熔炼、二次熔炼、注射成型、溶剂脱脂、热脱脂、烧结、固溶处理和时效处理。采用本发明的方法，通过成分均匀性改善和晶粒细化等大幅度提高了涡轮合金的机械力学性能，强度可以达到增压器涡轮叶轮的使用要求。加入B4C粉，高温下Ti和B4C反应生成了TiB和TiC。TiB和TiC均匀分布在钛基体上，为增强相，可以提高合金的力学性能。

Description

一种高强度增压器涡轮叶轮注射成型的方法
技术领域
本发明属于航空发动机涡轮制备技术领域，具体涉及一种高强度增压器涡轮叶轮注射成型的方法。
背景技术
高温合金涡轮是航空发动机涡轮增压器的核心零件，其性能直接决定了涡轮增压发动机的节能减排效果。增压涡轮在服役过程中承受高温和高速旋转以及叶片气流冲击振动带来的交变应力作用，极易产生疲劳损坏，因此对增压涡轮成形质量有较为严格的要求。长期以来熔模精密铸造一直是增压涡轮的主要成形方法，由于熔铸工艺无法完全避免非金属夹杂、气孔缩孔和元素偏析等铸造缺陷，很大程度上限制了涡轮寿命的进一步提高。金属注射成型技术(MIM)和传统加工方法相比的确具有一些不可比拟的优点，能够克服精密铸造过程中难以避免的铸造缺陷，但限制MIM技术发展的主要原因是：MIM技术需要加入粘结剂及脱脂等工艺的限制，即使在一定程度上MIM技术能解决复杂的形状一次定型的问题，但其只能使用在低精度、小尺寸、力学性能要求不高的产品零件上，不太适合应用于力学性能要求较高的零件。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高强度增压器涡轮叶轮注射成型的方法，通过成分均匀性改善和晶粒细化等大幅度提高了涡轮合金的机械力学性能。
本发明采用以下技术方案：
一种高强度增压器涡轮叶轮注射成型的方法，包括以下步骤：
步骤一：称取Al粉8重量份、Ti粉45重量份、Nb粉0.5重量份，放入容器中，并向容器中倒入100重量份的无水乙醇，容器放到KQ3200B超声仪内，使用搅拌器一边搅拌一边进行超声震荡15分钟，使团聚在一起的粉末充分分散，然后将容器内的混合物倒入聚氨酯混料罐内，再按10:1的球料比放入硬质合金球，在球磨机上匀速混合24小时，最后利用真空干燥箱真空干燥48小时，待干燥完毕后利用研钵得到混合金属粉末；
步骤二：粘合剂配料：按以下重量份的原料进行配料备用：巴西棕榈蜡70重量份，低密度聚乙烯20重量份，石蜡10重量份，聚丙烯9重量份，硬脂酸2重量份；
步骤三：一次熔炼：钳锅预热，预热功率为2kw，预热5min后充氩气至500Pa，然后将熔炼功率提升至40kw，加入88重量份的混合金属粉末，此时金属粉末逐渐融化并渗入钳锅底部，继续提升功率至100kw，待金属粉末融化完全后加入12重量份的粘合剂，粘合剂各原料的加入顺序为：先加入巴西棕榈蜡及石蜡，再加入低密度聚乙烯及聚丙烯，最后加入硬脂酸，钳锅内溶炼10min，最后升功率至120kw，熔炼5min后停功率使熔炼合金在钳锅内凝固；
步骤四：二次熔炼：将一次熔炼合金翻转一面后再放入钳锅进行二次熔炼，钳锅预热功率为40kw，预热5min后充氩气至400Pa，然而提升功率至100kw，熔炼10min，最后升功率至120kw，搅拌5min后降功率至100kw；
步骤五：将二次熔炼合金加入到注射成形机中注射成型，注射参数为：注射压力120MPa，保压1S，注射温度为140℃，注射3S，冷却5-10S，得注射成型的试样；
步骤六：溶剂脱脂：采用二硫化碳进行常温下溶剂脱脂，脱脂时间为20h；
步骤七：热脱脂：将溶剂脱脂后的试样，放入管式炉中按0-120℃升温时间60min、120-300℃升温时间180min、300-450℃升温时间240min、450℃保温60min、450-620℃升温时间90min、620℃保温60min、620-850℃升温时间60min、850℃保温60min的热脱脂工艺进行热脱脂，脱脂气氛条件为真空+氩气；
