CN101003091A - 以粉末为原料制备发动机涡轮增压器用可调喷嘴叶片的方法 - Google Patents

以粉末为原料制备发动机涡轮增压器用可调喷嘴叶片的方法 Download PDF

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Abstract

一种以粉末为原料制备发动机涡轮增压器用可调喷嘴叶片的方法,属粉末注射成形技术领域。工艺为:将所选用的合金粉末与由50~75wt%石蜡、15~20wt%高密度聚乙烯、2~10wt%硬脂酸和余量的聚丙烯所组成的粘结剂以56~65vol%装载量混炼均匀制成均匀喂料;随后在150~175℃注射温度、75~125Mpa注射压力下注射成形,得到的坯体经“溶脱+热脱”脱脂工艺后,再烧结即可得到具有高性能及高精度的可调喷嘴叶片。经热等静压或热处理后可进一步提高其性能。本发明的优点在于材料利用率高、生产效率高、成本低、产品内成分无偏析、精度高,而且还可根据不同发动机叶片实际工作情况任意设计合适的合金成分。

Description

以粉末为原料制备发动机涡轮增压器用可调喷嘴叶片的方法
技术领域
本发明属于粉末注射成形技术领域,特别提供了一种以粉末为原料直接制备发动机
涡轮增压器用可调喷嘴叶片的方法。
背景技术
近年来,为降低燃油消耗率及废气排放率,提高柴油或汽油发动机动力性能及工作可靠性,先进的可调喷嘴涡轮增压器及技术得到了深入研究,应用范围不断扩大,其中可调喷嘴叶片是可变调节技术及增压器的关键零件。正是通过利用压气机出口压力调节可调喷嘴叶片的开度,从而实现在涡轮增压器的工作过程中可以随发动机工况的变化而连续调节进气流量,在保证稳态工况进气流量的同时,改善过渡过程的响应速度,提高发动机的瞬态性能、降低瞬态过程排放。该可调喷嘴叶片形状复杂、壁极薄、有槽有孔、精度高,其典型形状如图1所示。由于叶片工作在高温排气环境中,又要求其具有耐热性、耐氧化性及耐蚀性,故材质一般采用耐热钢、耐热合金或超合金等。这种零件的传统制备方法是“精密铸造+机加工”,但由于零件所用材料一般含合金元素种类多、含量大,故其成分易于偏析和组织不均匀、塑性极差、加工性差,兼之零件本身形状复杂、壁薄,这更为加工带来了困难,故而其生产效率低、材料利用率低、成本高、难于批量生产。
粉末注射成形技术作为一种新型近净成形技术,不仅可以制造出具有复杂形状、均匀组织结构和高性能的高精度产品,而且生产效率、材料利用率高,成本低,容易实现自动化连续批量作业。目前其产品被广泛应用到航空航天、电子、汽车及医疗等各行各业中,材料体系也涉及钨基高比重、低合金钢、不锈钢、硬质合金及陶瓷等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以粉末为原料直接制备发动机涡轮增压器用可调喷嘴叶片的方法,以低成本批量制备合金成分可控的高性能、高精度、发动机涡轮增压器用可调喷嘴叶片。
本发明采用粉末注射成形技术制备可调喷嘴叶片预成形坯,然后通过脱脂和烧结直接制备零部件;具体步骤为:
1、混炼:将原料粉末与粘结剂在双行星混炼机中于150~165℃、转速30~45rpm的条件下混炼30min~60min制成均匀喂料,其中粉末装载量为56~65vol%。
所述的原料粉末既可是各标准牌号的耐热钢、铁基高温合金或镍基高温合金,如2Cr25Ni20、4Cr14Ni14W2Mo、8Cr20Si2Ni、1Cr28Mo、GH15、GH35、GH132、GH696、GH169、GH710、GH652及K4169等,也可以根据叶片工作实际情况设计非标准合金成分;原料粉末既可以采用高压气雾化或等离子旋转电极等方法制备的预合金粉,也可采用由羰基铁粉、羰基镍粉、铬铁粉、钼铁粉等按设计合金成分在行星混粉机上以30~50rpm的转速混合1~2h配制好的混合粉。
所述的粘结剂采用蜡基多组元聚合物体系,将石蜡PW、高密度聚乙烯HDPE、聚丙烯PP及硬脂酸SA等按比例于150℃充分共混均匀,其比例为:石蜡50~75wt%、高密度聚乙烯15~20wt%、硬脂酸2~10wt%、余量为聚丙烯。
2、注射成形:在普通的塑料注射成形机上于注射温度150~175℃、注射压力75~125MPa的条件下注射成形,得到可调喷嘴叶片的注射坯体。
3、脱脂:注射坯采用“溶脱加热脱”的脱脂工艺,即先在三氯乙烯或三氯乙烷等有机溶剂中于45~60℃下浸泡3~6h;干燥后,再在分解氨气氛的保护下于25~600℃进行热脱脂,时间6~8h。
4、烧结:脱脂坯在1250~1370℃温度,烧结90~180min,得到形状、尺寸及精度均符合要求的可调喷嘴叶片。
5、后续处理:根据采用的合金成分,有的还需进行热处理或热等静压等以进一步提高产品的力学性能。
本发明的优点在于:以粉末为原料,采用粉末注射成形方式可大批量一次成形直接制备复杂形状且壁薄的发动机涡轮增压器用可调喷嘴叶片,无需后继加工,且产品的成分及组织均匀,精度高;由于喂料可循环利用、材料利用率几乎高达100%、成本低;还可根据不同发动机叶片工作环境区别,任意设计合适的合金成分。
附图说明
