CN101457322B - TiAl基增压器涡轮及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增压器涡轮技术领域，尤其涉及增压器涡轮的材料，本发明还涉及这种增压器涡轮的制造方法。它由下述重量比的成分组成，Ti 40～50％，Al 40～50％，Cr 6～8％，Mn 0.80～1.30％，混合稀土2.0-3.0％。由于增压器涡轮采用上述钛铝基合金材料，密度减轻了1/3，因而其相应性好，滞后相应减弱，在高温、高压和高速的情况下，变形量小并很少产生积碳，是合金增压器涡轮镍基K418合金的理想替代产品。本发明还公开了这种增压器涡轮的制造方法，主要包括机械和进化、退火热处理、冷压、真空热压和熔炼浇注等步骤，该方法简单方便，投资少，有利于工业化规模生产。

Description

TiAl基增压器涡轮及其制造方法

技术领域：

本发明涉及增压器涡轮技术领域，尤其涉及增压器涡轮的材料，本发明还涉及这种增压器涡轮的制造方法。

背景技术：

涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。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，叶轮又压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮压缩更多的空气进入气缸，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，从而增加发动机的输出功率。

涡轮增压器安装在发动机的进排气歧管上，处在高温，高压和高速运转的工作状况下，其工作环境非常恶劣，工作要求比较苛刻，因此对制造的材料成型工艺和加工技术都要求很高。要求材料有良好的高温机械性能，要有较高的高温持久强度极限以及良好的抗疲劳和抗蠕变的性能。

增压器涡轮是增压器上非常关键和重要的部件，随着增压器技术的发展，涡轮材料也在不断更新换代，以前，柴油机增压器涡轮普遍采用的材料是20Cr3MoWV(A)，但该材料仅适用于低速(40000r/min左右)较大型的增压器，随着增压器的转速越来越高、体积越来越小，柴油机排气温度有的达到750℃以上，该材料已不能满足增压器的使用要求。目前，一般汽车用增压器涡轮普遍采用K418镍基高温合金。

但是，K418镍基高温合金制成的增压器涡轮有很大局限性：

1)由于增压器涡轮的特殊工作环境，要求其耐高温、高压，一般在不低于750℃的工况下工作，对于高转速(小型增压器最高可达250000r/min)涡轮叶片经常会出现变形现象。

2)高温、高速时，涡轮叶片经常出现飞裂失效。

3)涡轮重量大，响应性不好，叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，涡轮出现“滞后响应”，汽车提速慢、提速烟度大。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种TiAl基增压器涡轮，该增压器涡轮响应性好，在高温、高压和高速的情况下，变形量小并明显减少滞后相应。

本发明所要解决的另一个技术问题是：提供一种TiAl基增压器涡轮的制造方法，该方法可以通过简单的步骤获得由钛铝基合金构成的增压器涡轮。

为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：它由钛铝金属间化合物合金构成，所述合金由下述重量比的成分组成，

Ti  40～50％，

Al  40～50％，

Cr  6～8％，

Mn  0.80～1.30％，

混合稀土  2.0-3.0％。

为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：它包括以下步骤，

(1)按重量比分别称取40～50％的Ti粉、40～50％的Al粉、6～8％的Cr粉、0.80～1.30％的Mn粉、2.0-3.0％的混合稀土，构成原料；

(2)将所述原料进行混合和球磨，并进行干燥处理，得到过饱和固溶体粉末；

(3)将过饱和固溶体粉末进行退火处理得到变异的钛铝金属间化合物粉末；

(4)向混合粉末中加入塑化剂和混合稀土并混合均匀，制成易于流动的团粒；

(5)将所述团粒静置；

(6)将所述静置后的粉末冷压成型，获得具有所需形状的致密毛坯；

(7)将所述冷压毛坯放入热压烧结炉内进行真空热压烧结、保温，烧结前先将烧结炉内抽取真空；

(8)将所述热压毛坯放入预先预热的熔模铸造的模壳中，在电炉中加热熔炼，然后放入另一电炉中保温、冷却；

(9)将所述冷却后的铸件毛坯进行喷丸清理，去除表面模壳材料。

采用了上述技术方案后，可以制造出由钛铝基合金材料构成的增压器涡轮，它包括前期金属间化合物粉末的机械合金化法制备和后续的真空热压法制备。粉末经过高能球磨后，在机械能的作用下能形成过饱和固溶体，热处理退火的作用使这些过饱和固溶体粉末在热能作用下反应生成变异的钛铝金属间化合物粉末。这些粉末经冷热压成型后能够获得高的的强度和良好的塑韧性。