步骤八：烧结：采用真空烧结工艺，真空度达到1×10-2Mpa以上，先以10℃/min升温至200℃，保温5min；再以2.3℃/min升温至550℃，保温20min；继续升温至1240℃，分别在800℃、1000℃、1240℃温度下保温40min、60min、60min，随后试样随炉缓冷；
步骤九：试样固溶处理：固溶温度1210℃，保温时间2h；
步骤十：试样时效处理：时效温度750℃，保温时间16h。
优选的，步骤一还包括将B4C粉以质量分数2.4％加入到Al粉中。
进一步优选的，所述的B4C粉的颗粒尺寸为1μm-5μm。
优选的，步骤一中各金属粉末的粒径和纯度分别为：Ti粉10μm，99.7％；Al粉1μm，99.7％；Nb粉10.5μm，99.9％。
优选的，步骤五中所述的注射成形机为螺杆式注射成型机。
本发明的有益效果在于：
1)采用本发明制备的Ti、Al、Nb合金增压器涡轮叶轮，具有良好的机械力学性能，强度可以达到增压器涡轮叶轮的使用要求。
2)由巴西棕榈蜡、石腊、低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯(PP)、硬脂酸(SA)组成的粘结剂，由于石腊的流动性能好，LDPE、PP热塑性好，SA作为表面活性剂，粘结剂均匀填充于金属粉末颗粒之间，使混合料成粘性流体。巴西棕榈蜡、石腊主要提供喂料的流动性，且脱除方便；LDPE在石腊脱除过程中起固定粉末颗粒和保持坯件形状的作用；SA可以改善粉末润湿性、喂料的粘度。
3)在混料时通过控制粘结剂各成分的添加顺序，首先加入巴西棕榈蜡、石蜡、再加入低密度聚乙烯、聚丙烯，最后加入表面活性剂硬脂酸，熔炼后的物料流变性能更好，呈具有一定流动性的“膏”状状态，粘度适中。
4)采用二次熔炼使得Ti、Al、Nb元素在合金中的分布更加均匀。
5)注射压力120MPa，注射温度为140℃时，做出的试样质量最好，没有出现飞边、裂纹等缺陷。
6)烧结温度至1240℃的时候对烧结体的力学性能有一定程度的提高，此温度下的烧结试样具有组织成分均匀、晶粒细化的效果。
7)固溶处理和时效处理后合金硬度值出现较大幅度提高。
8)加入B4C粉，高温下Ti和B4C反应生成了Ti B和Ti C。Ti B和Ti C均匀分布在钛基体上，为增强相，可以提高合金的力学性能。
具体实施方式
以下结合实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种高强度增压器涡轮叶轮注射成型的方法，包括以下步骤：
步骤一：称取Al粉8重量份、Ti粉45重量份、Nb粉0.5重量份，放入容器中，并向容器中倒入100重量份的无水乙醇，容器放到KQ3200B超声仪内，使用搅拌器一边搅拌一边进行超声震荡15分钟，使团聚在一起的粉末充分分散，然后将容器内的混合物倒入聚氨酯混料罐内，再按10:1的球料比放入硬质合金球，在球磨机上匀速混合24小时，最后利用真空干燥箱真空干燥48小时，待干燥完毕后利用研钵得到混合金属粉末；
步骤二：粘合剂配料：按以下重量份的原料进行配料备用：巴西棕榈蜡70重量份，低密度聚乙烯20重量份，石蜡10重量份，聚丙烯9重量份，硬脂酸2重量份；
步骤三：一次熔炼：钳锅预热，预热功率为2kw，预热5min后充氩气至500Pa，然后将熔炼功率提升至40kw，加入88重量份的混合金属粉末，此时金属粉末逐渐融化并渗入钳锅底部，继续提升功率至100kw，待金属粉末融化完全后加入12重量份的粘合剂，粘合剂各原料的加入顺序为：先加入巴西棕榈蜡及石蜡，再加入低密度聚乙烯及聚丙烯，最后加入硬脂酸，钳锅内溶炼10min，最后升功率至120kw，熔炼5min后停功率使熔炼合金在钳锅内凝固；
步骤四：二次熔炼：将一次熔炼合金翻转一面后再放入钳锅进行二次熔炼，钳锅预热功率为40kw，预热5min后充氩气至400Pa，然而提升功率至100kw，熔炼10min，最后升功率至120kw，搅拌5min后降功率至100kw；
