CN102777214A

CN102777214A - 陶瓷粉末涡轮增压器喷嘴环叶片及其制造方法

Info

Publication number: CN102777214A
Application number: CN201210261913XA
Authority: CN
Inventors: 黄若; 董优清; 彭江; 黄劼
Original assignee: Pingxiang Huicheng Precision Machinery & Electronic Co Ltd
Current assignee: Pingxiang Huicheng Precision Machinery & Electronic Co Ltd
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2032-07-27
Also published as: CN102777214B

Abstract

本发明公开了陶瓷粉末涡轮增压器喷嘴环叶片，它包括与叶片本体（1）整体相连的联接轴（2），叶片由81-87wt％的氮化硅、碳化硅、氧化铝或氧化锆原料粉末与由重量比为5.0~7.5％PW、1.5~2.0％HDPE、2.5~4.0％PP和4~5.5％SA混合形成的粘接剂分别加入混炼机中混炼制成喂料，在塑料模压成形机上于模压成形，将注射坯体在有机溶剂中浸泡干燥后，再在分解氨气氛中脱脂，将脱脂的模压坯体在真空炉中高温烧结而成，联接轴横截面具有至少两个折面，本发明可大批量一次成形制造复杂形状、精度高的叶片，且后继加工量很少，喂料可循环利用；增加了叶片与拔叉的连接强度和扭矩，提高了叶片耐高温性能，使叶片与拔叉不会发生相对松动和磨损，达到牢固连接。

Description

陶瓷粉末涡轮增压器喷嘴环叶片及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种发动机涡轮增压器，尤其是涉及涡轮增压器喷嘴环上的叶片及其制造方法。

背景技术

涡轮增压是当今世界活塞式内燃机技术发展的主要方向之一，是发动机强化的最主要途径。发动机采用涡轮增压技术可以大幅度提高输出功率、提高体积与重量功率密度，改善经济性、节约能源，改善排气污染、减轻噪声，补偿高原环境的功率损失。在不改变发动机基本结构的情况下，涡轮增压发动机与自然吸气发动机比较，可以提高功率30%～100%以上，降低油耗10%～20%（汽油机）、20%～40%（柴油机），配合其它技术措施，可使汽车达到欧Ⅳ、欧Ⅴ和欧Ⅵ的排放水平，而成本只增加8%～10%，重量增加3%～5%。

但是，随着环境保护法规与汽车排放标准的日益严格，普通涡轮增压器已经不能满足发动机的要求。这是因为：（1）普通增压器不能解决涡轮增压发动机存在的加速滞后现象，在实际应用中表现为加速起动性能较差，因而导致发动机在加速时供气不足，燃烧不完全，烟度差，排放超标等问题；（2）普通涡轮增压器不能适应当代先进发动机更宽广的工作范围，即不能调节、适应发动机的工况变化，满足发动机全工况匹配要求。而可变喷嘴环涡轮增压器可以根据发动机电控单元发出的信号调节喷嘴环叶片开度，使涡轮增压器能够随发动机工况变化调节进气流量，适应发动机不同工况对进气流量的要求，从而提高涡轮增压器的响应性，改善发动机的瞬态性能、降低瞬态过程排放污染，较好的满足当代先进发动机这一要求，应用日益普遍。

叶片是可调喷嘴环涡轮增压器的关键零件，形位公差要求很严，喷嘴环叶片转轴孔的加工精度和表面要求也很高。由于叶片工作在高温（一般地，柴油机≤850℃、汽油机≤1050℃）燃气环境中，必须具有良好的耐高温性、耐氧化性、耐腐蚀性以及耐磨擦性，其材质一般采用耐热钢、高温合金等。这种零件的传统制造方法是“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，其成分易于偏析和组织不均匀、塑性极差、加工性差，兼之零件形状较复杂、精度要求高，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。

粉末冶金技术作为一种新技术，目前已经广泛地应用于航空航天、电子、汽车及医疗等领域。粉末冶金材料体系已经涉及耐热钢、高温合金、硬质合金及陶瓷等。与上述采用耐热钢、高温合金或超合金等来加工可调喷嘴环涡轮增压器的关键零件相比，粉末冶金技术不仅可以制造出形状复杂、组织结构均匀和高性能、高精度尺寸的产品，而且生产效率较高、材料利用率较高，成本较低，容易实现自动化连续批量作业。但由于冶金粉末材料中含有大量在高温下容易分解生成玻璃脆相的金属氧化物（如氧化镁、氧化钙、氧化铁等），导致产品局部形成硬块，因而在用冶金粉末材料来制造可调喷嘴环涡轮增压器中的叶片时会出现下述问题：一是由于粉末冶金材料中金属或金属氧化物含量高，造成材料成本相对较高；二是冶金粉末与粘接剂混合时由于流动性不高，导致混合料致密性下降，收缩性增大，烧结后产品不仅容易出现局部鼓胀和突起硬物，降低了产品质量，而且增加叶片局部加工难度，提高了生产成本。

