CN102211193A - 一种可变几何截面涡轮增压器喷嘴环叶片的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变几何截面涡轮增压器喷嘴环叶片的制备工艺，HK30的气雾化粉，加入0.2-1.5％的Ti；聚乙二醇10-15％、植物油15-30％、聚乙烯10-15％、聚丙烯5-20％，石蜡25-45％，在140℃-160℃温度下混合1-2小时；按80-95∶20-5％称量好粘结剂与HK30、Ti粉末进行混炼，混炼的温度为130～170℃，混炼机转速为50～70r/min，混炼时间1.0～2.0h，冷却破碎后制成喂料；将制好的喂料加入注射成形机内，注射温度120-165℃，注射压力60-120MPa，模温30-60℃，注射成形出坯件；溶解坯件的石蜡和植物油组分，干燥后脱脂；以8～12℃/min的速度加热至840～860℃进行预烧结；坯件以5～9℃/min的升温速度升到W～E℃，保温T～Y分钟后随炉冷却。本发明的产品的尺寸精度和表面精度高、产品抗热疲劳性能高、产品使用寿命长。

Description

一种可变几何截面涡轮增压器喷嘴环叶片的制备工艺

技术领域

本发明涉及一种喷嘴环叶片的制备工艺，特别是涉及一种可变几何截面涡轮增压器喷嘴环叶片的制备工艺。

背景技术

可变几何截面涡轮增压器可以全面改善发动机的动力性、经济性以及排放指标等综合性能，给发动机注入强劲动力，能更好地满足欧III、欧IV新排放标准要求。其主要工作原理是通过调节涡轮进口导向叶片的角度，来改变涡轮喷嘴的截面大小，进而调节增压压力。当发动机处于怠速工况或低速工况时，喷嘴叶片关闭或喷嘴截面很小，即使在此时较低的废气流量下也能够使叶轮很快地加速，从而提高发动机的低速扭矩，改善发动机的低速响应性；当发动机高速运转时，喷嘴叶片全开或喷嘴截面很大，凭借此时较高的废气流量能够克服较大的叶轮阻力，提供较大的动力来提高增压压力，充分满足发动机对吸入空气的需要。可变喷嘴涡轮增压器目前在车用柴油机得到愈来愈广泛的应用。可变几何截面涡轮增压器与通常增压器比较，具有如下优点：1、在全工况范围内提高内燃机的动力性和经济性；2、可明显改善内燃机的加速性和低速转矩特性；3、可使联合运行线流量范围拓宽，配合使用后掠式压气机和其他可变技术，可满足高增压、变工况运行特性要求很高的内燃机的性能需求；4、改善排放品质。其中，喷嘴环组件(喷嘴环，叶片)是可变几何截面涡轮增压器的关键组成部分，其质量尤其是叶片质量直接决定着涡轮增压器性能。

内燃机排出的废气温度相当高，喷嘴环叶片的工作环境相当恶劣(约700℃以上，瞬间工作温度可达到850℃)，导致目前内燃机车发生的故障中，喷嘴环叶片失效引起的涡轮增压器故障占相当大比例。喷嘴环叶片失效的主要原因是热疲劳所产生的裂纹。在高温高压下，喷嘴环叶片由于温度变化会引起膨胀及收缩，但因为受到约束导致内部因变形受阻而产生热应力，当温度反复变化时这种热应力也反复变化，尤其在开车、停车之周期影响下，该零件将受到交变热应力作用，因而使材料受到损伤，引起涡轮增压器故障。因此，可变几何截面涡轮增压器增压技术的发展需要高性能的喷嘴环叶片，国内外从业者的在叶片叶型、材料及其制备技术三个方面进行了大量的研究工作。