步骤五：将二次熔炼合金加入到注射成形机中注射成型，注射参数为：注射压力120MPa，保压1S，注射温度为140℃，注射3S，冷却5-10S，得注射成型的试样；
步骤六：溶剂脱脂：采用二硫化碳进行常温下溶剂脱脂，脱脂时间为20h；
步骤七：热脱脂：将溶剂脱脂后的试样，放入管式炉中按0-120℃升温时间60min、120-300℃升温时间180min、300-450℃升温时间240min、450℃保温60min、450-620℃升温时间90min、620℃保温60min、620-850℃升温时间60min、850℃保温60min的热脱脂工艺进行热脱脂，脱脂气氛条件为真空+氩气；
步骤八：烧结：采用真空烧结工艺，真空度达到1×10-2Mpa以上，先以10℃/min升温至200℃，保温5min；再以2.3℃/min升温至550℃，保温20min；继续升温至1240℃，分别在800℃、1000℃、1240℃温度下保温40min、60min、60min，随后试样随炉缓冷；
步骤九：试样固溶处理：固溶温度1210℃，保温时间2h；
步骤十：试样时效处理：时效温度750℃，保温时间16h。
步骤一中各金属粉末的粒径和纯度分别为：Ti粉10μm，99.7％；Al粉1μm，99.7％；Nb粉10.5μm，99.9％。
步骤五中所述的注射成形机为螺杆式注射成型机。
实施例2
一种高强度增压器涡轮叶轮注射成型的方法，包括以下步骤：
步骤一：称取Al粉8重量份、Ti粉45重量份、Nb粉0.5重量份，将B4C粉以质量分数2.4％加入到Al粉中，并将各原料加入到容器中，并向容器中倒入100重量份的无水乙醇，容器放到KQ3200B超声仪内，使用搅拌器一边搅拌一边进行超声震荡15分钟，使团聚在一起的粉末充分分散，然后将容器内的混合物倒入聚氨酯混料罐内，再按10:1的球料比放入硬质合金球，在球磨机上匀速混合24小时，最后利用真空干燥箱真空干燥48小时，待干燥完毕后利用研钵得到混合金属粉末；
步骤二：粘合剂配料：按以下重量份的原料进行配料备用：巴西棕榈蜡70重量份，低密度聚乙烯20重量份，石蜡10重量份，聚丙烯9重量份，硬脂酸2重量份；
步骤三：一次熔炼：钳锅预热，预热功率为2kw，预热5min后充氩气至500Pa，然后将熔炼功率提升至40kw，加入88重量份的混合金属粉末，此时金属粉末逐渐融化并渗入钳锅底部，继续提升功率至100kw，待金属粉末融化完全后加入12重量份的粘合剂，粘合剂各原料的加入顺序为：先加入巴西棕榈蜡及石蜡，再加入低密度聚乙烯及聚丙烯，最后加入硬脂酸，钳锅内溶炼10min，最后升功率至120kw，熔炼5min后停功率使熔炼合金在钳锅内凝固；
步骤四：二次熔炼：将一次熔炼合金翻转一面后再放入钳锅进行二次熔炼，钳锅预热功率为40kw，预热5min后充氩气至400Pa，然而提升功率至100kw，熔炼10min，最后升功率至120kw，搅拌5min后降功率至100kw；
步骤五：将二次熔炼合金加入到注射成形机中注射成型，注射参数为：注射压力120MPa，保压1S，注射温度为140℃，注射3S，冷却5-10S，得注射成型的试样；
步骤六：溶剂脱脂：采用二硫化碳进行常温下溶剂脱脂，脱脂时间为20h；
步骤七：热脱脂：将溶剂脱脂后的试样，放入管式炉中按0-120℃升温时间60min、120-300℃升温时间180min、300-450℃升温时间240min、450℃保温60min、450-620℃升温时间90min、620℃保温60min、620-850℃升温时间60min、850℃保温60min的热脱脂工艺进行热脱脂，脱脂气氛条件为真空+氩气；
步骤八：烧结：采用真空烧结工艺，真空度达到1×10-2Mpa以上，先以10℃/min升温至200℃，保温5min；再以2.3℃/min升温至550℃，保温20min；继续升温至1240℃，分别在800℃、1000℃、1240℃温度下保温40min、60min、60min，随后试样随炉缓冷；