图1为发动机涡轮增压器用可调喷嘴叶片的俯视图。
图2为发动机涡轮增压器用可调喷嘴叶片的主视图。
具体实施方式
实施例1:
把平均粒径分别为3.5μm、37μm、35μm及20μm羰基铁粉、铬铁粉、钼铁粉及硅铁粉按一定比例混合配制成最终合金成分的78Fe20Cr1Si1Mo的混合粉,粘结剂由60wt%PW、15wt%HDPE、15wt%PP和10wt%SA组成,粉末装载量为57vol%,将粉末与粘结剂在双行星混炼机中于温度160℃、转速35rpm混炼60min制得均匀喂料;喂料在CJ80-E型注射机上注射成形,注射温度为160℃,注射压力为90MPa,注射坯在三氯乙烷中于45℃溶脱4h,干燥后在分解氨气氛保护下以一定升温速率分别升温至350℃及550℃下并分别保温进行充分的热脱脂;随后置于真空烧结炉中于真空度(真空度10-2~10-3Pa)于1350℃烧结90min,得到所需形状及精度的发动机涡轮增压器用可调喷嘴叶片。其致密度98.5%、抗拉强度510MPa、延伸率15%、800℃下100h的氧化速率为0.008g/m2·h。
实施例2:
将平均粒径30μm、合金成分为78Fe20Cr1Si1Mo气雾化预合金粉与由60wt%PW、15wt%HDPE、15wt%PP和10wt%SA组成的粘结剂以61vol%装载量在双行星混炼机中于温度155℃、转速30rpm混炼40min制得均匀喂料;喂料在CJ80-E型注射机上注射成形,注射温度为155℃,注射压力为100MPa,注射坯在三氯乙烷中于45℃溶脱4h,干燥后在分解氨气氛保护下以一定升温速率分别升温至350℃及550℃下分别保温进行充分的热脱脂;随后置于真空烧结炉中于真空度(真空度10-2~10-3Pa)于1350℃烧结90min,得到所需形状及精度的发动机涡轮增压器用可调喷嘴叶片。其致密度98%、抗拉强度490MPa、延伸率18%、800℃下100h的氧化速率为0.009g/m2·h。
实施例3:
将由等离子旋转电极法制备的平均粒径10μm的INCONNEL718镍基高温合金粉末(成分组成为:19.2wt%Cr、5.2wt%Nb、2.9wt%Mo、0.36wt%Al、0.97wt%Ti、19.7wt%Fe、余Ni)与由60wt%PW、15wt%HDPE、15wt%PP和10wt%SA组成的粘结剂以65vol%装载量在双行星混炼机中于温度160℃、转速40rpm混炼60min制得均匀喂料;喂料在CJ80-E型注射机上注射成形,注射温度为165℃,注射压力为110MPa,注射坯在三氯乙烯中于45℃溶脱6h,干燥后在分解氨气氛保护下以一定升温速率分别升温至350℃及550℃下分别保温进行充分的热脱脂;随后置于真空烧结炉中于真空度(真空度10-2~10-3Pa)于1260℃烧结180min,得到所需形状及精度的发动机涡轮增压器用可调喷嘴叶片,致密度97.6%。随后再在热等静压中以100MPa、1100℃下处理4h,以进一步提高其性能,致密度达100%、抗拉强度1100MPa、延伸率20%、800℃下100h的氧化速率为0.004g/m2·h。
实施例4:
将由等离子旋转电极法制备的平均粒径20μm的GH35铁基高温合金粉末(成分组成为:22wt%Cr、1.5wt%Nb、3wt%W、0.3wt%Al、1wt%Ti、62.2wt%Fe、35 wt%Ni)与由65wt%PW、20wt%HDPE、10wt%PP和5wt%SA组成的粘结剂以60vol%装载量在双行星混炼机中于温度155℃、转速35rpm混炼50min制得均匀喂料;喂料在CJ80-E型注射机上注射成形,注射温度为160℃,注射压力为100MPa,注射坯在三氯乙烯中于45℃溶脱6h,干燥后在分解氨气氛保护下以一定升温速率分别升温至350℃及550℃下分别保温进行充分的热脱脂;随后置于真空烧结炉中于真空度(真空度10-2~10-3Pa)于1300℃烧结120min,得到所需形状及精度的发动机涡轮增压器用可调喷嘴叶片,致密度98.2%。随后再在1100℃处理3h后水冷以进行热处理,其性能为:抗拉强度780MPa、延伸率10%、800℃下100h的氧化速率为0.015g/m2·h。
实施例5:
将由气雾化法制备的平均粒径32μm的2Cr25Ni20预合金粉末(主要成分为:25wt%Cr、55wt%Fe、20 wt%Ni)与由55wt%PW、20wt%HDPE、15wt%PP和10wt%SA组成的粘结剂以63vol%装载量在双行星混炼机中于温度160℃、转速40rpm混炼60min制得均匀喂料;喂料在CJ80-E型注射机上注射成形,注射温度为165℃,注射压力为95MPa,注射坯在三氯乙烯中于45℃溶脱6h,干燥后在分解氨气氛保护下以一定升温速率分别升温至350℃及550℃下分别保温进行充分的热脱脂;随后置于真空烧结炉中于真空度(真空度10-2~10-3Pa)于1320℃烧结120min,得到所需形状及精度的发动机涡轮增压器用可调喷嘴叶片,致密度98.7%。随后再在1100℃固溶处理2h后快冷,其性能为:抗拉强度590MPa、延伸率25%、800℃下100h的氧化速率为0.003g/m2·h。