有关喷嘴环叶片的结构与材料选用国内尚未制定可参照的标准，材料主要是18-8型不锈钢和2Cr13材质。18-8型不锈钢耐高温氧化，但容易产生晶间腐蚀，由于内燃机废气中含有大量Na₂SO₄、V₂O₅和其他盐类，要求材料抗燃气腐蚀能力强，故18-8型不锈钢已逐步被其他材料所取代。2Cr13材质高温强度不够，在服役条件下通常抗拉强度约为270MPa，延伸率约为15％左右，随着现代工业对发动机效率的要求不断提高，其力学性能和抗疲劳性能已力不从心。因此，国外制造商一般采用一些成分更为复杂、性能更为优异的材料。其中，HK-30不锈钢以其优良的高温力学性能及抗高温腐蚀性能受到了国外研究者的青睐。HK-30不锈钢性能优异，高温强度可达420MPa(使用温度可达1200℃)，延伸率25％，添加强化合金元素后性能可望得到更大的提高。因此采用HK-30不锈钢为基础，采用添加强化合金元素提高其性能的方法制备高性能喷嘴环叶片有望大幅提高其性能。

在制备工艺方面，国内采用的制造方法主要是铸造。但由于材料的熔炼浇铸温度都特别高，熔体化学性质活泼，流动性差，对于壁厚极薄的叶片要实现浇满非常困难；且对于各种复杂形状的叶片采用精密铸造生产会由于其液态金属不能够完全均匀地填充模腔，得到的产品精度不高；熔体补缩能力差，容易产生收缩缺陷导致铸件报废；成形的铸件组织粗大，容易产生成分偏析，导致显微组织的不均匀性和性能的不稳定，即使通过退火处理后，由于相变时产生的应力也较大，性能也不佳，产品的可靠性低，而且工艺成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种产品的尺寸精度和表面精度高、产品抗热疲劳性能高、产品使用寿命长的可变几何截面涡轮增压器喷嘴环叶片的制备工艺。

为了解决上述技术问题，本发明提供的可变几何截面涡轮增压器喷嘴环叶片的制备工艺，其过程如下：

原料准备：HK30的气雾化粉，按重量百分比加入0.2-1.5％的Ti；

粘结剂的制备：按重量百分比，取聚乙二醇10-15％、植物油15-30％、聚乙烯10-15％、聚丙烯5-20％，石蜡25-45％，在140℃-160℃温度下混合1-2小时；

制备喂料：按质量比80-95∶20-5％的比例，称量好粘结剂与HK30、Ti粉末进行混炼，混炼的温度为130～170℃，混炼机转速为50～70r/min，混炼时间1.0～2.0h，冷却破碎后制成喂料；

注射成形：将制好的喂料加入注射成形机内，注射温度120-165℃，注射压力60-120MPa，模温30-60℃，注射成形出坯件；

坯件处理和预烧结：首先将坯件溶解其中的石蜡和植物油组分；然后将干燥后的坯件进行脱脂；然后以8～12℃/min的速度加热至840～860℃进行预烧结；

坯件烧结：坯件以5～9℃/min的升温速度升到1200～1310℃，保温60～480分钟后随炉冷却。

本发明采用的粉末原料为英国Osprey公司提供的HK30的气雾化粉。

上述注射成形步骤中粉末装载量的大小为40-60％。

上述步骤坯件处理和预烧结中所述的坯件溶解石蜡、植物油组分和脱脂是首先将坯件置于二氯甲烷溶剂中，溶解其中的石蜡和植物油组分；然后将干燥后的坯件放入真空脱脂炉中，在氩气保护下，以2～6℃/min加热至170～190℃，保温160～200分钟，再以2～6℃/min加热至320～380℃，保温160～200分钟。

采用上述技术方案的可变几何截面涡轮增压器喷嘴环叶片的制备工艺，，采用Ti、Nb等高碳亲和力的合金元素，调节并稳定烧结产品当中的碳含量，避免有害碳化物形成，提高叶片抗热疲劳性能，延长产品使用寿命。本发明通过比较剪切力和粉末/粘结剂内聚力制定粉末/粘结剂两相体能否均匀混炼的工艺。采用扭矩、密度和毛细管压力变化描述两相体的宏观分散行为，通过检测不同混炼时间同一区域的微观分散进程，保证元素均匀分布。

${\mathrm{\σ}}_H=\frac{5}{2}\mathrm{\η\γ}---\left(1\right)$

$\mathrm{\γ}=\frac{4U}{3(1+S)H}---\left(2\right)$

${\mathrm{\σ}}_c=1.1\frac{1-\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\ϵ}}\×\frac{H}{d^2}---\left(3\right)$