所述的混合和研磨步骤在球磨机中进行。

所述步骤(5)中，团粒静置时间为2～3小时。

所述步骤(7)中，真空度为10^-2Pa，烧结温度1100℃～1200℃，保温时间为1～3小时。

所述步骤(8)中，真空度为10^-3Pa，熔炼温度1200℃～1350℃，保温时间为5～8分钟。模壳所用材料为ZrO₂粉。所述电炉为中频感应电炉。

所述步骤(9)中，喷丸料为煤矸石粉。

所述步骤(2)中，粉末的粒度为0.3μm～0.8μm。

所述球磨及热压步骤在氩气气氛下进行。

由于该增压器蜗轮的主要成分是TiAl，它是一种金属间化合物材料，因而具有硬度大、强度高、耐高温、导热系数高和膨胀系数低等特性。TiAl是一种金属间化合物合金，它具有密度低，比强度、比刚度高以及优良的高温性能，它可以减轻增压器涡轮的重量，提高比强度和比刚度，并有效提高涡轮的韧性和可塑性。Cr和Mn同为高熔点金属，在烧结过程中，它固溶在TiAl晶体晶格中，改变了TiAl晶体类型，减弱了其固有的脆性。

使用本方法制成的增压器涡轮，在体积相同的情况下，重量仅为镍基K418合金增压器涡轮的1/3，转动惯性矩随之减小，从而大大缩短了响应时间，提高了响应性；在高温、高压和高速的情况下，不容易出现变形和飞裂失效现象，表面光洁度好，不积碳。

具体实施方式：

以下实施例是对本发明的进一步说明，其不应被理解成对本发明的限制。

实施例1

1)配料

按重量份分别称取40份Ti粉、41份Al粉、6份Cr粉、0.8份Mn粉、2份混合稀土，构成原料；

2)机械合金化法球磨

将所述原料进行混合和球磨，得到混合粉末。所述的混合和球磨步骤在行星式研磨机中进行，球磨20小时。球磨机转速320r/min。选用1Cr₁₈Ni₉Ti不锈钢罐，Al₂O₃球为球磨介质，球径分别为10mm、5mm、3mm，球料比为10∶1。球磨在室温下进行，采用氩气保护以防氧化。

球磨是批量生产和制备钛铝基合金金属间化合物的最新方法，它的主要作用为减小粒子尺寸，固态合金化，固溶强化。混合粉末在球磨过程中在磨球高速碰撞的作用下，不断受到强烈的塑性变形，在粉末颗粒的表面出现加工硬化现象，当应力达到一定程度，粉末颗粒表面的硬化层开始破碎，从而形成洁净的“原子化表面”。这些不同元素的“原子化表面”相互接触，在碰撞应力的作用下，又相互冷焊在一起，形成有一定原子结合力的复合颗粒。随着球磨的继续进行，这些复合颗粒不断受到碰撞，颗粒表面继续产生塑性变形，再次出现加工硬化，应力达到一定程度又导致破碎。经过反复的破碎-冷焊-破碎过程，形成了多层结构的复合颗粒。此时，各复合层内积蓄了原子充分扩散所需的空位，位错等缺陷。在经过一段时间的球磨后，原子的扩散速率突然增大，形成过饱和的固溶体。在这些粉末中加入混合稀土元素后，经冷变形和真空热压变形后制备出TiAl合金棒。行星式研磨机由球磨罐、罐座、转盘、固定带轮和电动机等组成。工作原理是：行星式研磨机在转盘上装有4个球磨罐，当转盘转动时，球磨罐随转盘围绕同一轴心作行星式运动，罐中磨料在高速运动中研磨和混匀被研磨的的坯料。性能特点：①进料粒度：200目左右；出料粒度：小于400目②球磨罐转速快，球磨效率高③结构紧凑，操作方便，密封取样，安全可靠，噪声低，无污染，无损耗。

3)退火处理

将2)所述过饱和的固溶体的粉末经过750℃热处理，保温60分钟，球磨后的粉末在热能驱动下快速形成TiAl金属间化合物粉末。

4)冷压成型

将所述TiAl金属间化合物粉末加入2-3％的混合稀土后继续在球磨机中球磨4小时，取出后装入冷压模具中在压力机上冷压成型，压力150MPa。冷压的目的是为了增加材料的致密度，减少孔隙率，为后续热压成型做准备。