再是现有喷嘴环叶片与拨叉的装配连接采用圆轴-孔配合，即将叶片上圆型联接轴插入圆形拨叉孔后、再用氩弧焊、或激光焊、或等离子焊接固定。由于叶片与拨叉工作温度不同、造成热负荷不同，使叶片与拔叉之间会出现松动，导致焊接失效，而焊接失效是喷嘴环叶片在使用中的常见故障。

发明内容

针对上述现有技术中涡轮增压器喷嘴环叶片存在的问题，本发明提供了一种不仅材料成本低，复杂零件易于成型加工，而且工作性能好，尺寸精度高的采用陶瓷粉末材料制取的涡轮增压器喷嘴环叶片及其制造方法。

本发明要解决的技术问题所采取的技术方案是：所述陶瓷粉末涡轮增压器喷嘴环叶片包括叶片本体和与叶片本体整体相连的联接轴，所述联接轴与拔叉固定相连，所述联接轴横截面具有至少两个折面，所述叶片由氮化硅、碳化硅、氧化铝或氧化锆原料粉末的一种与由PW、HDPE、PP和SA混合形成的粘接剂组成，并按下述方法制备而成：

a、混炼：将重量比为81-87％的氮化硅、碳化硅、氧化铝或氧化锆原料粉末的一种与由重量比为5.0~7.5％PW、1.5~2.0％HDPE、2.5~4.0％PP和4~5.5％SA混合形成的粘接剂分别加入混炼机中并在150～200℃、转速30～45rpm的条件下混炼30min～60min制成喂料，

b、模压成形：在塑料模压成形机上于模压温度150～200℃、模压压力20～200MPa的条件下将喂料模压成形，得到叶片的注射坯体，

c、脱脂：将注射坯体在有机溶剂中于40～60℃下浸泡2～4h；干燥后，再在分解氨气氛的保护下于200～600℃进行热脱脂，时间6～8h，

d、烧结：将脱脂的模压坯体在1300～1850℃温度下的真空烧结炉中烧结20～60min，得到形状、尺寸及精度均符合要求的叶片。

叶片上的联接轴横截面最好为正方形、长方形、正五边形、正六边形、梅花形或花键形。

所述有机溶剂优选为三氯乙烷或三氯乙烯。

为进一步提高叶片的力学性能，根据合金成份，可将叶片在机加工前进行强化热处理或热等静压处理。

所述粘结剂是蜡基多组元聚合物体系，所述PW为石蜡、所述HDPE为高密度聚乙烯、所述PP为聚丙烯、所述SA为硬脂酸。

本发明所述陶瓷粉末涡轮增压器喷嘴环叶片技术指标为：致密度98-99.8％、抗拉强度490-1100MPa、延伸率10-18％、800℃下100h的氧化速率为0.004-0.015g／m²·h。

本发明的优点是：它以贮存量丰富、价格相对较低的氮化硅、碳化硅、氧化铝或氧化锆陶瓷粉末为原料，与粘接剂混合后通过一次模压成形和烧结来制取涡轮增压器喷嘴环叶片，由于氮化硅、碳化硅、氧化铝或氧化锆陶瓷粉末在高温烧结中不容易分解，其氧化物分子相对稳定，分子之间流动阻力小，流动性好，易于复杂零件的成型，烧结时不会产生脆相，烧结后产品形状完整，表面光滑、内部致密。因此本发明相与现有技术中采用粉末冶金制造和采用耐热钢、高温合金或超合金的叶片相比；一是不仅同样在高温燃气环境中具有良好的耐高温性、耐氧化性、耐腐蚀性以及耐磨擦性，而且具有材料成本更低，材料利用率更高，加工更方便，适用性更广等特点，二是可大批量一次成形直接制造复杂形状、精度高的发动机涡轮增压器用叶片，且后继加工量很少，产品成分及组织均匀，精度高，喂料可循环利用；还可根据不同安装盘工作环境，调整设计合适的合金成分；再是本发明所述的叶片与拔叉之间采用异型轴-孔连接方式，即将现有叶片与拔叉之间采用圆孔加焊接的连接方式改为叶片与拔叉之间采用异型孔和涂耐1700℃高温的防松高温粘接剂的连接方式，由于叶片与拔叉的接触为异型孔，不仅增加了叶片与拔叉的连接强度和扭矩，而且提高了叶片耐高温性能，使叶片与拔叉在高温环境中不会发生相对松动和磨损，达到叶片与拔叉牢固连接。