公式(1)、(2)和(3)分别为剪切应力、剪切速率和颗粒内聚力的表达式。其中σ_H为剪切应力，η为两相体粘度，γ为剪切速率，U、S、H为混炼设备参数，ε为喂料孔隙率，H为粉末和粘结剂的结合力，d为粉末粒径，σ_c为粉末颗粒间结合强度。根据混炼设备参数由公式(2)计算获得剪切速率，再结合喂料粘度参数代入公式(1)获得剪切应力，将此剪切应力与由喂料参数计算得到的颗粒内聚力进行比较，制定适当的混炼工艺。控制热脱脂的温度和保温时间，在低于或等于高聚物组分的熔点的温度下进行足够时间的保温，使粉末中的细粉通过毛细管力的作用运动到产品表面，再通过这些细粉的烧结提高产品的表面精度。

本发明采用粉末注射成形方法，粉末注射成形技术是由粉末冶金工艺与塑料注射成形相结合而形成的一种新型近净成形技术。它集设计、制备、加工于一体，是一项高性能、低成本、近净成形的材料制备技术，由于在其粉末中加入大量的粘结剂，因此所制备的喂料均匀一致且流动性好，又是在流动状态下均匀填充模腔成形，模腔内各点压力相同，密度一致，能获得微观组织均匀，无合金成分偏析的成形坯，并且整个工艺过程自动化程度较高，容易实现规模化，材料的利用率几乎可以达到100％，生产成本低，这就具备其它成形工艺所不可比拟的优势，很适合于制备精密复杂形的涡轮增压器喷嘴环叶片零部件。

本发明可以将产品的尺寸精度控制在±0.02mm，免去后续的加工整形，直接满足下游客户的装配要求；产品表面精度控制在10μm，提高了叶片气流的转化效率；在700的工作温度下，产品强度达≥420MPa，延伸率达25％，提高了产品抗热疲劳性能，延长了产品使用寿命，较原同类产品提高了1.5倍，达到国际先进水平。

本发明的独特点在于，采用粉末注射成形技术制备HK-30不锈钢涡轮增压器喷嘴环叶片零部件，添加强化元素，产品的显微组织均匀，力学性能优良。采用合金强化的HK-30粉末，确定合金元素的添加量和添加方式，提高材料高温持久强度和韧性。在多种合金元素存在的条件下，保证元素均匀分布。控制批量生产产品的表面精度，产品表面精度控制在10μm，提高叶片气流转化效率。

附图说明

图1是HK30粉末的扫描电镜图；

图2是HK30粉末的粒度分布图；

图3是强化合金元素Ti粉的扫描电镜图；

图4是喂料的粘度-剪切速率曲线；

图5是粉末和粘结剂均匀分布扫描电镜图；

图6是热脱脂过程中细粉末在脱脂坯表面的聚集扫描电镜图；

图7是烧结程序图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1：

可变几何截面涡轮增压器喷嘴环叶片的制备工艺，其过程如下：

原料准备：本发明采用的粉末原料为英国Osprey公司提供的HK30的气雾化粉。粉末的化学成分如表1所示。图1为原料粉末SEM形貌图，其粒度分布如图2所示。为提高产品性能，按重量百分比加入1.5％的高碳亲合力元素Ti，其形貌如图3所示。

表1  HK30粉末的化学成分

粘结剂的制备：按重量百分比，取聚乙二醇10％、植物油30％、聚乙烯10％、聚丙烯5％，石蜡45％，置叶片式混料机中，在140℃温度下混合1小时。

制备喂料：按质量比95∶5％的比例，称量好粘结剂与HK30、Ti粉末进行混炼，混炼的温度为150℃，混炼机转速为60r/min，混炼时间1.5h。通过毛细管流变仪和扫描电镜进行喂料的均匀性判定，如图4、图5。冷却破碎后制成喂料。