Claims (4)

1、一种以粉末为原料直接制备发动机涡轮增压器用可调喷嘴叶片的方法,其特征在于:工艺为:
a、将原料粉末与粘结剂在双行星混炼机中于150~165℃、转速30~45rpm的条件下混炼30min~60min制成均匀喂料,其中粉末装载量为56~65vol%;
b、在注射温度为150~175℃,注射压力为75MPa~125MPa条件下注射成形,得到可调喷嘴叶片的注射坯体;
c、注射坯体采用“溶脱加热脱”的脱脂工艺进行脱脂,先在三氯乙烯或三氯乙烷等有机溶剂中于45~60℃下浸泡3~6h进行溶剂脱脂;干燥后,再在分解氨气氛的保护下于25~600℃进行热脱脂,时间6~8h;
d、在1250~1370℃温度,烧结90~180min,得到形状、尺寸及精度均符合要求的可调喷嘴叶片。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述的原料粉末为各标准牌号的耐热钢或铁基高温合金、镍基高温合金,或者根据叶片工作实际情况设计非标准合金成分;原料粉末采用高压气雾化或等离子旋转电极方法制备的预合金粉,或者采用由羰基铁粉、羰基镍粉、铬铁粉、钼铁粉按设计合金成分在行星混粉机上以30~50rpm的转速混合1~2h配制的混合粉;所述的耐热钢包括::2Cr25Ni20、4Cr14Ni14W2Mo、8Cr20Si2Ni、1Cr28Mo,所述的铁基高温合金包括:GH15、GH35、GH132、GH696;所述的镍基高温合金包括::GH169、GH710、GH652、K4169。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所配制的粘结剂由50~75wt%石蜡、15~20wt%高密度聚乙烯、2~10wt%硬脂酸及余量的聚丙烯组成的蜡基聚合物多组元粘结剂体系。
4、根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在d步骤后通过热静压或热处理进一步提高其性能
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Assignee: Yangzhou Seashine Powder Metallurgy Co., Ltd.

Assignor: University of Science and Technology Beijing

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Denomination of invention: Method for preparing blades of adjustable nozzle in use for turbocharger of engine by using powder as raw material

Granted publication date: 20090304

License type: Exclusive License

Open date: 20070725

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