步骤九：试样固溶处理：固溶温度1210℃，保温时间2h；
步骤十：试样时效处理：时效温度750℃，保温时间16h。
所述的B4C粉的颗粒尺寸为1μm-5μm；各金属粉末的粒径和纯度分别为：Ti粉10μm，99.7％；Al粉1μm，99.7％；Nb粉10.5μm，99.9％。
步骤五中所述的注射成形机为螺杆式注射成型机。

Claims (5)

1.一种高强度增压器涡轮叶轮注射成型的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：称取Al粉8重量份、Ti粉45重量份、Nb粉0.5重量份，放入容器中，并向容器中倒入100重量份的无水乙醇，容器放到KQ3200B超声仪内，使用搅拌器一边搅拌一边进行超声震荡15分钟，使团聚在一起的粉末充分分散，然后将容器内的混合物倒入聚氨酯混料罐内，再按10:1的球料比放入硬质合金球，在球磨机上匀速混合24小时，最后利用真空干燥箱真空干燥48小时，待干燥完毕后利用研钵得到混合金属粉末；
步骤二：粘合剂配料：按以下重量份的原料进行配料备用：巴西棕榈蜡70重量份，低密度聚乙烯20重量份，石蜡10重量份，聚丙烯9重量份，硬脂酸2重量份；
步骤三：一次熔炼：钳锅预热，预热功率为2kw，预热5min后充氩气至500Pa，然后将熔炼功率提升至40kw，加入88重量份的混合金属粉末，此时金属粉末逐渐融化并渗入钳锅底部，继续提升功率至100kw，待金属粉末融化完全后加入12重量份的粘合剂，粘合剂各原料的加入顺序为：先加入巴西棕榈蜡及石蜡，再加入低密度聚乙烯及聚丙烯，最后加入硬脂酸，钳锅内溶炼10min，最后升功率至120kw，熔炼5min后停功率使熔炼合金在钳锅内凝固；
步骤四：二次熔炼：将一次熔炼合金翻转一面后再放入钳锅进行二次熔炼，钳锅预热功率为40kw，预热5min后充氩气至400Pa，然而提升功率至100kw，熔炼10min，最后升功率至120kw，搅拌5min后降功率至100kw；
步骤五：将二次熔炼合金加入到注射成形机中注射成型，注射参数为：注射压力120MPa，保压1S，注射温度为140℃，注射3S，冷却5-10S，得注射成型的试样；
步骤六：溶剂脱脂：采用二硫化碳进行常温下溶剂脱脂，脱脂时间为20h；
步骤七：热脱脂：将溶剂脱脂后的试样，放入管式炉中按0-120℃升温时间60min、120-300℃升温时间180min、300-450℃升温时间240min、450℃保温60min、450-620℃升温时间90min、620℃保温60min、620-850℃升温时间60min、850℃保温60min的热脱脂工艺进行热脱脂，脱脂气氛条件为真空+氩气；
步骤八：烧结：采用真空烧结工艺，真空度达到1×10-2Mpa以上，先以10℃/min升温至200℃，保温5min；再以2.3℃/min升温至550℃，保温20min；继续升温至1240℃，分别在800℃、1000℃、1240℃温度下保温40min、60min、60min，随后试样随炉缓冷；
步骤九：试样固溶处理：固溶温度1210℃，保温时间2h；
步骤十：试样时效处理：时效温度750℃，保温时间16h。
2.根据权利要求1所述的一种高强度增压器涡轮叶轮注射成型的方法，其特征在于：步骤一还包括将B4C粉以质量分数2.4％加入到Al粉中。
3.根据权利要求2所述的一种高强度增压器涡轮叶轮注射成型的方法，其特征在于：所述的B4C粉的颗粒尺寸为1μm-5μm。
4.根据权利要求1所述的一种高强度增压器涡轮叶轮注射成型的方法，其特征在于：步骤一中各金属粉末的粒径和纯度分别为：Ti粉10μm，99.7％；Al粉1μm，99.7％；Nb粉10.5μm，99.9％。
5.根据权利要求1所述的一种高强度增压器涡轮叶轮注射成型的方法，其特征在于：步骤五中所述的注射成形机为螺杆式注射成型机。
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