注射成形：选取粉末装载量的大小为40％。将制好的喂料加入B0Y50T注射成形机内，注射温度165℃，注射压力60MPa，模温30℃，注射成形出坯件。

坯件处理和预烧结：首先将坯件置于浓度为二氯甲烷溶剂中，溶解其中的石蜡和植物油组分；然后将干燥后的坯件放入真空脱脂炉中，在氩气保护下，以4℃/min加热至180℃，保温180分钟，再以4℃/min加热至350℃，保温180分钟，使细粉可经由孔隙通道到达脱脂坯表面，如图6所示。使然后以10℃/min的速度加热至850℃进行预烧结。

坯件烧结：坯件以7℃/min的升温速度升到1250℃，保温400分钟后随炉冷却。注射试样的烧结程序如图7所示。通过在不同温度下烧结确定了较优烧结温度。对各种条件的烧结态试样的密度和拉伸性能进行了测试。

表2  烧结后HK30-0.6Ti的力学性能

实施例2：

可变几何截面涡轮增压器喷嘴环叶片的制备工艺，其过程如下：

原料准备：本发明采用的粉末原料为英国Osprey公司提供的HK30的气雾化粉。粉末的化学成分如表1所示。为提高产品性能，按重量百分比加入1.0％的高碳亲合力元素Ti；

粘结剂的制备：按重量百分比，取聚乙二醇15％、植物油30％、聚乙烯10％、聚丙烯20％，石蜡25％，置叶片式混料机中，在150℃温度下混合1.5小时。

制备喂料：按质量比85∶15％的比例，称量好粘结剂与HK30、Ti粉末进行混炼，混炼的温度为130℃，混炼机转速为70r/min，混炼时间2.0h。通过毛细管流变仪和扫描电镜进行喂料的均匀性判定。冷却破碎后制成喂料。

注射成形：选取粉末装载量的大小为50％。将制好的喂料加入BOY50T注射成形机内，注射温度155℃，注射压力100MPa，模温50℃，注射成形出坯件。

坯件处理和预烧结：首先将坯件置于二氯甲烷溶剂中，溶解其中的石蜡和植物油组分；然后将干燥后的坯件放入真空脱脂炉中，在氩气保护下，以2℃/min加热至170℃，保温160分钟，再以2℃/min加热至320℃，保温160分钟，使细粉可经由孔隙通道到达脱脂坯表面，使然后以8℃/min的速度加热至840℃进行预烧结。

坯件烧结：坯件以5℃/min的升温速度升到1260℃，保温360分钟后随炉冷却。

实施例3：

可变几何截面涡轮增压器喷嘴环叶片的制备工艺，其过程如下：

原料准备：本发明采用的粉末原料为英国Osprey公司提供的HK30的气雾化粉。粉末的化学成分如表1所示。为提高产品性能，按重量百分比加入0.5％的高碳亲合力元素Ti；

粘结剂的制备：按重量百分比，取聚乙二醇15％、植物油15％、聚乙烯15％、聚丙烯20％，石蜡35％，置叶片式混料机中，在155℃温度下混合1.5小时。

制备喂料：按质量比90∶10％的比例，称量好粘结剂与HK30、Ti粉末进行混炼，混炼的温度为170℃，混炼机转速为50r/min，混炼时间1.0h。通过毛细管流变仪和扫描电镜进行喂料的均匀性判定，冷却破碎后制成喂料。

注射成形：选取粉末装载量的大小为60％。将制好的喂料加入BOY50T注射成形机内，注射温度140℃，注射压力80MPa，模温40℃，注射成形出坯件。

坯件处理和预烧结：首先将坯件置于二氯甲烷溶剂中，溶解其中的石蜡和植物油组分；然后将干燥后的坯件放入真空脱脂炉中，在氩气保护下，以5℃/min加热至180℃，保温200分钟，再以5℃/min加热至350℃，保温200分钟，使细粉可经由孔隙通道到达脱脂坯表面，使然后以9℃/min的速度加热至850℃进行预烧结。

坯件烧结：坯件以8℃/min的升温速度升到1320℃，保温180分钟后随炉冷却。

实施例4：

可变几何截面涡轮增压器喷嘴环叶片的制备工艺，其过程如下：

原料准备：本发明采用的粉末原料为英国Osprey公司提供的HK30的气雾化粉。粉末的化学成分如表1所示。为提高产品性能，按重量百分比加入0.2％的高碳亲合力元素Ti；