5)真空热压成型

将4)所述冷压金属棒放入石墨模具中，进行真空热压成型，真空度10^-2Pa。其优点成形温度低，产品致密，性能优良。真空热压成型可获得均匀的细晶粒组织，能避免铸锭的宏观偏析，提高材料的工艺性能和机械性能。真空热压温度1150-1250℃，压力在100～200兆帕(1000～2000大气压)之间。

6)涡轮模壳制造

熔模铸造又称″失蜡铸造″，通常是在蜡模表面涂上数层耐火材料，待其硬化干燥后，将其中的蜡模熔去而制成型壳，再经过焙烧，然后进行浇注，而获得铸件的一种方法。本案用石蜡制作蜡模，用石英和刚玉，以及硅酸铝耐火材料制作模壳，用硅酸胶体溶液作粘结剂，经过蜡模制作、组装、涂挂涂料和撒砂、型壳干燥和硬化、自型壳中熔失熔模和焙烧型壳等工序制造涡轮模壳。

7)熔炼浇注

将所述5)热压成型毛坯放入经过预热的模壳中，在中频感应电炉中加热，在几分钟内钛铝合金熔化浇注到模壳中，真空度10^-3Pa。将模壳及未熔化的金属液放入另一中频感应电炉中保温5-8分钟，然后空冷。

8)清理

将所述7)冷却后的模壳放入喷丸室中清理，涡轮铸件表面的陶瓷模壳在煤矸石气流的冲击下被冲刷掉，然后切除浇口，获得成型涡轮铸件。

通过上述方法获得的增压器涡轮，其各种性能指标见表2和表3。

实施例2

与实施例1基本相同，其不同之处在于：

配料时，构成原料的各组分的配比不同，见表1；

球磨时，球磨24小时。球磨机转速300r/min；

退火时，退火温度7200C，保温90分钟；

冷压压型时，成型压力为170MPa，保压时间为5分钟；

热压烧结时，烧结路线为：550℃→1050℃→1150℃，升温速度100℃/小时，保温2h；真空度10^-2Pa。

熔炼浇注时中频感应电炉真空度10^-3Pa。

成型后后增压器涡轮的性能参数见表2和表3。

实施例3

与实施例1基本相同，其不同之处在于，

配料时，构成原料的各组分的配比不同，见表1；

球磨时，球磨28小时。球磨机转速280r/min；

退火时，退火温度7600C，保温50分钟；

冷压压型时，成型压力为140MPa，保压时间为15分钟；

热压烧结时，烧结路线为：450℃→950℃→1050℃→1250℃，升温速度150℃/小时，保温3h；真空度10^-2Pa。

熔炼浇注时中频感应电炉真空度5×10^-2Pa。

烧结后增压器涡轮的性能参数见表2和表3。

实施例4

与实施例1基本相同，其不同之处在于：

配料时，构成原料的各组分的配比不同，见表1；

球磨时，球磨18小时。球磨机转速380r/min；

退火时，退火温度7000C，保温80分钟；

冷压压型时，成型压力为160MPa，保压时间为8分钟；

热压烧结时，烧结路线为：550℃→1050℃→1150℃→1250℃，升温速度120℃/小时，保温4h；真空度2×10^-3Pa。

熔炼浇注时中频感应电炉真空度2×10^-2Pa。

烧结后增压器涡轮的性能参数见表2和表3。

实施例5

与实施例1基本相同，其不同之处在于：

配料时，构成原料的各组分的配比不同，见表1；

球磨时，球磨26小时。球磨机转速290r/min；

退火时，退火温度7300C，保温80分钟；

冷压压型时，成型压力为180MPa，保压时间为6分钟；

热压烧结时，烧结路线为：50℃→950℃→1050℃→1150℃，升温速度140℃/小0时，保温3h；真空度3×10^-2Pa。

熔炼浇注时中频感应电炉真空度5×10^-2Pa。

烧结后增压器涡轮的性能参数见表2和表3。

实施例6

与实施例1基本相同，其不同之处在于：

配料时，构成原料的各组分的配比不同，见表1；

球磨时，球磨22小时。球磨机转速370r/min；

退火时，退火温度7700C，保温55分钟；

冷压压型时，成型压力为155MPa，保压时间为10分钟；

热压烧结时，烧结路线为：550℃→850℃→1150℃→1250℃，升温速度90℃/小时，保温5h；真空度5×10^-2Pa。

熔炼浇注时中频感应电炉真空度6×10^-2Pa。

烧结后增压器涡轮的性能参数见表2和表3。

表1是各个实施例原料的配比。

表2是各个实施例所获得的增压器涡轮与K418材料增压器涡轮的综合性能参数对照表。

表3是各个实施例所获得的增压器涡轮与K418材料增压器涡轮的力学性能参数对照表。

表1

编号	Ti  重量份	Al  重量份	Cr  重量份	Mn   重量份	混合稀土   重量份
						实施例1  实施例2  实施例3  实施例4  实施例5  实施例6	40  42  44  46  48  50	41  40  43  45  50  47	6  8  7  6  8  7	0.8  1.3  0.9  1  1.2  1.1	2  3  2  3  2  3