附图说明

图1为发动机涡轮增压器喷嘴环上第一种叶片主视图，

图2是图1的A-A剖视图；

图3为发动机涡轮增压器喷嘴环上第二种叶片主视图，

图4是图3的B-B剖视图；

图5为发动机涡轮增压器喷嘴环上第三种叶片主视图，

图6是图5的C-C剖视图；

图7为发动机涡轮增压器喷嘴环上第四种叶片主视图，

图8是图7的D-D剖视图。

在图中，1、叶片本体 2、联接轴。

具体实施方式

实施例1：

如图1和图2所示，所述陶瓷粉末涡轮增压器喷嘴环叶片包括叶片本体1和与叶片本体整体制成的联接轴2，所述联接轴与拔叉相连，所述联接轴横截面为正方形，也可是长方形，它具有四个折面。所述叶片制备方法是：将粒径为20～35μm和重量比为84％的氮化硅粉末与由6.5％PW、2.0％HDPE、3.0％PP和4.5％SA混合形成的粘接剂分别加入双行星混炼机中，粉末装载量为57v01％（粉末加入量为双行星混炼机容积的57%），并在温度160℃、转速35rpm下混炼60min，制得均匀喂料；喂料在模压温度为160℃、模压压力为130MPa的CJ80-E型模压机上模压成形制成模压坯体，再将模压坯体在三氯乙烷中于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6小时；随后将脱脂后的模压坯体置于真空烧结炉中于真空度(真空度10^-2～10^-3Pa)在1350℃烧结60min，得到所需形状及精度的发动机涡轮增压器喷嘴环叶片。经检测叶片致密度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：

如图3和图4所示，所述陶瓷粉末涡轮增压器喷嘴环叶片包括叶片本体1和与叶片本体整体制成的联接轴2，所述联接轴与拔叉相连，所述联接轴横截面为正六边形，它具有六个折面。所述叶片制备方法是：将平均粒径30μm和重量比为81％的碳化硅粉末与由7.5％PW、2.0％HDPE、4.0％PP和5.5％SA混合形成的粘接剂分别加入双行星混炼机中，粉末装载量为57v01％（粉末加入量为双行星混炼机容积的57%），并在温度155℃、转速30rpm下混炼40min，制得均匀喂料；喂料在模压温度为155℃、模压压力为70MPa的CJ80—E型模压机上模压成形制成模压坯体，再将模压坯体在三氯乙烷中于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7小时；随后置于真空烧结炉中于真空度(真空度10^-2～10^-3Pa)于1450℃烧结50min，得到所需形状及精度的发动机涡轮增压器用叶片。经检测叶片致密度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：

如图5和图6所示，所述陶瓷粉末涡轮增压器喷嘴环叶片包括叶片本体1和与叶片本体整体制成的联接轴2，所述联接轴与拔叉相连，所述联接轴横截面为正五边形，它具有五个折面，所述叶片制备方法是：将由等离子旋转电极法制造的平均粒径10μm和重量比为87％的氧化铝粉末与由5％PW、1.5％HDPE、2.5％PP和4％SA混合形成的粘接剂分别加入双行星混炼机中，并在温度175℃、转速40rpm下混炼60min，制得均匀喂料；喂料在模压温度为160℃，模压压力为190MPa的CJ80一E型模压机上模压成形制得模压坯体，再将模压坯体在三氯乙烯中于40℃溶脱3h，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8小时；随后置于真空烧结炉中于真空度(真空度10^-2～10^-3Pa)于1550℃烧结40min，得到所需形状及精度的发动机涡轮增压器叶片，随后再在1100℃处理3h后水冷以进行热处理，其性能经检测为：致密度98.2％、抗拉强度780MPa、延伸率10％、800℃下l00h的氧化速率为0.015g／m²·h 。

实施例4：

如图7和图8所示，所述陶瓷粉末涡轮增压器喷嘴环叶片包括叶片本体1和与叶片本体整体制成的联接轴2，所述联接轴与拔叉相连，所述联接轴横截面为花键形，也可为梅花形，它具有六个以上的折面，所述叶片制备方法是：将由等离子旋转电极法制造的平均粒径20μm重量比为85％的氧化锆粉末与由5.3％PW、1.7％HDPE、3％PP和5％SA混合形成的粘接剂分别加入双行星混炼机中，并在温度190℃、转速35rpm混炼50min，制得均匀喂料；喂料在模压温度为180℃，模压压力为100MPa的CJ80一E型模压机上模压成形制得模压坯体，再将模压坯体在三氯乙烯中于55℃溶脱2.5h，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6小时；随后置于真空烧结炉中于真空度(真空度10^-2～10^-3Pa)于1750℃烧结30min，得到所需形状及精度的发动机涡轮增压器用叶片，随后再在热等静压中以1100℃下处理4h，以进一步提高其性能，致密度99.8％。抗拉强度1100MPa、延伸率10%、800℃下100h的氧化速率为0.004g／m²·h。

Claims

1. 陶瓷粉末涡轮增压器喷嘴环叶片，其特征在于：它包括叶片本体（1）和与叶片本体整体相连的联接轴（2），所述联接轴与拔叉固定相连，所述联接轴横截面具有至少两个折面，所述叶片由氮化硅、碳化硅、氧化铝或氧化锆原料粉末的一种与由PW、HDPE、PP和SA混合形成的粘接剂组成，并按下述方法制备而成：

2.根据权要求1所述的陶瓷粉末涡轮增压器喷嘴环叶片，其特征在于：所述叶片加工前进行强化热处理或热等静压处理。

3.根据权要求1所述的陶瓷粉末涡轮增压器喷嘴环叶片，其特征在于：所述有机溶剂为三氯乙烷或三氯乙烯。