CN112170787B - 一种提高钛铝合金涡轮心部强度的组织控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高钛铝合金涡轮心部强度的组织控制方法，采用有取向层片组织成分的钛铝合金涡轮铸件，由于组织的取向差异导致涡轮心部径向强度比较低，在进行超温超速实验时经常发生涡轮飞散破坏。本发明设计一种新型的组织控制方法，通过调整浇冒口位置和添加冷铁，控制涡轮心部组织的取向，从而达到提高涡轮心部强度的目的。该方法可有效提高钛铝合金涡轮的心部强度和组织稳定性，有利于实现钛铝合金涡轮的可靠应用。

Description

一种提高钛铝合金涡轮心部强度的组织控制方法

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及钛铝涡轮铸造技术，尤其涉及一种提高钛铝合金涡轮心部强度的组织控制方法。

背景技术

钛铝合金密度低，具有高的比强度和比弹性模量，在高温时仍能保持足够高的强度和刚度，同时它还具有良好的抗蠕变及抗氧化能力，这些优点使其成为航空、航天以及汽车的轻质耐热结构件的最具竞争力的材料。应用钛铝合金将可以减轻增压器涡轮的重量，降低涡轮转子***的转动惯量，达到提高废气涡轮增压发动机的加速响应性、减少启动/加速时冒黑烟和提高增压器轴系可靠性的目的。

现有技术中，浇冒口均设计在涡轮的轮背处，但有这种方法得到的涡轮取向层片组织的钛铝合金涡轮心部组织取向差异导致强度低，如图1所示，且强度的稳定性差，不利于部件的可靠性。因此，有必要调整铸造工艺来提高钛铝合金涡轮的心部强度和可靠性。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种提高钛铝合金涡轮心部强度的组织控制方法，有效提高钛铝合金涡轮的心部强度和可靠性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种提高钛铝合金涡轮心部强度的组织控制方法，所述方法为：将涡轮浇冒口位置设置在涡轮轮背相对的一侧上。

本发明针对现有工艺的缺陷，通过改变浇冒口的位置，将浇冒口的位置设置在涡轮轮背相对的一侧上，涡轮轮背相对的一侧(尤其是轮背相对的位置) 为钛铝合金涡轮受力最小部位，通过上述调整，将最后凝固区转移至钛铝合金涡轮受力最小部位，使得部件受力最大部位的组织能够满足要求且实现轴向顺序凝固，进而消除了原工艺因浇注凝固条件微弱变化带来的性能波动，而且心部承载能力得到提升，有效提高钛铝合金涡轮的心部强度和可靠性。

涡轮轮背相对的一侧，其相对于轮背的位置为钛铝合金涡轮受力最小部位，因此本发明优选将涡轮浇冒口位置设置在涡轮轮背相对的位置上，最后浇注得到的钛铝合金涡轮的心部强度和可靠性最佳。

对于涡轮而言，一般涡轮轮背相对的位置为涡轮的六角螺帽处，故本发明选择将涡轮浇冒口位置设置在涡轮的六角螺帽处。

为了控制铸件的凝固顺序，以获得合格铸件，本发明在涡轮上设置冷铁。经过大量实验验证，将冷铁设置在浇冒口相对一侧，即所述涡轮轮背处效果最佳，此时冷铁能够和浇冒口的设置配合效果最佳。

经过大量实验验证，将所述冷铁设置在所述涡轮轮背处的轴端时其发挥的效果最佳。

由于型壳需要在空气中预热至600℃左右，所以冷铁的材料必须耐氧化，且不与钛铝合金反应，因此冷铁应选择与涡轮相同成分的钛铝合金；但钛铝合金的导热和蓄热性能并不适合做冷铁，难以达到良好的吸热作用。因此，本发明将冷铁设置为核壳结构(包括壳体和壳体内的填充材料)，其中，壳体选择与涡轮相同成分的钛铝合金，填充材料为纯铝。这样，即能保证冷铁耐氧化且不与钛铝合金反应的前提下通过铝块的熔化吸热实现吸热的目的。采用该设置能够实现与上述浇冒口改进后的浇注产生最佳的配合作用，保证铸件的凝固顺序，获得合格铸件。

作为优选的技术方案，本发明所述的提高钛铝合金涡轮心部强度的组织控制方法为：将涡轮浇冒口位置设置在涡轮轮背相对的一侧的六角螺帽处，所述涡轮轮背轴端处增加冷铁，所述冷铁为核壳结构，包括壳体和壳体内的填充材料，所述壳体材质为与涡轮同成分的钛铝合金，所述填充材料的材质为纯铝。

与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明通过改变浇冒口位置，实现了涡轮的最后凝固区转移至受力最小部位；同时在轮背处添加冷铁，使得部件受力最大部位的组织能够满足要求且实现轴向顺序凝固；进而避免了原工艺因浇注凝固条件微弱变化带来的性能波动，而且最后得到的铸件的心部承载能力得到提升，采用本发明提供的工艺浇注的钛铝合金涡轮心部抗拉强度可达到500MPa以上，性能裕度充足，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1制备得到的钛铝合金涡轮的结构示意图。