表2

编号	体积密度   g/cm<sup>3</sup>	热膨胀系数   ×10<sup>-6</sup>/℃	导热系数   W/(m.K)
				实施例1  实施例2  实施例3  实施例4  实施例5  实施例6  K418	3.8  3.9  3.9  3.8  3.7  3.8  8.9	3.1  3.2  3.2  3.2  3.3  3.4  14.4	24  25  25  26  26.5  27  15.89

表3

编号	抗压强度   MPa	高温延性   MPa	断裂韧性   MPam<sup>1/2</sup>	硬度   HR	蠕变极限   ℃	氧化温度   ℃
							实施例1  实施例2  实施例3  实施例4  实施例5  实施例6  K418	600  600  650  680  680  650  --	79  81  90  90  80  90  --	15.5  16.7  10.5  11.8  15.6  14.5  1.4～2.7	87  88  90  86  88  85  36～37	1000  990  1020  1080  960  970  6.0	970  980  990  960  966  960  978

综上所述，通过本发明所揭示的制造方法，可以制造出一种钛铝基合金材料的增压器涡轮，由于该钛铝基合金材料不但具有好的韧性、高的强度，价格低，比重小，还通过合金化进一步提高了材料的断裂韧性、提高了其高温抗氧化性，减少了线膨胀系数，因此相应性好，在高温、高压和高速的情况下，不容易出现变形和飞裂失效现象，表面光洁度好。采用的生产工艺简便，投资少，有利于工业化规模生产。

Claims (9)

1.一种TiAl基增压器涡轮，其特征在于：由钛铝金属间化合物合金构成，所述合金由下述重量比的成分组成，

Ti  40～50％，

Al  40～50％，

Cr  6～8％，

Mn  0.80～1.30％，

混合稀土  2.0-3.0％。

2.一种TiAl基增压器涡轮的制造方法，其特征在于：包括以下步骤，

(1)按重量比分别称取40～50％的Ti粉、40～50％的Al粉、6～8％的Cr粉、0.80～1.30％的Mn粉、2.0-3.0％的混合稀土，构成原料；

(2)将所述原料进行混合和球磨，并进行干燥处理，得到过饱和固溶体粉末；

(3)将过饱和固溶体粉末进行退火处理得到变异的钛铝金属间化合物粉末；

(4)向混合粉末中加入塑化剂和混合稀土并混合均匀，制成易于流动的团粒；

(5)将所述团粒静置；

(6)将所述静置后的粉末冷压成型，获得具有所需形状的致密毛坯；

(7)将所述冷压毛坯放入热压烧结炉内进行真空热压烧结、保温，烧结前先将烧结炉内抽取真空；

(8)将所述热压毛坯加工成所需形状，放入预先预热的熔模铸造的模壳中，在电炉中加热熔炼，然后放入另一电炉中保温、冷却；

(9)将所述冷却后的铸件毛坯进行喷丸清理，去除表面模壳材料。

3.根据权利要求2所述的TiAl基增压器涡轮的制造方法，其特征是：所述步骤(5)中，团粒静置时间为2～3小时。

4.根据权利要求2所述的TiAl基增压器涡轮的制造方法，其特征是：所述步骤(7)中，真空度为10^-2Pa，烧结温度1100℃～1200℃，保温时间为1～3小时。

5.根据权利要求2所述的TiAl基增压器涡轮的制造方法，其特征是：所述步骤(8)中，真空度为10^-3Pa，熔炼温度1200℃～1350℃，保温时间为5～8分钟。

6.根据权利要求2所述的TiAl基增压器涡轮的制造方法，其特征是：所述步骤(9)中，喷丸料为煤矸石粉。

7.根据权利要求2所述的TiAl基增压器涡轮的制造方法，其特征是：所述步骤(2)中，粉末的粒度为0.3μm～0.8μm。

8.根据权利要求2所述的TiAl基增压器涡轮的制造方法，其特征是：所述步骤(8)中，模壳所用材料为ZrO₂粉。

9.根据权利要求2所述的TiAl基增压器涡轮的制造方法，其特征是：所述球磨及热压步骤在氩气气氛下进行。