粘结剂的制备：按重量百分比，取聚乙二醇12％、植物油20％、聚乙烯12％、聚丙烯20％，石蜡36％，置叶片式混料机中，在160℃温度下混合2小时。

制备喂料：按质量比80∶20％的比例，称量好粘结剂与HK30、Ti粉末进行混炼，混炼的温度为160℃，混炼机转速为60r/min，混炼时间1.5h。通过毛细管流变仪和扫描电镜进行喂料的均匀性判定，冷却破碎后制成喂料。

注射成形：选取粉末装载量的大小为55％。将制好的喂料加入BOY50T注射成形机内，注射温度120℃，注射压力120MPa，模温60℃，注射成形出坯件。

坯件处理和预烧结：首先将坯件置于二氯甲烷溶剂中，溶解其中的石蜡和植物油组分；然后将干燥后的坯件放入真空脱脂炉中，在氩气保护下，以6℃/min加热至200℃，保温160分钟，再以6℃/min加热至380℃，保温160分钟，使细粉可经由孔隙通道到达脱脂坯表面，使然后以12℃/min的速度加热至860℃进行预烧结。

坯件烧结：坯件以9℃/min的升温速度升到1380℃，保温120分钟后随炉冷却。

本发明的特点：

(1)本发明采用Ti、Nb等高碳亲和力的合金元素，调节并稳定烧结产品当中的碳含量，避免有害碳化物形成，提高叶片抗热疲劳性能，延长产品使用寿命。

(2)本发明通过比较剪切力和粉末/粘结剂内聚力制定粉末/粘结剂两相体能否均匀混炼的工艺。采用扭矩、密度和毛细管压力变化描述两相体的宏观分散行为，保证元素均匀分布。

(3)控制热脱脂的温度和保温时间，在低于或等于高聚物组分的熔点的温度下进行足够时间的保温，使粉末中的细粉通过毛细管力的作用运动到产品表面，再通过这些细粉的烧结提高产品的表面精度。

以上所述设计参数仅为本发明部分实例，故不能以此限定本发明的实施范围，依本发明申请专利范围及说明书内容所做的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种可变几何截面涡轮增压器喷嘴环叶片的制备工艺，其特征是：其过程如下：

原料准备：HK30的气雾化粉，按重量百分比加入0.2-1.5％的Ti；

粘结剂的制备：按重量百分比，取聚乙二醇10-15％、植物油15-30％、聚乙烯10-15％、聚丙烯5-20％，石蜡25-45％，在140℃-160℃温度下混合1-2小时；

制备喂料：按质量比80-95∶20-5％的比例，称量好粘结剂与HK30、Ti粉末进行混炼，混炼的温度为130～170℃，混炼机转速为50～70r/min，混炼时间1.0～2.0h，冷却破碎后制成喂料；

注射成形：将制好的喂料加入注射成形机内，注射温度120-165℃，注射压力60-120MPa，模温30-60℃，注射成形出坯件；

坯件处理和预烧结：首先将坯件溶解其中的石蜡和植物油组分；然后将干燥后的坯件进行脱脂；然后以8～12℃/min的速度加热至840～860℃进行预烧结；

坯件烧结：坯件以5～9℃/min的升温速度升到1200～1310℃，保温60～480分钟后随炉冷却。

2.根据权利要求1所述的可变几何截面涡轮增压器喷嘴环叶片的制备工艺，其特征是：本发明采用的粉末原料为英国Osprey公司提供的HK30的气雾化粉。

3.根据权利要求1或2所述的可变几何截面涡轮增压器喷嘴环叶片的制备工艺，其特征是：上述注射成形步骤中粉末装载量的大小为40-60％。

4.根据权利要求1或2所述的可变几何截面涡轮增压器喷嘴环叶片的制备工艺，其特征是：上述步骤坯件处理和预烧结中所述的坯件溶解石蜡、植物油组分和脱脂是首先将坯件置于二氯甲烷溶剂中，溶解其中的石蜡和植物油组分；然后将干燥后的坯件放入真空脱脂炉中，在氩气保护下，以2～6℃/min加热至170～190℃，保温160～200分钟，再以2～6℃/min加热至320～380℃，保温160～200分钟。

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