其中，1-涡轮浇冒口；2-涡轮；3-冷铁；301-壳体；302-填充材料。

图2是现有技术(浇冒口设计在涡轮型腔的轮背处)制备的钛铝合金涡轮的结构示意图；

图3是实施例1提供的钛铝合金涡轮的剖面形貌图。

图4是对比例1提供的钛铝合金涡轮的剖面形貌图。

图5是样品力学性能测试的取样图。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

除了本发明提及的改动之外，其他步骤均按照常规的方法进行，本发明不再赘述。

实施例1

一种钛铝合金涡轮，如图1所述，由涡轮浇冒口1、涡轮2和冷铁3组成。

其中，涡轮浇冒口1设置在涡轮2相对的一侧的六角螺帽处。

其中，冷铁3设置于涡轮2轮背轴端处，冷铁3为核壳结构，包括壳体301 和壳体内的填充材料302，壳体301材质为与涡轮同成分的钛铝合金，填充材料 302的材质为纯铝。

实施例2

一种钛铝合金涡轮，由涡轮浇冒口、涡轮和冷铁组成。

其中，涡轮浇冒口设置在涡轮相对的一侧的六角螺帽处。

其中，冷铁设置于涡轮轮背轴端处，冷铁材质为与涡轮同成分的钛铝合金。

实施例3

一种钛铝合金涡轮，由涡轮浇冒口、涡轮和冷铁组成。

其中，涡轮浇冒口设置在涡轮相对的一侧的六角螺帽处。

其中，冷铁设置于涡轮轮背轴端处，冷铁材质为纯铝。

实施例4

一种钛铝合金涡轮，由涡轮浇冒口、涡轮和冷铁组成。

其中，涡轮浇冒口设置在涡轮相对的一侧的六角螺帽处。

对比例1

一种钛铝合金涡轮，如图2所述，由涡轮浇冒口1和涡轮2组成。

其中，涡轮浇冒口1设置在涡轮2轮背轴端处。

性能测试

利用实施例1-4和对比例1提供的钛铝合金涡轮进行性能测试，方法如下：

(1)表观形貌：观察实施例1和对比例1的钛铝合金涡轮的剖面形貌；

图3为实施例1提供的钛铝合金涡轮的剖面形貌图，图4为对比例1提供的钛铝合金涡轮的剖面形貌图，由图可知，实施例1提供的钛铝合金涡轮轮背附近受力最大的位置宏观组织为向上生长的全柱状晶组织，而对比例1提供的钛铝合金涡轮轮背受力最大位置的宏观组织为与轮背面约成45°角的全柱状晶组织，由图3和图4对比可知，实施例1的柱状晶组织取向垂直于轮背，且组织取向稳定性好，对于有取向层片组织的钛铝合金，此取向强度和塑性综合性能最好；而对比例1的柱状晶与轮背约成45°角(一般在30-60°)，且浇注工艺参数比较敏感，组织取向稳定性差，因此强度较低。

(2)抗拉强度：按照图5取样，其中，为非标试样，直径5mm长度20mm，然后进行力学性能测试，测试标准为GB/T 228-2010。

测试结果见表1：

表1

样品	σ<sub>b</sub>(MPa)	δ(％)
			实施例1	503	2.13
实施例2	488	2.05
			实施例3	482	2.04
实施例4	453	1.89
			对比例1	353	1.67

由实施例和性能测试可知，利用本发明提供的提高钛铝合金涡轮心部强度的组织控制方法最后制备得到的钛铝合金涡轮具有较优异的心部强度和组织稳定性，其中，其心部抗拉强度可达到450MPa以上，最优可达500MPa以上。

由实施例1和实施例2-3的对比可知，在本发明中，冷铁优选核壳结构，壳体材质为与涡轮同成分的钛铝合金，填充材料的材质为纯铝，此时的钛铝合金涡轮具有更优的效果；由实施例1和实施例4的对比可知，在将涡轮浇冒口位置设置在涡轮轮背相对的一侧的六角螺帽处后，优选在涡轮轮背轴端处增加冷铁，冷铁可以控制铸件的凝固顺序，与浇冒口设置的配合可以使得最后的钛铝合金涡轮具有更高的心部强度和组织稳定性。

由实施例4和对比例1的对比可知，在本发明中，将涡轮浇冒口位置设置在涡轮轮背相对的一侧的六角螺帽处，可以使得最后得到的钛铝合金涡轮具有较优异的心部强度和组织稳定性。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (2)

1.一种提高钛铝合金涡轮心部强度的组织控制方法，其特征在于，所述方法为：将涡轮浇冒口位置设置在涡轮轮背相对的一侧上，在所述涡轮轮背处增加冷铁，所述冷铁设置在所述涡轮轮背处的轴端，所述冷铁为核壳结构，包括壳体和壳体内的填充材料，所述冷铁的壳体材质为与涡轮同成分的钛铝合金，所述冷铁的填充材料的材质为纯铝。

2.如权利要求1所述的提高钛铝合金涡轮心部强度的组织控制方法，其特征在于，所述方法为：将涡轮浇冒口位置设置在六角螺帽处。

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